10kV限流式UPFC在配网中的应用

10kV限流式UPFC在配网中的应用

初爱磊1耿荣发2秦小强3

（1.舟山中远船务工程有限公司浙江舟山316131；

2.汉江集团丹江口电化有限责任公司丹江口市442700；

3.国网安徽省电力公司马鞍山供电公司安徽马鞍山243011

摘要：随着配电网日益完善与智能，其对配电线路进行相角、阻抗和电压进行调节，对系统潮流和无功容量进行灵活控制，以及对系统短路限流的要求日趋紧迫。限流式统一潮流控制器（简称限流式UPFC）是一种结合UPFC和桥式限流器，能有效应对系统短路故障的新型柔性交流输电装置。本文提出了10kV限流式UPFC的工作原理，明确了UPFC模块和限流器模块的工作方式，为解决日后配网即将遇到的调节与限流问题提供了一种思路。

关键词：配电网；限流式UPFC；UPFC模块；限流器模块；

1.引言

统一潮流控制器是目前综合性能最为强大的FACTS装置，能同时对线路电压、阻抗和相角进行调节，实现对系统潮流、电压和无功的灵活控制，提高了线路的输送能力，因此受到了学术界的广泛关注[1-11]。

10kV配电网作为目前配电网的主流构架，其规模越来越大，结构日益复杂，短路容量迅速增加。而作为一种全控型电力电子装置，现有的UPFC过载能力十分有限，一旦其安装点附近发生短路，UPFC必须迅速退出运行，否则其串并联变换器等设备极易因承受系统高电压和巨大短路电流的冲击而在极短时间内烧毁，这也是UPFC在电力系统中广泛应用需要解决的重要问题之一。

基于运行安全可靠性和提高线路输送能力两方面考虑，将UPFC和固态限流器（Solid-stateFaultCurrentLimitter，简称SSFCL）通过串联耦合变压器进行连接，组成一种新型FACTS装置——具有短路限流功能的统一潮流控制器（UnifiedPowerFlowControllerwithSolid-stateFaultCurrentLimiting，简称限流式UPFC或UPFC-FCL）。

本文提出了10kV限流式UPFC的工作原理，明确了UPFC模块和限流器模块的工作方式，为解决日后配网即将遇到的调节与限流问题提供了一种思路。

2.工作原理

2.1限流式UPFC的工作原理

10kV限流式UPFC是为适应目前主流配电的发展，结合UPFC和SSFCL各自优点的基础上提出的一种新型FACTS装置，其工作原理概括来讲就是在不同的电力系统运行工况下发挥UPFC和SSFCL各自的工作性能，同时对两者进行良好的协调控制以满足系统需求。

2.210kV限流式UPFC的工作原理

10kV限流式UPFC的拓扑结构图如图2所示。电网无故障正常运行时，UPFC模块的PWM脉冲正常触发，SSFCL模块的T1～T8晶闸管的触发脉冲常加，由于晶闸管的半控性，同一桥臂的上下两管分别在交流系统电压的正负过零点处触发导通，各自工作180°电角度。因此任一时刻SSFCL的T1～T6管中将有3个处于导通状态，在装置刚刚启动时串联变压器原边电流则通过导通的3个管子给直流电感充电至副边电流峰值稳定下来，直流电感电流和交流电流的差值通过T7、T8管续流，直流侧等效于短接，相当于串联耦合变压器二次侧（与中性点）短接，SSFCL呈现零阻抗，基本不影响UPFC控制网络潮流功能的发挥，整个装置等效为常规UPFC在运行。

当装置处于启动、停机、潮流调节等正常的暂态过程时，SSFCL模块的直流电感电流将跟随线路电流的变化，经过一个短暂的充放电过程，重新稳定在一个新的值，再次进入稳态运行状态。整个过程中SSFCL只有短暂的暂态过程（直流电感充放电调整），其余时刻仍然呈现零阻抗，不会影响UPFC正常功能的发挥以及电力系统的正常运行。

当电网（装置出口侧）发生短路故障时，交流系统电压全部降落在串联耦合变压器原边并耦合至副边绕组，导致SSFCL模块直流侧电压突然增大，迫使续流管T7～T8承受反压自动关断，直流电感自动串入串联耦合变中性点并经其耦合串入故障回路限制短路电流上升率，同时控制系统检测并确认故障后立即封锁UPFC和SSFCL的所有管子的触发脉冲，迫使它们退出运行，经一个周波左右串联耦合变压器副边开路，短路电流自动切断。

综上所述，系统发生短路故障（装置出口处）时SSFCL模块的直流电感自动（无延时）的串入故障回路，除了将短路电流限制在设定水平外，还和UPFC直流侧电容经过UPFC串联变换器的反向二极管构成LC回路，共同分担了短路后耦合至变压器副边绕组的系统电压，大大降低了直流侧电容因短路造成的过电压（无SSFCL模块时），同时因流过直流侧电容的短路电流也已被限制在设定水平，所以在选择直流电容时无需大容量设计，只要保证在其流过短路电流的时间（最多20ms）内的值不超过IGBT模块的安全限度即可，大大降低了UPFC的设计容量和元件成本。而现今构成SSFCL桥路的晶闸管的电压、电流耐受水平要远高于构成UPFC桥路的IGBT，成本也更低，因此整个装置可以取得较高的技术和经济效益，不仅保护了UPFC免受系统高电压和短路大电流的冲击而损坏，同时降低了系统的短路电流水平，为系统安全、稳定运行提供了可靠的保证。

3.结语

随着配电网功能日益完善，规模日趋扩大，配电线路对相角、阻抗、电压系统潮流、和无功容量提出了更高的控制要求。10kV限流式UPFC在很大程度上能满足今后配电网日益增长的需求。随着配电网网络构架及结构日益发展，20kV、35kV和110kV等级的限流式UPFC也将应运而生，发挥其独特的作用。

参考文献

[1]YANBo，JIANGDaozhuo.Controlstrategyoftransformercouplingsolidstatefaultcurrentlimiteranditsexperimentalstudywithcapacitanceload[C]//ProceedingsofInternationalConferenceonSustainablePowerGenerationandSupply，April6-7，2009，Nanjing，China：1-7.

[2]阎博，江道灼，吴兆麟，等.具有短路限流功能的统一潮流控制器设计[J].电力系统自动化，2012，36(4)：69-73.

YANBo，JIANGDaozhuo，WUZhaolin，etal.Designofunifiedpowerflowcontrollerwithfaultcurrentlimiting[J].AutomationofElectricPowerSystems，2012，36(4)：69-73.

[3]阎博，藏玉清，江道灼，等.限流式统一潮流控制器的动态分析与实验[J].电力系统自动化，2012，36(13)：101-105.

YANBo，ZANGYuqing，JIANGDaozhuo，etal.Dynamicanalysisandexperimentofunifiedpowerflowcontrollerwithfaultcurrentlimiting[J].AutomationofElectricPowerSystems，2012，36(13)：101-105.

[4]GUOJ，CROWML，SARANGAPANIJ.AnimprovedUPFCcontrolforoscillationdamping[J].IEEETransonPowerSystems，2009，24(1)：288-296.

作者简介

初爱磊，男，1981年11月，山东烟台人，船舶电气工程师和注册电气工程师，现阶段主要从事船舶电气设计和技术管理，以及供配电设计工作。e-mail:76544235@qq.com。