潮流控制器

针对风火打捆(wind-thermal-bundled, WTB)系统在受到干扰时可能由于阻尼不足而出现的低频振荡现象以及较高的网损会导致运行成本的增加和阻碍“双碳”目标实现的问题，提出了一种电力系统稳定器(power system stabilizer, PSS)与统一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)附加功率振荡阻尼控制器(power oscillation damping, POD)参数和UPFC安装位置协调优化策略方法。首先，基于Matlab构建了风火打捆外送系统和控制器模型。然后，利用多目标樽海鞘优化算法(multi-objective salp swarm algorithm, MSSA)，将协调优化问题转化为多目标优化问题。目标函数设计中考虑了UPFC装置的调节特性。最后，采用IEEE 4机2区系统和16机5区系统进行多种工况下的仿真。仿真结果显示，协调优化后的控制器可以提高系统阻尼，维持发电机转速的稳定，抑制低频振荡引起的系统有功、电压等的波动，同时降低了系统的有功网损，提高了系统稳定性和运行经济性。MSSA在工程问题上的应用得到了补充。

本文介绍柔性直流、直流电网构网形态与故障保护技术，包括中型、大型直流电网的构网机制、可能的换流器类型、主要拓扑。重点介绍直流电网的故障电流演化规律及限流原则，以及充分考虑经济性和装备复用性的多种直流电网限流设备，如可关断直流故障电流的MMC换流器、可闭锁直流故障电流的DC-DC变压器、直流电网故障电流限制器、具有限流能力的潮流控制器等，阐明在严重直流故障下，多个VSC换流站对直流短路电流的贡献度和影响因素，最后介绍含多类型故障限流器的直流电网仿真系统及其试验。

混合型潮流控制器(hybrid power flow controller, HPFC)可以有效解决风电并网系统中存在的支路潮流过载问题，且相较于统一潮流控制器成本更低。针对现有的HPFC潮流优化研究尚未计及支路潮流最大值约束和风电不确定性的问题，提出一种基于场景削减的含HPFC风电并网系统最优潮流模型。首先，建立HPFC的功率注入模型，并推导了注入功率表达式；其次，采用K均值算法削减风电、负荷概率场景，通过CH(+)指标选择最优场景集合；最后，建立兼顾发电机运行成本、系统网络损耗、正常运行及N-1故障下的支路负载率的多目标优化模型，采用多目标粒子群优化(multi-objective particle swarm optimization, MOPSO)算法进行求解，利用模糊满意度函数在Pareto解集中筛选出折衷解。在MATLAB中仿真验证所提方法的有效性，结果表明该方法可以计及风电不确定性，保证电网在不同场景下的安全经济运行。

直流潮流控制器是实现多端直流电网稳态潮流调节的关键装备，针对现有直流潮流控制器的局限性，通过在环形支路中串入输出直流电压可调节的级联子模块的方式，设计了一种新型多端口直流潮流控制器。首先，对所提控制器的拓扑结构和工作原理进行了阐述；然后，介绍了其控制策略和参数选择方法；最后，通过一个具有八条直流线路的五端直流电网的电磁暂态仿真案例对直流潮流控制器的性能进行验证。结果表明：所提控制器能够同时调节同一直流母线所连接的多条直流线路上的潮流，具有模块化和易扩展的优势。

电网潮流精准灵活控制是电力领域一项世界级难题，现代电网规模和复杂度日益增加，潮流失控风险高，应用统一潮流控制器（UPFC）实现潮流灵活精准控制是电网发展的迫切需求。统一潮流控制器工程设计导则等 10 项标准首次完整构建了 UPFC 技术标准体系，覆盖规划、设计、生产、检验、建设、调试、检修等各环节，为 UPFC 技术应用提供标准保障，为国内外首创。 本系列标准基于 UPFC 重大科技计划、科技示范工程等项目的研究，通过自主创新，攻克新一代 UPFC 关键技术，研制了国际上首套模块化多电平 UPFC 装备，并实现工程应用，获得国网公司科技进步一等奖，授权发明专利 32 项（含美国专利 2 项），出版中英文著作 4 部，发表SCI/EI 论文 52 篇。在凝练提升创新成果基础上，研制了 UPFC 技术系列标准，实现了 UPFC 规划设计、设备研制、调试运维等各环节中技术要求和参数的有机衔接和协调统一。本系列标准在 UPFC 规划设计系统化、成套设备规范化、建设调试标准化等方面实现了技术突破。首次提出了综合需求匹配、迭代寻优的 UPFC 可行性研究方法及设计要求，实现了系统参数优化配合，解决了成套设备集成难题。提出了入网性能优化的 UPFC 核心设备技术要求，实现设备设计、生产、检验规范化，降低设备研发和检测周期。首次建立 UPFC 功能和性能指标体系及验证要求，实现从单体到系统、离线到在线、稳态到动态的试验流程和方法，提高了 UPFC 运行可靠性和安全性。 本系列标准拥有完全自主知识产权，填补了灵活交流输电（FACTS）技术领域多项国内外空白。依托本系列标准成果，立项 UPFC 电力行标 12 项，在 IEC、IEEE 牵头成立 UPFC 标准工作组，立项国际标准 4 项，相关成果写入了 CIGRE 的柔性交流输电绿皮书，实现我国 UPFC 技术的国际引领。

项目组从 2012 年开始，对新一代 UPFC 总体拓扑结构、换流器设计、主设备特性、控制保护、调控运行策略等关键技术开展重点攻关。同时，在“十二五”期间南京 220kV西环网供电能力不足问题开始逐渐突出。因地处城市核心区，新建输电线路或现有线路增容改造的常规方案，不仅投资巨大且实施难度极大，经详细经济技术论证，采用 UPFC技术能有效解决南京西环网供电能力受限和输电瓶颈问题，通过潮流优化控制，可整体提高南京电网的供电能力和运行可靠性。在此背景下，国家电网公司将南京西环网统一潮流控制器工程列入重大科技示范工程，研制统一潮流控制器成套设备并实施工程应用。

统一潮流控制器（UPFC）作为柔性交流输电系统（FACTS）装置的一种，可以有效地调节线路潮流，控制节点电压，提高电力系统安全稳定运行。而合理选择统一潮流控制器的站址位置，是充分发挥其强大功能的前提，对电力系统影响重大。 2015年以前，中国在UPFC领域的研究仅限于理论仿真及实验室，并无工程应用，而全球共投运三套UPFC装置，分别位于美国、韩国、美国。2015年12月，南京西环网统一潮流控制器（UPFC）工程顺利投运，在南京220千伏晓庄~铁北双回线路加装UPFC，可实现对线路潮流的灵活、精确控制，解决输电瓶颈。该工程是我国首个自主知识产权的UPFC工程，也是国际上首个使用模块化多电平换流（MMC）技术的UPFC工程。2017年12月，苏州南部电网统一潮流控制器（UPFC）工程顺利投运，在500千伏木渎~梅里双线加装UPFC，可实现潮流、电压无功的灵活、精准控制。该工程是世界上第一个基于模块化多电平技术的500千伏UPFC工程，是目前世界上电压等级最高、容量最大、控制最复杂的UPFC工程，也是世界上首个500千伏电压等级的双回线路UPFC工程，创造了多项世界第一，对促进我国电力科技水平的提升具有重要意义。国内两个UPFC工程的投运标志着全球能源互联网最先进的柔性交流输电技术在江苏率先落地，我国在柔性交流输电技术上走在了世界最前列。国内两个UPFC工程均由本专利的专利权人单位全程设计，本专利亦是根据工程实际设计过程，总结、创新的产物，弥补了以往UPFC选所方法理论性较强，无法实际运用的弊端，兼顾理论性和实用性，较其它方法可以更有效地排除干扰项，方法简明、易理解、计算快捷，更快地得到最优及较优解。