500kV统一潮流控制器在苏州南部电网的工程应用

摘要：报道了500 kV统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)示范工程在苏州南部电网的应用情况，工程于2017年年底建成投产，建成后将成为世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程。首先介绍了苏州南部500 kV电网发展概况和存在的问题，分析了利用常规解决措施(线路导线增容、新增输电通道)解决上述问题时遇到的困难。然后给出了利用UPFC解决苏州南部500 kV电网中存在问题的方案，详细论述了在苏州南部500 kV电网应用UPFC的接入方案、接入效果、工程实施难度和投资成本。最后通过技术经济比较，分析了苏州南部UPFC示范工程的经济效益和社会效益。分析结果显示，示范工程投运后可以有效缓解苏州南部电网中存在的直流小方式下供电能力受限、无功支撑不足、直流换相失败风险大及直流双极闭锁后应急拉限电多等问题，同时较常规解决措施具有较好的经济性和较小的实施难度。苏州南部UPFC工程对在更高电压等级上应用UPFC技术能起到积极的示范作用。

关键词：统一潮流控制器(UPFC) 苏州南部电网 潮流控制 无功支撑

引言

“十三五”期间，江苏电网将建成“六交四直”特高压工程，形成华东特高压环网及苏北特高压环网，区外来电总规模达到约50 000 MW，占最大负荷的39%。同时，风电、光伏等可再生能源装机也将大规模增长。随着电网的发展，电网在更高电压等级层面也面临着新的挑战。

江苏500 kV电网在发展中主要面临如下问题：潮流分布不均、影响电网输电能力;由于可再生能源的出力波动及区外来电(如水电直流)的季节性变化，电网潮流复杂多变、难以控制;随着负荷增长，苏州南部负荷中心动态无功支撑不足问题日趋显著;随着社会经济发展，特别是在人口密集、负荷密度高的苏南负荷中心，建设新的输电走廊非常困难，甚至无法实施。

统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作为最新一代的FACTS(flexible AC transmission system)装置，既能够实现潮流的快速、精确控制，又能够提供动态电压支撑，提高系统电压稳定性。同时UPFC可以安装在已有线路上，无需新建输电走廊，为解决电网在发展中面临的主要问题提供了一种有力的技术手段[1-6]。目前世界上已经有4个UPFC工程投入运行，其接入系统电压等级、单个换流器容量和工程名称具体如下[7-10]：138 kV/160 MV˙A的AEP UPFC工程;154 kV/40 MV˙A的KEPCO UPFC工程;345 kV/100 MV˙A的MARCY UPFC工程;220 kV/60 MV˙A的南京西环网UPFC工程。

可见，已有UPFC工程接入的电压等级相对较低，UPFC在500 kV甚至更高电压等级的应用尚无实际工程。利用UPFC装置解决江苏500 kV电网在发展过程中遇到的问题，在开展220 kV UPFC工程应用研究与实施的同时[11]，也同步开展了500 kV UPFC应用的前期研究工作。经全面梳理江苏电网枢纽点(特高压交直流站)附近、重要断面(如过江通道)和重要负荷中心应用UPFC的需求及效果，最终决定在苏州南部电网(木渎变电站)装设500 kV UPFC。苏州南部电网发展成熟，500 kV电网结构在规划期内保持稳定，较其他地区更加适合开展500 kV UPFC的试点示范应用。

本文首先介绍苏州南部电网的概况及存在问题以及利用常规方法解决上述问题时遇到的困难，然后提出利用UPFC解决苏州南部电网中存在问题的方案，论证了方案实施的可行性，最后通过全面的技术经济比较，分析了苏州南部UPFC示范工程的经济效益和社会效益。

1 苏州南部500 kV电网应用UPFC的必要性

1.1 苏州南部电网概况

苏州南部电网包括苏州市区及吴江地区。2015年，该地区最大负荷10 270 MW。预计“十三五”期间，苏州南部地区负荷仍将平稳增长，2018、2020年该地区最大负荷将达到12 000 MW、13 000 MW，饱和负荷将达到约15 000 MW。苏州南部电网的主要电源为锦苏直流，并通过梅里—木渎、石牌—玉山—车坊以及华能苏州—(石牌)—车坊3个500 kV输电通道供电，如图1所示。

1.2 苏州南部电网存在的问题

苏州南部500 kV电网的主要电源—锦苏直流(扣除网损，苏州换流站出力约6 700 MW)为水电直流，季节性强(夏季通常满送，冬季枯水期送电降至10%～20%)。从而使得苏州南部电网的受进电力规模及潮流分布季节变化较大。经分析，苏州南部500 kV电网存在直流小方式下供电能力受限、无功支撑不足、直流换相失败风险大、直流双极闭锁后应急拉限电多等问题。

(1)直流小方式下供电能力受限。冬季锦苏直流小方式下，梅里—木渎双线潮流过重。2018—2020年，双线功率约3 400 MW，N-1后剩下1回线潮流3 060 MW，超过线路输送能力(约2 950 MW)。地区达到饱和负荷时，梅里—木渎双线潮流达到3 890 MW，N-1后潮流达3 450 MW，超过线路输送能力500 MW(见图2)。

(2)无功支撑不足。苏州南部500 kV电网负荷总量大，常规电源少，而锦苏直流不能向该地区提供无功支撑，无功电压支撑能力不足。

(3)直流换相失败风险大。2016年夏季小方式，华东特高压直流全部满功率运行工况下，对江苏电网进行了故障扫描。仿真结果显示，江苏省有69条500 kV线路发生单永N-1故障会导致锦苏直流发生换相失败。

(4)直流双极闭锁后应急拉限电多。在夏季高峰、锦苏直流满送方式下，若发生锦苏直流双极闭锁，苏州南部电网需要通过交流输电通道受进的功率将增加约6 700 MW。此时，苏州南部电网相关通道潮流大幅增加，引起输电通道潮流重载，其中梅里—木渎双线负载最重。华东网调要求，需采取措施调整运行方式，在0.5 h内将苏州南部电网各输电通道潮流控制到稳定限额之下。经初步估算，2018年夏季高峰，锦苏直流双极闭锁后在事故应急处理中需要拉限负荷2 000 MW。

1.3 常规规划解决方案

(1)线路导线增容方案。梅里—木渎双线若采用导线增容改造方案，预计停电改造的建设周期约6个月。在改造停运期间，苏州南部电网仅通过2个500 kV通道供电，一旦发生直流双极闭锁等故障，事故后需拉限负荷3 500 MW;线路改造时需要将木渎变500 kV系统全停，但木渎变负荷无法转移。可见，本方案基本不可行。