Унифицированный контроллер потока мощности¶

Унифицированный контроллер потока мощности (УКПМ, англ. Unified Power Flow Controller, UPFC) — это гибкое устройство силовой электроники, относящееся к классу FACTS (Flexible AC Transmission Systems, гибкие системы передачи переменного тока), предназначенное для одновременного и независимого регулирования активной и реактивной мощности в электрической сети, а также для управления напряжением в точке подключения. УКПМ объединяет в себе функции статического компенсатора реактивной мощности (СТАТКОМ) и фазосдвигающего трансформатора, реализованного на базе преобразователей напряжения.

¶Принцип действия

УКПМ состоит из двух преобразователей напряжения (Voltage Source Converter, VSC), соединённых общей шиной постоянного тока (DC-link). Один преобразователь (шунтирующий, или параллельный) подключается к линии электропередачи через понижающий трансформатор параллельно нагрузке, а второй (последовательный) — последовательно в разрыв линии через последовательный трансформатор.

Шунтирующий преобразователь работает как СТАТКОМ: он обменивается реактивной мощностью с сетью, поддерживая напряжение на шине постоянного тока и регулируя напряжение в точке подключения. Последовательный преобразователь генерирует напряжение заданной амплитуды и фазы, которое вводится последовательно в линию. Изменяя вектор этого напряжения, УКПМ управляет током в линии, а следовательно, и потоками активной и реактивной мощности.

Управление осуществляется за счёт изменения угла и модуля выходного напряжения последовательного преобразователя. В отличие от традиционных устройств (например, фазосдвигающих трансформаторов с механическими переключателями), УКПМ может изменять параметры регулирования практически мгновенно — за время порядка одного периода промышленной частоты (20 мс для сети 50 Гц).

¶История

Концепция УКПМ была впервые предложена в 1991 году американским инженером Ласло Дьюги (László Gyugyi) из компании Westinghouse (впоследствии — сотрудник EPRI, Electric Power Research Institute). Первый промышленный образец УКПМ был введён в эксплуатацию в 1998 году на подстанции «Инез» (Inez) в штате Кентукки, США, компанией American Electric Power (AEP). Установка мощностью 320 МВА позволила повысить пропускную способность существующих линий электропередачи без строительства новых.

В России первые проекты с использованием УКПМ начали разрабатываться в 2000-х годах. В 2011 году на подстанции 500 кВ «Промышленная» в Тюменской области (филиал ПАО «ФСК ЕЭС», ныне — ПАО «Россети») был введён в эксплуатацию первый в России УКПМ мощностью 100 МВА, разработанный совместно с компанией «АББ» (ABB, ныне — Hitachi Energy). Устройство позволило увеличить пропускную способность транзита электроэнергии из Сибири в европейскую часть России.

¶Устройство и основные компоненты

УКПМ включает следующие ключевые элементы:

• Два преобразователя напряжения (VSC) — обычно на базе IGBT-транзисторов (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или IGCT-тиристоров (запираемые тиристоры). В современных установках применяются многоуровневые схемы (например, модульные многоуровневые преобразователи, MMC).
• Шина постоянного тока — конденсаторная батарея, обеспечивающая стабильное напряжение между преобразователями и накопление энергии.
• Шунтирующий трансформатор — понижающий трансформатор, соединяющий шунтирующий преобразователь с сетью.
• Последовательный трансформатор — трансформатор, включаемый в рассечку линии, через который вводится компенсирующее напряжение.
• Система управления — цифровая система на базе микропроцессоров или программируемых логических контроллеров (ПЛК), реализующая алгоритмы регулирования и защиты.
• Вспомогательное оборудование — коммутационная аппаратура (выключатели, разъединители), системы охлаждения, фильтры высших гармоник.

¶Функции и режимы работы

УКПМ способен выполнять несколько функций одновременно или по отдельности:

• Регулирование напряжения — поддержание заданного уровня напряжения в точке подключения за счёт обмена реактивной мощностью (шунтирующий преобразователь).
• Управление потоками активной мощности — перераспределение мощности между параллельными линиями или цепями, устранение перегрузок.
• Управление потоками реактивной мощности — компенсация реактивной нагрузки, улучшение коэффициента мощности (cos φ).
• Повышение пропускной способности линий — увеличение передаваемой мощности за счёт компенсации индуктивного сопротивления линии.
• Демпфирование колебаний — подавление низкочастотных колебаний мощности в энергосистеме (межсистемные колебания, субсинхронные резонансы).
• Улучшение динамической устойчивости — быстрое реагирование на аварийные возмущения (короткие замыкания, отключения генераторов).

¶Классификация

УКПМ является наиболее сложным и универсальным устройством семейства FACTS. По функциональности выделяют:

• Полный УКПМ — содержит оба преобразователя и обеспечивает полный набор функций.
• Упрощённые варианты:
• СТАТКОМ — только шунтирующий преобразователь (регулирование напряжения).
• SSSC (Static Synchronous Series Compensator, статический синхронный последовательный компенсатор) — только последовательный преобразователь (регулирование потока мощности).
• IPFC (Interline Power Flow Controller, межлинейный контроллер потока мощности) — два последовательных преобразователя для двух линий.

¶Применение

УКПМ применяются в энергосистемах для решения следующих задач:

• Увеличение пропускной способности существующих линий — особенно актуально в условиях ограниченной возможности строительства новых ЛЭП (экологические ограничения, высокая стоимость земли).
• Оптимизация режимов работы сети — снижение потерь электроэнергии за счёт перераспределения потоков мощности.
• Интеграция возобновляемых источников энергии — сглаживание колебаний мощности от ветровых и солнечных электростанций.
• Повышение надёжности электроснабжения — обеспечение устойчивости при авариях и ремонтах.
• Экспорт/импорт электроэнергии — управление потоками между энергосистемами разных стран или регионов.

¶Примеры внедрения

• Подстанция «Инез» (США, 1998) — 320 МВА, первая в мире.
• Подстанция «Промышленная» (Россия, 2011) — 100 МВА, первая в России.
• Подстанция «Марбл» (США, 2001) — 200 МВА, компания TVA (Tennessee Valley Authority).
• Подстанция «Кантон» (Китай, 2006) — 150 МВА, компания State Grid Corporation of China.
• Подстанция «Эскишехир» (Турция, 2015) — 150 МВА, компания TEIAS.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Многофункциональность — одно устройство заменяет несколько традиционных (регуляторы напряжения, фазосдвигающие трансформаторы, батареи конденсаторов).
• Быстродействие — время реакции менее 1 периода сети (20 мс).
• Плавное регулирование — бесступенчатое изменение параметров, отсутствие механических переключателей.
• Компактность — занимает меньше площади, чем традиционные устройства аналогичной мощности.

¶Недостатки

• Высокая стоимость — УКПМ дороже большинства других устройств FACTS (в 2–3 раза дороже СТАТКОМа аналогичной мощности).
• Сложность — требует высокой квалификации персонала для обслуживания и настройки.
• Потери энергии — собственные потери в преобразователях (обычно 1–2% от передаваемой мощности).
• Генерация высших гармоник — требует установки фильтров.

¶Перспективы развития

Совершенствование УКПМ связано с развитием силовой электроники: переход на более мощные и экономичные полупроводниковые приборы (карбид-кремниевые IGBT, GaN-транзисторы), внедрение модульных многоуровневых преобразователей (MMC), повышение напряжения постоянного тока (до 800 кВ и выше). В перспективе УКПМ могут стать ключевым элементом «умных сетей» (Smart Grid) и систем управления распределённой генерацией.

¶Источники

• Gyugyi L. Unified power-flow control concept for flexible AC transmission systems // IEE Proceedings C (Generation, Transmission and Distribution). — 1992. — Vol. 139, No. 4. — P. 323–331.
• Hingorani N. G., Gyugyi L. Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems. — IEEE Press, 2000. — 432 p.
• Сборник докладов конференции «Гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) в России и за рубежом». — М.: НТЦ ФСК ЕЭС, 2012.
• Технический отчёт EPRI: Unified Power Flow Controller (UPFC) — Performance and Applications. — Palo Alto, CA, 2004.
• Материалы ПАО «Россети»: «Опыт внедрения устройств FACTS в ЕЭС России». — 2019.