付俊波， 朱炳銓， 田 杰， 孫維真， 潘 磊

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310009)

UPFC在浙江金華電網(wǎng)的應(yīng)用研究

付俊波1， 朱炳銓2， 田 杰1， 孫維真2， 潘 磊1

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310009)

在分析UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）的功能及模型的基礎(chǔ)上，提出UPFC容量在BPA仿真軟件中的等值計算方法。以浙江金華電網(wǎng)為例，比較確定UPFC的最佳安裝地點，在2017—2020年的運行方式下，計算不同年方式下UPFC所需的容量，通過UPFC提升線路的功率大小與自身容量的比較，說明線路功率不同時，單位容量的UPFC提升線路功率的大小相同。研究結(jié)果表明UPFC能夠有效解決金華電網(wǎng)運行過程中存在的潮流分布不均、系統(tǒng)正常運行不滿足N-1的問題。

UPFC；輸電能力；系統(tǒng)分析

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，各種新技術(shù)、裝備的應(yīng)用層出不窮。相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)在輸電經(jīng)濟性、控制靈活性、運行高效性方面都有了長足的進(jìn)步。同時電力系統(tǒng)也變得高度非線性和更加復(fù)雜。隨著土地資源緊缺的問題，新建輸電走廊的困難和電網(wǎng)公司的商業(yè)化運行，使得通過新增輸電線路來增加輸送容量變得越來越困難，如何通過新的技術(shù)手段提高輸電線路的輸送容量同時又保證運行安全性問題變得越來越迫切，同時傳統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)手段提高輸送容量效益較低。而電力電子、新型FACTS（柔性交流輸電）裝置等應(yīng)用的越來越成熟，尤其是UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）作為調(diào)控性能優(yōu)異的FACTS設(shè)備[1]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圍繞浙江金華電網(wǎng)運行存在的問題，通過使用UPFC以解決金華電網(wǎng)發(fā)展過程中存在的潮流分布不均、輸電通道輸電能力不能得到充分發(fā)揮等問題，仿真結(jié)果表明UPFC能較好地解決上述問題，滿足未來金華電網(wǎng)快速發(fā)展和穩(wěn)定運行的需要，從而提高電網(wǎng)的總體經(jīng)濟效益。

1 UPFC的特性及應(yīng)用

1.1 UPFC的特性

常見的FACTS包括串聯(lián)型，如TCSC（晶閘管控制串聯(lián)電容器補償器），SSSC（靜止同步串聯(lián)補償器）等；并聯(lián)型，如SVC（高壓靜止動態(tài)無功補償器），STATCOM（靜止同步補償器）等；綜合型，如UPFC。串聯(lián)型一般可以作為潮流控制器，通過控制線路的電抗，進(jìn)而控制線路傳輸?shù)墓β?，提高線路輸電能力及系統(tǒng)穩(wěn)定水平；并聯(lián)型一般以控制線路電壓或控制裝置吸收/發(fā)送無功功率為目標(biāo)，主要為電網(wǎng)提供動態(tài)無功支撐；綜合型可以綜合控制線路電壓，線路傳輸?shù)挠泄?無功功率等，對提供動態(tài)無功支撐、提高線路輸電能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具有非常重要的實際意義。

1.2 UPFC的應(yīng)用前景

UPFC為解決電網(wǎng)運行和發(fā)展中的一些難題提供有效的解決手段，因而具有廣泛的應(yīng)用前景：

（1）可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)潮流的定向傳輸，提高交流輸電線路的可控性，尤其是對電磁環(huán)網(wǎng)潮流的調(diào)控能力，從而充分發(fā)揮輸電通道的送電能力，減少過載、窩電現(xiàn)象，并降低網(wǎng)損。

（2）可全面提升電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，如：利用其快速控制能力，可提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；通過適當(dāng)?shù)臒o功功率調(diào)節(jié)穩(wěn)定運行電壓及故障后恢復(fù)電壓，提高電網(wǎng)電壓的可控性；增強系統(tǒng)的阻尼以抑制系統(tǒng)振蕩，改善系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性等。

（3）可實時檢測故障電流，快速控制電力電子器件，降低短路電流。

2 UPFC應(yīng)用于金華電網(wǎng)的方案

2.1 浙江金華電網(wǎng)現(xiàn)狀

圖1為金華地區(qū)220 kV及以上部分網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖，芝堰500 kV變電站在2015年底將有3臺1 000 MW主變壓器（簡稱主變）運行，雙龍500 kV變電站將有3臺750 MW主變運行。雙龍主變和芝堰主變之間有2個220 kV交流通道。

隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的不斷增長，2個500 kV變電站負(fù)載功率將不斷增大，導(dǎo)致主變負(fù)載率不斷提高，而芝堰主變和雙龍主變下送功率不平衡，芝堰變電站的功率較小，而容量較小的雙龍變電站負(fù)荷很重，導(dǎo)致雙龍主變存在N-1過負(fù)荷的情況，尤其是金華燃機停運檢修期間，主變負(fù)載將進(jìn)一步加重。

雙龍變電站沒有更多的用地以擴建新的主變，為了限制主變的過載，負(fù)荷高峰時期不得不采取限電措施，嚴(yán)重阻礙了輸電通道的輸送能力，對工業(yè)發(fā)展和居民正常生活用電造成了一定的影響。

圖1 金華地區(qū)220 kV及以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 UPFC安裝方案

考慮在該地區(qū)安裝UPFC裝置，改變系統(tǒng)潮流，均衡2個變電站主變負(fù)荷，增加輸電通道的輸電能力，使得供電能力能滿足高峰負(fù)荷的需求。

UPFC的安裝方案和安裝地點有多種方案可供選擇，仿真過程中分別計算以下5種安裝方式：UPFC安裝于芝堰—云山雙回線，開斷曹家—黃村雙回線；UPFC安裝于芝堰—曹家雙回線，開斷云山—靈洞雙回線；UPFC分別安裝于芝堰—曹家、芝堰—云山雙回線；UPFC安裝于芝堰—云山單回、芝堰—曹家單回線；UPFC安裝于芝堰主變中壓側(cè)—220 kV母線之間。

綜合考慮UPFC所需容量、作用效果等方面，并結(jié)合前期的調(diào)研和仿真分析，選擇在芝堰—曹家220 kV雙回線路上安裝1套UPFC，串聯(lián)換流器的額定電流與芝堰—曹家線路額定電流相同，均為1.1 kA。串、并聯(lián)換流器總?cè)萘繛?50 MW，同時斷開云山—靈洞的220 kV線路，以解決金華電網(wǎng)存在的雙龍主變潮流過重、芝堰和雙龍500 kV主變不平衡雙龍主變N-1過載，以及減少雙龍220 kV母線事故電流的問題。

若不斷開芝堰云山—靈洞雙回線，則UPFC所需要的容量將會大大增加。同時也可以看出，該接線方式存在弱電磁環(huán)網(wǎng)的問題，安裝UPFC可提高系統(tǒng)供電可靠性，同時UPFC可以靈活控制潮流，故電磁環(huán)網(wǎng)的問題并不突出。設(shè)備安裝地點確定在芝堰變電站。

UPFC的接入方式如圖2所示，為一種普遍使用的UPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，串聯(lián)電壓源換流器與并聯(lián)電壓源換流器共用一個直流側(cè)電容。并聯(lián)型電壓源換流器T1可在接入點吸收或注入無功功率[2-3]，以維持接入點電壓在穩(wěn)定水平，同時還能向串聯(lián)型換流器提供有功功率。串聯(lián)型電壓源換流器通過變壓器串聯(lián)接入系統(tǒng)，可向所控制線路注入一個相角和幅值可調(diào)的串聯(lián)電壓，從而控制線路的潮流[4]。

圖2 UPFC接入線路的方式

系統(tǒng)正常運行時，UPFC投入運行控制芝堰—曹家線路潮流，改善金華電網(wǎng)的潮流分布，提高電網(wǎng)輸電能力。若出現(xiàn)單回線路故障，在故障線路跳開后，另一回線路的UPFC迅速控制線路電流在額定值以下；線路發(fā)生故障時，對應(yīng)的UPFC退出運行，晶閘管旁路開關(guān)將換流器旁路，同時串入電感抑制線路短路電流。

3 UPFC的容量計算

UPFC安裝后，必須使系統(tǒng)滿足N-1的要求，同時需要保證UPFC隨著負(fù)荷的增長，在未來幾年也能發(fā)揮經(jīng)濟效益。因此需要計算在不同的運行方式下UPFC所需的容量。

3.1 BPA計算時的UPFC模型

由于BPA程序中無UPFC模型，所以為了能進(jìn)行帶UPFC的潮流計算，可采取如下處理方式。

圖3為含有UPFC的電力系統(tǒng)示意圖，在仿真計算中忽略UPFC的有功損耗。在前面已提到過UPFC的并聯(lián)型換流器可控制母線電壓，串聯(lián)型換流器可調(diào)節(jié)線路功率的功能，所以在正常運行時將母線S的電壓Vs設(shè)為某個定值，線路上的功率Prs與Qrs也為其設(shè)定值，所以母線S的注入有功也為Prs[5]。

當(dāng)母線S的電壓幅值和有功均為已知時，在潮流計算時刻將其等效為1個PV節(jié)點，即可視為1臺發(fā)電機；母線R流出的有功、無功都為已知，所以可將其看作PQ節(jié)點，等效為1個負(fù)荷，由此可得到圖4所示UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型。該模型存在一定的局限性，即忽略了UPFC的有功損耗，且只能在UPFC同時控制線路功率和母線電壓的條件下才可以使用。

圖3 含UPFC的電力系統(tǒng)示意

圖4 UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型

利用圖4中的模型計算潮流后，可得到S端等效發(fā)電機的無功出力Qgs以及Vs與Vr，利用這些已知量可反向推算出UPFC電壓源模型的相關(guān)變量[6]。給出具體推導(dǎo)過程（式中全為標(biāo)幺值）：

式（1）—（5）中：Vs與Is為線路送端的電壓和流過的電流；VE與IE為換流器1輸出電壓和電流，相角為θE；VB與IB為換流器2輸出電壓和電流，相角為θB；XE與XB為并聯(lián)和串聯(lián)變壓器T1與T2的漏抗[7]。

通過在BPA的等值計算可知，該計算模型與PSCAD中的UPFC模型計算容量一致。

3.2 不同年運行方式下計算的容量

從UPFC使用的經(jīng)濟性來看，裝置投運后，不僅需要保證投運年份系統(tǒng)N-1的要求，也需要考慮未來幾年負(fù)荷的增長，使UPFC的使用滿足未來幾年負(fù)荷增長的需求。需要考慮到的故障主要有：芝堰主變N-1、雙龍主變N-1、金華燃機檢修、220 kV線路N-1故障，保證系統(tǒng)N-1故障后穩(wěn)定，表1為不同年運行方式下的單套UPFC所需容量。

表1 UPFC不同年運行方式下所需容量 MVA

從表1看出，當(dāng)UPFC的容量為50 MVA時，可滿足2017與2018以及2020年運行年份的負(fù)荷需求，2019年的高峰負(fù)荷運行期間，還需要采取一定負(fù)荷限制措施。由于2020年的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)稍有變化，盡管2020年的負(fù)荷相比前一年有所增長，UPFC的容量卻有所降低。安裝UPFC后，可有效且合理均衡雙龍、芝堰變電站的功率，增加變電站的功率下送能力，避免了高峰負(fù)荷時期的拉閘限電，UPFC的經(jīng)濟性得到進(jìn)一步體現(xiàn)。

此外，比較UPFC的容量與安裝線路的功率流可發(fā)現(xiàn)，在初始線路功率不同的情況下，單位UPFC容量所能增加線路的輸送功率幾乎相同。存在的微小差別主要由于線路在不同功率時流過的無功略有不同，如表2所示。

表2 UPFC安裝容量與線路功率的關(guān)系 MW

4 結(jié)論

通過對UPFC應(yīng)用于浙江金華電網(wǎng)的系統(tǒng)分析，揭示了UPFC在解決電網(wǎng)實際運行中存在的潮流分配不均、輸電能力不足等方面問題的優(yōu)勢。同時提供了UPFC在BPA下的容量等值計算方法，可快速計算出UPFC的容量。

通過UPFC在金華電網(wǎng)的應(yīng)用分析仿真，可得出以下結(jié)論：

（1）UPFC在改善金華電網(wǎng)潮流分配不均方面有較好的作用，通過UPFC的安裝使用可以避免金華電網(wǎng)高峰負(fù)荷時期的拉閘限電，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

（2）在UPFC安裝點處，單位UPFC的容量所能改變線路的潮流幾乎相同，與線路初始流過的功率大小無關(guān)。

UPFC作為FACTS裝置中功能強大的設(shè)備，研究其在示范工程中的應(yīng)用，為今后UPFC的推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時必將大大提高我國電網(wǎng)整體科技含量，提升柔性交流輸電產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

[1]GYUGYI L，SCHAUDER C D，WILLIAMS S L，et al.The Unified Power Flow Controller：A New Approach To Power Transmission Control[C]//IEEE/PES Summer Meeting. San Francisco，CA，1994.

[2]仉志華，徐丙垠，陳青.基于統(tǒng)一潮流控制器的配電環(huán)網(wǎng)潮流優(yōu)化控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（6）∶122-126.

[3]黃振宇，趙亮，陳壽孫，等.電力系統(tǒng)動態(tài)分析中統(tǒng)一潮流控制器的模型研究[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1997，37（S1）∶74-78.

[4]馬凡，谷雙魁，劉黎明，等.UPFC控制及動態(tài)特性實驗研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（17）∶64-69.

[5]陳劍平，李林川，張芳，等.基于PSASP的UPFC潮流控制建模與仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2014，26（2）∶66-70.

[6]常寶立.計及UPFC的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)防控制研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[7]蔡松，段善旭，康勇.統(tǒng)一潮流控制器在動態(tài)模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（9）∶64-69.

（本文編輯：楊 勇）

Application Research of UPFC in Zhejiang Jinhua Power Grid

FU Junbo1，ZHU Bingquan2，TIAN Jie1，SUN Weizhen2，PAN Lei1
（1.Nanjing NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310009，China）

Based on the analysis of function and model of unified power flow controller（UPFC），the equivalent calculation method of UPFC capacity in BPA simulation software is put forward.Taking Zhejiang Jinhua power grid as an example，the paper determines the optimal installation location of UPFC by comparison.In the operation modes from 2017 to 2020，the necessary capacity of UPFC in different modes is calculated. Through comparison of line power increased by UPFC and its own capacity，it is demonstrated that when the line powers are different the line powers of unit capacity increased by UPFC are the same.The research result shows that UPFC could solve the issues effectively during operation in Jinhua power grid，such as uneven trend distribution，system failure in meeting the needs of N-1 during the operation etc.

unified power flow controller；transmission capacity；system analysis

TM866

B

1007-1881（2015）07-0001-04

2015-04-09

付俊波（1986），男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用工作。