甄宏寧，梁志瑞，王瑩，王震泉，張?jiān)娞?/p>

南京西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)UPFC裝置的主設(shè)備容量?jī)?yōu)化選擇

甄宏寧1，梁志瑞2，王瑩1，王震泉1，張?jiān)娞?

（1.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京211102；2.華北電力大學(xué)，河北保定071000）

為了解決近期及未來南京主城區(qū)220 kV西環(huán)網(wǎng)存在輸電通道瓶頸的問題，電力規(guī)劃部門決定采取在電網(wǎng)中串接統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的措施。文中結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)際情況提出了UPFC容量選擇的方法和思路。借助電力系統(tǒng)綜合分析程序（PSASP），通過潮流穩(wěn)態(tài)計(jì)算，進(jìn)行了UPFC容量對(duì)提升南京西環(huán)網(wǎng)供電能力的敏感性分析，并且提出了UPFC最優(yōu)容量選擇。

UPFC；南京西環(huán)網(wǎng)；容量選擇

為解決南京江南城區(qū)220 kV西環(huán)網(wǎng)長(zhǎng)期存在送電能力不足問題，改善局部輸電通道正常運(yùn)行方式下重載、重要線路N-1過載的情況，規(guī)劃和運(yùn)行部門經(jīng)過多種方案比選，決定采取在220 kV西環(huán)網(wǎng)合適的位置安裝統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的措施。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃研究，隨著南京地區(qū)負(fù)荷的增長(zhǎng)以及220 kV電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，“十三五”初期至“十四五”末期間，均需要UPFC裝置在南京220 kV西環(huán)網(wǎng)中起到限制送電通道潮流越限的作用。本文對(duì)南京220 kV西環(huán)網(wǎng)中的裝設(shè)UPFC的主設(shè)備容量（主設(shè)備指的是UPFC串聯(lián)側(cè)換流成套裝置及相應(yīng)串聯(lián)變壓器）進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)UPFC自投產(chǎn)后到“十四五”期間在電網(wǎng)中運(yùn)行所需的容量提出優(yōu)化選擇［1］。

圖1　現(xiàn)狀南京220 kV西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　遠(yuǎn)景年南京220 kV西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　南京西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)UPFC工程

南京江南主城區(qū)220 kV電網(wǎng)呈雙鏈?zhǔn)江h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。220 kV西環(huán)網(wǎng)為500 kV龍王山變以西至500 kV秦淮變以北部分，主要供電范圍是南京老城區(qū)的重要負(fù)荷中心?，F(xiàn)狀及遠(yuǎn)景年西環(huán)網(wǎng)主要結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。2014年，南京地區(qū)總負(fù)荷約8460 MW，其中220 kV西環(huán)網(wǎng)供電負(fù)荷約2200 MW。由于南京主城環(huán)網(wǎng)的電源、負(fù)荷分布不均，220 kV西環(huán)網(wǎng)中部潮流自然分界點(diǎn)以北的主要輸電通道存在潮流過重問題，自東向西通過西環(huán)網(wǎng)內(nèi)220 kV曉莊變南送下關(guān)變、中央門變斷面潮流過重情況尤為突出，現(xiàn)狀及未來成為制約整個(gè)西環(huán)網(wǎng)輸電能力的瓶頸，從而最終影響南京電網(wǎng)整體供電能力和安全可靠水平。

電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行部門通過多方案比選，最終決定采用技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的在220 kV電網(wǎng)中串聯(lián)UPFC裝置的措施解決西環(huán)網(wǎng)輸電瓶頸問題。根據(jù)設(shè)計(jì)單位現(xiàn)場(chǎng)踏勘和初步計(jì)算，確定將UPFC安裝在鐵北220 kV開關(guān)站，UPFC串聯(lián)入曉莊—鐵北雙回線路中，通過控制該輸電斷面的潮流大小以保證整個(gè)西環(huán)網(wǎng)中相關(guān)220 kV線路在正常運(yùn)行方式下不過載，在線路N-1方式下輸送潮流不越限［2］。

2　基于PSASP的UPFC穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法

本文通過電力系統(tǒng)綜合分析程序（PSASP）結(jié)合南京220 kV電網(wǎng)實(shí)際參數(shù)，使用簡(jiǎn)化的等效穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，忽略UPFC的有功損耗，按UPFC同時(shí)控制母線電壓和線路功率的條件，在電網(wǎng)仿真潮流計(jì)算中加入U(xiǎn)PFC模型。通過穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算，考察相同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷水平下不同容量的UPFC裝置對(duì)電網(wǎng)潮流改變能力并找到符合運(yùn)行要求的最小必須容量。

2.1UPFC串聯(lián)側(cè)改變線路功率的向量圖

UPFC通過串聯(lián)變壓器在線路上產(chǎn)生一個(gè)電壓源，通過該電壓源來改變線路首端的電壓幅值和相角，從而改變線路上的功率。忽略串聯(lián)變壓器的電阻后模型如圖3所示。UPFC串聯(lián)側(cè)的向量圖如圖4、圖5所示。

圖3　UPFC串聯(lián)接入電網(wǎng)基礎(chǔ)模型

圖4　UPFC降低線路輸送功率向量圖

圖5　UPFC提升線路輸送功率向量圖

串聯(lián)變壓器消耗的功率：線路側(cè)為（Vs-Vr）× （IB）*，閥側(cè)的值等于VB×（IB）*。

在降低線路功率時(shí)，變壓器線路側(cè)功率＞閥側(cè)功率。XB越大，兩者差值越大。

在提升線路功率時(shí)，變壓器線路側(cè)功率＜閥側(cè)功率。XB越大，兩者差值越大。

串聯(lián)變壓器兩側(cè)輸出電壓：線路側(cè)輸出為（Vs-Vr），閥側(cè)輸出折算到線路側(cè)等于VB。

在降低線路功率時(shí)，線路側(cè)電壓＞閥側(cè)電壓（折算至線路側(cè)）。XB越大，兩者差值越大。

在提升線路功率時(shí)，線路側(cè)電壓＜閥側(cè)電壓（折算至線路側(cè)）。XB越大，兩者差值越大。

通過分析可知，串聯(lián)變壓器消耗無功主要影響所串聯(lián)線路上的有功變化；串聯(lián)變壓器消耗有功主要影響所串聯(lián)線路上的無功變化。

2.2PSASP計(jì)算時(shí)的UPFC模型

在程序中無UPFC模型的情況下，為在潮流計(jì)算中體現(xiàn)UPFC的作用并估算其所需容量大小，忽略UPFC的有功損耗，按UPFC同時(shí)控制母線電壓和線路功率考慮，UPFC接入電力系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6　UPFC接入電力系統(tǒng)示意圖

在穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算中，母線s的電壓Vs為設(shè)定值，線路上的功率Prs，Qrs也是設(shè)定值。此時(shí)母線s的電壓幅值和有功都為已知，則可將其看作PV節(jié)點(diǎn)，等效成一臺(tái)發(fā)電機(jī)；母線r的流出有功、無功都為已知，所以可以將其看作PQ節(jié)點(diǎn)，等效成一個(gè)負(fù)荷，即可得到如圖7所示的UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型。

圖7　UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型

利用該模型進(jìn)行潮流或最優(yōu)潮流計(jì)算后，可以得到Vs，Vr以及s端等效發(fā)電機(jī)的無功出力Qgs的值，利用這些已知量可以推算出UPFC電壓源模型的相關(guān)變量，通過計(jì)算UPFC串聯(lián)變側(cè)（主要改變線路有功潮流輸送能力）的容量以確定UPFC成套裝置的容量。

3　UPFC容量選擇

UPFC容量選擇是工程設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇和采購過程中重要的步驟。通過初步研究分析，同等情況下，UPFC容量的大小決定了改變電網(wǎng)有功潮流分布變化大?。?］。對(duì)于南京220 kV西環(huán)網(wǎng)UPFC應(yīng)用示范工程來說，容量計(jì)算分析和選擇的主要制約因素為：

（1）當(dāng)?shù)?20 kV電網(wǎng)邊界條件的變化。外界電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的改變，對(duì)UPFC完成同一樞紐點(diǎn)功率變化控制所需的容量有一定影響。當(dāng)電網(wǎng)主要輸電斷面的增強(qiáng)或減弱、電網(wǎng)中電源點(diǎn)的新增或減少對(duì)UPFC裝設(shè)的容量選擇影響明顯。

（2）負(fù)荷分布和增長(zhǎng)的不確定性。南京220 kV西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程基于現(xiàn)狀南京及所含西環(huán)網(wǎng)供電片區(qū)的負(fù)荷總量和分布進(jìn)行分析，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電負(fù)荷的提升或者負(fù)荷在整個(gè)地區(qū)的分布發(fā)生了較大變化，對(duì)UPFC所需容量的選取有一定影響。

（3）設(shè)備制造能力的制約。UPFC工程應(yīng)用的核心設(shè)備是電壓源換流器及控制保護(hù)裝置。MMC結(jié)構(gòu)換流器具有低損耗、低諧波，以及結(jié)構(gòu)緊湊、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，適合于UPFC工程應(yīng)用。經(jīng)向相關(guān)制造商了解，其核心大容量換流閥制造能力有限，其IGBT晶閘管最大穿越電流制約了UPFC的容量不能無限增大。

基于上述主要制約因素，UPFC的容量選擇可通過電網(wǎng)調(diào)度和規(guī)劃部門既定的UPFC投產(chǎn)年及今后南京電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)及分布，充分考慮當(dāng)?shù)?20 kV電網(wǎng)邊界條件的變化，借助PSASP進(jìn)行潮流分析計(jì)算，描繪逐年UPFC控制電網(wǎng)功率變化的能力特性曲線，并找到該曲線上的控制臨界點(diǎn)。綜合逐年曲線上的臨界點(diǎn)，選取合適的UPFC成套裝置容量，校核設(shè)備制造能力是否滿足要求。

3.1計(jì)算邊界條件的確定

根據(jù)UPFC工程概況，投產(chǎn)年UPFC安裝位置如圖8所示，即UPFC串入曉莊—鐵北雙回線路，通過控制鐵北—曉莊雙線潮流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)曉莊南送斷面（曉莊—中央—下關(guān)、曉莊—下關(guān)）潮流的目的。

圖8　投產(chǎn)年南京220kV西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)規(guī)劃部門資料，在工程投產(chǎn)年、近期以及遠(yuǎn)景年中，該片區(qū)220 kV電網(wǎng)中需考慮：

（1）秦淮—濱南二通道（第3，4回線）的投運(yùn)時(shí)間待定，預(yù)計(jì)2017年至2018年建成投產(chǎn)。

（2）受國(guó)家政策影響，“十三五”期間華能南京電廠具體關(guān)停時(shí)間待定。

（3）500 kV秋藤變的江南側(cè)主變220 kV送出通道（秋藤—綠博園線路）投運(yùn)時(shí)間不確定。

本文以2017年至2020（2025）年規(guī)劃電網(wǎng)網(wǎng)架目標(biāo)為基礎(chǔ)，計(jì)算考慮UPFC裝置后電網(wǎng)遠(yuǎn)景年的潮流。論證UPFC容量需求時(shí)，對(duì)考慮秦淮—濱南二通道、華能南京電廠關(guān)停、秋藤—綠博園線路等不確定因素進(jìn)行了敏感性分析。

計(jì)算邊界條件。西環(huán)網(wǎng)負(fù)荷發(fā)展按2016年2800 MW、2020年3100 MW、2025年3500 MW考慮。充分考慮電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度安排以及各年份負(fù)荷發(fā)展，穩(wěn)態(tài)計(jì)算和UPFC容量選擇計(jì)算的邊界條件如表1所示。

表1　計(jì)算的邊界條件

3.2潮流計(jì)算和容量需求分析

對(duì)上述邊界條件下所有運(yùn)行方式，針對(duì)正常運(yùn)行方式下重載線路及重要輸電斷面做N-1穩(wěn)態(tài)潮流分析，其中利用2.2節(jié)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，對(duì)各邊界條件下UPFC容量大小改變目標(biāo)線路潮流大小的能力進(jìn)行分析并找到該邊界條件下的最低容量點(diǎn)。

以2016A為例，在計(jì)算UPFC投產(chǎn)年穩(wěn)態(tài)潮流中，UPFC的控制目標(biāo)為曉莊南送斷面線路N-1后剩下的另一回線路不過載（2016A1）通過計(jì)算描繪UPFC隨著容量的增大改變潮流能力提升的曲線，如圖9所示。并且通過計(jì)算找到該邊界條件下為完成控制目標(biāo)UPFC所需要的最小容量是23.9 MV·A，如表2所示。

圖9　2016A UPFC容量-潮流改變量曲線圖

表2　UPFC所需要的最小容量計(jì)算結(jié)果

通過圖9曲線可以初步認(rèn)為UPFC的容量越大改變潮流的能力越強(qiáng)，但是隨著容量增大到一定程度后再增大其容量改變潮流的能力提升就很有限。通過2016A2曲線與2016A1曲線比對(duì)，由于前者設(shè)定的潮流控制目標(biāo)距離UPFC裝置裝設(shè)地點(diǎn)較遠(yuǎn)，同等容量的UPFC對(duì)目標(biāo)潮流改變的能力不如后者。

根據(jù)邊界條件中對(duì)比2016A與2017D，2018D和2019D，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和電源均無變化，僅西環(huán)網(wǎng)負(fù)荷的體量整體上升（負(fù)荷分布相同）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果（見圖10），這4種邊界條件下的UPFC容量與改變潮流大小曲線基本一致，隨著西環(huán)網(wǎng)負(fù)荷的增大，UPFC改變潮流的目標(biāo)也逐年增大，所需的最小容量亦逐年增大。

圖10　UPFC容量-潮流改變量曲線圖1

根據(jù)邊界條件中對(duì)比2017B與2016A，在電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)改變下，由于秦淮北送第二通道投運(yùn)，為UPFC控制功率降低了難度，安裝同等容量UPFC情況下，2017B的改變潮流能力比2016A強(qiáng)。同時(shí)可以看出由于前者面對(duì)西環(huán)網(wǎng)的負(fù)荷水平高于后者，故前者所需的UPFC最小容量?jī)H比后者小了2.1 MV·A。如圖11所示。

圖11　UPFC容量-潮流改變量曲線圖2

根據(jù)邊界條件中比對(duì)2017C，2018C，2019C，較2016年投產(chǎn)年電網(wǎng)部分的敏感性電源項(xiàng)目機(jī)組退役了，對(duì)UPFC的控制目標(biāo)提出了更高的要求：鐵北西送斷面要保持正常方式下較大的潮流水平而該斷面線路N-1后需UPFC控制剩下的一回線路不過載。這3種邊界條件下的UPFC容量與改變潮流大小曲線也基本一致，如圖12所示。

隨著逐年西環(huán)網(wǎng)負(fù)荷水平的提升，逐年對(duì)UPFC最低容量需求也提升，分別需要59.8 MV·A，68.1 MV·A和77.1 MV·A（最大）（見表2），將圖10與圖12對(duì)比，圖12中UPFC容量提升10 MV·A左右時(shí)，改變潮流的能力僅為20 MW左右，較前者大大縮減，故認(rèn)為UPFC面對(duì)情況較復(fù)雜的調(diào)節(jié)任務(wù)時(shí)，一味增大容量不能起到明顯的效果。

圖12　UPFC容量-潮流改變量曲線圖3

對(duì)3.1節(jié)各邊界條件均進(jìn)行曲線描述，并找出相應(yīng)的UPFC所需最小容量（見表2）?？梢姡S著電網(wǎng)加強(qiáng)工程的積極推進(jìn)，以及適當(dāng)延后重要電源的退役時(shí)間，各年份邊界條件下UPFC所需最小容量可以適當(dāng)降低。

3.3UPFC容量選擇

綜合各邊界條件下潮流計(jì)算結(jié)論和UPFC所需最小容量臨界值，可見未來一段時(shí)期內(nèi)在最惡劣工況下UPFC的容量選取應(yīng)不低于77.1 MV·A。但是最終待電網(wǎng)建設(shè)工程全部完成后僅需要54.4 MV·A。針對(duì)2017C，2018C和2019C邊界條件下對(duì)UPFC提出的過高要求，本文建議通過其他手段予以避免。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)論，2017A，2017C，2018A，2018C，2019A，2019C的邊界條件下投運(yùn)了秦淮—濱南第二通道，將UPFC所需最小容量分別從59.8 MV·A，68.1 MV·A 和77.1 MV·A減小到了11.4 MV·A，18.1 MV·A和17.9 MV·A?？紤]到該工程的實(shí)際建設(shè)情況有一定阻力，不一定能在2016年如期投運(yùn)，但本文建議仍應(yīng)該在2018年之前完成，即徹底摒除邊界條件中的2018C，2019C行。

綜上分析，UPFC的容量選擇按不低于59.8 MV·A考慮，也能滿足遠(yuǎn)景年54.4 MV·A的要求。結(jié)合向廠家咨詢相關(guān)設(shè)備制造能力可以在經(jīng)濟(jì)性允許的情況下做到單套容量60 MV·A的UPFC交直流環(huán)流部分及串聯(lián)變?cè)O(shè)備。因此UPFC串聯(lián)變和交直流轉(zhuǎn)換成套裝置需安裝的最優(yōu)容量應(yīng)選擇60 MV·A。

4　結(jié)束語

本文按照提出的UPFC容量選擇方法和思路展開相關(guān)研究，基于理論計(jì)算，通過敏感性分析并結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)工程的實(shí)際情況，對(duì)UPFC在南京220 kV西環(huán)網(wǎng)的安裝容量提出了最優(yōu)化選擇。該結(jié)論可以滿足UPFC工程投產(chǎn)年及未來長(zhǎng)期電網(wǎng)運(yùn)行需求，較優(yōu)化前顯著降低了UPFC的建設(shè)容量，合理利用資源，節(jié)省了工程主要設(shè)備投資。本文對(duì)UPFC容量的優(yōu)化選擇方式也可在今后同類工程中作為參考。

［1］江蘇省電力設(shè)計(jì)院.統(tǒng)一潮流控制器在南京電網(wǎng)應(yīng)用工程可研報(bào)告［R］.2014.

［2］江蘇省電力設(shè)計(jì)院.UPFC在南京城市電網(wǎng)中的應(yīng)用需求分析專題報(bào)告［R］.2014.

［3］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(dòng)化學(xué)報(bào)，2014，26（2）：66-70.

The Optimal Capacity Selection of UPFC Installed in Nanjing 220 kV Western Power Grid

ZHEN Hongning1，LIANG Zhirui2，WANG Ying1，WANG Zhenquan1，ZHANG Shitao
（1.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China；2.North China Electric Power University，Baoding 071000，China）

In order to solve the transmission channel bottleneck problem will occur in Nanjing 220 kV western grid，a series unified power flow controller（UPFC）is planned to install into the grid.Considering the actual situation of the power grid，a method for selecting the UPFC capacity is proposed.In this method，sensitivity analysis of UPFC capacity to promote Nanjing western network supply ability is given through power flow calculation in PSASP.Finally，the suitable UPFC capacity for Nanjing 220 kV western power grid is presented.

unified power flow controller（UPFC）；Nanjing 220 kV western power grid；capacity selection

TM744

A

1009-0665（2015）06-0018-05

2015-08-07；

2015-09-17

甄宏寧（1985），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃和輸變電工程設(shè)計(jì)工作；

梁志瑞（1959），男，河北磁縣人，教授，任教于華北電力大學(xué)；

王瑩（1986），女，江蘇常州人，工程師，從事電力規(guī)劃研究工作；

王震泉（1980），男，江蘇泰州人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃研究工作；

張?jiān)娞希?980），男，江蘇蘇州人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃研究工作。