尹 璐 舒 彬 張 璞 張 凱 郭榮歡 吳振升

（1.北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 北京 100055 2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100081）

1 引言

潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)最基本運(yùn)算之一，由于電網(wǎng)中潮流分布不均或不合理常常造成輸送過程中的個(gè)別線路負(fù)載過重、倒送與繞送、功率反復(fù)震蕩等問題，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量和送電效率以及電力運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性[1]。這就需要我們對(duì)系統(tǒng)潮流進(jìn)行靈活控制，最大限度利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高輸電效率，為用戶提供更穩(wěn)定更經(jīng)濟(jì)的用電環(huán)境。

長期以來，人們對(duì)電力系統(tǒng)潮流優(yōu)化控制研究很多，有效的填補(bǔ)了我國電力系統(tǒng)方面的技術(shù)空白，其中影響最為廣泛是電力電子技術(shù)方面的進(jìn)展。柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)了電力系統(tǒng)控制技術(shù)標(biāo)志性的進(jìn)步，而 UPFC是 FACTS最具有代表性的、功能綜合性最強(qiáng)大器件之一，不僅能同時(shí)控制調(diào)節(jié)輸電線路上的電流和節(jié)點(diǎn)矢量電壓，并且能隨時(shí)吞吐有功功率和無功功率[2-3]。使用統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）關(guān)鍵技術(shù)，將有助于解決電網(wǎng)中潮流分布不均引起的輸電瓶頸問題，有效提高電網(wǎng)輸送能力和電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率，同時(shí)為電網(wǎng)提供必要的無功支撐，提高電網(wǎng)的電壓控制水平。

PSD-BPA潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序（原中國版BPA程序）作為“PSD電力系統(tǒng)軟件工具”的重要組成部分，在實(shí)際應(yīng)用過程中得到了不斷完善和提高，對(duì)指導(dǎo)全國聯(lián)網(wǎng)及區(qū)域電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、科研及生產(chǎn)運(yùn)行工作發(fā)揮了重要作用。根據(jù)中國電力科學(xué)研究院近年來全國聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行、規(guī)劃、試驗(yàn)及調(diào)試等相關(guān)的研究項(xiàng)目，對(duì)PSD-BPA潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序進(jìn)行了大量的完善及新功能開發(fā)工作。在電力系統(tǒng)分析軟件（PSD-BPA）可以方便的進(jìn)行大電網(wǎng)潮流計(jì)算，但其中UPFC的仿真模型并不完善，無法實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率解耦控制[4]。MATLAB/Simulink能夠進(jìn)行UPFC的精確建模，但是建立全電網(wǎng)模型非常復(fù)雜。

本文介紹了一種利用 PSD-BPA和 MATLAB/Simulink兩種仿真工具的聯(lián)合仿真方法。首先，選擇需要應(yīng)用UPFC裝置的局部電網(wǎng)模型，將該電網(wǎng)模型以外的電網(wǎng)等效為無窮大電源加內(nèi)阻的形式。在 PSD-BPA中提取各電源的參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)、等效線路參數(shù)和潮流數(shù)據(jù)。然后，將其導(dǎo)入到MATLAB電力系統(tǒng)仿真模型中。在未接入U(xiǎn)PFC時(shí)，比較正常運(yùn)行條件下和線路N-1運(yùn)行條件下，各節(jié)點(diǎn)電壓和線路潮流是否相同，從而確定 MATLAB模型的正確性。進(jìn)一步在 MATLAB電力系統(tǒng)模型中加入U(xiǎn)PFC裝置，根據(jù)所需的控制效果進(jìn)行仿真。最后，本文以北京地區(qū)華能電廠三期工程華能-垡頭雙回線路接入U(xiǎn)PFC裝置為例，進(jìn)行實(shí)際研究與應(yīng)用。

2 UPFC的工作原理及等效數(shù)學(xué)模型

UPFC是一種串并聯(lián)混合裝置，可以對(duì)有功、無功和電壓分別進(jìn)行控制，對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行、提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、阻尼系統(tǒng)的振蕩具有顯著的作用[5]。UPFC原理圖如圖1所示，其由兩個(gè)共用直流側(cè)電容的電壓源型變換器組成，變換器I通過變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)，除了向變換器II提供有功功率外，還可通過向系統(tǒng)吸收或注入無功功率，可看作是可控的并聯(lián)靜止無功補(bǔ)償器(STATCOM)。變換器II通過變壓器串聯(lián)接入系統(tǒng)，向線路注入一個(gè)幅值和相位可調(diào)的串聯(lián)電壓，控制線路的潮流，可看作是可控的靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)[6-8]。

圖1 UPFC原理圖Fig.1 UPFC schematic diagram

UPFC的數(shù)學(xué)模型主要是基于穩(wěn)態(tài)建立的數(shù)學(xué)模型，采用的方法主要是拓?fù)浞椒ê洼敵瞿Ｐ头╗9]。前一種方法主要是對(duì)UPFC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析清晰，但是數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜；而輸出模型法主要從對(duì)外特性的角度進(jìn)行研究，模型簡單，該方法建立的UPFC的等值電路如圖2所示。本文主要采用輸出模型法，將UPFC等效成一個(gè)并聯(lián)電流源和串聯(lián)電壓源，并聯(lián)部分起到補(bǔ)償系統(tǒng)無功的功能，串聯(lián)部分可以改變線路首端的電壓幅值和相位，從而起到控制線路潮流的作用。

圖2 UPFC等值電路圖Fig.2 UPFC equivalent circuit

3 PSD-BPA局部參數(shù)提取及處理

3.1 MATLAB建模所需參數(shù)分析

在理想情況下，局部電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)向電網(wǎng)側(cè)看過去，電網(wǎng)側(cè)可以等效為無窮大電源加內(nèi)阻的形式，該電源參數(shù)包括電源電壓和電源內(nèi)阻。所以，在MATLAB/Simulink中建立電力系統(tǒng)模型需要求出電源電壓的幅值和相位，以及電源的內(nèi)阻抗。對(duì)于與大電網(wǎng)電源側(cè)無直接聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)，可以看作負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，需要求出該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷消耗功率。等效線路阻抗是電力系統(tǒng)模型的輸電線路參數(shù)。在PSD-BPA地理接線圖中，有些節(jié)點(diǎn)間沒有輸電線路直接相連，在 MATLAB/Simulink中這樣的節(jié)點(diǎn)間的輸電線路可以進(jìn)行等效處理。

電源內(nèi)阻抗、等效線路阻抗、節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)間的系統(tǒng)潮流分布是由BPA-PSD中直接提取的。負(fù)荷功率和電源輸出至節(jié)點(diǎn)的功率是線路中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)其他聯(lián)絡(luò)線路潮流的代數(shù)和，電源電壓的幅值和相位由輸出功率和節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算得到。

3.2 局部電網(wǎng)參數(shù)提取

首先打開PSD-SCCPC，選擇需要進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)文件，也就是讀取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)，選擇“網(wǎng)絡(luò)等值”選項(xiàng)，選擇需要應(yīng)用UPFC裝置的局部電網(wǎng)模型的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)等值計(jì)算，形成計(jì)算結(jié)果文檔*.list，輸出計(jì)算結(jié)果文檔就是 MATLAB/Simulink中建立電力系統(tǒng)模型需要的電源內(nèi)阻抗以及等效線路阻抗。

其次，在PSD-BPA地理接線圖中找到需要應(yīng)用UPFC裝置的局部電網(wǎng)中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，并讀取節(jié)點(diǎn)間相應(yīng)線路潮流以及節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位。

3.3 局部電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

在 PSD-BPA地理接線圖中節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位以及節(jié)點(diǎn)間的線路潮流參數(shù)是實(shí)際值，可以直接應(yīng)用。在 PSD-SCCPC中得到的電源阻抗、線路阻抗都是標(biāo)幺值，而在MATLAB/Simulink中建模所需的參數(shù)均為有名值，因此需要對(duì)PSD-BPA中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4 MATLAB/Simulink模型建立與仿真

4.1 電力系統(tǒng)模型建立

Simulink是 MATLAB提供的對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包[10]。下面介紹在MATLAB/Simunlink中建立局部電網(wǎng)模型的具體流程。

運(yùn)行 Simulink，打開電力系統(tǒng)模塊庫 Simscape中的SimPowerSystems建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停娫茨K選擇Three-Phase Source，并且設(shè)置中性點(diǎn)接地。母線選擇帶有電壓測量模塊的Three-Phase VI Measurement，初始參數(shù)設(shè)置相電壓。負(fù)荷模塊選擇 Three-Phase Series RLC Load，初始電壓為PSD-BPA中得到的節(jié)點(diǎn)電壓，負(fù)荷消耗的功率根據(jù)基爾霍夫電流定律計(jì)算得到。輸電線路模型選擇Three-Phase PI Section Line，初始參數(shù)根據(jù)PSD-BPA中導(dǎo)出的線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)填寫。輸電線路中串聯(lián)電流測量模塊 Three-Phase VI Measurement。在Simulink中有封裝好的UPFC模塊，可以根據(jù)需要調(diào)用。電源電力模塊的電源幅值和相位以及內(nèi)阻抗、輸電線路的阻抗可以通過模型屬性程序初始化定義后直接填寫定義的相量即可。仿真得到的各節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位、線路潮流通過Scope和Display顯示。Powergui（Power Graphical User Interface）模塊是Simulink為電力系統(tǒng)仿真提供的圖形用戶分析界面，由于本文僅關(guān)注穩(wěn)態(tài)潮流控制效果，因此選擇相量法仿真。

下面以華能電廠三期工程，華能-臺(tái)湖雙回線路接入U(xiǎn)PFC為例，說明建模過程。在正常運(yùn)行方式下華能-垡頭雙回線路有功潮流是華能-臺(tái)湖雙回線路的4倍以上，潮流分布嚴(yán)重不均。同時(shí)，當(dāng)華能-垡頭雙回線路發(fā)生N-1故障時(shí)，單回線路潮流達(dá)到478.4MVA，線路過載運(yùn)行。UPFC裝置的主要優(yōu)勢在于可以控制輸電線路潮流，從而緩解重載輸電線路壓力，提高輕載線路輸送功率，挖掘潮流斷面輸送潛力，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式。因此，為了解決華能-垡頭雙回線路N-1條件下過載的問題，考慮在華能-垡頭雙回線上安裝UPFC裝置，來改善斷面上的潮流分布。

華能電廠局部的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖中，華能、臺(tái)湖和安定3個(gè)節(jié)點(diǎn)與含有電源的大電網(wǎng)相連，所以將與這3個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的大電網(wǎng)等效為無限大電源加內(nèi)阻抗的形式。而與垡頭、老君堂和青云3個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的電網(wǎng)均為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，所以將與這3個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的大電網(wǎng)直接等效為負(fù)荷。另外，在實(shí)際地理接線圖中不存在安定-老君堂雙回輸電線路，但是存在由安定至大電網(wǎng)中其他節(jié)點(diǎn)之后連接至老君堂的輸電線路，我們將其等效為安定-老君堂雙回線。同樣，在地理接線圖也不存在安定-臺(tái)湖雙回輸電線路，但是有安定至大電網(wǎng)中其他節(jié)點(diǎn)之后連接至臺(tái)湖的輸電線路，我們將其等效為安定-臺(tái)湖雙回線。

圖3 局部電網(wǎng)示意圖Fig.3 The schematic diagram of local power grid

4.2 MATLAB/Simulink與PSD-BPA建模仿真比較

從PSD-BPA中，提取節(jié)點(diǎn)電壓、電源內(nèi)阻抗如表1所示，提取線路阻抗和潮流如表2所示。

表1 從PSD-BPA中提取的節(jié)點(diǎn)電壓和電源內(nèi)阻Tab.1 Node voltage and the independence of source extracted by PSD-BPA

表2 從PSD-BPA中提取的線路參數(shù)Tab.2 The parameters of transmission line extracted by PSD-BPA

通過式（1）、式（2）可以把表1中的電源內(nèi)阻抗和表2中的線路阻抗轉(zhuǎn)化為有名值。同時(shí)，根據(jù)表1中給出的節(jié)點(diǎn)電壓的幅值和相位，通過式(3)、式(4)可以求得電源電壓的幅值和相位，進(jìn)一步可以求出各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷消耗功率。再將這些計(jì)算結(jié)果帶入MATLAB/Simulink的局部電網(wǎng)模型中，在正常運(yùn)行方式和華能—垡頭雙回線路N-1運(yùn)行方式下進(jìn)行仿真，得到兩種運(yùn)行方式下，局部電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓和各條線路的潮流，將其與PSD-BPA仿真中的對(duì)應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，如表3-表6所示。

通過觀察表3-表6可以發(fā)現(xiàn)，在正常運(yùn)行方式下和華能-垡頭雙回線N-1運(yùn)行方式下，PSD-BPA仿真中各節(jié)點(diǎn)電壓的幅值和相位與MATLAB/Simulink仿真中各節(jié)點(diǎn)電壓的幅值和相位幾乎相同，其線路潮流的誤差值在 2%以內(nèi)。由此驗(yàn)證了 MATLAB/Simulink中局部電網(wǎng)模型是正確的。

表3 正常運(yùn)行方式下PSD-BPA和MATLAB/Simulink潮流仿真結(jié)果比較Tab.3 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink power flow simulation under normal condition

表4 正常運(yùn)行方式下PSD-BPA和MATLAB/Simulink節(jié)點(diǎn)電壓仿真結(jié)果比較Tab.4 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink node voltage simulation under normal condition

表5 華能-垡頭雙回線路N-1條件下PSD-BPA和MATLAB/Simulink潮流仿真結(jié)果比較Tab.5 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink power flow simulation under the transmission line N-1 condition

表6 華能-垡頭雙回線路N-1條件下PSD-BPA和MATLAB/Simulink節(jié)點(diǎn)電壓仿真結(jié)果比較Tab.6 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink node voltage simulation under the transmission line N-1 condition

4.3 UPFC仿真

由表3可以看出，在正常方式下華能-垡頭雙回線路有功潮流是華能-臺(tái)湖雙回線路的4倍以上，潮流分布嚴(yán)重不均。同時(shí)，由表5可以計(jì)算出，當(dāng)華能-垡頭雙回線路發(fā)生N-1故障時(shí)，單回線路潮流達(dá)到478.4MVA（線路允許傳輸容量為476MVA），線路過載。為了解決華能-垡頭雙回線路N-1條件下過載的問題，考慮在華能-垡頭雙回線上安裝UPFC裝置，來改善斷面上潮流分布。為了在線路不過載條件下盡量保持系統(tǒng)潮流分布與正常運(yùn)行方式下一致，設(shè)定華能-垡頭雙回線路 N-1后潮流控制目標(biāo)為：有功潮流400MW，無功潮流200Mvar。

在 MATLAB/Simulink建立的局部電網(wǎng)模型中間加入U(xiǎn)PFC模型進(jìn)行仿真，得到華能-垡頭線路潮流為：有功潮流400.5MW，無功潮流199.9Mvar。達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前仿真模型得到的UPFC串聯(lián)側(cè)壓降和線路電流，可以求得UPFC串聯(lián)側(cè)所需容量為2.24MVA。另外，需要根據(jù)電網(wǎng)的無功容量需求來配置UPFC的并聯(lián)側(cè)容量。

5 結(jié)論

為了滿足UPFC在電力系統(tǒng)中的仿真需求，本文提出了一種利用PSD-BPA和MATLAB/Simulink兩種仿真軟件的聯(lián)合仿真與建模方法。在 MATLAB/Simulink中搭建需要應(yīng)用UPFC裝置的局部電網(wǎng)模型，將該電網(wǎng)模型以外的電網(wǎng)等效為無窮大電源加內(nèi)阻或負(fù)荷的形式，從而減小了仿真的復(fù)雜程度。在 PSD-BPA中提取和計(jì)算局部電網(wǎng)中各條線路的阻抗和潮流、各節(jié)點(diǎn)電壓，以及各電源的電源電壓、內(nèi)阻抗和負(fù)荷消耗功率，并將其導(dǎo)入到 MATLAB/Simulink搭建的系統(tǒng)模型中。在未接入U(xiǎn)PFC時(shí)，比較正常運(yùn)行方式下和線路N-1運(yùn)行方式下，各節(jié)點(diǎn)電壓和線路潮流是否相同，從而驗(yàn)證 MATLAB/Simulink中所建模型的正確性。進(jìn)而在 MATLAB/Simulink所建模型中加入U(xiǎn)PFC裝置模型，根據(jù)所需目標(biāo)進(jìn)行仿真。最后，本文以北京地區(qū)華能電廠三期工程華能-垡頭雙回線路接入U(xiǎn)PFC裝置為例，進(jìn)行了實(shí)際研究與應(yīng)用。

[1] 武智慧.考慮統(tǒng)一潮流控制器的電力系統(tǒng)優(yōu)化潮流研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2013.

Wu Zhihui.Research on power system optimal power flow with considering unified power flow controller[D].Shenyang:Shenyang University of Technology,2013.

[2] 何大愚.柔性交流輸電技術(shù)和用戶電力技術(shù)的新進(jìn)展[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1999,23(6):8-13.

He Dayu.New developments of facts and custom power technology manifested by IEEE PES definition[J].Automation of Electric Power Systems,1999,23(6):8-13.

[3] 趙賀.電力電子學(xué)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用—靈活交流輸電系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2001.

[4] 陳芝奔.統(tǒng)一潮流控制器的控制策略研究[D].成都:西南交通大學(xué),2012.

Chen Zhiben.The research on the control strategy of unified power flow controller[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2012.

[5] 李庚銀,徐春俠.含F(xiàn)ACTS元件的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算[J].華北電力學(xué)院學(xué)報(bào),1996,23(2):1-6.

Li Gengyin,Xu Chunxia.Power flow calculation of flexible AC transmission systems[J].Journal of North China Inst.of Electric Power,1996,23(2):1-6.

[6] 童強(qiáng),彭建春.一種新的含 UPFC的電力系統(tǒng)潮流算法[J].繼電器,2006,34(2):20-23.

Tong Qiang,Peng Jianchun.FTA-based fault chains monitoring research in power system[J].Relay,2006,34(2):20-23.

[7] 劉前進(jìn),孫元章.基于功率注入法的UPFC潮流控制研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2001,41(3):55-58.

Liu Qianjin,Sun Yuanzhang.Power flow control characteristics of UPFC based on the power injected method[J].Journal of Tsinghua University(Sci&Tech),2001,41(3):55-58.

[8] 王輝.統(tǒng)一潮流控制器的智能控制方法研究[D].長沙:湖南大學(xué),2005.

Wang Hui.The research on intelligent control method of unified power flow controller[D].Changsha:Hunan University,2005.

[9] 段獻(xiàn)忠,陳金富,凌煦.潮流計(jì)算中FACTS元件模型選擇研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1999,14(3):1-3.

Dun Xianzhong,Chen Jinfu,Ling Xu.Study on models of FACTS devices in power flow calculation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,1999,14(3):1-3.

[10] 于群,曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.