电力市场条件下的UPFC安装地点的综合定量化评价研究

胡建军 崔勇霞 聂海滨

（1.中国铝业重庆分公司，重庆 408403；2.北京丹华昊博电力科技有限公司，北京 100085）

随着工业技术的飞速发展以及信息、经济等相关领域的巨大变革，各国竞相开展电力市场的研究和开发。诚然，在电力市场条件下，尤其是厂网分开，电力系统调度中心对发电厂机组的调控程度大为下降，这样就对电力系统的稳定运行提出了挑战。灵活交流输电系统（FACTS）是在电力市场之前出现的，人们对FACTS的早期研究为解决电力市场条件下的系统运行问题提供了希望和前景。

FACTS技术，尤其是最具代表性的UPFC，从一开始就倍受人们的关注；然而，由于电力电子技术和半导体技术的限制，并不能够在任何地方都安装UPFC；这在技术上，尤其是经济上是不允许的。为此，要考虑UPFC在电力市场条件下的安装地点问题。目前有关FACTS安装地点的文献大多是仅考虑紧急控制情况。文献[1]提出了通过求解留数的方法来确定 FACTS的安装地点；文献[2]则用特征值相对于装置参数的灵敏度系数作为装设地点的选择指标。这些方法在求解过程中会由于大系统而出现维数灾的现象，而且由于是求解特征值而与扰动无关，不能反映特定扰动所激发的具体模式；更主要是没有考虑 FACTS装置在大多数稳态运行条件下的地点选择问题。本文从暂态稳定和稳态潮流控制两方面来考虑UPFC的安装地点问题，通过综合定量化来评价安装地点的优劣。

1 考虑紧急控制有效程度的UPFC安装地点的评价

1.1 基于灵敏度系数的安装地点评价

在选择UPFC的装设地点时，必须考虑紧急控制的有效程度；即在所选择的地点，UPFC可以提供最大的系统稳定裕度。稳定裕度对某个参数的各阶灵敏度系数，反映了该参数对系统稳定影响的程度[3]。考察UPFC的动态模型，如图1所示。

图1 UPFC的动态模型

不妨假设，UPFC的并联侧的主要功能为稳定UPFC接入点的电压，以及向串联侧注入有功功率；UPFC的串联侧则通过调节控制串联电压的幅值和相位来实现控制线路潮流和提高暂态稳定性，因此，对系统稳定有影响的因素是 UPFC的串联输出电压。根据以上分析，本文提出了以暂态稳定裕度对UPFC的串联电压的幅值和相位的二阶灵敏度系数作为考虑紧急控制时的选择安装地点的指标。

1.2 基于EEAC的稳定裕度灵敏度的计算

对于电力系统暂态稳定性分析，我们知道有两类方法：时域仿真法和直接法。在目前所研究的分析方法中，只有直接法可以得出系统的稳定裕度，其中扩展等面积准则（EEAC）在这方面的贡献尤为突出，并且EEAC和国际最高水准积分软件之一的ETMSP已在高层次集成为世界范围内的商品软件FASTTEST（fast analysis of stability using EEAC and simulation technologies），这是1998年PES夏季会议上惟一参展的在线稳定分析软件，已被 Cegelec ESCA 公司纳入其EMS软件包[4]。

在考虑含 UPFC的系统网络方程的基础上[5]，要考虑UPFC对各发电机节点引起的注入电流增量ΔIg和发电机电磁功率Pei的变化，即

其中，Pei0为未加装UPFC时的电磁功率；PeiΔ则是UPFC所引起的电磁功率的增量。

在考虑了UPFC控制之后，UPFC对EEAC的影响就体现在等值单机-无穷大系统参数的变化上。根据不同的等值参数的变化，可以得到一系列等值单机无穷大系统的Pδ−曲线，计算出整个系统的总加速面积Aacc和总减速面积Adec，由此得出系统的稳定裕度为

由于UPFC的控制参数U2和δ2是变量，因此稳定裕度η是关于U2和δ2的函数，η对U2和δ2的二阶导数就是稳定裕度的灵敏度系数SZ，对各地点的SZ的分析就能够得到各地点安装UPFC后的稳定程度。

2 考虑稳态潮流控制的UPFC安装地点的评价

尽管UPFC具有提高暂态稳定的能力，也由此分析了安装 UPFC的地点问题；然而，UPFC的最主要功能是控制电力系统潮流，在电力市场条件下的控制潮流的能力就显得更为重要，因为在电力市场的运营下，发电厂是独立单位，不完全受电网调度的指令，是根据市场规律和经济效益为基本出发点的。在这种环境下，选择适当的地点来发挥UPFC的最大功效是至关重要的。

当要求 UPFC所控制的线路潮流发生改变时（尤其是潮流发生较大的变化），由于UPFC的响应速度非常快，因此UPFC的控制参数也迅速达到某值，并且保持稳定。考虑灵敏度的基本概念，在UPFC的控制参数达到某值时，以其他线路（以主要输电线路为主）的潮流变化增量的大小来反映安装地点的影响程度。在这里，安装地点的影响程度并不一定就是安装地点的优劣，对安装地点的优劣评价要结合电网的具体情况来分析，往往以影响程度适中的安装地点为佳。

定义UPFC在稳态潮流控制时安装地点的影响效果指标是SWP，SWQ为非安装UPFC线路的潮流增量 ΔPi，ΔQi对UPFC的控制参数U2和δ2的二阶导数，即

其中，fi，gi为非安装UPFC线路的权值，根据线路的重要程度来给予一定程度的权值大小。在利用UPFC进行潮流控制研究的文献中，已经阐述如何考虑含UPFC时的电力网潮流计算，本文在此就不赘述了。

3 电力市场下的UPFC安装地点的综合定量化评价

电力系统是人类迄今为止所建造的最大的系统，它已经深入到社会的各个方面，因此对于电力系统运行的可靠性也是人们一直关注的；由于电力系统的特殊地位，也就造成了系统的垄断地位，对电力系统进行市场化改革也是势在必行的，在电力市场下的系统运行稳定性要求不但没有减少反而增加了，因此必须寻求在电力市场条件下的系统运行稳定控制技术，利用UPFC进行系统控制是比较有前景的。

我们已经论述了考虑紧急控制有效程度和稳态潮流控制的UPFC安装地点的评价，然而，在现实中，这两方面是需要综合评价的。由于实际的系统条件不同，对于紧急控制和稳态潮流控制的要求也就不同，但是根据电力系统固有的规律，我们可以得出一些综合评价的一般性原则：

1） 要以电力系统的安全为主。在充分考虑了系统的稳定裕度的前提下，再考虑系统潮流控制的要求。具体的，可以在稳定裕度的灵敏度系数大的几个安装地点中，再考虑稳态潮流控制时这些安装地点的影响效果指标。

2）充分考虑电力市场条件下的经济问题。有些电网由于其网架结构设计合理，电气联系很紧密，电网本身就有很高的稳定裕度。在这种情况下（电网安全稳定基本可以得到保证），就主要以稳态潮流控制的UPFC安装地点的评价为主，这样就可以节省不必要的投资。

总之，由于电力系统中的暂态稳定性和稳态潮流运行是并存的，而且也相互联系，考虑UPFC的安装也就必须综合考虑。

4 结论

1）给出了考虑紧急控制有效程度的UPFC安装地点的评价方法，提出了评价UPFC安装地点的效果指标。

2）给出了考虑稳态潮流控制的UPFC安装地点的评价方法，首次提出了考虑稳态潮流控制的UPFC安装地点的影响指标，该指标的计算并不需要复杂计算过程，因此可以快速优化UPFC的安装地点。

3）给出了考虑紧急控制有效程度和稳态潮流控制的综合评价的一般性原则。

4）本文给出的基于电力市场条件下的考虑紧急控制有效程度和稳态潮流控制的综合定量化评价仅是理论分析，尚需利用分析和仿真软件进行验证。

[1] Martins N,Determination of Suitable Locations for Power System Stabilizers and Static VAR Compensators for Damping Electromechanical Oscillations in Large Scale Power System,IEEE Trans on PWRS,1990,5(4):1455-1469.

[2] Rouco,An Eigenvalue Sensitivity Approach to Location and Controller Design of controllable Series Capacitors for Damping Power System Oscillation,IEEE Trans onPWRS,1997,12.

[3] 顾晓荣.FACTS装设地点的定量评估及优化.

[4] 薛禹胜.EEAC和 FASTTEST[J].电力系统自动化,1998(9).

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[6] 蔡泽祥.具有FACTS控制的EEAC法暂态稳定分析[J].电力系统及其自动化学报,2000(1).

[7] 宋玉秋.统一潮流控制器在电网规划中的应用[J].承德石油高等专科学校学报,2000(3).