南京西环网装设UPFC装置的主设备容量优化选择

甄宏宁，梁志瑞，王莹，王震泉，张诗滔

南京西环网装设UPFC装置的主设备容量优化选择

甄宏宁1，梁志瑞2，王莹1，王震泉1，张诗滔1

（1.江苏省电力设计院，江苏南京211102；2.华北电力大学，河北保定071000）

为了解决近期及未来南京主城区220 kV西环网存在输电通道瓶颈的问题，电力规划部门决定采取在电网中串接统一潮流控制器（UPFC）的措施。文中结合当地电网实际情况提出了UPFC容量选择的方法和思路。借助电力系统综合分析程序（PSASP），通过潮流稳态计算，进行了UPFC容量对提升南京西环网供电能力的敏感性分析，并且提出了UPFC最优容量选择。

UPFC；南京西环网；容量选择

为解决南京江南城区220 kV西环网长期存在送电能力不足问题，改善局部输电通道正常运行方式下重载、重要线路N-1过载的情况，规划和运行部门经过多种方案比选，决定采取在220 kV西环网合适的位置安装统一潮流控制器（UPFC）的措施。根据电网规划研究，随着南京地区负荷的增长以及220 kV电网的建设发展，“十三五”初期至“十四五”末期间，均需要UPFC装置在南京220 kV西环网中起到限制送电通道潮流越限的作用。本文对南京220 kV西环网中的装设UPFC的主设备容量（主设备指的是UPFC串联侧换流成套装置及相应串联变压器）进行计算分析，对UPFC自投产后到“十四五”期间在电网中运行所需的容量提出优化选择［1］。

图1　现状南京220 kV西环网系统结构图

图2　远景年南京220 kV西环网系统结构图

1　南京西环网装设UPFC工程

南京江南主城区220 kV电网呈双链式环网结构。220 kV西环网为500 kV龙王山变以西至500 kV秦淮变以北部分，主要供电范围是南京老城区的重要负荷中心。现状及远景年西环网主要结构如图1、图2所示。2014年，南京地区总负荷约8460 MW，其中220 kV西环网供电负荷约2200 MW。由于南京主城环网的电源、负荷分布不均，220 kV西环网中部潮流自然分界点以北的主要输电通道存在潮流过重问题，自东向西通过西环网内220 kV晓庄变南送下关变、中央门变断面潮流过重情况尤为突出，现状及未来成为制约整个西环网输电能力的瓶颈，从而最终影响南京电网整体供电能力和安全可靠水平。

电网规划和调度运行部门通过多方案比选，最终决定采用技术和经济性最优的在220 kV电网中串联UPFC装置的措施解决西环网输电瓶颈问题。根据设计单位现场踏勘和初步计算，确定将UPFC安装在铁北220 kV开关站，UPFC串联入晓庄—铁北双回线路中，通过控制该输电断面的潮流大小以保证整个西环网中相关220 kV线路在正常运行方式下不过载，在线路N-1方式下输送潮流不越限［2］。

2　基于PSASP的UPFC稳态计算方法

本文通过电力系统综合分析程序（PSASP）结合南京220 kV电网实际参数，使用简化的等效稳态计算方法，忽略UPFC的有功损耗，按UPFC同时控制母线电压和线路功率的条件，在电网仿真潮流计算中加入UPFC模型。通过稳态潮流计算，考察相同电网结构和负荷水平下不同容量的UPFC装置对电网潮流改变能力并找到符合运行要求的最小必须容量。

2.1UPFC串联侧改变线路功率的向量图

UPFC通过串联变压器在线路上产生一个电压源，通过该电压源来改变线路首端的电压幅值和相角，从而改变线路上的功率。忽略串联变压器的电阻后模型如图3所示。UPFC串联侧的向量图如图4、图5所示。

图3　UPFC串联接入电网基础模型

图4　UPFC降低线路输送功率向量图

图5　UPFC提升线路输送功率向量图

串联变压器消耗的功率：线路侧为（Vs-Vr）× （IB）*，阀侧的值等于VB×（IB）*。

在降低线路功率时，变压器线路侧功率＞阀侧功率。XB越大，两者差值越大。

在提升线路功率时，变压器线路侧功率＜阀侧功率。XB越大，两者差值越大。

串联变压器两侧输出电压：线路侧输出为（Vs-Vr），阀侧输出折算到线路侧等于VB。

在降低线路功率时，线路侧电压＞阀侧电压（折算至线路侧）。XB越大，两者差值越大。

在提升线路功率时，线路侧电压＜阀侧电压（折算至线路侧）。XB越大，两者差值越大。

通过分析可知，串联变压器消耗无功主要影响所串联线路上的有功变化；串联变压器消耗有功主要影响所串联线路上的无功变化。

2.2PSASP计算时的UPFC模型

在程序中无UPFC模型的情况下，为在潮流计算中体现UPFC的作用并估算其所需容量大小，忽略UPFC的有功损耗，按UPFC同时控制母线电压和线路功率考虑，UPFC接入电力系统示意图如图6所示。

图6　UPFC接入电力系统示意图

在稳态潮流计算中，母线s的电压Vs为设定值，线路上的功率Prs，Qrs也是设定值。此时母线s的电压幅值和有功都为已知，则可将其看作PV节点，等效成一台发电机；母线r的流出有功、无功都为已知，所以可以将其看作PQ节点，等效成一个负荷，即可得到如图7所示的UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型。

图7　UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型

利用该模型进行潮流或最优潮流计算后，可以得到Vs，Vr以及s端等效发电机的无功出力Qgs的值，利用这些已知量可以推算出UPFC电压源模型的相关变量，通过计算UPFC串联变侧（主要改变线路有功潮流输送能力）的容量以确定UPFC成套装置的容量。

3　UPFC容量选择

UPFC容量选择是工程设计、设备选择和采购过程中重要的步骤。通过初步研究分析，同等情况下，UPFC容量的大小决定了改变电网有功潮流分布变化大小［3］。对于南京220 kV西环网UPFC应用示范工程来说，容量计算分析和选择的主要制约因素为：

（1）当地220 kV电网边界条件的变化。外界电网的结构和运行方式的改变，对UPFC完成同一枢纽点功率变化控制所需的容量有一定影响。当电网主要输电断面的增强或减弱、电网中电源点的新增或减少对UPFC装设的容量选择影响明显。

（2）负荷分布和增长的不确定性。南京220 kV西环网UPFC示范工程基于现状南京及所含西环网供电片区的负荷总量和分布进行分析，随着社会经济的发展，供电负荷的提升或者负荷在整个地区的分布发生了较大变化，对UPFC所需容量的选取有一定影响。

（3）设备制造能力的制约。UPFC工程应用的核心设备是电压源换流器及控制保护装置。MMC结构换流器具有低损耗、低谐波，以及结构紧凑、扩展性好等特点，适合于UPFC工程应用。经向相关制造商了解，其核心大容量换流阀制造能力有限，其IGBT晶闸管最大穿越电流制约了UPFC的容量不能无限增大。

基于上述主要制约因素，UPFC的容量选择可通过电网调度和规划部门既定的UPFC投产年及今后南京电网负荷预测及分布，充分考虑当地220 kV电网边界条件的变化，借助PSASP进行潮流分析计算，描绘逐年UPFC控制电网功率变化的能力特性曲线，并找到该曲线上的控制临界点。综合逐年曲线上的临界点，选取合适的UPFC成套装置容量，校核设备制造能力是否满足要求。

3.1计算边界条件的确定

根据UPFC工程概况，投产年UPFC安装位置如图8所示，即UPFC串入晓庄—铁北双回线路，通过控制铁北—晓庄双线潮流，进而实现调节晓庄南送断面（晓庄—中央—下关、晓庄—下关）潮流的目的。

图8　投产年南京220kV西环网系统结构图

根据规划部门资料，在工程投产年、近期以及远景年中，该片区220 kV电网中需考虑：

（1）秦淮—滨南二通道（第3，4回线）的投运时间待定，预计2017年至2018年建成投产。

（2）受国家政策影响，“十三五”期间华能南京电厂具体关停时间待定。

（3）500 kV秋藤变的江南侧主变220 kV送出通道（秋藤—绿博园线路）投运时间不确定。

本文以2017年至2020（2025）年规划电网网架目标为基础，计算考虑UPFC装置后电网远景年的潮流。论证UPFC容量需求时，对考虑秦淮—滨南二通道、华能南京电厂关停、秋藤—绿博园线路等不确定因素进行了敏感性分析。

计算边界条件。西环网负荷发展按2016年2800 MW、2020年3100 MW、2025年3500 MW考虑。充分考虑电网建设进度安排以及各年份负荷发展，稳态计算和UPFC容量选择计算的边界条件如表1所示。

表1　计算的边界条件

3.2潮流计算和容量需求分析

对上述边界条件下所有运行方式，针对正常运行方式下重载线路及重要输电断面做N-1稳态潮流分析，其中利用2.2节的稳态计算方法，对各边界条件下UPFC容量大小改变目标线路潮流大小的能力进行分析并找到该边界条件下的最低容量点。

以2016A为例，在计算UPFC投产年稳态潮流中，UPFC的控制目标为晓庄南送断面线路N-1后剩下的另一回线路不过载（2016A1）通过计算描绘UPFC随着容量的增大改变潮流能力提升的曲线，如图9所示。并且通过计算找到该边界条件下为完成控制目标UPFC所需要的最小容量是23.9 MV·A，如表2所示。

图9　2016A UPFC容量-潮流改变量曲线图

表2　UPFC所需要的最小容量计算结果

通过图9曲线可以初步认为UPFC的容量越大改变潮流的能力越强，但是随着容量增大到一定程度后再增大其容量改变潮流的能力提升就很有限。通过2016A2曲线与2016A1曲线比对，由于前者设定的潮流控制目标距离UPFC装置装设地点较远，同等容量的UPFC对目标潮流改变的能力不如后者。

根据边界条件中对比2016A与2017D，2018D和2019D，电网的结构和电源均无变化，仅西环网负荷的体量整体上升（负荷分布相同）。根据计算结果（见图10），这4种边界条件下的UPFC容量与改变潮流大小曲线基本一致，随着西环网负荷的增大，UPFC改变潮流的目标也逐年增大，所需的最小容量亦逐年增大。

图10　UPFC容量-潮流改变量曲线图1

根据边界条件中对比2017B与2016A，在电网的结构改变下，由于秦淮北送第二通道投运，为UPFC控制功率降低了难度，安装同等容量UPFC情况下，2017B的改变潮流能力比2016A强。同时可以看出由于前者面对西环网的负荷水平高于后者，故前者所需的UPFC最小容量仅比后者小了2.1 MV·A。如图11所示。

图11　UPFC容量-潮流改变量曲线图2

根据边界条件中比对2017C，2018C，2019C，较2016年投产年电网部分的敏感性电源项目机组退役了，对UPFC的控制目标提出了更高的要求：铁北西送断面要保持正常方式下较大的潮流水平而该断面线路N-1后需UPFC控制剩下的一回线路不过载。这3种边界条件下的UPFC容量与改变潮流大小曲线也基本一致，如图12所示。

随着逐年西环网负荷水平的提升，逐年对UPFC最低容量需求也提升，分别需要59.8 MV·A，68.1 MV·A和77.1 MV·A（最大）（见表2），将图10与图12对比，图12中UPFC容量提升10 MV·A左右时，改变潮流的能力仅为20 MW左右，较前者大大缩减，故认为UPFC面对情况较复杂的调节任务时，一味增大容量不能起到明显的效果。

图12　UPFC容量-潮流改变量曲线图3

对3.1节各边界条件均进行曲线描述，并找出相应的UPFC所需最小容量（见表2）。可见，随着电网加强工程的积极推进，以及适当延后重要电源的退役时间，各年份边界条件下UPFC所需最小容量可以适当降低。

3.3UPFC容量选择

综合各边界条件下潮流计算结论和UPFC所需最小容量临界值，可见未来一段时期内在最恶劣工况下UPFC的容量选取应不低于77.1 MV·A。但是最终待电网建设工程全部完成后仅需要54.4 MV·A。针对2017C，2018C和2019C边界条件下对UPFC提出的过高要求，本文建议通过其他手段予以避免。根据表2的计算结论，2017A，2017C，2018A，2018C，2019A，2019C的边界条件下投运了秦淮—滨南第二通道，将UPFC所需最小容量分别从59.8 MV·A，68.1 MV·A 和77.1 MV·A减小到了11.4 MV·A，18.1 MV·A和17.9 MV·A。考虑到该工程的实际建设情况有一定阻力，不一定能在2016年如期投运，但本文建议仍应该在2018年之前完成，即彻底摒除边界条件中的2018C，2019C行。

综上分析，UPFC的容量选择按不低于59.8 MV·A考虑，也能满足远景年54.4 MV·A的要求。结合向厂家咨询相关设备制造能力可以在经济性允许的情况下做到单套容量60 MV·A的UPFC交直流环流部分及串联变设备。因此UPFC串联变和交直流转换成套装置需安装的最优容量应选择60 MV·A。

4　结束语

本文按照提出的UPFC容量选择方法和思路展开相关研究，基于理论计算，通过敏感性分析并结合当地电网工程的实际情况，对UPFC在南京220 kV西环网的安装容量提出了最优化选择。该结论可以满足UPFC工程投产年及未来长期电网运行需求，较优化前显著降低了UPFC的建设容量，合理利用资源，节省了工程主要设备投资。本文对UPFC容量的优化选择方式也可在今后同类工程中作为参考。

［1］江苏省电力设计院.统一潮流控制器在南京电网应用工程可研报告［R］.2014.

［2］江苏省电力设计院.UPFC在南京城市电网中的应用需求分析专题报告［R］.2014.

［3］陈剑平，李林川，张芳，等.基于PSASP的UPFC潮流控制建模与仿真［J］.电力系统及其自动化学报，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

甄宏宁（1985），男，江苏南京人，工程师，从事电力系统规划和输变电工程设计工作；

梁志瑞（1959），男，河北磁县人，教授，任教于华北电力大学；

王莹（1986），女，江苏常州人，工程师，从事电力规划研究工作；

王震泉（1980），男，江苏泰州人，高级工程师，从事电力系统规划研究工作；

张诗滔（1980），男，江苏苏州人，高级工程师，从事电力系统规划研究工作。