考虑UPFC实时控制策略的电网功率调节能力研究

韩 冰， 张宁宇, 胡昊明， 陈 静

(1. 国网苏州供电公司，江苏 苏州 215004；2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

0 引言

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)可同时对节点电压、相角和线路阻抗进行控制，集合了静止同步补偿器、静止无功补偿器、移相器、可控串联补偿、短路电流限制器等装置的控制特点[1-6]。对于电网调度人员而言，虽然UPFC提供了电网潮流控制的一条新的途径，但受负荷变化、发电厂出力调整和运行方式等影响，UPFC潮流调节范围不断发生变化。如果UPFC的控制目标设置不合理，则可能对电网运行起到适得其反的作用。因此，为提高南京西环网UPFC装置的运行效率，保证电网潮流的合理运行，减轻调度人员的工作强度，开展UPFC对于实际电网的功率调节研究有着迫切的需求。

国内外对UPFC功率调节范围的研究现状如下：文献[7-8]在假设UPFC所在线路两端节点电压恒定的情况下，通过改变串联侧电压的幅值、相角计算得到UPFC功率控制范围为椭圆型，但所采用的模型较为简单，导致结果与电网实际运行情况相差较大。文献[9—10]研究了UPFC并网后对电网潮流的影响，并提出了相应的控制策略。文献[11]对考虑UPFC的电网随机潮流计算方法进行了研究，并得到电压和线路潮流的概率密度曲线。文献[12]研究了UPFC控制策略对功率调节范围的影响，并采用潮流计算方法实现了求解，但忽略了电网中线路载流能力对UPFC运行的影响，且UPFC并联侧控制策略采用的定电压控制策略与实际工程存在差异。也有学者对南京西环网的结构设计、控制特性和运行情况等进行研究。文献[13]分析了南京西环网UPFC的系统级控制策略，该策略保证电网正常运行或N-1情况下线路潮流能够运行在合理范围内。文献[14—15]结合南京西环网UPFC的结构特点，提出一种串联变压器的启动方法，降低了启动过程中对变压器、换流器和系统的影响。文献[16]在分析比较各种双回线路UPFC控制特性的基础上，分析南京西环网UPFC工程的接线拓扑方案在可靠性和经济性等方面的优点。

本文基于UPFC结构特性和控制特性[17]，提出一种用于南京西环网UPFC功率调节能力的计算方法，实现了电网正常运行和N-1情况下南京西环网UPFC对实际线路潮流的控制作用分析。该方法不仅考虑UPFC并联侧定无功控制和定电压控制策略，同时结合了UPFC的系统级控制策略等，提高了计算结果的精确性。最后使用Python语言在仿真软件PSS/E中基于江苏电网的实时运行数据对南京西环网UPFC的实际潮流控制范围进行计算，结果可用于指导UPFC的在线调度运行。

1 南京西环网UPFC工程简介

1.1 系统结构

南京西环网UPFC工程主要解决晓庄断面和西环网南部断面潮流分布不均衡的问题，工程投运后的系统接线如图1所示。

图1 南京西环网UPFC工程接入系统示意图Fig. 1 Integration diagram of Nanjing UPFC project

由于受占地、施工等因素的限制，UPFC直接加装在晓庄—中央、晓庄—下关线路，对断面功率进行控制存在着困难。经过工程选址分析，选择在经港—晓庄双线开断环入铁北变后，在铁北—晓庄双回线路上加装UPFC。南京西环网UPFC工程主要由3台换流器组成。其中1台换流器通过并联变压器接入燕子矶变35 kV母线，组成并联侧。另外2台换流器分别通过串联侧变压器接入铁北至晓庄线路，组成串联侧。并联侧和串联侧通过直流母线连接，如图2所示。

图2 南京西环网UPFC主回路拓扑Fig.2 Main circuit topology of Nanjing UPFC project

1.2 系统级控制策略

UPFC工程的系统级控制策略如下：

(1) 调度员手动控制模型，在保证晓庄南送断面、铁北—晓庄双线功率不过载情况下，可设定UPFC的功率控制目标，以保证电网运行可靠前提下，提高电网调度的灵活性。

(2) 正常运行情况下，通过UPFC调节铁北—晓庄功率，控制晓庄南送断面(即晓庄—下关、晓庄—中央)功率运行在额定载流量以内。

(3) 当晓庄南送断面N-1后，需要UPFC迅速调节铁北—晓庄线路的功率，保证晓庄南送断面另一回线路不过载。

(4) 当铁北—晓庄线路过载或N-1过载时，优先控制铁北—晓庄线路功率不超过其功率限值。

上述系统级控制策略的优先级别为：(1)<(2)<(3)=(4)。

1.3 换流器级控制策略

南京西环网UPFC工程采用串联侧和并联侧独立控制的原则。串联侧换流器通过改变串联侧电压的幅值和相角实现晓庄—铁北双线功率的控制。并联侧换流器在维持35 kV母线电压恒定的同时，为串联侧换流器提供有功功率，以保证UPFC直流侧电压的稳定，其具体控制策略如下：

(1) 串联侧控制策略。

① 定无功控制。UPFC串联侧换流器根据调度人员设定的线路无功功率控制目标运行。

② 定功率因数控制。UPFC串联侧换流器根据调度人员设定线路有功功率控制目标和功率因数计算得到无功功率值进行控制。

(2) 并联侧控制策略。

① 定无功控制。当并联侧接入的35 kV母线电压运行在设定范围内时，保证并联侧换流器与电网的无功交换为恒定值。当35 kV母线电压超出设定范围时，UPFC切换至定电压控制模式。

② 定电压控制。UPFC变联侧换流器通过控制注入电网的无功功率，保证35 kV母线电压运行在设定范围内。

2 UPFC潮流模型分析

目前已有的UPFC潮流模型基本可分为两大类：一是统一求解法，即将UPFC的控制参数加入电网潮流模型中，利用UPFC参数的约束条件与电网潮流一同求解；另一种是交替求解法，利用中间变量对UPFC模型和电网潮流模型交替求解，最终实现潮流计算。

图3 UPFC等效电路图Fig.3 The equivalent circuit of UPFC

将图3所示的等效电路图分解为解耦模型后，得到如图4所示的电路图。其中，Pms，Qms分别为UPFC注入至节点s的有功、无功功率；Psm，Qsm分别为UPFC注入至节点m的有功、无功功率。

图4 UPFC解耦模型Fig.4 UPFC decoupled model

Pms=-[VsVsesinθse+VsVmsin(θs-θm)]/
Xse-VsIsh_d

(1)

Qms=-[VmVs+VsVsecosθse-VsVmcos(θs-θm)]/
Xse+VsIsh_q

(2)

Psm=-[VmVsesin(θm-θs-θse)+
VsVmsin(θm-θs)]/Xse

(3)

(4)

忽略UPFC有功损耗，根据并联侧吸收的有功功率应与串联侧输入的有功功率平衡的原理，存在如下等式：

Pms=-Psm

(5)

式(1—5)组成UPFC等效解耦模型，考虑到南京西环网UPFC工程的串联侧2台换流器和变压器参数一致，可等效为1台换流器和变压器按照等效模型进行计算。

3 UPFC功率调节能力计算

3.1 并联侧接入节点的变化特性

针对上节中UPFC工程并联侧的2种控制策略，进行如下分析。

(1) 定无功控制。当并联侧接入的35 kV母线电压运行在设定范围内时，并联侧换流器与电网的无功交换为恒定值，此时节点s应为PQ节点。如35 kV母线电压超出设定范围，则UPFC并联侧转换至定电压控制模式，电压控制目标为上限或下限值，节点s转换为PV节点。当并联侧换流器与节点s之间的交换功率达到换流器容量限值时，节点s转换为PQ节点，忽略35 kV母线电压的设定范围，进行潮流计算。具体的流程如图5所示。

图5 定无功控制策略下的并联侧节点处理方式Fig.5 Process of shunt bus in fixed reactive mode

(2) 定电压控制。当并联侧35 kV母线电压运行在设定范围内，且UPFC变联侧与电网交换功率在换流器容量范围内时，节点s应为PV节点，但其电压可在设定范围内变化。当UPFC并联侧与电网交换功率超出换流器容量范围时，节点s转换为PQ节点，且忽略35 kV母线电压的设定范围，具体的流程如图6所示。

图6 定电压控制策略下的并联侧节点处理方式Fig.6 Process of shunt bus in fixed voltage mode

3.2 考虑UPFC的潮流计算

(1)PQ节点。当并联侧接入节点s为PQ节点时，由于UPFC并联侧换流器与节点s之间交换的无功为恒定，即Ish_q为已知变量，因此待求解变量包括Ish_d，Vs，θs，Vm和θm。对UPFC的解耦模型分析可知，假设Vs，θs，Vm和θm已知的情况下，根据式(1—4)计算得到节点s和m的注入功率Pms，Qms。Psm和Qsm作为注入功率代入至电网潮流计算，重新得到Vs，θs，Vm和θm。依次循环迭代，直至满足精度要求，然后根据式(5)计算得到Ish_d。

(2)PV节点。当并联侧接入节点s为PV节点时，Vs为定值，待求解变量包括Ish_d，Ish_q，θs，Vm和θm。潮流计算的方法与节点s为PQ节点时一致。计算完成后，可根据式(5)和节点s的实际注入无功功率得到Ish_d，Ish_q。

3.3 UPFC功率调节能力计算方法

图7 南京西环网UPFC实际调节能力计算流程Fig.7 Flow of UPFC’s control capacity in Nanjing western power grid

4 算例分析

为验证本文提出的考虑系统级和换流器级控制策略的UPFC功率调节能力计算方法的有效性，本节基于江苏电网的实际运行数据，在电网正常运行和N-1情况下对南京西环网UPFC工程对铁北—晓庄双线的功率调节能力进行了计算，得到不同并联侧控制策略下的UPFC实际功率调节范围，最后与理论计算结果进行了对比分析。

南京西环网UPFC工程的主要参数如下：单个换流器容量60 MV·A，串联侧最大输出线电压26.5 kV，串联变压器漏抗0.25 p.u.，并联变压器漏抗0.1 p.u.。正常运行情况下断面功率限额如下：铁北—晓庄断面功率770 MW，晓庄南送断面650 MW。晓庄南送断面在N-1情况下，铁北—晓庄断面功率900 MW，晓庄南送断面380 MW。

江苏电网实时运行数据由江苏调度D5000系统中的电网安全在线分析系统(DSA)模块状态估计每隔15 min生成一次，包括了江苏220 kV及以上变压器、线路、电厂和负荷等，可用于江苏电网的离线运行分析计算。本节以江苏电网2016年1月24日17:02的运行数据为例展开仿真。计算软件采用PSS/E平台，利用Python语言进行编程。

4.1 南京西环网UPFC理论调节能力计算

在不考虑UPFC系统级和换流器级控制策略、铁北—晓庄双线和晓庄南送断面载流量的情况下，将Vse设置为26.5 kV。Ase在0～2π变化时，利用式(1—5)计算得到南京西环UPFC在正常运行和晓庄南送断面N-1后的理论最大潮流调节范围如图8所示。可见，UPFC的理论最大控制范围为椭圆形，与文献[3]计算结果一致。其中，正常运行情况下铁北—晓庄双线初始运行功率为141.4 MW-j26.6 Mvar。在UPFC的调节下，铁北—晓庄双线有功、无功最大值分别为1065.9 MW和894.5 Mvar，最小值分别为-783.1 MW和-953.4 Mvar。晓庄南送断面N-1时，铁北—晓庄双线初始运行功率为84.7 MW-j24.6 Mvar。在UPFC的调节下，铁北—晓庄双线有功、无功最大值分别为1 009.5 MW和897.9 Mvar，最小值分别为-840.1 MW和-949.1 Mvar。

可见，UPFC的功率最大调节范围不仅取决于设备参数，还受到电网参数的影响，且随着电网运行方式的改变，南京西环网UPFC的功率最大控制范围处于不断变化的状态。

图8 南京西环网UPFC最大潮流调节能力的理论计算值Fig.8 Theory value of UPFC’s control range

4.2 正常运行时南京西环网UPFC实际调节能力计算

电网正常运行时，南京西环网UPFC并联侧分别采用定电压控制和定无功控制策略，铁北—晓庄双线功率的最大控制范围如图9所示。在不考虑晓庄南送断面功率最大限额时，UPFC定电压控制策略和定无功控制策略下的铁北—晓庄双线有功功率控制范围均为-142.1～425.5 MW。当铁北—晓庄双线功率大于225.9 MW时，晓庄南送断面功率超过650 MW。此时，如晓庄南送断面发生N-1，另一回线将发生过载。为保证晓庄南送断面的稳定运行，铁北—晓庄双线功率的控制范围变化减小至-142.1～225.9 MW。可见，UPFC并联侧的控制策略对有功功率的控制范围影响较小。UPFC定电压控制策略和定无功控制策略下的铁北—晓庄双线无功功率控制范围分别为-406.1～362.2 Mvar和-406.1～344.1 Mvar。可见，UPFC并联侧定电压控制策略下的无功控制范围略大于定无功控制策略。

图9 电网正常运行时南京西环网UPFC最大潮流调节能力Fig.9 UPFC’s control range in normal operation

4.3 晓庄南送断面N-1时南京西环网UPFC实际调节能力计算

晓庄南送断面N-1情况下，南京西环网UPFC并联侧分别采用定电压控制和定无功控制策略时，铁北—晓庄双线功率的最大控制范围如图10所示。受UPFC系统级控制策略的影响，为保证晓庄南送断面功率在稳定限额以内，铁北—晓庄双线有功功率最大值为-44.8 MW(“-”表示晓庄向铁北方向输送有功功率)，有功功率最小值受变联控制策略的影响，分别为-165.5 MW和-165.2 MW。定电压控制、定无功控制策略下铁北—晓庄双线无功功率的控制范围分别为-356.4～319.2 Mvar 和-337.0～310 Mvar。

图10 晓庄南送断面N-1时南京西环网UPFC最大潮流调节能力Fig.10 UPFC’s control range in N-1 operation

综上所述，上述3种情况下的南京西环网UPFC对铁北—晓庄双线潮流控制的最大范围如表1所示。

表1 UPFC控制范围比较Tab.1 Comparison of UPFC’s control range

由表1可见，在正常运行和晓庄南送断面N-1情况下，UPFC的实际功率控制范围要远小于理论计算值。这是由于理论计算时，只考虑了UPFC改变所在线路电气距离的“绝对值”。而实际电网运行时，UPFC的线路功率控制范围不仅取决于UPFC所在线路的电气距离的“绝对值”，还取决于与其他输电走廊电气距离的相对大小。

5 结论

为分析南京西环网UPFC工程投运后对电网功率的实际调节能力，本文提出一种考虑UPFC系统级和换流器级控制策略的功率调节能力计算方法。具体为在潮流计算中考虑了控制策略对于电网潮流的影响。基于江苏电网实时运行数据，在PSS/E中基于Python语言实现了理论计算、电网正常运行和晓庄南送断面N-1后UPFC对铁北—晓庄双线潮流的控制范围的计算，并对结果进行了比较。分析可见，UPFC工程实际的功率调节范围远小于理论计算值。这是由于UPFC控制范围不仅取决于设备本身的设计参数和控制策略的影响，还取决于电网结构、负荷和运行情况等。

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