統一潮流控制器(UPFC)在電壓穩定性中的應用

李明禮，付康

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004;2.安微省阜陽市供電公司，安徽 阜陽236000)

1 引言

電壓穩定性一直都是電力系統規劃和運行的重要研究對象。20世紀80年代以來，世界范圍內發生了多起嚴重的由系統電壓失穩導致整個系統崩潰的事件，使人們更加認識到電壓穩定的重要性［1］。

隨著電力電子技術、信息技術和控制理論的飛速發展及綜合應用，出現了很多控制電壓穩定的設備。其中FACTS以其特有的大功率、高速、精確連續的控制特點在提高系統的穩定性和可靠性方面得到越來越多的應用。UPFC綜合了FACTS元件的多種靈活控制功能，可以控制系統電壓，還能對線路的有功和無功潮流進行控制，從而達到優化系統的作用。

靈敏度分析方法利用系統中某些量的變化關系來分析其是否穩定，因其計算簡單，在電壓穩定研究中得到越來越廣泛的應用。本文使用dUL/dPL作為靈敏度指標［2］，分析UPFC裝設后給系統帶來的諸如節點電壓、靈敏度指標等方面的影響。

2 UPFC的工作原理

如圖1所示:統一潮流控制器的主電路由兩個電壓源型逆變器組成，并通過兩個變壓器接入系統［3］。逆變器1通過變壓器T1并聯接入系統(簡稱并聯部分)，其主要作用是提供或吸收由逆變器2在公共的直流母線上的有功功率，以維持UPFC的有功功率平衡，也可產生和吸收無功功率，維持送端節點電壓穩定;逆變器2通過變壓器T2串聯接入系統(簡稱串聯部分)，其作用是向系統注入一個與輸電線路同頻率的可調的交流電壓Upq，使UPFC能對輸電線路的電壓、阻抗角、有功和無功功率等進行單獨或者綜合控制。逆變器1與逆變器2通過中間的直流電容C連接，含UPFC的傳輸系統的向量圖如圖2所示。

圖1 UPFC的簡化模型示意圖

圖2 含有UPFC系統的向量圖

3 UPFC 的數學模型［4］

裝設有UPFC裝置的線路的等效網絡如圖3所示。

圖3 UPFC的數學模型

逆變器1的輸出電壓為U1，超前送端節點電壓Ui的相位為δ1;逆變器2的輸出電壓為U2，超前Ui的相位為δ2;X1、X2分別為并聯變壓器T1和串聯變壓器T2的漏抗;R1為包括逆變器1損耗和T1損耗在內的等效電阻，R2為包括逆變器2損耗和T2損耗在內的等效電阻。

由功率平衡關系得到直流側電容C兩端電壓Ud的變化方程，即電容C儲能的變化率等于UPFC吸收的總的瞬時有功功率，應有:

動態時UPFC兩側的有功平衡，有:

并聯端電流I1的表達式為:

UPFC 逆變器采用 S－ PWM 技術控制［7］U1、U2作為直流側電容電壓ud的輸出:

其中:k1，k2分別為并聯和串聯換流器的調制比，其值為各自的調制波UP和載波UT的波峰值的比值;δ1和δ2為調制波節點i電壓波形的相位差。

4 含UPFC電網的U－P靈敏度指標

U－P靈敏度指標的數學模型［5］:

在常規靜態電壓穩定性分析中，通常可以假設發電機與負荷節點有功功率偏差量ΔP=0，即有:

式中:為節點i的U－P靈敏度值。

現以圖4為例利用注入功率法［3］推導計及UPFC的U－P靈敏度指標值:

圖4

UPFC的附加注入功率為:

節點i，j的功率不平衡方程為:

UPFC支路自身的有功功率平衡方程:

將式(21)代入方程組(18)和(19)再結合目標約束方程式(20)得到只增加了兩行兩列的新的裝設有UPFC的雅可比矩陣:

對此新的雅可比做如前計算，就得到計及UPFC的節點U－P靈敏度指標。

5 算例分析

本文采用仿真工具PSAT1.3.4對WSCC－3機9節點系統(如圖5)進行仿真，1為平衡節點，2、3為PV節點，5、6、8為負荷節點。除了電源節點外，其它節點都缺乏無功支持，特別是三個負荷節點應為系統的不穩定節點。

圖5 WSCC－3機9節點系統圖

初始運行狀態下，系統各節點電壓及U－P指標的仿真計算結果如表1所示。

表1 WSCC9系統各節點靈敏度指標值

所有負荷節點功率按5%逐次增加直至系統電壓出現崩潰(即使Jacobian矩陣出現奇異的點)時，各節點的U－P指標值如表2所示。

表2 負荷按5%增加至電壓崩潰臨界點時節點的靈敏度值

以上數據表格反映5、6、8三個節點在初始狀態下電壓相對偏低，且U－P靈敏度指標值在初始狀態和負荷激增時都相對偏大，下面在節點6安裝UPFC，則節點6的電壓和靈敏度指標值如下表。安裝的UPFC參數如下:容量SN=100MVA，電壓UN=230kV，頻率fN=50Hz;并聯接入點參考電壓Uref=1.05p.u.;直流側參考電壓 Udref=1.02p.u.。

不考慮負荷量的變化時，節點6的電壓和靈敏度值如表3所示。

表3 節點6安裝UPFC后各節點的靈敏度指標值

所有負荷節點功率按5%逐次增加直至系統電壓出現崩潰(即使Jacobian矩陣出現奇異的點)時，各節點的U－P指標值如表4所示。

通過以上數據不難看出，系統除了平衡節點和電源節點外，安裝UPFC后節點電壓都有所提高，節點的靈敏度也在一定程度上有所改善;當節點量增加時，仿真得到的各節點的靈敏度與初始系統相比在裝設UPFC后節點指標也都有所改善，特別是在節點安裝處指標值改善最為明顯。

表4 裝設UPFC后節點5按5%增加至電壓崩潰臨界點時節點的靈敏度值

6 結論

本文通過仿真，從理論上說明，系統裝設UPFC后能使電壓低的節點得到改善，對線路的潮流能有效的控制，提高了系統的電壓穩定性，優化系統運行，為電力的研究提供了一種有效的控制方法，拓寬了思路。但本文只對比分析了在簡單系統下安裝UPFC時節點6的仿真結果，如在復雜系統情況下對所有電壓偏低節點安裝UPFC后是否能改善系統的電壓穩定性能還有待進一步的研究。

［1］傅旭，王錫凡，杜正春.電力系統電壓穩定性研究現狀及其展望［J］.電力自動化設備，2005，25(2):1 － 9.

［2］段獻忠，袁駿，何仰贊，等.電力系統電壓穩定靈敏度分析方法［J］.電力系統自動化，1997，21(4):9 －1.

［3］徐琰，李乃湖，王海風，等.基于統一潮流控制器(UPFC)的電力系統穩態潮流控制的模型和算法［J］.電力系統及其自動化學報，1996，8(3):1－6.

［4］李庚銀，徐春俠，律方成，等.含FACTS元件的電力系統潮流計算［J］.華北電力學院學報，1996，2(23):4 －5.

［5］Fuerte － Esquivel C R，Acha E.Unified power flow controller:acritical comparison of Newton －Raphson UPFC algorithms in power flow studies.IEEE proc.September，1997，144(5).

［6］龍軍，胡慧艷，龐敏，等.帶SVC電力系統電壓穩定二階指標的計算與仿真［J］.廣西大學學報(自然科學版)，2008，33(2):196 －200.

［7］Iwamoto S，Tmaura Y.A Load Flow Calculation Method for IEEE Trans on Power Systems，1991，100(4):1736 －1743.

［8］袁俊，段獻忠，何仰贊.電力系統電壓穩定靈敏度分析方法綜述［J］.電網技術，1997，21(9):7 －10.

［9］葛敏輝，石松氣，周貴興.UPFC控制器設計原理及方案［J］.電網技術，2000，6，24(6):31 －33.