統一潮流控制器在電力系統中的PSD-BPA和MATLAB聯合建模與仿真方法

尹 璐 舒 彬 張 璞 張 凱 郭榮歡 吳振升

（1.北京電力經濟技術研究院 北京 100055 2.北京交通大學電氣工程學院 北京 100081）

1 引言

潮流計算是電力系統最基本運算之一，由于電網中潮流分布不均或不合理常常造成輸送過程中的個別線路負載過重、倒送與繞送、功率反復震蕩等問題，嚴重影響電能質量和送電效率以及電力運營的經濟性[1]。這就需要我們對系統潮流進行靈活控制，最大限度利用現有的電力網絡結構提高輸電效率，為用戶提供更穩定更經濟的用電環境。

長期以來，人們對電力系統潮流優化控制研究很多，有效的填補了我國電力系統方面的技術空白，其中影響最為廣泛是電力電子技術方面的進展。柔性交流輸電（FACTS）技術的迅速發展推動了電力系統控制技術標志性的進步，而 UPFC是 FACTS最具有代表性的、功能綜合性最強大器件之一，不僅能同時控制調節輸電線路上的電流和節點矢量電壓，并且能隨時吞吐有功功率和無功功率[2-3]。使用統一潮流控制器（UPFC）關鍵技術，將有助于解決電網中潮流分布不均引起的輸電瓶頸問題，有效提高電網輸送能力和電網資產利用效率，同時為電網提供必要的無功支撐，提高電網的電壓控制水平。

PSD-BPA潮流及暫態穩定程序（原中國版BPA程序）作為“PSD電力系統軟件工具”的重要組成部分，在實際應用過程中得到了不斷完善和提高，對指導全國聯網及區域電網的規劃、設計、科研及生產運行工作發揮了重要作用。根據中國電力科學研究院近年來全國聯網運行、規劃、試驗及調試等相關的研究項目，對PSD-BPA潮流及暫態穩定程序進行了大量的完善及新功能開發工作。在電力系統分析軟件（PSD-BPA）可以方便的進行大電網潮流計算，但其中UPFC的仿真模型并不完善，無法實現有功功率和無功功率解耦控制[4]。MATLAB/Simulink能夠進行UPFC的精確建模，但是建立全電網模型非常復雜。

本文介紹了一種利用 PSD-BPA和 MATLAB/Simulink兩種仿真工具的聯合仿真方法。首先，選擇需要應用UPFC裝置的局部電網模型，將該電網模型以外的電網等效為無窮大電源加內阻的形式。在 PSD-BPA中提取各電源的參數、負荷參數、等效線路參數和潮流數據。然后，將其導入到MATLAB電力系統仿真模型中。在未接入UPFC時，比較正常運行條件下和線路N-1運行條件下，各節點電壓和線路潮流是否相同，從而確定 MATLAB模型的正確性。進一步在 MATLAB電力系統模型中加入UPFC裝置，根據所需的控制效果進行仿真。最后，本文以北京地區華能電廠三期工程華能-垡頭雙回線路接入UPFC裝置為例，進行實際研究與應用。

2 UPFC的工作原理及等效數學模型

UPFC是一種串并聯混合裝置，可以對有功、無功和電壓分別進行控制，對于優化系統的運行、提高系統的暫態穩定、阻尼系統的振蕩具有顯著的作用[5]。UPFC原理圖如圖1所示，其由兩個共用直流側電容的電壓源型變換器組成，變換器I通過變壓器并聯接入系統，除了向變換器II提供有功功率外，還可通過向系統吸收或注入無功功率，可看作是可控的并聯靜止無功補償器(STATCOM)。變換器II通過變壓器串聯接入系統，向線路注入一個幅值和相位可調的串聯電壓，控制線路的潮流，可看作是可控的靜止同步串聯補償器(SSSC)[6-8]。

圖1 UPFC原理圖Fig.1 UPFC schematic diagram

UPFC的數學模型主要是基于穩態建立的數學模型，采用的方法主要是拓撲方法和輸出模型法[9]。前一種方法主要是對UPFC的內部結構分析清晰，但是數學模型較復雜；而輸出模型法主要從對外特性的角度進行研究，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等效成一個并聯電流源和串聯電壓源，并聯部分起到補償系統無功的功能，串聯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局部參數提取及處理

3.1 MATLAB建模所需參數分析

在理想情況下，局部電網各節點向電網側看過去，電網側可以等效為無窮大電源加內阻的形式，該電源參數包括電源電壓和電源內阻。所以，在MATLAB/Simulink中建立電力系統模型需要求出電源電壓的幅值和相位，以及電源的內阻抗。對于與大電網電源側無直接聯系的節點，可以看作負荷節點，需要求出該節點的負荷消耗功率。等效線路阻抗是電力系統模型的輸電線路參數。在PSD-BPA地理接線圖中，有些節點間沒有輸電線路直接相連，在 MATLAB/Simulink中這樣的節點間的輸電線路可以進行等效處理。

電源內阻抗、等效線路阻抗、節點電壓、節點間的系統潮流分布是由BPA-PSD中直接提取的。負荷功率和電源輸出至節點的功率是線路中相應節點其他聯絡線路潮流的代數和，電源電壓的幅值和相位由輸出功率和節點電壓計算得到。

3.2 局部電網參數提取

首先打開PSD-SCCPC，選擇需要進行計算的數據文件，也就是讀取網絡拓撲數據，選擇“網絡等值”選項，選擇需要應用UPFC裝置的局部電網模型的幾個節點并進行網絡等值計算，形成計算結果文檔*.list，輸出計算結果文檔就是 MATLAB/Simulink中建立電力系統模型需要的電源內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用UPFC裝置的局部電網中的相應節點，并讀取節點間相應線路潮流以及節點電壓幅值和相位。

3.3 局部電網相關參數計算

在 PSD-BPA地理接線圖中節點電壓幅值和相位以及節點間的線路潮流參數是實際值，可以直接應用。在 PSD-SCCPC中得到的電源阻抗、線路阻抗都是標幺值，而在MATLAB/Simulink中建模所需的參數均為有名值，因此需要對PSD-BPA中得到的數據進行處理。

4 MATLAB/Simulink模型建立與仿真

4.1 電力系統模型建立

Simulink是 MATLAB提供的對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包[10]。下面介紹在MATLAB/Simunlink中建立局部電網模型的具體流程。

運行 Simulink，打開電力系統模塊庫 Simscape中的SimPowerSystems建立實驗模型，電源模塊選擇Three-Phase Source，并且設置中性點接地。母線選擇帶有電壓測量模塊的Three-Phase VI Measurement，初始參數設置相電壓。負荷模塊選擇 Three-Phase Series RLC Load，初始電壓為PSD-BPA中得到的節點電壓，負荷消耗的功率根據基爾霍夫電流定律計算得到。輸電線路模型選擇Three-Phase PI Section Line，初始參數根據PSD-BPA中導出的線路網絡結構參數填寫。輸電線路中串聯電流測量模塊 Three-Phase VI Measurement。在Simulink中有封裝好的UPFC模塊，可以根據需要調用。電源電力模塊的電源幅值和相位以及內阻抗、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。仿真得到的各節點電壓幅值和相位、線路潮流通過Scope和Display顯示。Powergui（Power Graphical User Interface）模塊是Simulink為電力系統仿真提供的圖形用戶分析界面，由于本文僅關注穩態潮流控制效果，因此選擇相量法仿真。

下面以華能電廠三期工程，華能-臺湖雙回線路接入UPFC為例，說明建模過程。在正常運行方式下華能-垡頭雙回線路有功潮流是華能-臺湖雙回線路的4倍以上，潮流分布嚴重不均。同時，當華能-垡頭雙回線路發生N-1故障時，單回線路潮流達到478.4MVA，線路過載運行。UPFC裝置的主要優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，優化電網運行方式。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結構示意圖如圖3所示。圖中，華能、臺湖和安定3個節點與含有電源的大電網相連，所以將與這3個節點連接的大電網等效為無限大電源加內阻抗的形式。而與垡頭、老君堂和青云3個節點相連的電網均為負荷節點，所以將與這3個節點連接的大電網直接等效為負荷。另外，在實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中其他節點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-臺湖雙回輸電線路，但是有安定至大電網中其他節點之后連接至臺湖的輸電線路，我們將其等效為安定-臺湖雙回線。

圖3 局部電網示意圖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，提取節點電壓、電源內阻抗如表1所示，提取線路阻抗和潮流如表2所示。

表1 從PSD-BPA中提取的節點電壓和電源內阻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中的電源內阻抗和表2中的線路阻抗轉化為有名值。同時，根據表1中給出的節點電壓的幅值和相位，通過式(3)、式(4)可以求得電源電壓的幅值和相位，進一步可以求出各負荷節點的負荷消耗功率。再將這些計算結果帶入MATLAB/Simulink的局部電網模型中，在正常運行方式和華能—垡頭雙回線路N-1運行方式下進行仿真，得到兩種運行方式下，局部電網各節點的電壓和各條線路的潮流，將其與PSD-BPA仿真中的對應結果進行比較，如表3-表6所示。

通過觀察表3-表6可以發現，在正常運行方式下和華能-垡頭雙回線N-1運行方式下，PSD-BPA仿真中各節點電壓的幅值和相位與MATLAB/Simulink仿真中各節點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。由此驗證了 MATLAB/Simulink中局部電網模型是正確的。

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

表4 正常運行方式下PSD-BPA和MATLAB/Simulink節點電壓仿真結果比較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節點電壓仿真結果比較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-臺湖雙回線路的4倍以上，潮流分布嚴重不均。同時，由表5可以計算出，當華能-垡頭雙回線路發生N-1故障時，單回線路潮流達到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潮流分布與正常運行方式下一致，設定華能-垡頭雙回線路 N-1后潮流控制目標為：有功潮流400MW，無功潮流200Mvar。

在 MATLAB/Simulink建立的局部電網模型中間加入UPFC模型進行仿真，得到華能-垡頭線路潮流為：有功潮流400.5MW，無功潮流199.9Mvar。達到了預期控制目標。同時，根據當前仿真模型得到的UPFC串聯側壓降和線路電流，可以求得UPFC串聯側所需容量為2.24MVA。另外，需要根據電網的無功容量需求來配置UPFC的并聯側容量。

5 結論

為了滿足UPFC在電力系統中的仿真需求，本文提出了一種利用PSD-BPA和MATLAB/Simulink兩種仿真軟件的聯合仿真與建模方法。在 MATLAB/Simulink中搭建需要應用UPFC裝置的局部電網模型，將該電網模型以外的電網等效為無窮大電源加內阻或負荷的形式，從而減小了仿真的復雜程度。在 PSD-BPA中提取和計算局部電網中各條線路的阻抗和潮流、各節點電壓，以及各電源的電源電壓、內阻抗和負荷消耗功率，并將其導入到 MATLAB/Simulink搭建的系統模型中。在未接入UPFC時，比較正常運行方式下和線路N-1運行方式下，各節點電壓和線路潮流是否相同，從而驗證 MATLAB/Simulink中所建模型的正確性。進而在 MATLAB/Simulink所建模型中加入UPFC裝置模型，根據所需目標進行仿真。最后，本文以北京地區華能電廠三期工程華能-垡頭雙回線路接入UPFC裝置為例，進行了實際研究與應用。

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