含UPFC的電力系統潮流計算方法研究

宋鵬程，王　瑩，許文超，徐　政

（1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102）

含UPFC的電力系統潮流計算方法研究

宋鵬程1，王瑩2，許文超2，徐政1

（1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102）

分析了在基于電力系統仿真軟件（PSS/E）實現含統一潮流控制器（UPFC）的電力系統潮流計算和動態仿真的過程中，常規含UPFC的潮流計算方法存在的問題，提出了一種兩階段的含UPFC的電力系統潮流計算方法，并在PSS/E中對所提出的含UPFC的潮流計算方法進行了驗證。

統一潮流控制器；潮流計算；PSS/E

作為最新一代的柔性交流輸電系統 （FACTS）裝置，統一潮流控制器（UPFC）能夠實現潮流的精確控制，提高斷面輸送功率極限，對電網動態穩定性和電壓穩定性均有較大影響［1-3］。目前，基于MMC技術的UPFC已在江蘇電網220 kV系統內找到實際應用前景［4］。含UPFC的電力系統潮流計算和動態仿真對UPFC投運后系統動態特性分析以及UPFC系統級控制策略的制定是必不可少的。

目前潮流計算中UPFC模型多采用兩注入源的模型［5-7］，在基于電力系統仿真軟件（PSS/E）實現含UPFC的電力系統潮流計算過程中發現，常規含UPFC的潮流計算方法存在一些問題，無法完成潮流計算。同時，動態仿真程序無法在未完成潮流計算的情況下進行初始化，后續動態仿真因而無法進行。文中提出了一種兩階段的含UPFC的電力系統潮流計算方法，并進行了驗證。

1　常規含UPFC的電力系統潮流計算方法

假定電力網絡中的線路k-n的k節點裝有UPFC，如圖1（a）所示。在UPFC運行中，通常UPFC并聯側換流器的控制目標為定直流側電壓和定交流母線電壓Vk，串聯側換流器的控制目標為定線路有功功率Pm和無功功率Qm。在電力系統的潮流計算時可用如下方法對含UPFC線路進行簡單的處理，用常規的電力系統潮流計算程序直接進行計算［5］：第一步，在靠近k節點的UPFC后增加輔助節點m，如圖1（b）所示。第二步，UPFC定線路功率的作用相當于將節點m看作PQ節點，其中Pm＝P設定值，Qm＝Q設定值；把節點k看作是PV節點，其中Pk＝Pm＝P設定值，Vk＝V設定值，如1（c）所示。經上述兩步處理后，含UPFC的電力系統的潮流計算已化為常規電力系統的潮流計算，可以用常規的潮流計算程序來解決。

圖1 UPFC潮流計算模型

2　常規含UPFC的電力系統潮流計算方法存在的問題

在研究含UPFC的電力系統潮流計算方法時，所用模型為圖2中常規UPFC裝置結構，并聯側換流器通過并聯變壓器連在母線k上。然而，為滿足不同的潮流控制需求，不同的電網結構中加裝的UPFC裝置結構存在差異。圖3為南京西環網UPFC的示范工程結構［4］，南京UPFC工程串聯側換流器與線路交換的有功功率比較小，對并聯側換流器的直流容量需求較小，可以將2個串聯側換流器共用1個并聯側換流器，降低成本和體積；由于鐵北站220 kV交流系統對無功需求不大，將并聯側接至附近35 kV母線，可以減小并聯變壓器成本和體積。

圖2 UPFC裝置結構

圖3南京西環網UPFC裝置結構

在進行含UPFC的電力系統潮流計算時，常規含UPFC的電力系統潮流計算方法存在以下問題：

（1）當UPFC并聯變壓器不直接連在母線k上時，注入節點k的有功Pk與流出節點m的有功Pm不再相等。

（2）受容量限制，當UPFC不能實現其潮流控制目標時，常規含UPFC的電力系統潮流計算方法無法實現考慮變量約束條件的潮流計算，只能進行約束變量的校核。

（3）當UPFC并聯側換流器達到容量限值或并聯換流器控制目標從定交流母線電壓變為定無功功率時，交流母線k電壓不再恒定，節點k將由PV節點變為PQ節點，此時不能使用常規潮流計算程序直接進行計算。

3　新型含UPFC的電力系統潮流計算方法

為解決常規含UPFC的電力系統潮流計算方法中存在的問題，實現改進拓撲下UPFC潮流計算的模型應至少包含3個注入源，此時不能使用常規潮流計算程序直接進行計算，需要不斷修改注入源的注入量帶入網絡，直至潮流計算收斂。同時，在動態仿真時UPFC等效為1個并聯電流源與1個串聯電壓源的形式［8-10］，PSS/E自定義模型與程序接口使用的是發電機模型，需要3臺發電機來等效UPFC的接入，其中2臺發電機等效串聯電壓源接入系統，1臺發電機等效并聯電流源接入。為與動態仿真統一，潮流計算時UPFC 的3注入源也使用發電機模型，此時3個注入節點均為PV節點，這會使潮流計算的收斂過程更加復雜。

為實現用常規潮流計算程序直接計算含UPFC的電力系統潮流，為動態仿真程序提供精確的初始運行點，文中提出了一種兩階段的含UPFC的電力系統潮流計算方法：第一階段給定一組特殊的UPFC輸出變量，使常規潮流計算程序能夠直接計算含UPFC的電力系統潮流，第一階段的潮流計算結果作為第二階段的初始運行點，在動態仿真程序中將潮流控制到目標值，得到目標潮流下的潮流計算結果。假定電力網絡中的線路k-n的k節點裝有UPFC，并聯換流器通過并聯變壓器連在母線s上，如圖4所示。

圖4 UPFC裝置結構

第一階段，在給定的UPFC輸出變量下進行潮流計算：

（1）忽略串并聯變壓器有功損耗以及換流器本身的損耗，當串聯變壓器兩端電壓為0、并聯變壓器輸出無功功率為0時，此時圖4中的電力網絡可以等效為圖5（a）中所示的電力網絡，圖5（a）網絡中不含UPFC裝置，可以用常規潮流計算程序直接進行計算。潮流計算結果中節點k、節點s的電壓幅值以及線路k-n的潮流分別為Vk0、Vs0以及P0+jQ0。

（2）與常規含UPFC的潮流計算方法類似，在靠近節點k的UPFC后增加輔助節點m，潮流計算程序中加入3臺發電機作為UPFC模型，此時3個節點均為PV節點，其中Pk=P0，Vk=Vk0；Pm=P0，Vm=Vk0；Ps= 0，Vs=Vs0。如5（b）所示。

（3）經上述兩步處理后，含UPFC的電力系統的潮流計算已化為常規電力系統的潮流計算，可以用常規的潮流計算程序來解決。此時得到的潮流計算結果為給定的UPFC輸出變量下 （串聯變壓器兩端電壓為0、并聯變壓器輸出無功功率為0）的潮流計算結果，作為第二階段的初始運行點。

第二階段，得到目標潮流下的潮流計算結果：

（1）用第一階段的潮流計算結果對動態仿真程序進行初始化。

（2）在動態仿真中修改UPFC控制目標值，將潮流控制到目標值，動態仿真達到穩定后，用來等效UPFC模型的3個PV節點的電壓和注入功率分別為，Pk=Pk1，Vk=Vk1；Pm=P設定值，Vm=Vm1；Ps=Ps1，Vs=Vs1。

（3）在此等效模型下的潮流結果即為含UPFC的電力系統在目標潮流下的潮流計算結果，如5（c）所示。

所提出的含UPFC的電力系統潮流計算方法流程圖如圖6所示。該含UPFC的電力系統潮流計算方法不局限于圖4中的UPFC結構，對于如圖3所示的串聯變流器多于1個的結構，潮流計算方法仍然適用。

圖5新型UPFC潮流計算模型

圖6含UPFC的電力系統潮流計算方法流程

4　算例

算例系統是如圖7所示的1個簡單的電力系統，計劃在節點2與節點3之間的一回線路上安裝UPFC裝置，UPFC串聯變壓器靠近節點2，并聯變壓器接于節點5上，節點6為靠近節點2 UPFC后增加的輔助節點。第一階段給定UPFC輸出變量（串聯變壓器兩端電壓為0、并聯變壓器輸出無功功率為0），在PSS/E潮流計算程序中直接計算含UPFC的電力系統潮流，結果如表1所示。所得的潮流計算結果作為第二階段的初始運行點，在動態仿真程序中將潮流控制到目標值，得到目標潮流下的潮流計算結果。圖8為第二階段潮流的收斂過程，具體過程如下：0 s時用第一階段的潮流計算結果進行初始化，2 s時修改UPFC控制指令值（線路6-3的潮流控制在1.800+j0.000，節點5的電壓控制在1.038）。動態仿真達到穩定后的潮流結果即為含UPFC的電力系統在目標潮流下的潮流計算結果，如表2所示。

圖7算例系統示意

表1第一階段潮流計算結果

圖8線路功率曲線

由算例分析可看出，所提出的含UPFC電力系統潮流計算方法能用常規潮流計算程序直接計算含UPFC的電力系統潮流，在不同的UPFC結構以及控制方式下均具有較好的適應性。同時解決了含UPFC的電力系統動態仿真無法初始化的問題，所得潮流計算結果能夠實現動態仿真初始化，保證動態仿真的順利進行。

表2第二階段潮流計算結果

5　結束語

分析了在基于電力系統仿真軟件PSS/E實現含UPFC的電力系統潮流計算和動態仿真的過程中，常規含UPFC的潮流計算方法存在的問題，并提出了一種兩階段的含UPFC的電力系統潮流計算方法：第一階段給定一組特殊的UPFC輸出變量，使常規潮流計算程序能夠直接計算含UPFC的電力系統潮流；第一階段的潮流計算結果作為第二階段的初始運行點，在動態仿真程序中將潮流控制到目標值，得到目標潮流下的潮流計算結果。

［1］宋 莉.計及UPFC的可用輸電能力研究［D］.吉林：東北電力大學，2009.

［2］趙 淵，楊曉嵩，謝開貴.UPFC對電網可靠性的靈敏度分析及優化配置［J］.電力系統自動化，2012，36（1）：55-60.

［3］劉 青，馬 朋，鄒家平.基于WAMS的UPFC裝置的附加控制器設計［J］.華北電力技術，2015（2）：13-18.

［4］蔡 暉，祁萬春，黃俊輝，等.統一潮流控制器在南京西環網的應用［J］.電力建設，2015（8）：73-78.

［5］徐 政，張 揚.用常規潮流程序直接計算含統一潮流控制器的電力網絡潮流［J］.電網技術，1998，22（10）：40-43.

［6］陳淮金，白 中.含UPFC電力系統的潮流計算研究［J］.電力系統自動化，1996，20（3）：23-27.

［7］郎 兵.含UPFC電力系統的潮流計算研究［J］.華北電力技術，1998（7）：15-18，55.

［8］張 揚，毛雪雁，徐 政.用于電網穩態和暫態分析的統一潮流控制器模型［J］.電網技術，2002，26（7）：30-33.

［9］黃振宇，倪以信，陳壽孫，等.UPFC動態模型在電力系統動態分析中的實現［J］.電力系統自動化，1999，23（6）：26-30，53.

［10］劉皓明，朱浩駿，嚴 正，等.含統一潮流控制器裝置的電力系統動態混合仿真接口算法研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（16）：1-7.

Load Flow Calculation Study for Power Systems Containing UPFC

SONG Pengcheng1，WANG Ying2，XU Wenchao2，XU Zheng1
（1.College of Electrical Engineering，Zhengjiang University，Hangzhou 310027，China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China）

In this paper，the conventional method for calculating load flow of power systems containing unified power flow controllers（UPFCs）is analyzed.The drawbacks of this approach during performing load flow calculation and dynamic simulation of power systems containing UPFC in PSS/E（Power System Simulator for Engineering）are discussed.A novel two-stage method for calculating load flow of power systems containing UPFCs is proposed.Case studies validate the the proposed method.

unified power flow controller（UPFC）；load flow；PSS/E

TM744

A

1009-0665（2016）01-0024-04

2015-10-21；

2015-12-02

宋鵬程（1990），男，山東淄博人，博士研究生，從事大規模交直流電力系統分析、直流輸電與柔性交流輸電相關研究；

王瑩（1986），女，江蘇常州人，工程師，從事電力系統規劃相關研究工作；

許文超（1979），女，江蘇東臺人，高級工程師，從事電力系統規劃相關研究工作；

徐政（1962），男，浙江海寧人，博士生導師，從事大規模直流電力系統分析、直流輸電與柔性交流輸電、電力諧波與電能質量、風力發電技術與風電場并網技術相關研究。