考慮UPFC實時控制策略的電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)能力研究

韓 冰， 張寧宇, 胡昊明， 陳 靜

(1. 國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)可同時對節(jié)點電壓、相角和線路阻抗進行控制，集合了靜止同步補償器、靜止無功補償器、移相器、可控串聯(lián)補償、短路電流限制器等裝置的控制特點[1-6]。對于電網(wǎng)調(diào)度人員而言，雖然UPFC提供了電網(wǎng)潮流控制的一條新的途徑，但受負(fù)荷變化、發(fā)電廠出力調(diào)整和運行方式等影響，UPFC潮流調(diào)節(jié)范圍不斷發(fā)生變化。如果UPFC的控制目標(biāo)設(shè)置不合理，則可能對電網(wǎng)運行起到適得其反的作用。因此，為提高南京西環(huán)網(wǎng)UPFC裝置的運行效率，保證電網(wǎng)潮流的合理運行，減輕調(diào)度人員的工作強度，開展UPFC對于實際電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)研究有著迫切的需求。

國內(nèi)外對UPFC功率調(diào)節(jié)范圍的研究現(xiàn)狀如下：文獻[7-8]在假設(shè)UPFC所在線路兩端節(jié)點電壓恒定的情況下，通過改變串聯(lián)側(cè)電壓的幅值、相角計算得到UPFC功率控制范圍為橢圓型，但所采用的模型較為簡單，導(dǎo)致結(jié)果與電網(wǎng)實際運行情況相差較大。文獻[9—10]研究了UPFC并網(wǎng)后對電網(wǎng)潮流的影響，并提出了相應(yīng)的控制策略。文獻[11]對考慮UPFC的電網(wǎng)隨機潮流計算方法進行了研究，并得到電壓和線路潮流的概率密度曲線。文獻[12]研究了UPFC控制策略對功率調(diào)節(jié)范圍的影響，并采用潮流計算方法實現(xiàn)了求解，但忽略了電網(wǎng)中線路載流能力對UPFC運行的影響，且UPFC并聯(lián)側(cè)控制策略采用的定電壓控制策略與實際工程存在差異。也有學(xué)者對南京西環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制特性和運行情況等進行研究。文獻[13]分析了南京西環(huán)網(wǎng)UPFC的系統(tǒng)級控制策略，該策略保證電網(wǎng)正常運行或N-1情況下線路潮流能夠運行在合理范圍內(nèi)。文獻[14—15]結(jié)合南京西環(huán)網(wǎng)UPFC的結(jié)構(gòu)特點，提出一種串聯(lián)變壓器的啟動方法，降低了啟動過程中對變壓器、換流器和系統(tǒng)的影響。文獻[16]在分析比較各種雙回線路UPFC控制特性的基礎(chǔ)上，分析南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的接線拓?fù)浞桨冈诳煽啃院徒?jīng)濟性等方面的優(yōu)點。

本文基于UPFC結(jié)構(gòu)特性和控制特性[17]，提出一種用于南京西環(huán)網(wǎng)UPFC功率調(diào)節(jié)能力的計算方法，實現(xiàn)了電網(wǎng)正常運行和N-1情況下南京西環(huán)網(wǎng)UPFC對實際線路潮流的控制作用分析。該方法不僅考慮UPFC并聯(lián)側(cè)定無功控制和定電壓控制策略，同時結(jié)合了UPFC的系統(tǒng)級控制策略等，提高了計算結(jié)果的精確性。最后使用Python語言在仿真軟件PSS/E中基于江蘇電網(wǎng)的實時運行數(shù)據(jù)對南京西環(huán)網(wǎng)UPFC的實際潮流控制范圍進行計算，結(jié)果可用于指導(dǎo)UPFC的在線調(diào)度運行。

1 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程簡介

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程主要解決曉莊斷面和西環(huán)網(wǎng)南部斷面潮流分布不均衡的問題，工程投運后的系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程接入系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Integration diagram of Nanjing UPFC project

由于受占地、施工等因素的限制，UPFC直接加裝在曉莊—中央、曉莊—下關(guān)線路，對斷面功率進行控制存在著困難。經(jīng)過工程選址分析，選擇在經(jīng)港—曉莊雙線開斷環(huán)入鐵北變后，在鐵北—曉莊雙回線路上加裝UPFC。南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程主要由3臺換流器組成。其中1臺換流器通過并聯(lián)變壓器接入燕子磯變35 kV母線，組成并聯(lián)側(cè)。另外2臺換流器分別通過串聯(lián)側(cè)變壓器接入鐵北至?xí)郧f線路，組成串聯(lián)側(cè)。并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)通過直流母線連接，如圖2所示。

圖2 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC主回路拓?fù)銯ig.2 Main circuit topology of Nanjing UPFC project

1.2 系統(tǒng)級控制策略

UPFC工程的系統(tǒng)級控制策略如下：

(1) 調(diào)度員手動控制模型，在保證曉莊南送斷面、鐵北—曉莊雙線功率不過載情況下，可設(shè)定UPFC的功率控制目標(biāo)，以保證電網(wǎng)運行可靠前提下，提高電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。

(2) 正常運行情況下，通過UPFC調(diào)節(jié)鐵北—曉莊功率，控制曉莊南送斷面(即曉莊—下關(guān)、曉莊—中央)功率運行在額定載流量以內(nèi)。

(3) 當(dāng)曉莊南送斷面N-1后，需要UPFC迅速調(diào)節(jié)鐵北—曉莊線路的功率，保證曉莊南送斷面另一回線路不過載。

(4) 當(dāng)鐵北—曉莊線路過載或N-1過載時，優(yōu)先控制鐵北—曉莊線路功率不超過其功率限值。

上述系統(tǒng)級控制策略的優(yōu)先級別為：(1)<(2)<(3)=(4)。

1.3 換流器級控制策略

南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程采用串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)獨立控制的原則。串聯(lián)側(cè)換流器通過改變串聯(lián)側(cè)電壓的幅值和相角實現(xiàn)曉莊—鐵北雙線功率的控制。并聯(lián)側(cè)換流器在維持35 kV母線電壓恒定的同時，為串聯(lián)側(cè)換流器提供有功功率，以保證UPFC直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，其具體控制策略如下：

(1) 串聯(lián)側(cè)控制策略。

① 定無功控制。UPFC串聯(lián)側(cè)換流器根據(jù)調(diào)度人員設(shè)定的線路無功功率控制目標(biāo)運行。

② 定功率因數(shù)控制。UPFC串聯(lián)側(cè)換流器根據(jù)調(diào)度人員設(shè)定線路有功功率控制目標(biāo)和功率因數(shù)計算得到無功功率值進行控制。

(2) 并聯(lián)側(cè)控制策略。

① 定無功控制。當(dāng)并聯(lián)側(cè)接入的35 kV母線電壓運行在設(shè)定范圍內(nèi)時，保證并聯(lián)側(cè)換流器與電網(wǎng)的無功交換為恒定值。當(dāng)35 kV母線電壓超出設(shè)定范圍時，UPFC切換至定電壓控制模式。

② 定電壓控制。UPFC變聯(lián)側(cè)換流器通過控制注入電網(wǎng)的無功功率，保證35 kV母線電壓運行在設(shè)定范圍內(nèi)。

2 UPFC潮流模型分析

目前已有的UPFC潮流模型基本可分為兩大類：一是統(tǒng)一求解法，即將UPFC的控制參數(shù)加入電網(wǎng)潮流模型中，利用UPFC參數(shù)的約束條件與電網(wǎng)潮流一同求解；另一種是交替求解法，利用中間變量對UPFC模型和電網(wǎng)潮流模型交替求解，最終實現(xiàn)潮流計算。

圖3 UPFC等效電路圖Fig.3 The equivalent circuit of UPFC

將圖3所示的等效電路圖分解為解耦模型后，得到如圖4所示的電路圖。其中，Pms，Qms分別為UPFC注入至節(jié)點s的有功、無功功率；Psm，Qsm分別為UPFC注入至節(jié)點m的有功、無功功率。

圖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有功損耗，根據(jù)并聯(lián)側(cè)吸收的有功功率應(yīng)與串聯(lián)側(cè)輸入的有功功率平衡的原理，存在如下等式：

Pms=-Psm

(5)

式(1—5)組成UPFC等效解耦模型，考慮到南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的串聯(lián)側(cè)2臺換流器和變壓器參數(shù)一致，可等效為1臺換流器和變壓器按照等效模型進行計算。

3 UPFC功率調(diào)節(jié)能力計算

3.1 并聯(lián)側(cè)接入節(jié)點的變化特性

針對上節(jié)中UPFC工程并聯(lián)側(cè)的2種控制策略，進行如下分析。

(1) 定無功控制。當(dāng)并聯(lián)側(cè)接入的35 kV母線電壓運行在設(shè)定范圍內(nèi)時，并聯(lián)側(cè)換流器與電網(wǎng)的無功交換為恒定值，此時節(jié)點s應(yīng)為PQ節(jié)點。如35 kV母線電壓超出設(shè)定范圍，則UPFC并聯(lián)側(cè)轉(zhuǎn)換至定電壓控制模式，電壓控制目標(biāo)為上限或下限值，節(jié)點s轉(zhuǎn)換為PV節(jié)點。當(dāng)并聯(lián)側(cè)換流器與節(jié)點s之間的交換功率達(dá)到換流器容量限值時，節(jié)點s轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點，忽略35 kV母線電壓的設(shè)定范圍，進行潮流計算。具體的流程如圖5所示。

圖5 定無功控制策略下的并聯(lián)側(cè)節(jié)點處理方式Fig.5 Process of shunt bus in fixed reactive mode

(2) 定電壓控制。當(dāng)并聯(lián)側(cè)35 kV母線電壓運行在設(shè)定范圍內(nèi)，且UPFC變聯(lián)側(cè)與電網(wǎng)交換功率在換流器容量范圍內(nèi)時，節(jié)點s應(yīng)為PV節(jié)點，但其電壓可在設(shè)定范圍內(nèi)變化。當(dāng)UPFC并聯(lián)側(cè)與電網(wǎng)交換功率超出換流器容量范圍時，節(jié)點s轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點，且忽略35 kV母線電壓的設(shè)定范圍，具體的流程如圖6所示。

圖6 定電壓控制策略下的并聯(lián)側(cè)節(jié)點處理方式Fig.6 Process of shunt bus in fixed voltage mode

3.2 考慮UPFC的潮流計算

(1)PQ節(jié)點。當(dāng)并聯(lián)側(cè)接入節(jié)點s為PQ節(jié)點時，由于UPFC并聯(lián)側(cè)換流器與節(jié)點s之間交換的無功為恒定，即Ish_q為已知變量，因此待求解變量包括Ish_d，Vs，θs，Vm和θm。對UPFC的解耦模型分析可知，假設(shè)Vs，θs，Vm和θm已知的情況下，根據(jù)式(1—4)計算得到節(jié)點s和m的注入功率Pms，Qms。Psm和Qsm作為注入功率代入至電網(wǎng)潮流計算，重新得到Vs，θs，Vm和θm。依次循環(huán)迭代，直至滿足精度要求，然后根據(jù)式(5)計算得到Ish_d。

(2)PV節(jié)點。當(dāng)并聯(lián)側(cè)接入節(jié)點s為PV節(jié)點時，Vs為定值，待求解變量包括Ish_d，Ish_q，θs，Vm和θm。潮流計算的方法與節(jié)點s為PQ節(jié)點時一致。計算完成后，可根據(jù)式(5)和節(jié)點s的實際注入無功功率得到Ish_d，Ish_q。

3.3 UPFC功率調(diào)節(jié)能力計算方法

圖7 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC實際調(diào)節(jié)能力計算流程Fig.7 Flow of UPFC’s control capacity in Nanjing western power grid

4 算例分析

為驗證本文提出的考慮系統(tǒng)級和換流器級控制策略的UPFC功率調(diào)節(jié)能力計算方法的有效性，本節(jié)基于江蘇電網(wǎng)的實際運行數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)正常運行和N-1情況下對南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程對鐵北—曉莊雙線的功率調(diào)節(jié)能力進行了計算，得到不同并聯(lián)側(cè)控制策略下的UPFC實際功率調(diào)節(jié)范圍，最后與理論計算結(jié)果進行了對比分析。

南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的主要參數(shù)如下：單個換流器容量60 MV·A，串聯(lián)側(cè)最大輸出線電壓26.5 kV，串聯(lián)變壓器漏抗0.25 p.u.，并聯(lián)變壓器漏抗0.1 p.u.。正常運行情況下斷面功率限額如下：鐵北—曉莊斷面功率770 MW，曉莊南送斷面650 MW。曉莊南送斷面在N-1情況下，鐵北—曉莊斷面功率900 MW，曉莊南送斷面380 MW。

江蘇電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)由江蘇調(diào)度D5000系統(tǒng)中的電網(wǎng)安全在線分析系統(tǒng)(DSA)模塊狀態(tài)估計每隔15 min生成一次，包括了江蘇220 kV及以上變壓器、線路、電廠和負(fù)荷等，可用于江蘇電網(wǎng)的離線運行分析計算。本節(jié)以江蘇電網(wǎng)2016年1月24日17:02的運行數(shù)據(jù)為例展開仿真。計算軟件采用PSS/E平臺，利用Python語言進行編程。

4.1 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC理論調(diào)節(jié)能力計算

在不考慮UPFC系統(tǒng)級和換流器級控制策略、鐵北—曉莊雙線和曉莊南送斷面載流量的情況下，將Vse設(shè)置為26.5 kV。Ase在0～2π變化時，利用式(1—5)計算得到南京西環(huán)UPFC在正常運行和曉莊南送斷面N-1后的理論最大潮流調(diào)節(jié)范圍如圖8所示。可見，UPFC的理論最大控制范圍為橢圓形，與文獻[3]計算結(jié)果一致。其中，正常運行情況下鐵北—曉莊雙線初始運行功率為141.4 MW-j26.6 Mvar。在UPFC的調(diào)節(jié)下，鐵北—曉莊雙線有功、無功最大值分別為1065.9 MW和894.5 Mvar，最小值分別為-783.1 MW和-953.4 Mvar。曉莊南送斷面N-1時，鐵北—曉莊雙線初始運行功率為84.7 MW-j24.6 Mvar。在UPFC的調(diào)節(jié)下，鐵北—曉莊雙線有功、無功最大值分別為1 009.5 MW和897.9 Mvar，最小值分別為-840.1 MW和-949.1 Mvar。

可見，UPFC的功率最大調(diào)節(jié)范圍不僅取決于設(shè)備參數(shù)，還受到電網(wǎng)參數(shù)的影響，且隨著電網(wǎng)運行方式的改變，南京西環(huán)網(wǎng)UPFC的功率最大控制范圍處于不斷變化的狀態(tài)。

圖8 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC最大潮流調(diào)節(jié)能力的理論計算值Fig.8 Theory value of UPFC’s control range

4.2 正常運行時南京西環(huán)網(wǎng)UPFC實際調(diào)節(jié)能力計算

電網(wǎng)正常運行時，南京西環(huán)網(wǎng)UPFC并聯(lián)側(cè)分別采用定電壓控制和定無功控制策略，鐵北—曉莊雙線功率的最大控制范圍如圖9所示。在不考慮曉莊南送斷面功率最大限額時，UPFC定電壓控制策略和定無功控制策略下的鐵北—曉莊雙線有功功率控制范圍均為-142.1～425.5 MW。當(dāng)鐵北—曉莊雙線功率大于225.9 MW時，曉莊南送斷面功率超過650 MW。此時，如曉莊南送斷面發(fā)生N-1，另一回線將發(fā)生過載。為保證曉莊南送斷面的穩(wěn)定運行，鐵北—曉莊雙線功率的控制范圍變化減小至-142.1～225.9 MW。可見，UPFC并聯(lián)側(cè)的控制策略對有功功率的控制范圍影響較小。UPFC定電壓控制策略和定無功控制策略下的鐵北—曉莊雙線無功功率控制范圍分別為-406.1～362.2 Mvar和-406.1～344.1 Mvar。可見，UPFC并聯(lián)側(cè)定電壓控制策略下的無功控制范圍略大于定無功控制策略。

圖9 電網(wǎng)正常運行時南京西環(huán)網(wǎng)UPFC最大潮流調(diào)節(jié)能力Fig.9 UPFC’s control range in normal operation

4.3 曉莊南送斷面N-1時南京西環(huán)網(wǎng)UPFC實際調(diào)節(jié)能力計算

曉莊南送斷面N-1情況下，南京西環(huán)網(wǎng)UPFC并聯(lián)側(cè)分別采用定電壓控制和定無功控制策略時，鐵北—曉莊雙線功率的最大控制范圍如圖10所示。受UPFC系統(tǒng)級控制策略的影響，為保證曉莊南送斷面功率在穩(wěn)定限額以內(nèi)，鐵北—曉莊雙線有功功率最大值為-44.8 MW(“-”表示曉莊向鐵北方向輸送有功功率)，有功功率最小值受變聯(lián)控制策略的影響，分別為-165.5 MW和-165.2 MW。定電壓控制、定無功控制策略下鐵北—曉莊雙線無功功率的控制范圍分別為-356.4～319.2 Mvar 和-337.0～310 Mvar。

圖10 曉莊南送斷面N-1時南京西環(huán)網(wǎng)UPFC最大潮流調(diào)節(jié)能力Fig.10 UPFC’s control range in N-1 operation

綜上所述，上述3種情況下的南京西環(huán)網(wǎng)UPFC對鐵北—曉莊雙線潮流控制的最大范圍如表1所示。

表1 UPFC控制范圍比較Tab.1 Comparison of UPFC’s control range

由表1可見，在正常運行和曉莊南送斷面N-1情況下，UPFC的實際功率控制范圍要遠(yuǎn)小于理論計算值。這是由于理論計算時，只考慮了UPFC改變所在線路電氣距離的“絕對值”。而實際電網(wǎng)運行時，UPFC的線路功率控制范圍不僅取決于UPFC所在線路的電氣距離的“絕對值”，還取決于與其他輸電走廊電氣距離的相對大小。

5 結(jié)論

為分析南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程投運后對電網(wǎng)功率的實際調(diào)節(jié)能力，本文提出一種考慮UPFC系統(tǒng)級和換流器級控制策略的功率調(diào)節(jié)能力計算方法。具體為在潮流計算中考慮了控制策略對于電網(wǎng)潮流的影響。基于江蘇電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)，在PSS/E中基于Python語言實現(xiàn)了理論計算、電網(wǎng)正常運行和曉莊南送斷面N-1后UPFC對鐵北—曉莊雙線潮流的控制范圍的計算，并對結(jié)果進行了比較。分析可見，UPFC工程實際的功率調(diào)節(jié)范圍遠(yuǎn)小于理論計算值。這是由于UPFC控制范圍不僅取決于設(shè)備本身的設(shè)計參數(shù)和控制策略的影響，還取決于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷和運行情況等。

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