柔性交流輸電電力系統(tǒng)潮流計(jì)算研究

武歷忠，司大軍，黃家棟

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000；2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650011)

0 前言

柔性交流輸電技術(shù)(flexible alternative current transmission systems，F(xiàn)ACTS)是 將 電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)等高新技術(shù)集中應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)，以提高輸配電系統(tǒng)可靠性、可控性、運(yùn)行性能和電能質(zhì)量并獲取大量節(jié)電效益的一種新型綜合技術(shù)。早期受電力電子設(shè)備發(fā)展的限制，使FACTS技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上和運(yùn)行可靠性方面優(yōu)勢(shì)不明顯。隨著大功率高電壓電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)在近十幾年的高速發(fā)展和日益成熟穩(wěn)定，F(xiàn)ACTS技術(shù)可靠性有了大大的提高，造價(jià)也不斷降低，使直接對(duì)高電壓大功率的輸電系統(tǒng)進(jìn)行可靠和快速控制已成為可能，而與電力電子元器件配套的驅(qū)動(dòng)回路、保護(hù)和冷卻等輔助技術(shù)也日趨完善，使FACTS技術(shù)逐步進(jìn)入了實(shí)用階段[1]。

UPFC可以為交流輸電系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和實(shí)時(shí)控制，它的優(yōu)越特性在于能夠同時(shí)或分時(shí)控制限制潮流傳輸?shù)娜恳蛩兀壕€路傳輸角、線路電壓、線路阻抗。并通過(guò)合理的控制策略就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的有功和無(wú)功潮流的獨(dú)立控制。UPFC可對(duì)電力系統(tǒng)潮流及系統(tǒng)電壓進(jìn)行有效控制，是一種理想的FACTS裝置。

1 UPFC計(jì)算潮流模型

目前統(tǒng)一潮流控制器的計(jì)算模型通常采用的是電源模型，主要包括兩類：一類是由串聯(lián)在線路中的可控制電壓源以及并聯(lián)的可控制電流源 組成，如圖1所示；另一類是串并聯(lián)支路均為可控制的電壓源、組成的雙電壓源模型[2]，如圖2所示。

圖1 UPFC可控電流源等效模型（類型一）

圖2 UPFC電壓源等效模型（類型二）

其中，為線路的送端電壓，是線路的受端電壓，Y和bc為線路的導(dǎo)納和對(duì)地電納。

圖2為等效電源模型，由于UPFC采用的是電壓型換流器，通常，兩換流器中的并聯(lián)換流器工作在整流狀態(tài)則串聯(lián)側(cè)運(yùn)行在逆變狀態(tài)，必要時(shí)也會(huì)將工作狀態(tài)互換。統(tǒng)一潮流控制器是由兩個(gè)共同直流側(cè)電容的電壓源變換器組成，電壓源變換器的特點(diǎn)是直流電源有很大的濾波電容，電容以保證直流電壓穩(wěn)定。三相電壓源變換器由直流側(cè)電容器與一個(gè)全控型三相變流器組成，此變流器可四象限運(yùn)行，當(dāng)直流側(cè)電容量很大時(shí)，可把直流側(cè)電容兩端的電壓近似認(rèn)為保持恒定。UPFC通過(guò)控制可控硅裝置規(guī)律的變化就能分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相等幾種不同的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)UPFC元件的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方面的研究已取得了一些成果，主要的方法是等效附加注入功率法和等效附加節(jié)點(diǎn)法[3]。

文獻(xiàn)[5]中將UPFC并聯(lián)變壓器所連接的節(jié)點(diǎn)電壓幅值可以控制為定值，也可以將補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率控制為定值，提出了UPFC與電力系統(tǒng)解耦的算法。

文獻(xiàn)[6]中將UPFC的潮流控制作用等效為了兩端節(jié)點(diǎn)的附加注入功率，修改不平衡量，實(shí)現(xiàn)交替迭代。

文獻(xiàn)[7]中對(duì)控制線路潮流的幾種常見(jiàn)的FACTS元件建立了相應(yīng)的基于牛頓-拉夫遜法和導(dǎo)納的潮流計(jì)算模型。

上述方法在含有UPFC時(shí)對(duì)系統(tǒng)潮流的計(jì)算過(guò)程往往太過(guò)于復(fù)雜，增加了潮流計(jì)算的復(fù)雜性和收斂難度，也很難與傳統(tǒng)潮流計(jì)算方法的結(jié)合。本文根據(jù)UPFC功率交換特性，提出了一種較為簡(jiǎn)化的含UPFC裝置電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法，具有一定的理論與實(shí)用意義。

2 含UPFC的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算

圖3 含UPFC的線路等效電路圖

如圖3將UPFC等效為雙電壓源模型。串聯(lián)部分向線路提供一個(gè)幅值和相角都可以連續(xù)調(diào)節(jié)的補(bǔ)償電壓源，相當(dāng)于可控的同步電壓源，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓源的幅值和相角達(dá)到控制線路潮流的目的，串聯(lián)部分換流器向線路可以發(fā)出、吸收有功功率，也可以發(fā)出、吸收無(wú)功功率。并聯(lián)變換器等效為電壓源。一方面可調(diào)節(jié)所接入母線的電壓，另一方面可為串聯(lián)部分提供有功功率的通道，保持統(tǒng)一潮流控制器內(nèi)部功率的平衡。

電力系統(tǒng)運(yùn)行中，UPFC裝置具有控制輸電線路的有功功率和無(wú)功功率以及維持并聯(lián)接入點(diǎn)母線電壓穩(wěn)定的功能。在穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算時(shí)，可將UPFC看作一個(gè)“黑匣子”，即將UPFC整體作為兩個(gè)“電源”來(lái)處理，分別向兩側(cè)注入功率。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，若不考慮UPFC中換流器本身的損耗，則UPFC裝置不消耗有功功率。而直流電容器電壓不變，則直流電容器的儲(chǔ)能不變，UPFC的串聯(lián)換流器向線路注入的有功功率應(yīng)等于并聯(lián)換流器從并聯(lián)接入節(jié)點(diǎn)吸收的有功功率。

UPFC有控制線路功率的作用，節(jié)點(diǎn)M為UPFC串聯(lián)側(cè)接入節(jié)點(diǎn)，可視為PQ節(jié)點(diǎn)；UPFC能夠?qū)Σ⒙?lián)接入點(diǎn)電壓進(jìn)行控制，節(jié)點(diǎn)K為UPFC并聯(lián)接入節(jié)點(diǎn)，可視為PV節(jié)點(diǎn)。可得圖4所示等值電路，其中Pm=P，Qm=Q，P和Q為線路潮流的設(shè)定值，Pk=P=Pm，Vk=V。V是節(jié)點(diǎn)K的設(shè)定電壓值。使用上述方法對(duì)UPFC進(jìn)行等效處理后，只需要對(duì)傳統(tǒng)的潮流計(jì)算程序進(jìn)行少量的導(dǎo)納矩陣修改，方便于程序設(shè)計(jì)。

圖4 UPFC的潮流計(jì)算模型

UPFC的控制目標(biāo)是并聯(lián)接入點(diǎn)電壓和線路中傳輸?shù)某绷鱌m+jQm。分別為UPFC整體注入接入節(jié)點(diǎn)K、M的復(fù)功率，電壓分別為UPFC接入節(jié)點(diǎn)K、M的電壓向量。

3 UPFC內(nèi)部狀態(tài)變量的計(jì)算

在進(jìn)行完潮流計(jì)算之后，可根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果計(jì)算出UPFC內(nèi)部各電氣量，如并聯(lián)換流器吸收有功和無(wú)功、串聯(lián)換流器發(fā)出有功和無(wú)功，串聯(lián)換流器兩端電壓差（含幅值與相角）。具體過(guò)程如下。

根據(jù)圖4及UPFC內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可得出圖5所示計(jì)算電路，其中，Vk，Vm和θk，θm為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角，VB，VE和θB，θE是串聯(lián)電壓源和并聯(lián)電壓源的電壓幅值和相角。

圖5 UPFC的穩(wěn)態(tài)等效電路

由圖5可知，串聯(lián)支路的電流等于注入節(jié)點(diǎn)M的電流，即當(dāng)UPFC控制的串聯(lián)注入電壓發(fā)生改變時(shí)，輸電線路電流流過(guò)串聯(lián)電壓源時(shí)便與系統(tǒng)發(fā)生有功功率、無(wú)功功率的交換。

由圖5UPFC的穩(wěn)態(tài)等效電路所示 ，可得出邊界條件：

UPFC的內(nèi)部參數(shù)求取及推導(dǎo)過(guò)程：

1）串聯(lián)控制參數(shù)的求取，由圖5可知，是UPFC串聯(lián)側(cè)電壓，而串聯(lián)側(cè)變換器的電流則等于線路上的電流 。

傳輸?shù)経PFC串聯(lián)側(cè)換流器的功率為：

UPFC并聯(lián)側(cè)換流器的輸出功率：

4 算例分析

圖6 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例

對(duì)于IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[11]圖6所示，在無(wú)UPFC時(shí)對(duì)14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的潮流分布進(jìn)行計(jì)算，得到各節(jié)點(diǎn)的電壓及其相角參數(shù)如表1所示。其中，基準(zhǔn)值SB=100MVA在11-10號(hào)線路11側(cè)安裝UPFC控制器，節(jié)點(diǎn)15是安裝UPFC后的輔助節(jié)點(diǎn)。P11?10+Q11?10= 0.0281 +j0.0196在沒(méi)有安裝UPFC時(shí)線路11-10的潮流值，當(dāng)選定UPFC的控制目標(biāo)為P11?10+Q11?10=0.05 +j0.05時(shí)。計(jì)算系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓的變化和線路11-10上UPFC的控制參數(shù)。并驗(yàn)證以上所述方法的可行性。

14系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)11側(cè)加入U(xiǎn)PFC后，在控制目標(biāo)線路傳輸功率為0.5+j0.5，UPFC串聯(lián)換流器注入到線路的功率值為（0.0001+j0.0013）；并聯(lián)換流器從并聯(lián)接入母線吸收的有功功率為0.0001，注入的無(wú)功功率為0.0757。節(jié)點(diǎn)11電壓維持恒定，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓繼續(xù)穩(wěn)定在正常情況下；并能維持線路11-10上的潮流，與常規(guī)系統(tǒng)潮流計(jì)算相結(jié)合良好，方法準(zhǔn)確穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)UPFC基本原理和等效電路的分析，根據(jù)UPFC功率交換特性，提出了一種簡(jiǎn)便的含UPFC裝置電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法。與傳統(tǒng)系統(tǒng)潮流計(jì)算程序兼容性好。并通過(guò)算例來(lái)驗(yàn)證其電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的可行性。