基于PSASP的UPFC自定義模型在西南電網的應用仿真

韓連山1，王新寶1，李 建，王 彪

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102； 2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

川渝第三通道投運后，西南電網將建成投運藏中聯網工程、渝鄂背靠背工程，使西南電網與外部電網異步聯網運行，電網結構發生較大變化。西南電網異步聯網運行后，川渝斷面潮流分布不均現象仍然存在：北通道潮流輕而南通道潮流重，在個別方式下，北通道甚至出現潮流反送。川渝斷面潮流分布不均所帶來問題，是當前影響川電外送能力的主要因素。

統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作為一種典型的FACTS裝置，可以有效改善潮流分布，所提研究即應用UPFC改變川渝斷面潮流分布。文獻[1]詳細說明利用電力系統分析綜合程序(PSASP)自定義程序進行UPFC建模的原理，并利用節點電流注入法建立了UPFC的動態模型。文獻[2]提出了一種基于節點電流注入法的改進UPFC潮流控制的新方法：串聯側基于電流預測法實現對線路有功、無功功率的控制，并聯側用注入無功電流控制母線電壓，最后建立PSASP仿真模型。

在注入功率、注入電流原理的基礎上，利用PSASP用戶自定義程序分別搭建了UPFC用于潮流與暫穩計算的潮流模型和暫穩模型。為了使用方便，利用UPFC動態切入方法改進了暫穩計算模型。以渝鄂背靠背、川渝三通道、川藏聯網三項重點工程投產后的電網為研究對象，在典型控制方式下，研究UPFC不同安裝容量、不同安裝地點對改善斷面潮流分布的效果；仿真計算UPFC在四川電網故障后的動態特性并對比分析UPFC抑制暫態擾動的效果。

1 UPFC原理

UPFC的主要工作原理是通過電力電子設備(換流器)及控制系統來改變串聯變壓器的輸出電壓相角及幅值，從而達到優化控制線路潮流及系統電壓的目的。

圖1 UPFC系統

圖2 UPFC等值

以兩端無窮大系統為例分析UPFC串聯部分的工作原理，其拓撲結構以及矢量如圖3所示：Ui∠δ為線路首端電壓；Uj∠0為線路末端電壓；Upq∠θ為UPFC注入的同步電壓，其角度可以為0°～360°。線路等效電抗為XL(忽略線路電阻)。

圖3 UPFC控制原理矢量

為簡化分析模型，不考慮UPFC串并聯部分的損耗。

2 UPFC潮流模型及PSASP自定義實現

PSASP潮流程序基于功率注入方法實現，含有線路模型的UPFC等效模型[3-4]如圖4所示。為便于調度控制，采用線路功率控制(組合調節)。

圖4 含有線路的UPFC等效模型

根據功率注入法將圖4模型改寫為功率注入模型，如圖5所示。

圖5 含有線路的UPFC功率注入模型

根據功率注入法，含有UPFC潮流模型可描述為

(1)

同時，在線路中UPFC所在支路還必須滿足平衡條件：

(2)

根據上述公式和平衡方程，可以得到UPFC功率控制潮流模型，輸入參數為線路參數和線路期望控制功率。

3 UPFC暫穩模型及PSASP自定義實現

UPFC動態等值模型如圖6所示。

圖6 UPFC動態等值電路模型

由于UD穩定模型與PSASP軟件的接口為注入電流，這點與潮流模型有所不同，所以使用UPFC的注入電流模型，電流注入模型[5]見圖7。

圖7 UPFC注入電流模型

根據注入電流法，i、j兩節點的UPFC注入電流可分別用式(3)、式(4)表示：

=[Ix-Upqxgij+Upqybij+Upqybc/2]+

j[Iy-Upqygij-Upqxbij-Upqxbc/2]

(3)

=[Upqxgij-Upqybij]+j[Upqygij+Upqxbij]

(4)

考慮直流側電容器的充放電過程，還應滿足以下關系：

(5)

串、并聯側控制采用PI控制進行解耦控制，其控制框圖如圖8所示。

通過圖8中的控制后最終轉換為式(3)、式(4)中的注入電流，實現UPFC暫態穩定控制。

圖8 UPFC暫態串、并聯側控制

由于暫穩計算需要讀取潮流計算結果，因存在小數截取誤差以及初始化精度要求高，可能會導致初始化失敗而無法進行暫穩仿真。因此在計算UPFC暫穩仿真時不采用暫穩初值計算方法。

為了避免暫態仿真失敗，或者在進行暫態仿真時不搭建潮流模型，在式(3)、式(4)所述注入電流的基礎上，乘上斜坡函數，斜坡函數初值為0，終值為1，其示意圖如圖9所示。

圖9 UPFC暫態注入電流控制

這樣PSASP軟件在進行暫態仿真時，初始注入電流為0，不影響暫態穩定計算初始化；在暫態計算開始后的，通過斜坡函數將UPFC注入電流注入系統即可。

4 UPFC在西南電網的應用

西南電網四川側將省內大量清潔能源通過川渝通道送到重慶或者經重慶送入華中電網。

圖10 西南電網2018年年底川渝通道電網結構

然而，中通道投運后，南北通道潮流分布不均的問題仍然存在，極端方式下北通道甚至倒送功率。典型豐大方式下，川電外送6500 MW，川渝斷面潮流分布如表1所示。

表1 豐大方式下川渝斷面功率分布

4.1 UPFC容量及杠桿效應計算

基于PSASP軟件自定義潮流模型，對渝鄂背靠背投運后川渝斷面四川側安裝UPFC的容量及杠桿效應進行計算，計算數據采用2018年豐大規劃數據。功率基準值采用100 MVA，基準電壓采用525 kV。

考慮增加UPFC后潮流轉移導致三通道無功變化，模型中并聯無功功率不設上限(或者通過人工投退電容器實現)。串聯變壓器的容量是限制UPFC容量的首要制約因素，模型中設置串聯變壓器電壓限幅0.2 p.u.。

1)黃萬雙線安裝UPFC

黃萬雙線初始潮流為446.4 MW，UPFC額定電流按照2 kA選取，在不同的控制功率(通道末端功率)下，在四川側安裝UPFC基礎上，對北通道(黃萬雙線)UPFC串聯變壓器電壓幅值、相角以及容量進行計算，計算結果如表2所示。

表2 黃萬UPFC不同線路控制功率下串聯電壓、功率

從圖11、圖12可以看出，在增加或者減少線路潮流時，UPFC功率近似與控制功率呈現線性關系。

黃萬線UPFC的布置按照兩串一并的配置原則，并聯側容量按照串聯側容量計算，則UPFC改變黃萬雙線功率與UPFC容量比例關系(杠桿比)如表3所示。

圖11 黃萬UPFC不同控制功率對川渝斷面潮流改善情況

圖12 黃萬不同線路控制功率下串聯電壓、功率關系

黃萬雙線改變功率/(p.u.)UPFC裝置功率/(p.u.)杠桿比K0.5512.207 30.249 61.5443.517 20.439 02.5275.259 00.480 53.5197.138 70.492 94.5189.076 90.497 75.53510.911 60.507 2

從計算結果可以看出，單位容量UPFC僅可改變黃萬雙線潮流不到0.5單位功率。

2)洪板雙線安裝UPFC

典型方式下，洪板雙線潮流較重，其雙線初始有功功率為3 465.3 MW，黃萬雙線初始有功功率為446.4 MW。UPFC額定電流按照3.5 kA選取，在不同的控制功率(通道末端功率)下，對南通道(洪板雙線)UPFC串聯變壓器電壓幅值、相角以及容量進行計算，計算結果如表4所示。

表4 洪板UPFC不同線路控制功率下

圖13 洪板UPFC不同控制功率對川渝斷面潮流改善情況

圖14 洪板UPFC不同線路控制功率下串聯電壓、功率關系

同樣按照兩串一并的原則在洪板雙線安裝UPFC，其效果如圖13、圖14所示，洪板雙線功率改變量與UPFC容量計算如表5所示。

從計算結果可以看出，單位容量UPFC僅可改變黃萬雙線潮流不到0.4單位功率，效果較差。

表5 洪板雙線UPFC杠桿比

4.2 UPFC動態特性仿真

以洪板雙線洪溝側安裝UPFC為例，仿真動態模型采用動態切入式模型，暫穩仿真前川渝斷面功率見表1。仿真在1 s時投入UPFC模型并將洪板雙線控制功率設置為3000 MW。動態模型控制參數設置如下：T1=0.01，T2=0.01，T3=0.01，T4=0.01，K1p=0.06，K2p=6，K1q=0.06，K2q=6，K1dc=3，K2dc=5，K1ac=50，K2ac=5。

圖15 洪板UPFC安裝前后川渝斷面功率變化對比

UPFC投入進入穩態后，在10 s時發生尖山—彭祖N-2故障后川渝通道有功功率波動對比如圖15所示。

5 結 語

結合UPFC等效模型以及功率注入法和電流注入法，詳細介紹了利用PSASP自定義功能實現UPFC潮流模型與暫穩模型搭建過程；研究計算UPFC用于改善川渝斷面潮流分布的可行性；詳細計算川渝斷面UPFC安裝容量與改變潮流分布的關系；最后結合切入式暫穩模型，分析計算了川渝斷面動態特性以及暫態能量的振蕩特性。結果表明，安裝在功率輸送通道的UPFC對于改善川渝斷面潮流分布有一定的作用，從計算結果可以看出，UPFC單位容量改變所安裝通道的潮流不到0.5單位，杠桿效應小，所需的UPFC容量較大。另外，由于UPFC串聯側控制可以對所安裝線路功率進行動態控制，并聯側控制動態地補償電壓變化，UPFC對抑制功率振蕩方面有良好的效果。