線間潮流控制器應用評估策略研究

2022-09-08 07:53:18高伯陽蔡暉吳熙謝珍建黃俊輝

電測與儀表 2022年9期

關鍵詞：故障

高伯陽，蔡暉，吳熙，謝珍建，黃俊輝

(1.東南大學電氣工程學院，南京 210096； 2.江蘇省電力公司電力經濟技術研究院，南京 210008)

0 引言

在社會負荷不斷增長、輸電網架結構日益復雜、新能源大規模接入等背景下，骨干網絡潮流分布不均、電壓支撐能力不足、機電振蕩等問題相互交織，成為制約交流輸電系統潮流輸送能力的重要影響因素[1]，給電網運行與控制帶來了新的挑戰[2]。因此，亟待通過新技術與新設備的應用，提高電網運行控制水平及輸送能力，挖掘已有電網供電潛力，進一步優化電力系統的資源配置[3-4]。

隨著電力電子器件與技術的發展，柔性交流輸電系統(Flexible AC Transmission Systems, FACTS)技術應運而生[5-6]。近年來，第三代FACTS設備統一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)在我國實際工程中得以應用，在電力系統潮流控制與電壓穩定等方面做出了極大的貢獻，大大提升了系統輸電能力。

作為一種新型FACTS裝置，IPFC能夠大幅提升電網輸電能力與柔性控制水平，節約寶貴的廊道資源與新建輸電通道投資，為增加電網輸電通道利用率、提高電網運行效率、優化電力系統資源配置提供新的思路[7-8]。相較于UPFC，這種新型裝置可以均衡各輸電通道潮流，同時準確、靈活地控制不同線路的潮流，避免其他臨近重載線路因潮流調控而發生潮流過載的情況[9]。除此之外，IPFC能夠通過自身拓撲結構的切換在所控線路發生故障后繼續對系統潮流進行控制，避免故障后事態的進一步惡化，可靠性更高。因此，IPFC在已有的負荷密集型電網中有著非常廣闊的應用前景，能夠為增加電網輸電通道利用率、提高電網運行效率、優化電力系統資源配置提供新的思路[10]。

然而，在IPFC規劃[11]應用工程中，決策評估需要綜合考慮裝置接入后的潮流調控極限、暫態穩定指標和經濟技術效益等多方面因素，是一個決策因素復雜化、不確定因素多元化的技術難題。目前，國內外對IPFC的技術應用條件分析還尚未形成體系，與IPFC安裝運行效果評估相關的理論研究更是處于起步階段，難以指導和應用于實際工程規劃設計中。因此，應制定柔性的應用評估策略，完善電力系統柔性評估指標體系，全方面評判IPFC的實際應用效果。

提出了一種基于層次分析法的綜合評判策略。考慮我國高壓電網普遍采用雙回線輸電的實際情況[12-13]，提出串聯側雙回接入的新型一次接線拓撲結構，從而更準確地反應出IPFC在實際電力系統中的靜、動態響應特性和應用效果。定義了典型電網的柔性評估指標，基于層次分析法確定了IPFC評估體系的層次結構和技術方案。結合江蘇電網的規劃網架數據，通過多組算例評估了IPFC在典型應用場景下的潮流調控能力和經濟技術效益。進一步地，綜合考量IPFC在多種典型故障下維持功角穩定、電壓穩定和抑制短路電流的能力，從而在大電網系統中評測出該技術方案的暫態安全指標。根據采用的評判決策方法，給出IPFC應用方案的綜合優越性評分，為IPFC的規劃應用工程提供一定參考。

1 IPFC工作原理及新型拓撲結構

1.1 IPFC工作原理

IPFC由多個共用直流母線的背靠背電壓源換流器組成[14-15]，可同時應用于多條通道的潮流控制、振蕩阻尼和暫態穩定控制。這種新型FACTS裝置通過串聯耦合變壓器將各換流器耦合接入不同線路，通過注入幅值和相角均可控的等效電壓源[16-17]，實現對安裝線路的潮流調控。圖1為IPFC的簡化結構圖。

圖1 IPFC簡化結構示意圖

實際調控時常選取一條或數條潮流裕度較大的線路作為其輔控線路，由該線路耦合換流器進行公共直流母線的電容穩壓[18]，而剩余線路則被選為主控線路。這些換流器在運行調控的過程中，需保持主控線路與輔控線路有功交換衡約束，見式(1)。在這種動態平衡的約束前提下，主控線路的潮流完全可控，而輔控線路則采用有功或無功功率控制模式。

(1)

1.2 IPFC新型一次接線拓撲結構

在國內的實際電力工程當中，為了能夠保證電壓穩定、維持系統安全、減少輸電損耗，大部分110 kV及以上線路均采用雙回線的結構。這種結構特性對IPFC的系統級建模提出了更高的要求。若采用傳統的一次接線拓撲結構，則不能準確反映IPFC實際工程的拓撲結構。因此，提出圖2所示的一次接線拓撲結構。在這種新型結構下，各串聯換流器均控制兩回線路，能夠更好地反映出IPFC在電力系統中的靜、動態響應特性和應用效果。值得注意的是，為了避免雙回線路內部環流的產生，必須將雙回線路潮流指令值調整一致，從而避免線路內部環流發生。

2 IPFC綜合評判體系的建立

2.1 電網柔性評估指標的定義

為了綜合考核IPFC接入大系統后的潮流調控極限、暫態安全穩定指標和經濟技術效益，從穩態調控能力、功角穩定性、電壓穩定性和短路電流抑制能力四個方面具體定義柔性評估指標，如表1所示。

表1 電網柔性評估指標定義

其中，潮流可控比定義為柔性裝置接入引起的斷面輸電能力提升量與柔性裝置容量的比值，是衡量IPFC的潮流調控能力與經濟技術效益的重要指標。臨界切除時間(Critical Clearing Time, CCT)對應某特定故障下系統臨界功角穩定的故障切除時間，為系統安全經濟調度和預防控制提供了支撐，是衡量功角穩定的重要指標。暫態電壓恢復速度提升率定義為母線電壓恢復至0.9 p.u.時間的縮短量，是衡量電壓穩定的重要指標。而短路電流恢復速度提升率則定義為事故后電流恢復至1.1 p.u.時間的縮短量，是衡量短路電流抑制能力的重要指標。

2.2 評估體系層次結構的建立

綜合考慮IPFC穩態運行容量選擇、電網柔性指標評估中的暫態控制指標以及經濟收益，采用層次分析法[19](AHP, Analytic Hierarchy Process)建立評估體系。

影響規劃方案決策的因素眾多，而且其間還存在復雜的關系。而層次結構則通過歸類方案中的各種因素，分析彼此間的關系，是將復雜問題分解簡化關鍵。因此在建立IPFC應用效果評估體系時，應首先確定體系的層次結構，如圖3所示。

圖3 IPFC評估體系的層次結構

層次結構的建立應先明確決策目標；應對影響決策目標的相關因素進行分析。圖3中的屬性間關系圍繞應用效果評分G這一決策目標，呈樹狀結構。其中，穩態調控指標A與暫態安全指標B構成與決策目標直接相關的下一層子屬性，而功角穩定性B1、電壓穩定性B2和短路電流抑制B3又構成與暫態安全指標B相關的下一層子屬性。同樣，暫態最大功角差B11、事故后功角偏差B12和臨界切除時間提升率B13構成與功角穩定性B1直接相關的子屬性。

2.3 評估體系屬性權重的賦值方法

圍繞層次結構圖展開AHP計算，求出方案對總目標的綜合優越性評分，稱為綜合權重。求綜合權重前，必須求解層次結構中的局部權重。局部權重分為兩類;一類是同層屬性對于上一層父屬性的相對重要性，稱為屬性權重;另一類是方案就某屬性而言的局部優越性評分，稱為方案權重。方案權重可分為定量數據和定性描述兩類。在本案例中，方案權重實際含義是根據電網柔性評估指標定義測量計算得到的定量數據。

要求得IPFC方案就總目標G的綜合評估，就需要先求得方案對G的子屬性A和B的方案權重以及A、B對G的屬性權重。同樣，要求得A、B的方案權重，又分別需要計算其下一級子屬性的方案權重和屬性權重。按以上方式，最終需要獲得方案關于最底層樹葉屬性的權重。屬性權重的具體求解過程包括以下三步：

首先，建立判斷標度。將判斷等級分為：同等重要、稍微重要、重要、明顯重要、強烈重要、極端重要6個等級，再將各判斷等級按表2所示標度進行賦值。判斷等級標度定義如表2所示。

表2 判斷等級標度定義

在IPFC對電力系統進行控制時，往往更關注IPFC在電力系統穩態時的潮流控制能力以及暫態時的電壓穩定性，因此在層次分析法中，對這些相應的指標應給予更高權重。

接著，構建判斷矩陣。屬性判斷矩陣以上表中屬性“B暫態穩定”為例，就屬性B1、B2和B3對其上一級屬性B的重要性進行兩兩比較判斷，建立如表3所示的判斷矩陣B=(bij)3×3。

表3 暫態穩定判斷矩陣

判斷矩陣的標度具有互反性。以上述判斷矩陣為例，若屬性B1對方案屬性B2的比較結果是b12，則屬性B2對屬性B1的比較結果b21是b12的倒數1/b12。根據這種互反性標度建立的判斷矩陣稱為互反性判斷矩陣。

得到判斷矩陣后，計算其最大特征值及其對應的特征向量，如式(2)所示：

AW=λmaxW

(2)

式中λmax為判斷矩陣的最大特征根；W是對應的特征向量；A是判斷矩陣。

為衡量所設標度的優劣，利用式(3)求出一致性指標CI和隨機一致性比率CR。

(3)

式中n為矩陣階數；RI由Sacty給出，隨矩陣階數增加而增大，見表4。

表4 RI取值參照表

所得判斷矩陣計算結果如表5所示。

表5 判斷矩陣計算結果

基于所建立的評估體系分別評估IPFC的潮流調控經濟效益和暫態安全性，并得出對應的方案權重，如第3節和第4節所示。

3 IPFC潮流調控經濟性評估

3.1 典型應用評估場景的選取

在測試評估IPFC潮流調控經濟效益時，使用2023年江蘇省500 kV規劃電網。江蘇電網負荷眾多，網架結構復雜，且蘇北地區有大規模新能源持續接入，根據規劃至2023年，江蘇省風電、光伏的裝機容量均會超過10 000 MW。由于新能源出力的隨機性波動，以及區外來電和負荷的季節性變化，電網潮流復雜多變、難以控制。同時，由于220 kV～1 000 kV存在層層電磁環網運行，骨干電網潮流自然分布往往造成電網中輸電通道潮流分布不均，導致關鍵輸電斷面整體輸電能力下降的“卡脖子”現象。

為防止蘇南地區500 kV輸電線路在冬季枯水期和夏季用電高峰期處于過負荷狀態，維持蘇南地區電壓水平和電網安全穩定運行水平，將控制器安裝于木瀆-越溪輸電斷面以及木瀆-吳南這兩個關鍵輸電斷面，如圖4所示。

圖4 IPFC穩態潮流模型安裝地點示意圖

3.2 IPFC穩態潮流模型的實現

為了充分評估挖掘IPFC的控制潛力，建立如圖5所示的穩態潮流模型示意。其中，負荷較重的木瀆-越溪通道為主控線路，負荷較輕的木瀆-吳南通道為輔控線路。Pij與Pik分別為主控線路和輔控線路的控制目標，Sm1、Sm2、Sn1和Sn1分別為m1節點、m2節點、n1節點和n2節點的注入功率。

圖5 IPFC穩態潮流模型示意圖

忽略換流器損耗，則有：

(4)

結合式(1)的有功交換平衡約束，不斷迭代直至控制目標值收斂至指令值Pijref、Qijref及Pikref。根據式(4)，求得主控線路控制參數Vseij1、Vseij2，以及輔控線路控制參數Vseik1、Vseik2。

(5)

(6)

進一步地，將IPFC控制參數代入式(5)、式(6)即可求得各換流器的容量，從而得出應用場景下IPFC的潮流可控比。

3.3 潮流調控經濟性評估算例

設置三組不同調控目標值的算例，分別將木瀆-越溪斷面潮流調節至2×6.50、 2×6.00和2×6.00，將木瀆-吳南斷面潮流調節至2×4.50、2×5.00和2×4.50，得到IPFC潮流可控比評估表6與表7。

表6 木瀆-越溪斷面潮流可控比評估(p.u.)

表7 木瀆-吳南斷面潮流可控比評估(p.u.)

進一步地，根據式(7)、式(8)得出各算例下控制器的投資費用C，進而得到IPFC投資經濟性評估，如表8所示。

表8 IPFC投資經濟性評估

表6～表8構成了對IPFC潮流調控經濟效益的評估。

C=1000C′·Sipfc

(7)

(8)

4 IPFC暫態安全穩定性評估

4.1 IPFC動態模型的實現

在考慮IPFC直流側電容動態過程的基礎上建立動態模型，其充放電方程為：

(9)

式中C為IPFC直流電容值；Vdc為直流電容的電壓值。計算得：

(10)

式(10)為IPFC的動態模型。

4.2 暫態安全穩定性評估算例

選用與IPFC潮流調控經濟效益測試相同的場景，并采用夏高峰運行方式，評估IPFC對蘇州南部電網暫態安全穩定性的影響。考慮到電力系統擾動中對暫態穩定影響最嚴重的故障大多為短路故障，設置短路故障以檢驗系統的暫態穩定。為更準確地評估IPFC對電力系統暫態穩定能力的提高，在線路蘇木瀆-蘇越溪的越溪側設置三相短路、兩相短路和單相接地短路三種典型故障，測試在暫態過程中與母線蘇木瀆的功角、電壓和短路電流相關的指標。故障時間設為2 s，仿真時間設為20 s。

IPFC控制器的參數取值規律如下：相較于比例環節放大倍數K1pP、K1pQ、K2pP、K2pQ和KpDC，積分環節放大倍數K1iP、K1iQ、K2iP、K2iQ和KiDC對系統穩定性的影響更大。其中，K1iP和K1iQ、K2iP和K2iQ在調節線路潮流時表現出良好的解耦特性。前者主要影響受控線路的有功和功角，而后者則主要影響無功。此外，KiDC對穩定直流電容電壓起關鍵性作用，同時也決定了控制器能否預設目標。總體來說，參數取值較小時系統較為穩定，但收斂速度也會相應越低。基于上述規律以及相關文獻[20-22]，在確保收斂至目標值的基礎上兼顧收斂速度，調節控制器參數取值如下：K1pP=K1pQ=K2pP=K2pQ=0.005，K1iP=K1iQ=K2iP=K2iQ=0.1，KpDC=0.003，KiDC=0.05。并基于此參數評估IPFC在電網中的暫態安全穩定性。

首先測試安裝IPFC前后的功角穩定性，利用試探法計算多種短路故障情況下的臨界切除時間[23-24]。設置計算精度為0.001，即積分步長為0.001，判斷不同故障清除時間下系統是否失穩，得出不同短路故障下的CCT。圖6給出了三相短路故障后，不同的故障清除時間tcl系統發電機最大功角差曲線圖。以圖6(a)為例，此時系統內未安裝IPFC。當tcl=2.123 s時，系統發電機最大功角差在該三相短路故障發生后第一擺振蕩明顯，但在故障清除后能夠衰減至初始值，系統暫態穩定；當tcl=2.124 s時，系統發電機最大功角差在故障發生后持續增加并趨向于無窮大，無法恢復至限額內，系統暫態失穩。

圖6 三相短路故障下CCT對比

可以看出系統在加入IPFC前的臨界切除時間為0.124 s，而加入IPFC后的臨界切除時間則為0.134 s，即裝置的安裝增加了三相短路故障時的系統臨界切除時間。以同樣的方法設置兩相短路和單相接地短路，可知在三種典型故障下，IPFC均能有效增加系統的臨界切除時間，其他兩種場景下的數值會于表9中統一進行詳細說明。

進一步地，測量IPFC對其他暫態安全指標的影響，各典型故障下暫態過程波形的測試結果如圖7～圖9所示。并據此整理出IPFC暫態安全指標的方案權重和綜合評估，如表9所示。從表9中可以看出，評測電網在加入IPFC后，在功角穩定性、電壓穩定性或是短路電流抑制能力等方面均得到了有效提升，從而證實了IPFC提升電力系統暫態安全穩定性的能力。