HHUPFC在環網線路中的潮流調節應用

費雯麗， 王曉蓓， 張天然

(海軍工程大學電氣工程學院， 武漢 430034)

由于一次能源和主要用電負荷地理上分布不均勻，中國已經建成了大規模的超高壓和特高壓輸電線路[1]。然而，由于電網中輸電線路潮流的自然分布是由系統注入模式、網絡結構和網絡參數決定的，因此系統實際潮流分布和理想分布可能相去甚遠。尤其在環網線路中，潮流的不均衡分布可能造成部分線路重載，而部分線路利用率不足，既沒有充分挖掘現有電網的潛力，又影響電力系統的安全穩定運行[2-3]。因此亟需采用一種有效的潮流調節裝置，解決高壓環網中的潮流分布不均問題。

基于電力電子器件的統一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)可快速、連續的調節輸電線路的潮流，但由于其成本較高、電力電子器件在高壓環境下運行可靠性低等問題，它更適用于電壓等級低、對動態調節能力、響應速度要求高的應用場合[4-5]。

近年來，有學者提出了混合式統一潮流控制器(hybrid electromagnetic unified power flow controller, HEUPFC)，即將大容量的“Sen”變壓器和小容量的UPFC結合，既彌補了“Sen”變壓器離散調節的不足[6-8]，又彌補了僅采用UPFC調節時，裝置成本高、損耗大和可靠性低等方面的不足[9-11]。但其有功潮流調節范圍有限。

文獻[12]在HEUPFC的基礎上，提出了高壓混合式統一潮流控制器(high-voltage hybrid unified power flow controller, HHUPFC)的拓撲結構。相比于HEUPFC，HHUPFC大幅度增加了裝置同容量下的有功的潮流調節范圍。HHUPFC由大容量的高壓“Sen”變壓器(high-voltage “Sen” transformer, HVST)[13]和小容量UPFC組成，是一種適合高壓電力系統的功能強大的潮流調節裝置。但文獻[12]僅在單條輸電線路上研究了HHUPFC的潮流調節原理，并未對其在環網中的調節性能進行研究。

基于此，現研究HHUPFC在環網中的潮流調節問題，在介紹HHUPFC基本原理的基礎上，理論推導了HHUPFC在環網線路中的調節原理，并在IEEE30節點系統及廣東某220 kV環網中仿真對比HHUPFC和HEUPFC的潮流調節性能，以驗證HHUPFC在環網潮流調節中的優勢及作用。

1 HHUPFC基本原理

1.1 HHUPFC的拓撲結構

圖1 HHUPFC的拓撲結構Fig.1 Schematic diagram of HHUPFC

HHUPFC接入三相輸電線路的簡化結構圖如圖1所示。HHUPFC由大容量HVST和小容量UPFC組成。補償前系統首端電壓為UsA、UsB、UsC，經過HHUPFC補償后，系統首端電壓為UsA1、UsB1、UsC1。HHUPFC輸出的串聯側補償電壓為UHHA、UHHB、UHHC，通過三相隔離變壓器注入系統首端。

圖1中，A、B、C為HVST和UPFC共用的三相原邊勵磁繞組，a1、b1、c1為三相原邊繞組中帶可調抽頭的部分，a2、b2、c2為帶有可調抽頭的二次繞組，這兩部分帶有可調抽頭的繞組提供了HVST輸出的串聯補償電壓；a3、b3、c3這3個二次繞組為UPFC并聯側提供三相勵磁電壓。

HHUPFC中各繞組的具體接線方式如圖1所示，A相輸電線路串入的補償電壓UHHA由b1繞組、c2繞組、UPFC-a提供；B相線路串入的補償電壓UHHB由c1繞組、a2繞組、UPFC-b提供; C相線路串入的補償電壓UHHC由a1繞組、b2繞組、UPFC-c提供。

1.2 HHUPFC的電壓調節特性

HVST產生的串聯側補償電壓UHVST和UPFC產生的串聯側補償電壓UUPFC串聯，合成裝置HHUPFC的串聯側補償電壓UHH，需要注意的是，HVST和UPFC輸出的串聯補償電壓都是三相對稱的，這樣才能保證串聯補償后的三相電壓仍然維持三相平衡。補償后的系統首端電壓可表示為

Us1=Us+UHH=Us+UHVST+UUPFC

(1)

式(1)中：Us為首端電壓。當HVST的可調抽頭能在(0，±1)這3個檔位調節，即HVST的調節級數m=1時，HHUPFC三相的串聯側輸出電壓向量圖如圖2所示。

圖2 HHUPFC串聯側輸出電壓向量(m=1)Fig.2 Output voltage phasors of HHUPFC(m=1)

HVST可輸出的電壓向量是菱形上離散的點，而UPFC則可以輸出以其最大補償電壓為半徑的圓內的任一電壓向量，當這兩個向量疊加，HHUPFC就結合了HVST的點補償和UPFC的面補償能力，HHUPFC電壓向量的輸出范圍即圖2中所有小圓所覆蓋的整個區域，是連續可調的。

當HVST的調節級數m增大時，HHUPFC可輸出的電壓向量數量就會增加，UPFC的小圓半徑就可以隨之減少。即隨著HVST調節級數的增多，可減少UPFC的容量。

1.3 HHUPFC的潮流調節特性

接入HHUPFC裝置的輸電系統及其電壓向量示意圖如圖3所示(假設調節級數m=3)，其中HHUPFC串聯部分的補償功能用電壓向量UHH表示，幅值為U′HH，相位為θHH。輸電線路兩端簡化為理想的單機無窮大系統。補償前，系統首端電壓用Us表示，系統末端電壓用Ur表示，系統首末端本身的相位差為δ。經過HHUPFC補償后，系統首端電壓向量用Us1表示，補償后系統首末的相位差為δ1，忽略線路的電阻和電容，其等效電抗為XL，輸電系統末端有功、無功潮流分別為Pr、Qr。

圖3 接入HHUPFC的輸電系統及電壓向量示意圖Fig.3 Schematic diagram of a power system with a HHUPFC block and the phasor diagram

通過潮流計算可知， HHUPFC補償后，輸電系統末端的有功潮流Pr、無功潮流Qr表達式分別為

(2)

(3)

將式(2)、式(3)結合HHUPFC在整個區域的電壓控制向量圖[圖3(b)]可得，輸電線路末端傳輸的有功潮流Pr、無功潮流Qr調節區域就如圖4所示，其中Pr0、Qr0分別為沒有潮流調節裝置時線路末端傳輸的有功、無功功率。圖3(b)中每一個電壓向量控制點都對應圖4中一個P-Q運行點，如圖3(b)中HHUPFC輸出電壓向量“OM”時，此時系統的潮流運行點即為圖4中的點“N”。通過控制HHUPFC串聯側輸出不同幅值UHH、不同相位θHH的電壓向量，即可以得到圖4所示的潮流控制區域。以上就是HHUPFC在單條輸電線路上進行電壓調節和潮流調節的基本原理。

圖4 HHUPFC控制下的P-Q運行范圍Fig.4 Relationship between P and Q with the HHUPFC

2 環網線路中的潮流調節原理

簡單環網的等效結構圖如圖5所示，系統“s”通過環網(輸電線路L1、L2和L3)向系統“r1”和系統“r2”傳輸電能。

圖5 簡單環網的等效結構Fig.5 Schematic diagram of a simplified ring network

圖5所示的簡單環網中，系統“r1”和“r2”帶有恒定負載，其功率分別為SLD1=PLD1+jQLD1,SLD2=PLD2+jQLD2。系統“s”發出的功率Ss=Ps+jQs。忽略電阻的影響，系統“s”發出的有功功率必然等于系統“r1”和系統“r2”接收的有功功率之和。輸電線路L1、L2和L3上的等效電抗分別為XL1、XL2和XL3，在這些線路上傳輸的潮流分別記為S1=Pr1+jQr1、S2=Pr2+jQr2和S3=Pr3+jQr3。

根據閉環網絡的功率分布計算公式可知，該環網的功率分布為

(4)

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可知，環網潮流的分布除了受系統負荷(SLD1和SLD2)影響以外，主要是由輸電線路的電抗參數決定的。由于不能改變系統所需負荷值，如果環網的阻抗大小分布不合理，就會導致潮流在環網中的分布不合理，極端情況下可能出現部分線路過載、部分線路利用率不足的情況。因此，對于潮流分布不合理的環網線路，可在其中一條線路首端安裝一個HHUPFC，在環網中引入環路電勢UHH使產生循環功率Sc，以對環網進行潮流控制，改善功率分布。HHUPFC接入輸電線路L2首端的環網等效結構如圖6所示。

HHUPFC向系統提供的附加電勢為UHH，其幅值為U′HH，相對于系統“s”端電壓的相位為θHH。這個附加電勢在環網中產生循環電流Ic，并產生循環功率Sc，其中有功為Pc，無功為Qc。HHUPFC調節后，線路L1、L2和L3上傳輸的有功分別為P′r1、P′r2和P′r3，無功分別為Q′r1、Q′r2和Q′r3。3條輸電線路的電抗和記為X∑，忽略輸電線路和裝置本身的損耗，HHUPFC產生的循環電流為

(7)

圖6 接入HHUPFC后的環網等效結構圖Fig.6 Schematic diagram of a ring network with a HHUPFC block

圖6中，循環電流的方向為逆時針方向，因而該循環電流產生的循環功率Sc與輸電線路L1的原功率S1反方向，與輸電線路L2、L3的原功率S2、S3同方向。循環功率的計算表達式為

(8)

式(8)中：UN為輸電網絡的額定電壓。

由于通常所說的輸電容量是指線路傳輸的有功功率，因此僅分析HHUPFC對線路傳輸的有功功率的影響。通過式(8)可得，接入HHUPFC后，線路L1、L2和L3末端的有功功率表達式分別為

(9)

(10)

(11)

由式(9)～式(11)可知，通過調節HHUPFC的輸出電壓幅值UHH或輸出電壓相位θHH，即可調節環網中的線路潮流，改善功率分布。

為方便理解，現假設環網中初始的潮流分布為Pr2>Pr3>Pr1，其中輸電線路L2和L3過載，輸電線路L1輕載。當HHUPFC的輸出電壓幅值UHH為一個恒定值，輸電線路L1、L2和L3傳輸的有功潮流(P′r1、P′r2和P′r3)隨HHUPFC的輸出電壓相位θHH變化的曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，當HHUPFC的輸出電壓相位θHH在180°～360°范圍取值時，HHUPFC減少了線路L2和L3傳輸的有功潮流，增加了線路L1傳輸的有功潮流，這就減小了潮流在3條輸電線路中的不均衡度。通過HHUPFC的調節，在A<θHH

分析可知，控制HHUPFC輸出一定幅值和相位的補償電壓，可以將環網線路中傳輸的潮流由重載線路向輕載線路轉移，HHUPFC可應用于環網中使環網中的潮流分布更合理。

灰色的區域為線路潮流的正常運行范圍， 超過這個潮流值認定是潮流過載區域圖7 環網中輸電線路傳輸的有功潮流隨HHUPFC輸出 電壓相位的變化Fig.7 The active power flows on ring network lines with HHUPFC compensating at a varying phase angle

3 算例研究

為驗證HHUPFC在環網中的潮流均衡作用，在IEEE30節點系統中，對HHUPFC和HEUPFC的潮流調節性能進行仿真對比研究。

3.1 IEEE30節點系統模型

IEEE30節點系統和其初始潮流分布如圖8所示(系統基準電壓：220 kV)。

編號1～30表示系統的30個節點，每個節點編號周圍有一個帶括號的數字，其中括號里的正數表示這個節點的有功負荷，負數表示這個節點的發電出力；箭頭代表潮流流動的方向，上面的數字就是 對應的有功潮流值；有功功率的單位均為MW圖8 IEEE30節點系統及其潮流分布(無潮流調節裝置)Fig.8 IEEE 30 bus system without any power flow control devices and the power flow distribution

從圖8(a)可以看出，IEEE30節點系統可劃分為3個區域，區域“M1”“M2”和“M3”。圖8(b)為對應的潮流分布。

區域“M1”和“M2”之間通過支路“4～12”傳輸潮流，區域“M1”和“M3”之間通過支路“6～10”“9～10”“28～27”傳輸潮流，區域“M3”和“M2”之間通過支路“10～17”“10～20”“24～23”傳輸潮流。由于區域“M1”和“M2”之間僅有一條功率傳輸通道，而“M1”和 “M3” “M3”和“M2”之間均有三條潮流的通道，潮流在這三組輸電通道上分布不均，輸電通道“4～12”潮流較重。

如果能將“M1”向“M2”直接傳輸的有功功率轉移一部分，即轉移部分功率先從“M1”流向“M3”，再從“M3”流向“M2”，這樣就能減小輸電通道“4～12”的潮流，降低潮流在這三組輸電通道中的不平衡度。因此，在支路“4～12”上安裝潮流調節裝置，可降低區域“M1”直接向“M2”傳輸的有功功率，均衡潮流分布。

3.2 環網線路仿真結果對比分析

HEUPFC和HHUPFC分別被安裝在輸電通道“4～12”的首端進行潮流調節。兩種潮流調節裝置的可調級數均設置為m=3。當HEUPFC和HHUPFC二次繞組的額定電壓UsN為0.1 p.u.時，兩種潮流調節裝置對IEEE30節點系統中3個區域間輸電通道的潮流調節結果如圖9所示。

以P4～12為例，表示支路4～12上的潮流圖9 IEEE30節點系統潮流調節結果(UsN=0.1 p.u.)Fig.9 The power flow regulation results of the IEEE 30 bus system(UsN=0.1 p.u.)

由于區域“M1～M3”的輸電通道“9～10”是進行潮流調節后，有功潮流值增加最多的輸電通道，因此，對比輸電通道“4～12”和輸電通道“9～10”上的潮流分布情況。在原始潮流分布中，輸電通道“4～12”和 “9～10”上的潮流分布不均衡度為82%。

由圖9(a)可知，在IEEE30節點系統中安裝HEUPFC后(UsN= 0.1 p.u.)，通過其潮流調節，在一定程度上降低了“M1”和“M2”之間的輸電通道“4～12”上的有功潮流，增加了其他輸電通道上的有功潮流，尤其是輸電通道“9～10”上傳輸的有功功率。但是，在此時，輸電線路“4～12”上傳輸的有功潮流仍然比“9～10”多56%。如果要通過HEUPFC完全均衡這兩條輸電線路上傳輸的有功潮流，只能進一步增加HEUPFC二次繞組的額定電壓，這樣會增加裝置的容量與成本。

由圖9(b)可知，在IEEE30節點系統中安裝HHUPFC后(UsN= 0.1 p.u.)，輸電通道“4～12” 和輸電通道“9～10”上的有功潮流不平衡度從82%降低為了3%，同樣參數設計下，HHUPFC潮流均衡效果優于HEUPFC。

圖10為HEUPFC和HHUPFC二次繞組額定電壓從0～0.25 p.u.變化時，輸電通道 “4～12”和“9～10”上傳輸的有功功率分布情況。可以看出，當HHUPFC的二次繞組額定電壓達到0.1 p.u.時，HHUPFC即可平衡這兩條輸電線路上的傳輸潮流。而對于HEUPFC，二次繞組額定電壓達到0.22 p.u.，才能平衡環網中這兩條線路的潮流。

在以上幾種典型情況下的裝置仿真參數設置及其對應的潮流調節結果如表1所示。

對比HEUPFC-1和HEUPFC-2的兩組數據可知，當HEUPFC的額定電壓從0.1 p.u.提高到0.22 p.u.時，輸電通道 “4～12”和“9～10”的潮流不平衡度可從54%減小到2%。此時，HEUPFC-2的潮流均衡效果與HHUPFC到達一致。

對比HEUPFC-2和HHUPFC兩組數據可知，在達到同樣的潮流調節效果時，HHUPFC的二次繞組成本可減少70%，UPFC的容量可減少55%，有載調壓開關成本可減少39%。分析可知，HHUPFC用來

圖10 輸電通道 “4～12”和“9～10”傳輸有功潮流隨 額定電壓UsN的變化Fig.10 The transmission active power flows of lines 4～12 and 9～10 at various rated voltage UsN

表1 在IEEE30節點系統中HEUPFC和HHUPFC 的仿真參數

均衡環網中輸電通道的潮流時，其成本低于HEUPFC。

4 廣東某220 kV環網中的應用研究

為驗證HHUPFC在環網中的輸電能力提升作用，在廣東電網某220 kV環網系統中，對HHUPFC的輸電能力提升作用進行仿真研究。

4.1 廣東電網某220 kV環網線路潮流調節現狀

廣東電網某220 kV環網的輸電線路存在輸電瓶頸，從惠州往仲愷方向的輸電極限受環網中其他輸電線路的制約，該環網等效結構如圖11所示。

環網(圖11)中各條輸電通道參數如表2所示。圖11所示的環網結構中，惠州站通過這個220 kV環網向仲愷、雍園輸送電能，由于三棟站沒有其他有功出力接入，因此這個環網的輸電極限就是惠州-仲愷(甲線、乙線)、惠州-三棟(甲線、乙線)這四條通道的輸電極限之和。

PHZ1和PHZ2分別為惠州-仲愷甲線、乙線傳輸的有功潮流；PHS1和PHS2分別為惠州-三棟甲線、乙線傳輸的有功潮流；PSY1和PSY2分別為三棟-雍園甲線、乙線傳輸的有功潮流；PZY為仲愷-雍園傳輸 的有功潮流圖11 廣東電網某220 kV環網結構Fig.11 Structure of a 220 kV ring network of Guangdong Power Grid

表2 廣東電網某220 kV環網主要電氣參數

表3 在HHUPFC調節下廣東某220 kV環網的輸電極限提升情況

在潮流的自然分布下，當惠州-三棟甲線、惠州-三棟乙線(輸電線路HS1、HS2)的負載率分別達到97%、100%時，惠州-仲愷甲線、惠州-仲愷乙線(輸電線路HZ1、HZ2)的負載率均只達到32%，這就使得惠州-仲愷段的輸電能力沒有得到充分應用，惠州-仲愷、雍園的總輸電極限被限制到964 MW。

為了提高惠州-仲愷、雍園的總輸電極限，就需要增加惠州-仲愷甲線、惠州-仲愷乙線這兩條輸電線路的利用率。基于以上分析，將在仲愷-雍園(ZY)輸電通道上增加潮流調節裝置，此時潮流調節裝置產生的循環功率Pc與惠州-仲愷、仲愷-雍園的有功潮流同方向，與惠州-三棟、三棟-雍園的有功潮流反方向，這將有效增加惠州-仲愷、仲愷-雍園這兩部分輸電通道的潮流比例，減小惠州-三棟、三棟-雍園這兩部分輸電通道的潮流比例，從而改善潮流分布的不均衡度，使惠州-仲愷段輸電通道的輸電能力得到更充分應用，以增加惠州-仲愷、雍園的總輸電極限。

4.2 環網總輸電能力調節結果

如圖11所示，將在仲愷-雍園(ZY)輸電通道的首端安裝HHUPFC來進行對比仿真研究。HHUPFC中二次繞組額定電壓為0.1 p.u.時(UsN=0.1 p.u.)，HHUPFC使該220 kV環網的總輸電極限達到1 494 MW。具體的仿真結果如表3所示。

5 結論

通過研究HHUPFC在環網中的潮流調節作用，得出以下結論。

(1)HHUPFC可有效改善環網輸電線路中潮流分布不均衡的問題。通過控制HHUPFC輸出一定幅值和相位的補償電壓，可以將重載線路的潮流轉移到輕載線路上。

(2)與傳統混合式統一潮流控制器(HEUPFC)相比，在同等參數設計下，HHUPFC的潮流調節效果更好。為達到同樣的潮流均衡效果，HHUPFC所需裝置容量更小，降低了裝置成本。

(3)在廣東電網典型環網中驗證了HHUPFC對環網線路的輸電極限提升作用。