UPFC在江蘇電網(wǎng)中的應(yīng)用與控制效果

汪惟源，竇飛，楊林，周煜智，徐政，陳國(guó)年，袁健華

（1.江蘇省電力公司，江蘇南京　210024；2.浙江大學(xué)，浙江杭州　310007；3.國(guó)網(wǎng)南通供電公司，江蘇南通　226006）

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UPFC在江蘇電網(wǎng)中的應(yīng)用與控制效果

汪惟源1，竇飛1，楊林1，周煜智2，徐政2，陳國(guó)年1，袁健華3

（1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.浙江大學(xué)，浙江杭州310007；3.國(guó)網(wǎng)南通供電公司，江蘇南通226006）

摘要：晉北—南京和錫盟—泰州特高壓直流工程落點(diǎn)蘇北電網(wǎng)后，將會(huì)對(duì)江蘇電網(wǎng)潮流分布帶來(lái)不小的影響，因此，有必要對(duì)這2個(gè)直流投產(chǎn)后周邊500 kV電網(wǎng)進(jìn)行潮流優(yōu)化控制研究。首先在PSS/E仿真程序中建立統(tǒng)一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）的機(jī)電暫態(tài)仿真模型；然后針對(duì)江蘇電網(wǎng)2020年規(guī)劃運(yùn)行方式下，晉北—南京直流和錫盟—泰州直流相關(guān)斷面線路N-1和N-2典型故障，研究斷面線路潮流轉(zhuǎn)移與過(guò)載情況；最后在江都—大港和泰州—鳳城500 kV線路上安裝UPFC，對(duì)存在線路潮流過(guò)載的故障，通過(guò)UPFC控制斷面線路潮流轉(zhuǎn)移，并計(jì)算所需的UPFC容量。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)一潮流控制器；江蘇電網(wǎng)；潮流控制；特高壓直流；PSS/E

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根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，目前已獲核準(zhǔn)的晉北—南京和錫盟—泰州特高壓直流工程將于十三五中后期投產(chǎn)，分別接入蘇北電網(wǎng)的西部和東部，這2個(gè)區(qū)外大功率直流的接入將會(huì)對(duì)蘇北電網(wǎng)潮流分布和無(wú)功電壓控制帶來(lái)不小的影響。同時(shí)，隨著遠(yuǎn)期蘇北電網(wǎng)負(fù)荷的發(fā)展和區(qū)外電力流規(guī)模的增加，江蘇電網(wǎng)內(nèi)的電力流也將呈現(xiàn)出諸多不確定的發(fā)展方向，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。因此，有必要對(duì)這2個(gè)直流投產(chǎn)后周邊500 kV電網(wǎng)進(jìn)行潮流優(yōu)化控制。

潮流控制技術(shù)作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的前沿技術(shù)，是增強(qiáng)輸配電系統(tǒng)的可控性和靈活性、提高運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的重要手段[1-3]。第一代潮流控制裝置主要由晶閘管開關(guān)快速控制的電容器和電抗器構(gòu)成，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器（static var compensator，SVC）和晶閘管控制串聯(lián)電容器（thyristor controlled series capacitor，TCSC）等，第二代潮流控制裝置主要由基于可關(guān)斷器件的變流器構(gòu)成，如靜止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator，STATCOM）和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（static synchronous series compensator，SSSC），統(tǒng)一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）等。按照連接方式與控制對(duì)象的不同，潮流控制裝置可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和綜合型。其中，SVC和STATCOM是并聯(lián)型，主要控制對(duì)象為母線電壓；TCSC和SSSC是串聯(lián)型，主要控制對(duì)象為線路潮流；UPFC是綜合型，能同時(shí)控制母線電壓與線路潮流。

針對(duì)UPFC的研究與應(yīng)用，國(guó)外到目前為止，只有很少幾個(gè)工程成功應(yīng)用于交流電網(wǎng)[4-5]，國(guó)內(nèi)UPFC的研究工作主要集中在UPFC系統(tǒng)潮流計(jì)算、建模、控制器設(shè)計(jì)及控制策略、PWM換流器控制方法、改善電力系統(tǒng)運(yùn)行研究等方面，我國(guó)首個(gè)電網(wǎng)UPFC項(xiàng)目也已在南京投運(yùn)[6-8]。

本文在PSS/E仿真程序中建立UPFC機(jī)電暫態(tài)仿真模型，針對(duì)江蘇電網(wǎng)2020年規(guī)劃運(yùn)行方式下，晉北－南京直流和錫盟－泰州直流相關(guān)斷面線路N-1和N-2典型故障，研究斷面線路潮流轉(zhuǎn)移與過(guò)載情況，對(duì)存在線路潮流過(guò)載的故障，分析安裝UPFC后的控制效果，并計(jì)算所需的UPFC容量。

1　UPFC基本原理

UPFC主要用于對(duì)交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行電壓控制和對(duì)線路所輸送的有功、無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，由2個(gè)背靠背的通過(guò)直流電容進(jìn)行耦合的電壓源型換流器組合而成，圖1為簡(jiǎn)化的UPFC原理圖。

圖1　UPFC簡(jiǎn)化原理圖Fig. 1 Simplified schematic of UPFC

圖中，Vi∠θi、Vj∠θj為輸電線路首、末兩端的電壓幅值和相角；VS∠θS、VR∠θR為UPFC并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)系統(tǒng)母線電壓和UPFC串聯(lián)側(cè)出口母線電壓的幅值和相角；Psh、Qsh為UPFC并聯(lián)側(cè)向系統(tǒng)注入的有功和無(wú)功功率；Pse、Qse為UPFC串聯(lián)側(cè)向系統(tǒng)注入的有功和無(wú)功功率；PL、QL為線路輸送的有功和無(wú)功功率；Vsh∠θsh、Vse∠θse為換流器VSC1、VSC2交流側(cè)的電壓幅值和相角：Iline為輸電線路電流；Vdc為直流母線電壓[9-12]。

電壓源換流器1（voltage source converter，VSC1）通過(guò)并聯(lián)耦合變壓器Tsh并聯(lián)接入系統(tǒng)，電壓源換流器2（VSC2）通過(guò)串聯(lián)耦合變壓器Tse串聯(lián)接入系統(tǒng)，2個(gè)換流器的直流端并接于電容器[13-15]。整個(gè)裝置猶如一個(gè)理想的交流－交流換流器，有功功率可以在2個(gè)換流器間進(jìn)行交換：既可由換流器VSC1從交流輸電系統(tǒng)吸取，通過(guò)直流電容流向換流器VSC2，再流向交流輸電系統(tǒng)；也可由換流器VSC2從交流系統(tǒng)吸取，通過(guò)直流電容流向換流器VSC1，再流向交流輸電系統(tǒng)。同時(shí)，兩電壓源換流器又可獨(dú)立地分別在其交流輸出端與交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率交換。

換流器VSC2實(shí)現(xiàn)了UPFC潮流調(diào)節(jié)的主要功能。它通過(guò)串聯(lián)耦合變壓器Tse向交流輸電系統(tǒng)注入一個(gè)幅值和相位均可變化的、與系統(tǒng)同頻率的串聯(lián)電壓Vse∠θse。該注入電壓可認(rèn)為是一個(gè)同步交流電壓源，當(dāng)輸電線路電流Iline流過(guò)該電壓源時(shí)，兩者的交互作用就導(dǎo)致了該電壓源與交流輸電系統(tǒng)的有功功率Pse和無(wú)功功率Qse的交換[16-18]。換流器VSC1的基本功能有2個(gè)：一是獨(dú)立地通過(guò)并聯(lián)耦合變壓器Tsh向系統(tǒng)注入/吸收無(wú)功功率Qsh，以維持并聯(lián)側(cè)接入系統(tǒng)母線電壓VS；二是通過(guò)并聯(lián)耦合變壓器Tsh向系統(tǒng)注入/吸收有功功率Psh，以滿足串聯(lián)側(cè)換流器VSC2與系統(tǒng)交換的有功功率Pse在直流側(cè)體現(xiàn)的有功功率的需求。

2　潮流控制必要性分析

2.1晉北—南京直流相關(guān)斷面

晉北—南京直流額定容量為8 000 MW，以8回500 kV線路接入系統(tǒng)。如圖2所示為2020年江蘇電網(wǎng)冬季大方式（考慮受入?yún)^(qū)外電力）下，南京換—三汊灣、江都—大港—晉陵以及泰興—斗山斷面的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行潮流。由圖2可知，2020年江蘇電網(wǎng)冬季大方式下，南京換—三汊灣線路穩(wěn)態(tài)潮流為4×1 838.4 MW，江都—大港線路穩(wěn)態(tài)潮流為2×1 850.0 MW，泰興—斗山線路穩(wěn)態(tài)潮流為2×1 585.9 MW，斷面總潮流為14 225 MW。晉北—南京直流相關(guān)斷面線路的最大允許輸送功率如表1所示。

圖2　2020年江蘇電網(wǎng)冬季大方式晉北—南京直流相關(guān)斷面Fig. 2 Jinbei-Nanjing UHVDC related cross-section under Jiangsu power grid winter-full mode in 2020

表1　晉北—南京直流相關(guān)斷面線路的最大允許輸送功Tab. 1 Maximum permitted transmission power of Jinbei-Nanjing UHVDC related cross-section lines　 MW

針對(duì)該運(yùn)行方式下，晉北—南京直流相關(guān)斷面線路N-1和N-2典型故障，研究斷面線路潮流轉(zhuǎn)移與過(guò)載情況，仿真結(jié)果如圖3—圖6所示。圖3—圖6分別對(duì)應(yīng)江都—大港II線大港側(cè)N-1、南京換—三汊灣IV線三汊灣側(cè)N-1、南京換—三汊灣III和IV線三汊灣側(cè)N-2以及泰興—斗山II線斗山側(cè)N-1，由仿真結(jié)果可知：發(fā)生南京換—三汊灣III和IV線三汊灣側(cè)N-2故障時(shí)，另2回?zé)o故障南京換—三汊灣線路潮流輕微過(guò)載；而發(fā)生其他斷面線路N-1故障時(shí)，盡管斷面線路潮流有所增加，但仍在線路最大允許輸送功率之內(nèi)。

圖3　江都—大港II線大港側(cè)N-1故障Fig. 3 N-1 fault of Jiangdu-Dagang II at Dagang side

圖4　南京換—三汊灣IV線三汊灣側(cè)N-1故障Fig. 4 N-1 fault of Nanjinghuan-Sanchawan IV at Sanchawan side

2.2錫盟—泰州直流相關(guān)斷面

錫盟—泰州直流額定容量為10 000 MW，采用1 000 kV/500 kV分層接入系統(tǒng)。圖7畫出了2020年江蘇電網(wǎng)夏季大方式（不考慮受入?yún)^(qū)外電力）下，泰州特降壓主變以及泰州－鳳城500 kV線路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行潮流。從圖中可以看出：2020年江蘇電網(wǎng)夏季大方式下，泰州特降壓主變穩(wěn)態(tài)潮流為2×2 149.7 MW，泰州鳳城線路穩(wěn)態(tài)潮流為2×2 148.8 MW。錫盟泰州直流相關(guān)斷面線路的最大允許輸送功率如表2所示。

圖5　南京換—三汊灣III和IV線三汊灣側(cè)N-2故障Fig. 5 N-2 fault of Nanjinghuan-Sanchawan III&IV at Sanchawan side

圖6　泰興—斗山II線斗山側(cè)N-1故障Fig. 6 N-1 fault of Taixing-Doushan II at Doushan side

圖7　2020年江蘇電網(wǎng)夏季大方式錫盟—泰州直流相關(guān)斷面Fig. 7 Ximeng-Taizhou UHVDC related cross-section under Jiangsu Power Grid summer-full mode in 2020

表2　錫盟—泰州直流相關(guān)斷面線路的最大允許輸送功率Tab. 2 Maximum permitted transmission power of Ximeng-Taizhou UHVDC related cross-section lines

針對(duì)該運(yùn)行方式下，錫盟—泰州直流相關(guān)斷面線路N-1典型故障，研究斷面線路潮流轉(zhuǎn)移與過(guò)載情況，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。圖8和圖9分別對(duì)應(yīng)泰州特降壓主變II特高壓側(cè)N-1和泰州—鳳城II線泰州側(cè)N-1，由仿真結(jié)果可知：發(fā)生上述故障時(shí)，與之并聯(lián)的另一回?zé)o故障元件潮流嚴(yán)重過(guò)載。

圖8　泰州特降壓主變II特高壓側(cè)N-1故障Fig. 8 N-1 fault of Taizhou transformer II at ultra-high voltage side

圖9　泰州—鳳城II線泰州側(cè)N-1故障Fig. 9 N-1 fault of Taizhou-Fengcheng II at Taizhou side

3　潮流控制效果分析

3.1 UPFC安裝位置及參數(shù)設(shè)置

由第2節(jié)故障分析可知，南京換—三汊灣線路發(fā)生N-2故障、泰州特降壓主變或泰州—鳳城線路發(fā)生N-1故障后，與之并聯(lián)的其他無(wú)故障線路潮流會(huì)過(guò)載，需要安裝UPFC裝置控制潮流轉(zhuǎn)移。

在江都—大港和泰州—鳳城雙線安裝UPFC控制裝置，分別如圖10和圖11所示。江都—大港雙線UPFC中，并聯(lián)換流器接入江都500 kV變電站，串聯(lián)換流器接入江都—大港500 kV線路。泰州—鳳城雙線UPFC中，并聯(lián)換流器接入泰州500 kV變電站，串聯(lián)換流器接入泰州—鳳城500 kV線路。

所有UPFC的額定直流電壓為±200 kV；并聯(lián)換流器d軸控制方式為定直流電壓控制，q軸控制方式為定無(wú)功功率控制；串聯(lián)換流器d軸控制方式為定線路有功功率控制，q軸控制方式為定線路無(wú)功功率控制。

3.2 UPFC控制效果分析

如圖12所示為2020年冬季方式下，南京換—三汊灣III和IV線三汊灣側(cè)N-2故障時(shí)，安裝江都—大港UPFC前后，晉北—南京直流相關(guān)斷面的潮流轉(zhuǎn)移情況對(duì)比。由圖2可知，南京換—三汊灣III和IV線三汊灣側(cè)N-2故障發(fā)生后，在江都—大港UPFC作用下，江都—大港I線潮流從安裝UPFC前的1 974 MW增加到UPFC的控制設(shè)定值2 100 MW。相應(yīng)地，南京換—三汊灣I線潮流從3 227 MW減小到3 179 MW，泰興—斗山I線潮流從1 646 MW減小到1 630 MW。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的UPFC容量為95.6 MV·A。

圖10　江都—大港UPFC安裝示意圖Fig. 10 Schematic diagram of Jiangdu-Dagang UPFC

圖11　泰州—鳳城UPFC安裝示意圖Fig. 11 Schematic diagram of Taizhou-Fengcheng UPFC

圖12　南京換—三汊灣III和IV線三汊灣側(cè)N-2故障Fig. 12 N-2 fault of Nanjinghuan-Sanchawan III&IV at Sanchawan side

圖13所示為2020年夏季方式下，泰州特降壓主變II特高壓側(cè)N-1故障時(shí)，安裝泰州—鳳城UPFC前后，錫盟—泰州直流相關(guān)斷面的潮流轉(zhuǎn)移情況對(duì)比。由圖13可知，泰州特降壓主變II特高壓側(cè)N-1故障后，在泰州—鳳城UPFC作用下，泰州—鳳城I線潮流從安裝UPFC前的1 796 MW下降到UPFC的控制設(shè)定值1 500 MW。相應(yīng)地，泰州特降壓主變I潮流從3 597 MW減小到2 740 MW。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的UPFC容量為215 MV·A。

圖13　泰州特降壓主變II特高壓側(cè)N-1故障Fig. 13 N-1 fault of Taizhou transformer II at ultra-high voltage side

如圖14所示為2020年夏季方式下，泰州—鳳城II線泰州側(cè)N-1故障時(shí)，安裝泰州—鳳城UPFC前后，錫盟—泰州直流相關(guān)斷面的潮流轉(zhuǎn)移情況對(duì)比。由圖14可知，泰州—鳳城II線泰州側(cè)N-1故障后，在泰州—鳳城UPFC作用下，泰州—鳳城I線潮流從安裝UPFC前的3 668 MW下降到UPFC的控制設(shè)定值3 200 MW。相應(yīng)地，泰州特降壓主變I潮流從1 836 MW減小到1 574 MW。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的UPFC容量為299 MV·A。

圖14　泰州—鳳城II線泰州側(cè)N-1故障Fig. 14 N-1 fault of Taizhou-Fengcheng II at Taizhou side

4　結(jié)論

本文基于PSS/E研究了UPFC在江蘇電網(wǎng)中的應(yīng)用與控制效果，并計(jì)算所需的UPFC容量，主要結(jié)論有：

1）晉北—南京直流相關(guān)斷面，2020年冬季運(yùn)行方式下，發(fā)生南京換—三汊灣線路N-2故障時(shí)，另兩回?zé)o故障南京換—三汊灣線路潮流輕微過(guò)載（安裝江都—大港雙線UPFC后，發(fā)生故障時(shí)，在UPFC作用下，原先輕微過(guò)載的線路潮流被限制在線路最大允許輸送功率之內(nèi)，最終所需的UPFC容量為95.6 MV·A）。

2）錫盟—泰州直流相關(guān)斷面，2020年夏季運(yùn)行方式下，發(fā)生泰州特降壓主變N-1故障或泰州—鳳城500 kV線路N-1故障時(shí)，與之并聯(lián)的另一回?zé)o故障元件潮流嚴(yán)重過(guò)載；安裝泰州—鳳城雙線UPFC后，發(fā)生故障時(shí)，在UPFC作用下，原先嚴(yán)重過(guò)載的線路潮流被限制在線路最大允許輸送功率之內(nèi)，最終所需的UPFC容量為299 MV·A。

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汪惟源（1975—），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究、電網(wǎng)項(xiàng)目前期管理工作；

楊林（1970—），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究、電網(wǎng)項(xiàng)目前期管理工作；

周煜智（1991—），男，博士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷麟娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析；

徐政（1962—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)。

（編輯李沈）

Applications and Control Results of UPFC in Jiangsu Power Grid

WANG Weiyuan1，DOU Fei1，YANG Lin1，ZHOU Yuzhi2，XU Zheng2，CHEN Guonian1，YUAN Jianhua3
（1. State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，Jiangsu，China；2. Zhejiang University，Hangzhou 310007，Zhejiang，China；3. State Grid Nantong Power Supply Company，Nantong 226006，Jiangsu，China）

ABSTRACT：Jinbei -Nanjing and Ximeng -Taizhou UHVDC terminating at the North Jiangsu Power Grid exerts significant influence on the power flow distribution in Jiangsu Power Grid，therefore it is necessary to study the power flow optimal control of the 500 kV power grid around the two UHVDCs’terminations. After modeling Unified Power Flow Controller（UPFC）in PSS/E，this paper presents the transmission line power flow transfer and overloading after N-1 and N-2 faults of Jinbei-Nanjing and Ximeng -Taizhou UHVDC related cross -section under 2020 Jiangsu Power Grid planning operation mode. The UPFCs are installed in Jiangdu-Dagang and Taizhou-Fengcheng 500 kV transmission lines，and with the control of UPFCs，the power flow is limited in the maximum permitted transmission power. The capacities needed of the UPFCs are also calculated in the paper.

KEY WORDS：unified power flow controller；Jiangsu power grid；power flow control；UHVDC；PSS/E

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-09-11。

基金項(xiàng)目：江蘇電網(wǎng)“十三五”發(fā)展規(guī)劃（1510011402HN）。

文章編號(hào)：1674- 3814（2016）03- 0092- 06

中圖分類號(hào)：TM715

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A