基于PSAT的 UPFC 電力系統(tǒng)潮流建模與仿真

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(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

基于PSAT的UPFC電力系統(tǒng)潮流建模與仿真

胡源，張福生，徐小林，王碩禾

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

相對于傳統(tǒng)的控制方法，統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)的靈活控制可以更好地提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。為了能夠更加深入地研究計(jì)及UPFC的電力系統(tǒng)潮流問題，采用在PSAT環(huán)境下進(jìn)行仿真分析。提出了一種改進(jìn)的功率注入模型進(jìn)行潮流計(jì)算，以電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及電力市場經(jīng)濟(jì)性求解最優(yōu)潮流。最后對IEEE9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明方法可行，采用PSAT分析具有較高的參考價(jià)值。

UPFC；最優(yōu)潮流；PSAT

0 引言

作為第三代靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)控制器UPFC集多種控制方式于一身，已成為處理潮流控制、提高電能質(zhì)量等問題的最優(yōu)方式之一[1-2]。近年來UPFC技術(shù)的研究不斷深入，隨著基于模塊化多電平換流(MMC)技術(shù)的UPFC在江蘇220 kV電網(wǎng)系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，更備受關(guān)注[3]。計(jì)及UPFC 的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算以及多目標(biāo)最優(yōu)潮流(OPF)等問題建模與仿真的研究有十分重要的意義。

目前除了部分商業(yè)軟件外，用于研究電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的Matlab電力系統(tǒng)分析軟件包有很多，但能夠進(jìn)行最優(yōu)潮流計(jì)算的僅有Matpower與PSAT，而PSAT除了具有Matpower的功能外添加了GUI模塊，還具有更好的二次編程環(huán)境等功能，然而利用其進(jìn)行潮流建模仿真的研究還比較少。文獻(xiàn)[4]對 PSAT處理電力系統(tǒng)分析問題進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]介紹了PSAT在潮流計(jì)算中的應(yīng)用，但未對計(jì)及UPFC的潮流計(jì)算進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[6]介紹了UPFC潮流計(jì)算常用的功率注入模型，但在優(yōu)化潮流過程中控制變量含有UPFC的可控參數(shù)，可能存在潮流不收斂的問題,同時(shí)未采用PSAT，因而其仿真過程也較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]介紹了PSAT基于內(nèi)點(diǎn)法的多目標(biāo)最優(yōu)潮流計(jì)算的處理方法，但在計(jì)及UPFC的情況下使用此方法會出現(xiàn)不支持靜態(tài)分析的問題。在改進(jìn)上述不足的基礎(chǔ)上，在PSAT環(huán)境下解決計(jì)及UPFC的潮流計(jì)算優(yōu)化以及以有功網(wǎng)損最小和靜態(tài)穩(wěn)定裕度最大為目標(biāo)的最優(yōu)潮流問題。通過對IEEE9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證模型和算法的正確性和有效性。

圖1 UPFC基本結(jié)構(gòu)

1 UPFC潮流計(jì)算方法

1.1 UPFC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

UPFC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2,8]，它由兩個(gè)變壓器以及中間帶有電容器(直流環(huán)節(jié))的兩個(gè)背靠背電壓源型變流器組成。變流器 1接輸入端并聯(lián)變壓器支路，其作用是通過改變無功功率來穩(wěn)定輸入端電壓，同時(shí)經(jīng)直流環(huán)節(jié)為變流器2提供有功功率。變流器2通過一個(gè)串聯(lián)線路變壓器接入，其作用相當(dāng)于串聯(lián)一個(gè)電壓源，通過改變其幅值與相位實(shí)現(xiàn)UPFC控制潮流的功能。

1.2 一種改進(jìn)的UPFC等效注入功率模型

當(dāng)線路中加入U(xiǎn)PFC裝置時(shí)可用一個(gè)串聯(lián)電壓源UT和一個(gè)并聯(lián)電流源IZ等效，其等效電路如圖2所示。 在此基礎(chǔ)上，為了便于進(jìn)行潮流計(jì)算建立的UPFC等效注入功率模型如圖3所示。

圖2 UPFC 等效電路圖

圖3 UPFC 等效注入功率模型圖

在圖2中等效電流源IZ可以分解為與輸入端電壓Ui方向相同的有功分量It和與之正交的無功分量Iq，圖3中等效注入功率模型中UPFC對電力系統(tǒng)潮流的控制主要由注入節(jié)點(diǎn)i、j的功率反映。其注入功率可參考文獻(xiàn)[9]，為了能夠在使用Matlab/PSAT等仿真軟件中對潮流的計(jì)算和優(yōu)化中簡化程序進(jìn)一步推導(dǎo)為

式中，Pi(in)，Pj(in)分別為注入節(jié)點(diǎn)i，j的有功功率；Qi(in)，Qj(in)分別為注入節(jié)點(diǎn)i，j的無功功率；Ui，Uj，UT分別為節(jié)點(diǎn)i，j變壓器的電壓幅值；φi，φj，δT為節(jié)點(diǎn)i，j變壓器的電壓相位；gij，bij分別為線路i-j的電導(dǎo)和電納；Bc為線路對地電納；Iq為等效電流源It的無功分量。

2 多目標(biāo)最優(yōu)潮流模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

最優(yōu)潮流模型的建立多以有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)，在多目標(biāo)潮流優(yōu)化的研究中在考慮經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)應(yīng)保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10-13]。建立的模型以系統(tǒng)有功網(wǎng)損最小，電壓穩(wěn)定裕度最大為目標(biāo)函數(shù)，其中電壓穩(wěn)定裕度按照PSAT使用手冊中的“最大負(fù)荷裕量參數(shù)”度量。即

式中，ΔP為系統(tǒng)有功損耗；λc為最大負(fù)荷裕量參數(shù)；ω1，ω2分別為系統(tǒng)有功損耗和最大負(fù)荷裕量參數(shù)的加權(quán)因子。

2.2 約束條件

2.2.1 等式約束

等式約束條件主要是系統(tǒng)中有功功率和無功功率保持平衡，即滿足功率平衡方程。在裝置UPFC的電力線路中應(yīng)增加等效注入功率部分，即

式中，Pi，Pj為節(jié)點(diǎn)i，j的有功功率；Qi，Qj為節(jié)點(diǎn)i，j的無功功率。

值得注意的是，在未設(shè)UPFC裝置的電力線路中應(yīng)按常規(guī)潮流計(jì)算中的功率方程計(jì)算，不計(jì)式(3)中的注入有功功率和無功功率。

2.2.2 不等式約束

常規(guī)電力系統(tǒng)潮流的約束包括發(fā)電機(jī)端電壓UG、發(fā)電機(jī)輸出無功功QG、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓U以及無功補(bǔ)償電容器C,在PSAT進(jìn)行潮流優(yōu)化時(shí)需加入負(fù)荷裕量參數(shù)λc，即

式中，min，max為對應(yīng)參數(shù)上下限。在裝置UPFC后，將會引入串聯(lián)電壓源與并聯(lián)電流源的無功分量對系統(tǒng)的限制，約束條件為

式中,UT為等效串聯(lián)電壓源幅值；δT為等效串聯(lián)電壓源相位；Iq為等效電流源Iz的無功分量。

3 仿真分析

采用IEEE9 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)[14]進(jìn)行仿真分析，PSAT-Simalinik模型如圖4所示。

圖4 計(jì)及UPFC的IEEE9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的PSAT-Simulink模型

其中發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓范圍為0.95～1.1 p.u.，容量基準(zhǔn)值為100 MVA，變壓器T1一、二次側(cè)變比為18 kV/230 kV,變壓器T2一、二次側(cè)變比為13.8 kV/230 kV。UPFC安裝在母線8～9之間的線路上。UPFC模塊是通過一個(gè)POD控制器控制變量Vp以及無功分量Iq，其設(shè)置參數(shù)中無功分量Iq上限為3 p.u.，下限為-1 p.u.；等效串聯(lián)電壓源與線路電流同相位的電壓分量的幅值Vp上下限為±0.2 p.u.，超前線路電流90° 的電壓分量的幅值Vq上下限為±0.2 p.u.；串聯(lián)補(bǔ)償百分比設(shè)置為30%；控制器增益與時(shí)間常數(shù)分別設(shè)置為75 p.u.和0.005 s。

系統(tǒng)未優(yōu)化前的初始有功損耗為0.034 7 p.u.，最大負(fù)荷裕量參數(shù)為0.212 4，PSAT中“OPF type”設(shè)置為Pareto Set。表1中為進(jìn)行最優(yōu)潮流的求解，給出了以下5個(gè)方案供決策者根據(jù)實(shí)際情況選擇：方案1是重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)利益，以有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，再根據(jù)所求解中最大負(fù)荷裕量參數(shù)是否滿足要求進(jìn)一步確定；方案2是重點(diǎn)保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，以最大負(fù)荷裕量參數(shù)λc盡可能大為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；方案3是兩者綜合考慮且以有功網(wǎng)損較最大負(fù)荷裕量參數(shù)稍微重要；方案4是兩者綜合考慮且以最大負(fù)荷裕量參數(shù)較有功網(wǎng)損稍微重要；方案5是兩者同等重要。

表1 Pareto潮流優(yōu)化方案

圖5 ω2與有功網(wǎng)損和最大負(fù)荷裕量參數(shù)λc的關(guān)系

圖5為PSAT設(shè)置的權(quán)重因子ω2與有功網(wǎng)損和最大負(fù)荷裕量參數(shù)λc的關(guān)系曲線。由于考慮了系統(tǒng)有功損耗與系統(tǒng)最大負(fù)荷裕量參數(shù)兩個(gè)方面，其中有功損耗單位為p.u.，系統(tǒng)最大負(fù)荷裕量參數(shù)無單位。為使圖像更加清晰，將系統(tǒng)有功網(wǎng)損數(shù)值放大7倍并未改變網(wǎng)損減少的百分比，不失一般性。所提方案將系統(tǒng)有功網(wǎng)損降低了6.77%～14.12% ，通過對系統(tǒng)最大負(fù)荷參數(shù)的要求做進(jìn)一步最優(yōu)選擇。在這里需要說明的是，由于考慮經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性兩個(gè)方面，其權(quán)值的分配可直接由決策者根據(jù)實(shí)際情況選取，一般是在保證一定穩(wěn)定性即系統(tǒng)最大負(fù)荷裕量參數(shù)的前提下保證最小的系統(tǒng)運(yùn)行成本。

4 結(jié)論

本文建立了一種改進(jìn)的功率注入模型，以系統(tǒng)有功網(wǎng)損最小及電壓穩(wěn)定裕度最大為目標(biāo)進(jìn)行了計(jì)及UPFC的潮流優(yōu)化，同時(shí)保證系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。PSAT仿真過程較為簡單，在IEEE9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中除了需要調(diào)節(jié)UPFC的控制變量外僅需調(diào)節(jié)加權(quán)因子ω2即可實(shí)現(xiàn),同時(shí)考慮降低有功網(wǎng)損和提高穩(wěn)定裕度的目的進(jìn)行多目標(biāo)的潮流優(yōu)化，具有一定參考價(jià)值。由于本文是針對影響因素加權(quán)由決策者可控的前提下進(jìn)行潮流優(yōu)化，其仿真在PSAT中較為方便，深入研究可在其GAMS模塊中進(jìn)行。同時(shí)在UPFC的多目標(biāo)潮流優(yōu)化中可引入智能算法、層次分析法等對兩個(gè)尤其是兩個(gè)以上的目標(biāo)再做深入研究，其結(jié)果與本文方法值得對比[15]。

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PowerFlowModelingandSimulationofUPFCinPowerSystemBasedonPSAT

HuYuan,ZhangFusheng,XuXiaolin,WangShuohe

(School of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Compared with the traditional control methods, the unified power flow controller (UPFC) can improve the stability of power system. In order to get a deeper study of the power flow of UPFC and the power system, the simulation analysis is carried out in the PSAT environment. An improved power injection model is proposed to solve the power flow calculation for the optimal power flow considering the stability of the power system and the power market economy. Finally, the IEEE 9-bus system simulation is made and the results show that the method is feasible and analysis based on PSAT has a high reference value.

UPFC;OPF;PSAT

TM743

A

2095-0373(2017)04-0073-05

2016-08-24責(zé)任編輯車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.04.14

胡源(1991-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行控制。E-mail:2830399599@qq.com

胡源，張福生，徐小林，等.基于PSAT的 UPFC 電力系統(tǒng)潮流建模與仿真[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(4):73-77.