基于PSASP的UPFC自定義模型在西南電網(wǎng)的應(yīng)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(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

川渝第三通道投運(yùn)后，西南電網(wǎng)將建成投運(yùn)藏中聯(lián)網(wǎng)工程、渝鄂背靠背工程，使西南電網(wǎng)與外部電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后，川渝斷面潮流分布不均現(xiàn)象仍然存在：北通道潮流輕而南通道潮流重，在個(gè)別方式下，北通道甚至出現(xiàn)潮流反送。川渝斷面潮流分布不均所帶來(lái)問(wèn)題，是當(dāng)前影響川電外送能力的主要因素。

統(tǒng)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(yīng)用UPFC改變川渝斷面潮流分布。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)說(shuō)明利用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)自定義程序進(jìn)行UPFC建模的原理，并利用節(jié)點(diǎn)電流注入法建立了UPFC的動(dòng)態(tài)模型。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)電流注入法的改進(jìn)UPFC潮流控制的新方法：串聯(lián)側(cè)基于電流預(yù)測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)線路有功、無(wú)功功率的控制，并聯(lián)側(cè)用注入無(wú)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(chǔ)上，利用PSASP用戶自定義程序分別搭建了UPFC用于潮流與暫穩(wěn)計(jì)算的潮流模型和暫穩(wěn)模型。為了使用方便，利用UPFC動(dòng)態(tài)切入方法改進(jìn)了暫穩(wěn)計(jì)算模型。以渝鄂背靠背、川渝三通道、川藏聯(lián)網(wǎng)三項(xiàng)重點(diǎn)工程投產(chǎn)后的電網(wǎng)為研究對(duì)象，在典型控制方式下，研究UPFC不同安裝容量、不同安裝地點(diǎn)對(duì)改善斷面潮流分布的效果；仿真計(jì)算UPFC在四川電網(wǎng)故障后的動(dòng)態(tài)特性并對(duì)比分析UPFC抑制暫態(tài)擾動(dòng)的效果。

1 UPFC原理

UPFC的主要工作原理是通過(guò)電力電子設(shè)備(換流器)及控制系統(tǒng)來(lái)改變串聯(lián)變壓器的輸出電壓相角及幅值，從而達(dá)到優(yōu)化控制線路潮流及系統(tǒng)電壓的目的。

圖1 UPFC系統(tǒng)

圖2 UPFC等值

以兩端無(wú)窮大系統(tǒng)為例分析UPFC串聯(lián)部分的工作原理，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jiǎn)化分析模型，不考慮UPFC串并聯(lián)部分的損耗。

2 UPFC潮流模型及PSASP自定義實(shí)現(xiàn)

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

圖4 含有線路的UPFC等效模型

根據(jù)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(jù)功率注入法，含有UPFC潮流模型可描述為

(1)

同時(shí)，在線路中UPFC所在支路還必須滿足平衡條件：

(2)

根據(jù)上述公式和平衡方程，可以得到UPFC功率控制潮流模型，輸入?yún)?shù)為線路參數(shù)和線路期望控制功率。

3 UPFC暫穩(wěn)模型及PSASP自定義實(shí)現(xiàn)

UPFC動(dòng)態(tài)等值模型如圖6所示。

圖6 UPFC動(dòng)態(tài)等值電路模型

由于UD穩(wěn)定模型與PSASP軟件的接口為注入電流，這點(diǎn)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(jù)注入電流法，i、j兩節(jié)點(diǎn)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(cè)電容器的充放電過(guò)程，還應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(5)

串、并聯(lián)側(cè)控制采用PI控制進(jìn)行解耦控制，其控制框圖如圖8所示。

通過(guò)圖8中的控制后最終轉(zhuǎn)換為式(3)、式(4)中的注入電流，實(shí)現(xiàn)UPFC暫態(tài)穩(wěn)定控制。

圖8 UPFC暫態(tài)串、并聯(lián)側(cè)控制

由于暫穩(wěn)計(jì)算需要讀取潮流計(jì)算結(jié)果，因存在小數(shù)截取誤差以及初始化精度要求高，可能會(huì)導(dǎo)致初始化失敗而無(wú)法進(jìn)行暫穩(wěn)仿真。因此在計(jì)算UPFC暫穩(wěn)仿真時(shí)不采用暫穩(wěn)初值計(jì)算方法。

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

圖9 UPFC暫態(tài)注入電流控制

這樣PSASP軟件在進(jìn)行暫態(tài)仿真時(shí)，初始注入電流為0，不影響暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算初始化；在暫態(tài)計(jì)算開始后的，通過(guò)斜坡函數(shù)將UPFC注入電流注入系統(tǒng)即可。

4 UPFC在西南電網(wǎng)的應(yīng)用

西南電網(wǎng)四川側(cè)將省內(nèi)大量清潔能源通過(guò)川渝通道送到重慶或者經(jīng)重慶送入華中電網(wǎng)。

圖10 西南電網(wǎng)2018年年底川渝通道電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

然而，中通道投運(yùn)后，南北通道潮流分布不均的問(wèn)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(yīng)計(jì)算

基于PSASP軟件自定義潮流模型，對(duì)渝鄂背靠背投運(yùn)后川渝斷面四川側(cè)安裝UPFC的容量及杠桿效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)采用2018年豐大規(guī)劃數(shù)據(jù)。功率基準(zhǔn)值采用100 MVA，基準(zhǔn)電壓采用525 kV。

考慮增加UPFC后潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致三通道無(wú)功變化，模型中并聯(lián)無(wú)功功率不設(shè)上限(或者通過(guò)人工投退電容器實(shí)現(xiàn))。串聯(lián)變壓器的容量是限制UPFC容量的首要制約因素，模型中設(shè)置串聯(lián)變壓器電壓限幅0.2 p.u.。

1)黃萬(wàn)雙線安裝UPFC

黃萬(wàn)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(cè)安裝UPFC基礎(chǔ)上，對(duì)北通道(黃萬(wàn)雙線)UPFC串聯(lián)變壓器電壓幅值、相角以及容量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 黃萬(wàn)UPFC不同線路控制功率下串聯(lián)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(shí)，UPFC功率近似與控制功率呈現(xiàn)線性關(guān)系。

黃萬(wàn)線UPFC的布置按照兩串一并的配置原則，并聯(lián)側(cè)容量按照串聯(lián)側(cè)容量計(jì)算，則UPFC改變黃萬(wàn)雙線功率與UPFC容量比例關(guān)系(杠桿比)如表3所示。

圖11 黃萬(wàn)UPFC不同控制功率對(duì)川渝斷面潮流改善情況

圖12 黃萬(wàn)不同線路控制功率下串聯(lián)電壓、功率關(guān)系

黃萬(wàn)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(jì)算結(jié)果可以看出，單位容量UPFC僅可改變黃萬(wàn)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(wàn)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(duì)南通道(洪板雙線)UPFC串聯(lián)變壓器電壓幅值、相角以及容量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(duì)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(lián)電壓、功率關(guān)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(jì)算如表5所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，單位容量UPFC僅可改變黃萬(wàn)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(dòng)態(tài)特性仿真

以洪板雙線洪溝側(cè)安裝UPFC為例，仿真動(dòng)態(tài)模型采用動(dòng)態(tài)切入式模型，暫穩(wěn)仿真前川渝斷面功率見表1。仿真在1 s時(shí)投入U(xiǎn)PFC模型并將洪板雙線控制功率設(shè)置為3000 MW。動(dòng)態(tài)模型控制參數(shù)設(shè)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(duì)比

UPFC投入進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在10 s時(shí)發(fā)生尖山—彭祖N-2故障后川渝通道有功功率波動(dòng)對(duì)比如圖15所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合UPFC等效模型以及功率注入法和電流注入法，詳細(xì)介紹了利用PSASP自定義功能實(shí)現(xiàn)UPFC潮流模型與暫穩(wěn)模型搭建過(guò)程；研究計(jì)算UPFC用于改善川渝斷面潮流分布的可行性；詳細(xì)計(jì)算川渝斷面UPFC安裝容量與改變潮流分布的關(guān)系；最后結(jié)合切入式暫穩(wěn)模型，分析計(jì)算了川渝斷面動(dòng)態(tài)特性以及暫態(tài)能量的振蕩特性。結(jié)果表明，安裝在功率輸送通道的UPFC對(duì)于改善川渝斷面潮流分布有一定的作用，從計(jì)算結(jié)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(yīng)小，所需的UPFC容量較大。另外，由于UPFC串聯(lián)側(cè)控制可以對(duì)所安裝線路功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，并聯(lián)側(cè)控制動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償電壓變化，UPFC對(duì)抑制功率振蕩方面有良好的效果。