UPFC在浙江金华电网的应用研究

付俊波， 朱炳铨， 田 杰， 孙维真， 潘 磊

（1.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102；2.国网浙江省电力公司，杭州 310009)

UPFC在浙江金华电网的应用研究

付俊波1， 朱炳铨2， 田 杰1， 孙维真2， 潘 磊1

（1.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102；2.国网浙江省电力公司，杭州 310009)

在分析UPFC（统一潮流控制器）的功能及模型的基础上，提出UPFC容量在BPA仿真软件中的等值计算方法。以浙江金华电网为例，比较确定UPFC的最佳安装地点，在2017—2020年的运行方式下，计算不同年方式下UPFC所需的容量，通过UPFC提升线路的功率大小与自身容量的比较，说明线路功率不同时，单位容量的UPFC提升线路功率的大小相同。研究结果表明UPFC能够有效解决金华电网运行过程中存在的潮流分布不均、系统正常运行不满足N-1的问题。

UPFC；输电能力；系统分析

0 引言

现代电力系统的发展日新月异，各种新技术、装备的应用层出不穷。相对于传统电网，现代电力系统在输电经济性、控制灵活性、运行高效性方面都有了长足的进步。同时电力系统也变得高度非线性和更加复杂。随着土地资源紧缺的问题，新建输电走廊的困难和电网公司的商业化运行，使得通过新增输电线路来增加输送容量变得越来越困难，如何通过新的技术手段提高输电线路的输送容量同时又保证运行安全性问题变得越来越迫切，同时传统的控制调节手段提高输送容量效益较低。而电力电子、新型FACTS（柔性交流输电）装置等应用的越来越成熟，尤其是UPFC（统一潮流控制器）作为调控性能优异的FACTS设备[1]，具有广阔的应用前景。

围绕浙江金华电网运行存在的问题，通过使用UPFC以解决金华电网发展过程中存在的潮流分布不均、输电通道输电能力不能得到充分发挥等问题，仿真结果表明UPFC能较好地解决上述问题，满足未来金华电网快速发展和稳定运行的需要，从而提高电网的总体经济效益。

1 UPFC的特性及应用

1.1 UPFC的特性

常见的FACTS包括串联型，如TCSC（晶闸管控制串联电容器补偿器），SSSC（静止同步串联补偿器）等；并联型，如SVC（高压静止动态无功补偿器），STATCOM（静止同步补偿器）等；综合型，如UPFC。串联型一般可以作为潮流控制器，通过控制线路的电抗，进而控制线路传输的功率，提高线路输电能力及系统稳定水平；并联型一般以控制线路电压或控制装置吸收/发送无功功率为目标，主要为电网提供动态无功支撑；综合型可以综合控制线路电压，线路传输的有功/无功功率等，对提供动态无功支撑、提高线路输电能力及系统稳定性等方面具有非常重要的实际意义。

1.2 UPFC的应用前景

UPFC为解决电网运行和发展中的一些难题提供有效的解决手段，因而具有广泛的应用前景：

（1）可精准调节潮流的定向传输，提高交流输电线路的可控性，尤其是对电磁环网潮流的调控能力，从而充分发挥输电通道的送电能力，减少过载、窝电现象，并降低网损。

（2）可全面提升电力系统的安全稳定性，如：利用其快速控制能力，可提高系统的暂态稳定性；通过适当的无功功率调节稳定运行电压及故障后恢复电压，提高电网电压的可控性；增强系统的阻尼以抑制系统振荡，改善系统的动态稳定性等。

（3）可实时检测故障电流，快速控制电力电子器件，降低短路电流。

2 UPFC应用于金华电网的方案

2.1 浙江金华电网现状

图1为金华地区220 kV及以上部分网架结构图，芝堰500 kV变电站在2015年底将有3台1 000 MW主变压器（简称主变）运行，双龙500 kV变电站将有3台750 MW主变运行。双龙主变和芝堰主变之间有2个220 kV交流通道。

随着电力系统负荷的不断增长，2个500 kV变电站负载功率将不断增大，导致主变负载率不断提高，而芝堰主变和双龙主变下送功率不平衡，芝堰变电站的功率较小，而容量较小的双龙变电站负荷很重，导致双龙主变存在N-1过负荷的情况，尤其是金华燃机停运检修期间，主变负载将进一步加重。

双龙变电站没有更多的用地以扩建新的主变，为了限制主变的过载，负荷高峰时期不得不采取限电措施，严重阻碍了输电通道的输送能力，对工业发展和居民正常生活用电造成了一定的影响。

图1 金华地区220 kV及以上电网结构

2.2 UPFC安装方案

考虑在该地区安装UPFC装置，改变系统潮流，均衡2个变电站主变负荷，增加输电通道的输电能力，使得供电能力能满足高峰负荷的需求。

UPFC的安装方案和安装地点有多种方案可供选择，仿真过程中分别计算以下5种安装方式：UPFC安装于芝堰—云山双回线，开断曹家—黄村双回线；UPFC安装于芝堰—曹家双回线，开断云山—灵洞双回线；UPFC分别安装于芝堰—曹家、芝堰—云山双回线；UPFC安装于芝堰—云山单回、芝堰—曹家单回线；UPFC安装于芝堰主变中压侧—220 kV母线之间。

综合考虑UPFC所需容量、作用效果等方面，并结合前期的调研和仿真分析，选择在芝堰—曹家220 kV双回线路上安装1套UPFC，串联换流器的额定电流与芝堰—曹家线路额定电流相同，均为1.1 kA。串、并联换流器总容量为150 MW，同时断开云山—灵洞的220 kV线路，以解决金华电网存在的双龙主变潮流过重、芝堰和双龙500 kV主变不平衡双龙主变N-1过载，以及减少双龙220 kV母线事故电流的问题。

若不断开芝堰云山—灵洞双回线，则UPFC所需要的容量将会大大增加。同时也可以看出，该接线方式存在弱电磁环网的问题，安装UPFC可提高系统供电可靠性，同时UPFC可以灵活控制潮流，故电磁环网的问题并不突出。设备安装地点确定在芝堰变电站。

UPFC的接入方式如图2所示，为一种普遍使用的UPFC拓扑结构，串联电压源换流器与并联电压源换流器共用一个直流侧电容。并联型电压源换流器T1可在接入点吸收或注入无功功率[2-3]，以维持接入点电压在稳定水平，同时还能向串联型换流器提供有功功率。串联型电压源换流器通过变压器串联接入系统，可向所控制线路注入一个相角和幅值可调的串联电压，从而控制线路的潮流[4]。

图2 UPFC接入线路的方式

系统正常运行时，UPFC投入运行控制芝堰—曹家线路潮流，改善金华电网的潮流分布，提高电网输电能力。若出现单回线路故障，在故障线路跳开后，另一回线路的UPFC迅速控制线路电流在额定值以下；线路发生故障时，对应的UPFC退出运行，晶闸管旁路开关将换流器旁路，同时串入电感抑制线路短路电流。

3 UPFC的容量计算

UPFC安装后，必须使系统满足N-1的要求，同时需要保证UPFC随着负荷的增长，在未来几年也能发挥经济效益。因此需要计算在不同的运行方式下UPFC所需的容量。

3.1 BPA计算时的UPFC模型

由于BPA程序中无UPFC模型，所以为了能进行带UPFC的潮流计算，可采取如下处理方式。

图3为含有UPFC的电力系统示意图，在仿真计算中忽略UPFC的有功损耗。在前面已提到过UPFC的并联型换流器可控制母线电压，串联型换流器可调节线路功率的功能，所以在正常运行时将母线S的电压Vs设为某个定值，线路上的功率Prs与Qrs也为其设定值，所以母线S的注入有功也为Prs[5]。

当母线S的电压幅值和有功均为已知时，在潮流计算时刻将其等效为1个PV节点，即可视为1台发电机；母线R流出的有功、无功都为已知，所以可将其看作PQ节点，等效为1个负荷，由此可得到图4所示UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型。该模型存在一定的局限性，即忽略了UPFC的有功损耗，且只能在UPFC同时控制线路功率和母线电压的条件下才可以使用。

图3 含UPFC的电力系统示意

图4 UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型

利用图4中的模型计算潮流后，可得到S端等效发电机的无功出力Qgs以及Vs与Vr，利用这些已知量可反向推算出UPFC电压源模型的相关变量[6]。给出具体推导过程（式中全为标幺值）：

式（1）—（5）中：Vs与Is为线路送端的电压和流过的电流；VE与IE为换流器1输出电压和电流，相角为θE；VB与IB为换流器2输出电压和电流，相角为θB；XE与XB为并联和串联变压器T1与T2的漏抗[7]。

通过在BPA的等值计算可知，该计算模型与PSCAD中的UPFC模型计算容量一致。

3.2 不同年运行方式下计算的容量

从UPFC使用的经济性来看，装置投运后，不仅需要保证投运年份系统N-1的要求，也需要考虑未来几年负荷的增长，使UPFC的使用满足未来几年负荷增长的需求。需要考虑到的故障主要有：芝堰主变N-1、双龙主变N-1、金华燃机检修、220 kV线路N-1故障，保证系统N-1故障后稳定，表1为不同年运行方式下的单套UPFC所需容量。

表1 UPFC不同年运行方式下所需容量 MVA

从表1看出，当UPFC的容量为50 MVA时，可满足2017与2018以及2020年运行年份的负荷需求，2019年的高峰负荷运行期间，还需要采取一定负荷限制措施。由于2020年的网架结构稍有变化，尽管2020年的负荷相比前一年有所增长，UPFC的容量却有所降低。安装UPFC后，可有效且合理均衡双龙、芝堰变电站的功率，增加变电站的功率下送能力，避免了高峰负荷时期的拉闸限电，UPFC的经济性得到进一步体现。

此外，比较UPFC的容量与安装线路的功率流可发现，在初始线路功率不同的情况下，单位UPFC容量所能增加线路的输送功率几乎相同。存在的微小差别主要由于线路在不同功率时流过的无功略有不同，如表2所示。

表2 UPFC安装容量与线路功率的关系 MW

4 结论

通过对UPFC应用于浙江金华电网的系统分析，揭示了UPFC在解决电网实际运行中存在的潮流分配不均、输电能力不足等方面问题的优势。同时提供了UPFC在BPA下的容量等值计算方法，可快速计算出UPFC的容量。

通过UPFC在金华电网的应用分析仿真，可得出以下结论：

（1）UPFC在改善金华电网潮流分配不均方面有较好的作用，通过UPFC的安装使用可以避免金华电网高峰负荷时期的拉闸限电，提高电网运行的经济性。

（2）在UPFC安装点处，单位UPFC的容量所能改变线路的潮流几乎相同，与线路初始流过的功率大小无关。

UPFC作为FACTS装置中功能强大的设备，研究其在示范工程中的应用，为今后UPFC的推广奠定了坚实的基础，同时必将大大提高我国电网整体科技含量，提升柔性交流输电产业的国际竞争力。

[1]GYUGYI L，SCHAUDER C D，WILLIAMS S L，et al.The Unified Power Flow Controller：A New Approach To Power Transmission Control[C]//IEEE/PES Summer Meeting. San Francisco，CA，1994.

[2]仉志华，徐丙垠，陈青.基于统一潮流控制器的配电环网潮流优化控制策略[J].电网技术，2012，36（6）∶122-126.

[3]黄振宇，赵亮，陈寿孙，等.电力系统动态分析中统一潮流控制器的模型研究[J].清华大学学报（自然科学版），1997，37（S1）∶74-78.

[4]马凡，谷双魁，刘黎明，等.UPFC控制及动态特性实验研究[J].电网技术，2007，31（17）∶64-69.

[5]陈剑平，李林川，张芳，等.基于PSASP的UPFC潮流控制建模与仿真[J].电力系统及其自动化学报，2014，26（2）∶66-70.

[6]常宝立.计及UPFC的电力系统暂态稳定预防控制研究[D].南京：河海大学，2006.

[7]蔡松，段善旭，康勇.统一潮流控制器在动态模拟系统中的应用[J].电网技术，2007，31（9）∶64-69.

（本文编辑：杨 勇）

Application Research of UPFC in Zhejiang Jinhua Power Grid

FU Junbo1，ZHU Bingquan2，TIAN Jie1，SUN Weizhen2，PAN Lei1
（1.Nanjing NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310009，China）

Based on the analysis of function and model of unified power flow controller（UPFC），the equivalent calculation method of UPFC capacity in BPA simulation software is put forward.Taking Zhejiang Jinhua power grid as an example，the paper determines the optimal installation location of UPFC by comparison.In the operation modes from 2017 to 2020，the necessary capacity of UPFC in different modes is calculated. Through comparison of line power increased by UPFC and its own capacity，it is demonstrated that when the line powers are different the line powers of unit capacity increased by UPFC are the same.The research result shows that UPFC could solve the issues effectively during operation in Jinhua power grid，such as uneven trend distribution，system failure in meeting the needs of N-1 during the operation etc.

unified power flow controller；transmission capacity；system analysis

TM866

B

1007-1881（2015）07-0001-04

2015-04-09

付俊波（1986），男，硕士，工程师，主要从事电力系统安全稳定控制系统的研究和应用工作。