统一潮流控制器在电力系统中的PSD-BPA和MATLAB联合建模与仿真方法

尹 璐 舒 彬 张 璞 张 凯 郭荣欢 吴振升

（1.北京电力经济技术研究院 北京 100055 2.北京交通大学电气工程学院 北京 100081）

1 引言

潮流计算是电力系统最基本运算之一，由于电网中潮流分布不均或不合理常常造成输送过程中的个别线路负载过重、倒送与绕送、功率反复震荡等问题，严重影响电能质量和送电效率以及电力运营的经济性[1]。这就需要我们对系统潮流进行灵活控制，最大限度利用现有的电力网络结构提高输电效率，为用户提供更稳定更经济的用电环境。

长期以来，人们对电力系统潮流优化控制研究很多，有效的填补了我国电力系统方面的技术空白，其中影响最为广泛是电力电子技术方面的进展。柔性交流输电（FACTS）技术的迅速发展推动了电力系统控制技术标志性的进步，而 UPFC是 FACTS最具有代表性的、功能综合性最强大器件之一，不仅能同时控制调节输电线路上的电流和节点矢量电压，并且能随时吞吐有功功率和无功功率[2-3]。使用统一潮流控制器（UPFC）关键技术，将有助于解决电网中潮流分布不均引起的输电瓶颈问题，有效提高电网输送能力和电网资产利用效率，同时为电网提供必要的无功支撑，提高电网的电压控制水平。

PSD-BPA潮流及暂态稳定程序（原中国版BPA程序）作为“PSD电力系统软件工具”的重要组成部分，在实际应用过程中得到了不断完善和提高，对指导全国联网及区域电网的规划、设计、科研及生产运行工作发挥了重要作用。根据中国电力科学研究院近年来全国联网运行、规划、试验及调试等相关的研究项目，对PSD-BPA潮流及暂态稳定程序进行了大量的完善及新功能开发工作。在电力系统分析软件（PSD-BPA）可以方便的进行大电网潮流计算，但其中UPFC的仿真模型并不完善，无法实现有功功率和无功功率解耦控制[4]。MATLAB/Simulink能够进行UPFC的精确建模，但是建立全电网模型非常复杂。

本文介绍了一种利用 PSD-BPA和 MATLAB/Simulink两种仿真工具的联合仿真方法。首先，选择需要应用UPFC装置的局部电网模型，将该电网模型以外的电网等效为无穷大电源加内阻的形式。在 PSD-BPA中提取各电源的参数、负荷参数、等效线路参数和潮流数据。然后，将其导入到MATLAB电力系统仿真模型中。在未接入UPFC时，比较正常运行条件下和线路N-1运行条件下，各节点电压和线路潮流是否相同，从而确定 MATLAB模型的正确性。进一步在 MATLAB电力系统模型中加入UPFC装置，根据所需的控制效果进行仿真。最后，本文以北京地区华能电厂三期工程华能-垡头双回线路接入UPFC装置为例，进行实际研究与应用。

2 UPFC的工作原理及等效数学模型

UPFC是一种串并联混合装置，可以对有功、无功和电压分别进行控制，对于优化系统的运行、提高系统的暂态稳定、阻尼系统的振荡具有显著的作用[5]。UPFC原理图如图1所示，其由两个共用直流侧电容的电压源型变换器组成，变换器I通过变压器并联接入系统，除了向变换器II提供有功功率外，还可通过向系统吸收或注入无功功率，可看作是可控的并联静止无功补偿器(STATCOM)。变换器II通过变压器串联接入系统，向线路注入一个幅值和相位可调的串联电压，控制线路的潮流，可看作是可控的静止同步串联补偿器(SSSC)[6-8]。

图1 UPFC原理图Fig.1 UPFC schematic diagram

UPFC的数学模型主要是基于稳态建立的数学模型，采用的方法主要是拓扑方法和输出模型法[9]。前一种方法主要是对UPFC的内部结构分析清晰，但是数学模型较复杂；而输出模型法主要从对外特性的角度进行研究，模型简单，该方法建立的UPFC的等值电路如图2所示。本文主要采用输出模型法，将UPFC等效成一个并联电流源和串联电压源，并联部分起到补偿系统无功的功能，串联部分可以改变线路首端的电压幅值和相位，从而起到控制线路潮流的作用。

图2 UPFC等值电路图Fig.2 UPFC equivalent circuit

3 PSD-BPA局部参数提取及处理

3.1 MATLAB建模所需参数分析

在理想情况下，局部电网各节点向电网侧看过去，电网侧可以等效为无穷大电源加内阻的形式，该电源参数包括电源电压和电源内阻。所以，在MATLAB/Simulink中建立电力系统模型需要求出电源电压的幅值和相位，以及电源的内阻抗。对于与大电网电源侧无直接联系的节点，可以看作负荷节点，需要求出该节点的负荷消耗功率。等效线路阻抗是电力系统模型的输电线路参数。在PSD-BPA地理接线图中，有些节点间没有输电线路直接相连，在 MATLAB/Simulink中这样的节点间的输电线路可以进行等效处理。

电源内阻抗、等效线路阻抗、节点电压、节点间的系统潮流分布是由BPA-PSD中直接提取的。负荷功率和电源输出至节点的功率是线路中相应节点其他联络线路潮流的代数和，电源电压的幅值和相位由输出功率和节点电压计算得到。

3.2 局部电网参数提取

首先打开PSD-SCCPC，选择需要进行计算的数据文件，也就是读取网络拓扑数据，选择“网络等值”选项，选择需要应用UPFC装置的局部电网模型的几个节点并进行网络等值计算，形成计算结果文档*.list，输出计算结果文档就是 MATLAB/Simulink中建立电力系统模型需要的电源内阻抗以及等效线路阻抗。

其次，在PSD-BPA地理接线图中找到需要应用UPFC装置的局部电网中的相应节点，并读取节点间相应线路潮流以及节点电压幅值和相位。

3.3 局部电网相关参数计算

在 PSD-BPA地理接线图中节点电压幅值和相位以及节点间的线路潮流参数是实际值，可以直接应用。在 PSD-SCCPC中得到的电源阻抗、线路阻抗都是标幺值，而在MATLAB/Simulink中建模所需的参数均为有名值，因此需要对PSD-BPA中得到的数据进行处理。

4 MATLAB/Simulink模型建立与仿真

4.1 电力系统模型建立

Simulink是 MATLAB提供的对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包[10]。下面介绍在MATLAB/Simunlink中建立局部电网模型的具体流程。

运行 Simulink，打开电力系统模块库 Simscape中的SimPowerSystems建立实验模型，电源模块选择Three-Phase Source，并且设置中性点接地。母线选择带有电压测量模块的Three-Phase VI Measurement，初始参数设置相电压。负荷模块选择 Three-Phase Series RLC Load，初始电压为PSD-BPA中得到的节点电压，负荷消耗的功率根据基尔霍夫电流定律计算得到。输电线路模型选择Three-Phase PI Section Line，初始参数根据PSD-BPA中导出的线路网络结构参数填写。输电线路中串联电流测量模块 Three-Phase VI Measurement。在Simulink中有封装好的UPFC模块，可以根据需要调用。电源电力模块的电源幅值和相位以及内阻抗、输电线路的阻抗可以通过模型属性程序初始化定义后直接填写定义的相量即可。仿真得到的各节点电压幅值和相位、线路潮流通过Scope和Display显示。Powergui（Power Graphical User Interface）模块是Simulink为电力系统仿真提供的图形用户分析界面，由于本文仅关注稳态潮流控制效果，因此选择相量法仿真。

下面以华能电厂三期工程，华能-台湖双回线路接入UPFC为例，说明建模过程。在正常运行方式下华能-垡头双回线路有功潮流是华能-台湖双回线路的4倍以上，潮流分布严重不均。同时，当华能-垡头双回线路发生N-1故障时，单回线路潮流达到478.4MVA，线路过载运行。UPFC装置的主要优势在于可以控制输电线路潮流，从而缓解重载输电线路压力，提高轻载线路输送功率，挖掘潮流断面输送潜力，优化电网运行方式。因此，为了解决华能-垡头双回线路N-1条件下过载的问题，考虑在华能-垡头双回线上安装UPFC装置，来改善断面上的潮流分布。

华能电厂局部的电网结构示意图如图3所示。图中，华能、台湖和安定3个节点与含有电源的大电网相连，所以将与这3个节点连接的大电网等效为无限大电源加内阻抗的形式。而与垡头、老君堂和青云3个节点相连的电网均为负荷节点，所以将与这3个节点连接的大电网直接等效为负荷。另外，在实际地理接线图中不存在安定-老君堂双回输电线路，但是存在由安定至大电网中其他节点之后连接至老君堂的输电线路，我们将其等效为安定-老君堂双回线。同样，在地理接线图也不存在安定-台湖双回输电线路，但是有安定至大电网中其他节点之后连接至台湖的输电线路，我们将其等效为安定-台湖双回线。

图3 局部电网示意图Fig.3 The schematic diagram of local power grid

4.2 MATLAB/Simulink与PSD-BPA建模仿真比较

从PSD-BPA中，提取节点电压、电源内阻抗如表1所示，提取线路阻抗和潮流如表2所示。

表1 从PSD-BPA中提取的节点电压和电源内阻Tab.1 Node voltage and the independence of source extracted by PSD-BPA

表2 从PSD-BPA中提取的线路参数Tab.2 The parameters of transmission line extracted by PSD-BPA

通过式（1）、式（2）可以把表1中的电源内阻抗和表2中的线路阻抗转化为有名值。同时，根据表1中给出的节点电压的幅值和相位，通过式(3)、式(4)可以求得电源电压的幅值和相位，进一步可以求出各负荷节点的负荷消耗功率。再将这些计算结果带入MATLAB/Simulink的局部电网模型中，在正常运行方式和华能—垡头双回线路N-1运行方式下进行仿真，得到两种运行方式下，局部电网各节点的电压和各条线路的潮流，将其与PSD-BPA仿真中的对应结果进行比较，如表3-表6所示。

通过观察表3-表6可以发现，在正常运行方式下和华能-垡头双回线N-1运行方式下，PSD-BPA仿真中各节点电压的幅值和相位与MATLAB/Simulink仿真中各节点电压的幅值和相位几乎相同，其线路潮流的误差值在 2%以内。由此验证了 MATLAB/Simulink中局部电网模型是正确的。

表3 正常运行方式下PSD-BPA和MATLAB/Simulink潮流仿真结果比较Tab.3 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink power flow simulation under normal condition

表4 正常运行方式下PSD-BPA和MATLAB/Simulink节点电压仿真结果比较Tab.4 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink node voltage simulation under normal condition

表5 华能-垡头双回线路N-1条件下PSD-BPA和MATLAB/Simulink潮流仿真结果比较Tab.5 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink power flow simulation under the transmission line N-1 condition

表6 华能-垡头双回线路N-1条件下PSD-BPA和MATLAB/Simulink节点电压仿真结果比较Tab.6 The comparison between PSD-BPA and MATLAB/Simulink node voltage simulation under the transmission line N-1 condition

4.3 UPFC仿真

由表3可以看出，在正常方式下华能-垡头双回线路有功潮流是华能-台湖双回线路的4倍以上，潮流分布严重不均。同时，由表5可以计算出，当华能-垡头双回线路发生N-1故障时，单回线路潮流达到478.4MVA（线路允许传输容量为476MVA），线路过载。为了解决华能-垡头双回线路N-1条件下过载的问题，考虑在华能-垡头双回线上安装UPFC装置，来改善断面上潮流分布。为了在线路不过载条件下尽量保持系统潮流分布与正常运行方式下一致，设定华能-垡头双回线路 N-1后潮流控制目标为：有功潮流400MW，无功潮流200Mvar。

在 MATLAB/Simulink建立的局部电网模型中间加入UPFC模型进行仿真，得到华能-垡头线路潮流为：有功潮流400.5MW，无功潮流199.9Mvar。达到了预期控制目标。同时，根据当前仿真模型得到的UPFC串联侧压降和线路电流，可以求得UPFC串联侧所需容量为2.24MVA。另外，需要根据电网的无功容量需求来配置UPFC的并联侧容量。

5 结论

为了满足UPFC在电力系统中的仿真需求，本文提出了一种利用PSD-BPA和MATLAB/Simulink两种仿真软件的联合仿真与建模方法。在 MATLAB/Simulink中搭建需要应用UPFC装置的局部电网模型，将该电网模型以外的电网等效为无穷大电源加内阻或负荷的形式，从而减小了仿真的复杂程度。在 PSD-BPA中提取和计算局部电网中各条线路的阻抗和潮流、各节点电压，以及各电源的电源电压、内阻抗和负荷消耗功率，并将其导入到 MATLAB/Simulink搭建的系统模型中。在未接入UPFC时，比较正常运行方式下和线路N-1运行方式下，各节点电压和线路潮流是否相同，从而验证 MATLAB/Simulink中所建模型的正确性。进而在 MATLAB/Simulink所建模型中加入UPFC装置模型，根据所需目标进行仿真。最后，本文以北京地区华能电厂三期工程华能-垡头双回线路接入UPFC装置为例，进行了实际研究与应用。

[1] 武智慧.考虑统一潮流控制器的电力系统优化潮流研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2013.

Wu Zhihui.Research on power system optimal power flow with considering unified power flow controller[D].Shenyang:Shenyang University of Technology,2013.

[2] 何大愚.柔性交流输电技术和用户电力技术的新进展[J].电力系统自动化,1999,23(6):8-13.

He Dayu.New developments of facts and custom power technology manifested by IEEE PES definition[J].Automation of Electric Power Systems,1999,23(6):8-13.

[3] 赵贺.电力电子学在电力系统中的应用—灵活交流输电系统[M].北京:中国电力出版社,2001.

[4] 陈芝奔.统一潮流控制器的控制策略研究[D].成都:西南交通大学,2012.

Chen Zhiben.The research on the control strategy of unified power flow controller[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2012.

[5] 李庚银,徐春侠.含FACTS元件的电力系统潮流计算[J].华北电力学院学报,1996,23(2):1-6.

Li Gengyin,Xu Chunxia.Power flow calculation of flexible AC transmission systems[J].Journal of North China Inst.of Electric Power,1996,23(2):1-6.

[6] 童强,彭建春.一种新的含 UPFC的电力系统潮流算法[J].继电器,2006,34(2):20-23.

Tong Qiang,Peng Jianchun.FTA-based fault chains monitoring research in power system[J].Relay,2006,34(2):20-23.

[7] 刘前进,孙元章.基于功率注入法的UPFC潮流控制研究[J].清华大学学报（自然科学版）,2001,41(3):55-58.

Liu Qianjin,Sun Yuanzhang.Power flow control characteristics of UPFC based on the power injected method[J].Journal of Tsinghua University(Sci&Tech),2001,41(3):55-58.

[8] 王辉.统一潮流控制器的智能控制方法研究[D].长沙:湖南大学,2005.

Wang Hui.The research on intelligent control method of unified power flow controller[D].Changsha:Hunan University,2005.

[9] 段献忠,陈金富,凌煦.潮流计算中FACTS元件模型选择研究[J].电工技术学报,1999,14(3):1-3.

Dun Xianzhong,Chen Jinfu,Ling Xu.Study on models of FACTS devices in power flow calculation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,1999,14(3):1-3.

[10] 于群,曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2011.