UPFC在江苏电网中的应用与控制效果

汪惟源，窦飞，杨林，周煜智，徐政，陈国年，袁健华

（1.江苏省电力公司，江苏南京　210024；2.浙江大学，浙江杭州　310007；3.国网南通供电公司，江苏南通　226006）



UPFC在江苏电网中的应用与控制效果

汪惟源1，窦飞1，杨林1，周煜智2，徐政2，陈国年1，袁健华3

（1.江苏省电力公司，江苏南京210024；2.浙江大学，浙江杭州310007；3.国网南通供电公司，江苏南通226006）

摘要：晋北—南京和锡盟—泰州特高压直流工程落点苏北电网后，将会对江苏电网潮流分布带来不小的影响，因此，有必要对这2个直流投产后周边500 kV电网进行潮流优化控制研究。首先在PSS/E仿真程序中建立统一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）的机电暂态仿真模型；然后针对江苏电网2020年规划运行方式下，晋北—南京直流和锡盟—泰州直流相关断面线路N-1和N-2典型故障，研究断面线路潮流转移与过载情况；最后在江都—大港和泰州—凤城500 kV线路上安装UPFC，对存在线路潮流过载的故障，通过UPFC控制断面线路潮流转移，并计算所需的UPFC容量。

关键词：统一潮流控制器；江苏电网；潮流控制；特高压直流；PSS/E

Project Supported by the 13th Five-Year Developing Planning of Jiangsu Power System（1510011402HN）.

根据国家电网公司特高压电网发展规划，目前已获核准的晋北—南京和锡盟—泰州特高压直流工程将于十三五中后期投产，分别接入苏北电网的西部和东部，这2个区外大功率直流的接入将会对苏北电网潮流分布和无功电压控制带来不小的影响。同时，随着远期苏北电网负荷的发展和区外电力流规模的增加，江苏电网内的电力流也将呈现出诸多不确定的发展方向，给电网运行带来不小的挑战。因此，有必要对这2个直流投产后周边500 kV电网进行潮流优化控制。

潮流控制技术作为现代电力系统中的前沿技术，是增强输配电系统的可控性和灵活性、提高运行稳定性和经济性的重要手段[1-3]。第一代潮流控制装置主要由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器构成，如静止无功补偿器（static var compensator，SVC）和晶闸管控制串联电容器（thyristor controlled series capacitor，TCSC）等，第二代潮流控制装置主要由基于可关断器件的变流器构成，如静止同步补偿器（static synchronous compensator，STATCOM）和静止同步串联补偿器（static synchronous series compensator，SSSC），统一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）等。按照连接方式与控制对象的不同，潮流控制装置可分为并联型、串联型和综合型。其中，SVC和STATCOM是并联型，主要控制对象为母线电压；TCSC和SSSC是串联型，主要控制对象为线路潮流；UPFC是综合型，能同时控制母线电压与线路潮流。

针对UPFC的研究与应用，国外到目前为止，只有很少几个工程成功应用于交流电网[4-5]，国内UPFC的研究工作主要集中在UPFC系统潮流计算、建模、控制器设计及控制策略、PWM换流器控制方法、改善电力系统运行研究等方面，我国首个电网UPFC项目也已在南京投运[6-8]。

本文在PSS/E仿真程序中建立UPFC机电暂态仿真模型，针对江苏电网2020年规划运行方式下，晋北－南京直流和锡盟－泰州直流相关断面线路N-1和N-2典型故障，研究断面线路潮流转移与过载情况，对存在线路潮流过载的故障，分析安装UPFC后的控制效果，并计算所需的UPFC容量。

1　UPFC基本原理

UPFC主要用于对交流输电系统进行电压控制和对线路所输送的有功、无功功率进行动态调节，由2个背靠背的通过直流电容进行耦合的电压源型换流器组合而成，图1为简化的UPFC原理图。

图1　UPFC简化原理图Fig. 1 Simplified schematic of UPFC

图中，Vi∠θi、Vj∠θj为输电线路首、末两端的电压幅值和相角；VS∠θS、VR∠θR为UPFC并联侧接入点系统母线电压和UPFC串联侧出口母线电压的幅值和相角；Psh、Qsh为UPFC并联侧向系统注入的有功和无功功率；Pse、Qse为UPFC串联侧向系统注入的有功和无功功率；PL、QL为线路输送的有功和无功功率；Vsh∠θsh、Vse∠θse为换流器VSC1、VSC2交流侧的电压幅值和相角：Iline为输电线路电流；Vdc为直流母线电压[9-12]。

电压源换流器1（voltage source converter，VSC1）通过并联耦合变压器Tsh并联接入系统，电压源换流器2（VSC2）通过串联耦合变压器Tse串联接入系统，2个换流器的直流端并接于电容器[13-15]。整个装置犹如一个理想的交流－交流换流器，有功功率可以在2个换流器间进行交换：既可由换流器VSC1从交流输电系统吸取，通过直流电容流向换流器VSC2，再流向交流输电系统；也可由换流器VSC2从交流系统吸取，通过直流电容流向换流器VSC1，再流向交流输电系统。同时，两电压源换流器又可独立地分别在其交流输出端与交流输电系统进行无功功率交换。

换流器VSC2实现了UPFC潮流调节的主要功能。它通过串联耦合变压器Tse向交流输电系统注入一个幅值和相位均可变化的、与系统同频率的串联电压Vse∠θse。该注入电压可认为是一个同步交流电压源，当输电线路电流Iline流过该电压源时，两者的交互作用就导致了该电压源与交流输电系统的有功功率Pse和无功功率Qse的交换[16-18]。换流器VSC1的基本功能有2个：一是独立地通过并联耦合变压器Tsh向系统注入/吸收无功功率Qsh，以维持并联侧接入系统母线电压VS；二是通过并联耦合变压器Tsh向系统注入/吸收有功功率Psh，以满足串联侧换流器VSC2与系统交换的有功功率Pse在直流侧体现的有功功率的需求。

2　潮流控制必要性分析

2.1晋北—南京直流相关断面

晋北—南京直流额定容量为8 000 MW，以8回500 kV线路接入系统。如图2所示为2020年江苏电网冬季大方式（考虑受入区外电力）下，南京换—三汊湾、江都—大港—晋陵以及泰兴—斗山断面的稳态运行潮流。由图2可知，2020年江苏电网冬季大方式下，南京换—三汊湾线路稳态潮流为4×1 838.4 MW，江都—大港线路稳态潮流为2×1 850.0 MW，泰兴—斗山线路稳态潮流为2×1 585.9 MW，断面总潮流为14 225 MW。晋北—南京直流相关断面线路的最大允许输送功率如表1所示。

图2　2020年江苏电网冬季大方式晋北—南京直流相关断面Fig. 2 Jinbei-Nanjing UHVDC related cross-section under Jiangsu power grid winter-full mode in 2020

表1　晋北—南京直流相关断面线路的最大允许输送功Tab. 1 Maximum permitted transmission power of Jinbei-Nanjing UHVDC related cross-section lines　 MW

针对该运行方式下，晋北—南京直流相关断面线路N-1和N-2典型故障，研究断面线路潮流转移与过载情况，仿真结果如图3—图6所示。图3—图6分别对应江都—大港II线大港侧N-1、南京换—三汊湾IV线三汊湾侧N-1、南京换—三汊湾III和IV线三汊湾侧N-2以及泰兴—斗山II线斗山侧N-1，由仿真结果可知：发生南京换—三汊湾III和IV线三汊湾侧N-2故障时，另2回无故障南京换—三汊湾线路潮流轻微过载；而发生其他断面线路N-1故障时，尽管断面线路潮流有所增加，但仍在线路最大允许输送功率之内。

图3　江都—大港II线大港侧N-1故障Fig. 3 N-1 fault of Jiangdu-Dagang II at Dagang side

图4　南京换—三汊湾IV线三汊湾侧N-1故障Fig. 4 N-1 fault of Nanjinghuan-Sanchawan IV at Sanchawan side

2.2锡盟—泰州直流相关断面

锡盟—泰州直流额定容量为10 000 MW，采用1 000 kV/500 kV分层接入系统。图7画出了2020年江苏电网夏季大方式（不考虑受入区外电力）下，泰州特降压主变以及泰州－凤城500 kV线路的稳态运行潮流。从图中可以看出：2020年江苏电网夏季大方式下，泰州特降压主变稳态潮流为2×2 149.7 MW，泰州凤城线路稳态潮流为2×2 148.8 MW。锡盟泰州直流相关断面线路的最大允许输送功率如表2所示。

图5　南京换—三汊湾III和IV线三汊湾侧N-2故障Fig. 5 N-2 fault of Nanjinghuan-Sanchawan III&IV at Sanchawan side

图6　泰兴—斗山II线斗山侧N-1故障Fig. 6 N-1 fault of Taixing-Doushan II at Doushan side

图7　2020年江苏电网夏季大方式锡盟—泰州直流相关断面Fig. 7 Ximeng-Taizhou UHVDC related cross-section under Jiangsu Power Grid summer-full mode in 2020

表2　锡盟—泰州直流相关断面线路的最大允许输送功率Tab. 2 Maximum permitted transmission power of Ximeng-Taizhou UHVDC related cross-section lines

针对该运行方式下，锡盟—泰州直流相关断面线路N-1典型故障，研究断面线路潮流转移与过载情况，仿真结果如图8和图9所示。图8和图9分别对应泰州特降压主变II特高压侧N-1和泰州—凤城II线泰州侧N-1，由仿真结果可知：发生上述故障时，与之并联的另一回无故障元件潮流严重过载。

图8　泰州特降压主变II特高压侧N-1故障Fig. 8 N-1 fault of Taizhou transformer II at ultra-high voltage side

图9　泰州—凤城II线泰州侧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安装位置及参数设置

由第2节故障分析可知，南京换—三汊湾线路发生N-2故障、泰州特降压主变或泰州—凤城线路发生N-1故障后，与之并联的其他无故障线路潮流会过载，需要安装UPFC装置控制潮流转移。

在江都—大港和泰州—凤城双线安装UPFC控制装置，分别如图10和图11所示。江都—大港双线UPFC中，并联换流器接入江都500 kV变电站，串联换流器接入江都—大港500 kV线路。泰州—凤城双线UPFC中，并联换流器接入泰州500 kV变电站，串联换流器接入泰州—凤城500 kV线路。

所有UPFC的额定直流电压为±200 kV；并联换流器d轴控制方式为定直流电压控制，q轴控制方式为定无功功率控制；串联换流器d轴控制方式为定线路有功功率控制，q轴控制方式为定线路无功功率控制。

3.2 UPFC控制效果分析

如图12所示为2020年冬季方式下，南京换—三汊湾III和IV线三汊湾侧N-2故障时，安装江都—大港UPFC前后，晋北—南京直流相关断面的潮流转移情况对比。由图2可知，南京换—三汊湾III和IV线三汊湾侧N-2故障发生后，在江都—大港UPFC作用下，江都—大港I线潮流从安装UPFC前的1 974 MW增加到UPFC的控制设定值2 100 MW。相应地，南京换—三汊湾I线潮流从3 227 MW减小到3 179 MW，泰兴—斗山I线潮流从1 646 MW减小到1 630 MW。此时，对应的UPFC容量为95.6 MV·A。

图10　江都—大港UPFC安装示意图Fig. 10 Schematic diagram of Jiangdu-Dagang UPFC

图11　泰州—凤城UPFC安装示意图Fig. 11 Schematic diagram of Taizhou-Fengcheng UPFC

图12　南京换—三汊湾III和IV线三汊湾侧N-2故障Fig. 12 N-2 fault of Nanjinghuan-Sanchawan III&IV at Sanchawan side

图13所示为2020年夏季方式下，泰州特降压主变II特高压侧N-1故障时，安装泰州—凤城UPFC前后，锡盟—泰州直流相关断面的潮流转移情况对比。由图13可知，泰州特降压主变II特高压侧N-1故障后，在泰州—凤城UPFC作用下，泰州—凤城I线潮流从安装UPFC前的1 796 MW下降到UPFC的控制设定值1 500 MW。相应地，泰州特降压主变I潮流从3 597 MW减小到2 740 MW。此时，对应的UPFC容量为215 MV·A。

图13　泰州特降压主变II特高压侧N-1故障Fig. 13 N-1 fault of Taizhou transformer II at ultra-high voltage side

如图14所示为2020年夏季方式下，泰州—凤城II线泰州侧N-1故障时，安装泰州—凤城UPFC前后，锡盟—泰州直流相关断面的潮流转移情况对比。由图14可知，泰州—凤城II线泰州侧N-1故障后，在泰州—凤城UPFC作用下，泰州—凤城I线潮流从安装UPFC前的3 668 MW下降到UPFC的控制设定值3 200 MW。相应地，泰州特降压主变I潮流从1 836 MW减小到1 574 MW。此时，对应的UPFC容量为299 MV·A。

图14　泰州—凤城II线泰州侧N-1故障Fig. 14 N-1 fault of Taizhou-Fengcheng II at Taizhou side

4　结论

本文基于PSS/E研究了UPFC在江苏电网中的应用与控制效果，并计算所需的UPFC容量，主要结论有：

1）晋北—南京直流相关断面，2020年冬季运行方式下，发生南京换—三汊湾线路N-2故障时，另两回无故障南京换—三汊湾线路潮流轻微过载（安装江都—大港双线UPFC后，发生故障时，在UPFC作用下，原先轻微过载的线路潮流被限制在线路最大允许输送功率之内，最终所需的UPFC容量为95.6 MV·A）。

2）锡盟—泰州直流相关断面，2020年夏季运行方式下，发生泰州特降压主变N-1故障或泰州—凤城500 kV线路N-1故障时，与之并联的另一回无故障元件潮流严重过载；安装泰州—凤城双线UPFC后，发生故障时，在UPFC作用下，原先严重过载的线路潮流被限制在线路最大允许输送功率之内，最终所需的UPFC容量为299 MV·A。

参考文献

[1] HINGORANI N G. Flexible AC transmission[J]. IEEE Spectrum，1993，30（4）: 40-45.

[2]李乃湖，李扬，陈珩.灵活交流输电技术在互联电网中的应用[J].中国电力，1995（4）: 2-5. LI Naihu，LI Yang，CHEN Heng. Application of flexible AC transmission techniques on interconnected power networks[J]. Electric Power，1995，1995（4）: 2-5（in Chinese）.

[3]孙元章，刘前进. FACTS控制技术综述－模型，目标与策略[J].电力系统自动化，1999，23（6）: 1-7. SUN Yuanzhang，LIU Qianjin. A summary of FACTS control technology-model，objective and strategy[J]. Automation of Electric Power Systems，1999，23（6）: 1-7（in Chinese）.

[4] GYUGYI L，SCHAUDER C D，WILLIAMS S L，et al. The unified power flow controller: a new approach to power transimission control[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（2）: 1085-1097.

[5] SEN KALYAN K，STACEY ERIC J. UPFC-unified power flow controller: theory，modeling，and applications[J]. IEEETransactions on Power Delivery，1998，13（4）: 1453-1460.

[6]徐政，张扬.用常规潮流程序直接计算含统一潮流控制器的电力网络潮流[J].电网技术，1998，22（10）: 42-45. XU Zheng，ZHANG Yang. Load flow calculation of power systems containing UPFCs with conventional load flow program[J]. Power System Technology，1998，22（10）: 42-45（in Chinese）.

[7]张扬，毛雪雁，徐政.用于电网稳态和暂态分析的统一潮流控制器模型[J].电网技术，2002，26（7）: 30-33. ZHANG Yang，MAO Xueyan，XU Zheng. UPFC models for power system steady-state and dynamic analysis[J]. Power System Technology，2002，26（7）: 30-33（in Chinese）.

[8]王建，吴捷.统一潮流控制器的建模与控制研究综述[J].电力自动化设备，2000，20（6）: 41-45. WANG Jian，WU Jie. Overview of UPFC modeling and control[J]. Electric Power Automation Equipment，2000，20（6）: 41-45（in Chinese）.

[9]刘新.统一潮流控制器（UPFC）的建模与应用研究[D].北京：华北电力大学，2009.

[10]胡晓青，程启明，吴凯，等.统一潮流控制器的电网潮流调节特性分析[J].上海电力学院学报，2012，28（4）: 382-387. HU Xiaoqing，CHENG Qiming，WU Kai，et al. Analysis of the trend of unified power flow controller in power flow regulation characteristics[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power，2012，28（4）: 382-387（in Chinese）.

[11]凌峰，李九虎，田杰，等.适用于双回线路的统一潮流控制器系统结构优化分析[J].电力系统自动化，2015，39（21）: 113-119. LING Feng，LI Jiuhu，TIAN Jie，et al. Optimization analysis of upfc system structure for double-circuit lines[J]. Automation of Electric Power Systems，2015，39（21）: 113-119（in Chinese）.

[12]宋晓燕.统一潮流控制器（UPFC）在湖南电网中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2012.

[13]魏万锋.统一潮流控制器在甘肃电网中的应用研究[D].兰州：兰州理工大学，2006.

[14]付俊波，朱炳铨，田杰，等. UPFC在浙江金华电网的应用研究[J].浙江电力，2015（7）: 1-4. FU Junbo，ZHU Bingquan，TIAN Jie，et al. Application of UPFC in Zhejiang Jinhua power grid[J]. Zhejiang Electric Power，2015（7）: 1-4（in Chinese）.

[15]蔡晖，祁万春，黄俊辉，等.统一潮流控制器在南京西环网的应用[J].电力建设，2015，36（8）: 73-78. CAI Hui，QI Wanchun，HUANG Junhui，et al. Application of UPFC in Nanjing western power system[J]. Electric Power Construction，2015，36（8）: 73-78（in Chinese）.

[16]鲁江，秦健，潘磊，等.南京UPFC工程控制保护系统架构与配置研究[J].江苏电机工程，2015，34（6）: 1-5. LU Jiang，QIN Jian，PAN Lei，et al. Study on architecture and configuration for control and protection syytem of Nanjing UPFC project[J]. Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（6）: 1-5（in Chinese）.

[17]宋鹏程，甄宏宁，王震泉，等. UPFC附加阻尼控制器设计研究[J].江苏电机工程，2015，34（6）: 10-13，17. SONG Pongcheng，ZHEN Hongning，WANG Zhenquan，et al. Parameters tuning foa UPFC auxiliary danping controller[J]. Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（6）: 10-13，17（in Chinese）.

[18]李海峰，侯俊贤，王毅，等. UPFC的潮流和机电暂态仿真模型研究[J].江苏电机工程，2015，34（6）: 27-31. LI Haifeng，HOU Junxian，WANG Yi，et al. The UPFC model study in power system power-flow and electiomechanic transient simuationr[J]. Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（6）: 27-31（in Chinese）.

汪惟源（1975—），男，高级工程师，主要从事电网规划研究、电网项目前期管理工作；

杨林（1970—），男，高级工程师，主要从事电网规划研究、电网项目前期管理工作；

周煜智（1991—），男，博士研究生，研究方向为交直流电力系统稳定分析；

徐政（1962—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、风力发电技术与风电场并网技术。

（编辑李沈）

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

作者简介：

收稿日期：2015-09-11。

基金项目：江苏电网“十三五”发展规划（1510011402HN）。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0092- 06

中图分类号：TM715

文献标志码：A