含UPFC的电力系统潮流计算方法研究

宋鹏程，王　莹，许文超，徐　政

（1.浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027；2.江苏省电力设计院，江苏南京211102）

含UPFC的电力系统潮流计算方法研究

宋鹏程1，王莹2，许文超2，徐政1

（1.浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027；2.江苏省电力设计院，江苏南京211102）

分析了在基于电力系统仿真软件（PSS/E）实现含统一潮流控制器（UPFC）的电力系统潮流计算和动态仿真的过程中，常规含UPFC的潮流计算方法存在的问题，提出了一种两阶段的含UPFC的电力系统潮流计算方法，并在PSS/E中对所提出的含UPFC的潮流计算方法进行了验证。

统一潮流控制器；潮流计算；PSS/E

作为最新一代的柔性交流输电系统 （FACTS）装置，统一潮流控制器（UPFC）能够实现潮流的精确控制，提高断面输送功率极限，对电网动态稳定性和电压稳定性均有较大影响［1-3］。目前，基于MMC技术的UPFC已在江苏电网220 kV系统内找到实际应用前景［4］。含UPFC的电力系统潮流计算和动态仿真对UPFC投运后系统动态特性分析以及UPFC系统级控制策略的制定是必不可少的。

目前潮流计算中UPFC模型多采用两注入源的模型［5-7］，在基于电力系统仿真软件（PSS/E）实现含UPFC的电力系统潮流计算过程中发现，常规含UPFC的潮流计算方法存在一些问题，无法完成潮流计算。同时，动态仿真程序无法在未完成潮流计算的情况下进行初始化，后续动态仿真因而无法进行。文中提出了一种两阶段的含UPFC的电力系统潮流计算方法，并进行了验证。

1　常规含UPFC的电力系统潮流计算方法

假定电力网络中的线路k-n的k节点装有UPFC，如图1（a）所示。在UPFC运行中，通常UPFC并联侧换流器的控制目标为定直流侧电压和定交流母线电压Vk，串联侧换流器的控制目标为定线路有功功率Pm和无功功率Qm。在电力系统的潮流计算时可用如下方法对含UPFC线路进行简单的处理，用常规的电力系统潮流计算程序直接进行计算［5］：第一步，在靠近k节点的UPFC后增加辅助节点m，如图1（b）所示。第二步，UPFC定线路功率的作用相当于将节点m看作PQ节点，其中Pm＝P设定值，Qm＝Q设定值；把节点k看作是PV节点，其中Pk＝Pm＝P设定值，Vk＝V设定值，如1（c）所示。经上述两步处理后，含UPFC的电力系统的潮流计算已化为常规电力系统的潮流计算，可以用常规的潮流计算程序来解决。

图1 UPFC潮流计算模型

2　常规含UPFC的电力系统潮流计算方法存在的问题

在研究含UPFC的电力系统潮流计算方法时，所用模型为图2中常规UPFC装置结构，并联侧换流器通过并联变压器连在母线k上。然而，为满足不同的潮流控制需求，不同的电网结构中加装的UPFC装置结构存在差异。图3为南京西环网UPFC的示范工程结构［4］，南京UPFC工程串联侧换流器与线路交换的有功功率比较小，对并联侧换流器的直流容量需求较小，可以将2个串联侧换流器共用1个并联侧换流器，降低成本和体积；由于铁北站220 kV交流系统对无功需求不大，将并联侧接至附近35 kV母线，可以减小并联变压器成本和体积。

图2 UPFC装置结构

图3南京西环网UPFC装置结构

在进行含UPFC的电力系统潮流计算时，常规含UPFC的电力系统潮流计算方法存在以下问题：

（1）当UPFC并联变压器不直接连在母线k上时，注入节点k的有功Pk与流出节点m的有功Pm不再相等。

（2）受容量限制，当UPFC不能实现其潮流控制目标时，常规含UPFC的电力系统潮流计算方法无法实现考虑变量约束条件的潮流计算，只能进行约束变量的校核。

（3）当UPFC并联侧换流器达到容量限值或并联换流器控制目标从定交流母线电压变为定无功功率时，交流母线k电压不再恒定，节点k将由PV节点变为PQ节点，此时不能使用常规潮流计算程序直接进行计算。

3　新型含UPFC的电力系统潮流计算方法

为解决常规含UPFC的电力系统潮流计算方法中存在的问题，实现改进拓扑下UPFC潮流计算的模型应至少包含3个注入源，此时不能使用常规潮流计算程序直接进行计算，需要不断修改注入源的注入量带入网络，直至潮流计算收敛。同时，在动态仿真时UPFC等效为1个并联电流源与1个串联电压源的形式［8-10］，PSS/E自定义模型与程序接口使用的是发电机模型，需要3台发电机来等效UPFC的接入，其中2台发电机等效串联电压源接入系统，1台发电机等效并联电流源接入。为与动态仿真统一，潮流计算时UPFC 的3注入源也使用发电机模型，此时3个注入节点均为PV节点，这会使潮流计算的收敛过程更加复杂。

为实现用常规潮流计算程序直接计算含UPFC的电力系统潮流，为动态仿真程序提供精确的初始运行点，文中提出了一种两阶段的含UPFC的电力系统潮流计算方法：第一阶段给定一组特殊的UPFC输出变量，使常规潮流计算程序能够直接计算含UPFC的电力系统潮流，第一阶段的潮流计算结果作为第二阶段的初始运行点，在动态仿真程序中将潮流控制到目标值，得到目标潮流下的潮流计算结果。假定电力网络中的线路k-n的k节点装有UPFC，并联换流器通过并联变压器连在母线s上，如图4所示。

图4 UPFC装置结构

第一阶段，在给定的UPFC输出变量下进行潮流计算：

（1）忽略串并联变压器有功损耗以及换流器本身的损耗，当串联变压器两端电压为0、并联变压器输出无功功率为0时，此时图4中的电力网络可以等效为图5（a）中所示的电力网络，图5（a）网络中不含UPFC装置，可以用常规潮流计算程序直接进行计算。潮流计算结果中节点k、节点s的电压幅值以及线路k-n的潮流分别为Vk0、Vs0以及P0+jQ0。

（2）与常规含UPFC的潮流计算方法类似，在靠近节点k的UPFC后增加辅助节点m，潮流计算程序中加入3台发电机作为UPFC模型，此时3个节点均为PV节点，其中Pk=P0，Vk=Vk0；Pm=P0，Vm=Vk0；Ps= 0，Vs=Vs0。如5（b）所示。

（3）经上述两步处理后，含UPFC的电力系统的潮流计算已化为常规电力系统的潮流计算，可以用常规的潮流计算程序来解决。此时得到的潮流计算结果为给定的UPFC输出变量下 （串联变压器两端电压为0、并联变压器输出无功功率为0）的潮流计算结果，作为第二阶段的初始运行点。

第二阶段，得到目标潮流下的潮流计算结果：

（1）用第一阶段的潮流计算结果对动态仿真程序进行初始化。

（2）在动态仿真中修改UPFC控制目标值，将潮流控制到目标值，动态仿真达到稳定后，用来等效UPFC模型的3个PV节点的电压和注入功率分别为，Pk=Pk1，Vk=Vk1；Pm=P设定值，Vm=Vm1；Ps=Ps1，Vs=Vs1。

（3）在此等效模型下的潮流结果即为含UPFC的电力系统在目标潮流下的潮流计算结果，如5（c）所示。

所提出的含UPFC的电力系统潮流计算方法流程图如图6所示。该含UPFC的电力系统潮流计算方法不局限于图4中的UPFC结构，对于如图3所示的串联变流器多于1个的结构，潮流计算方法仍然适用。

图5新型UPFC潮流计算模型

图6含UPFC的电力系统潮流计算方法流程

4　算例

算例系统是如图7所示的1个简单的电力系统，计划在节点2与节点3之间的一回线路上安装UPFC装置，UPFC串联变压器靠近节点2，并联变压器接于节点5上，节点6为靠近节点2 UPFC后增加的辅助节点。第一阶段给定UPFC输出变量（串联变压器两端电压为0、并联变压器输出无功功率为0），在PSS/E潮流计算程序中直接计算含UPFC的电力系统潮流，结果如表1所示。所得的潮流计算结果作为第二阶段的初始运行点，在动态仿真程序中将潮流控制到目标值，得到目标潮流下的潮流计算结果。图8为第二阶段潮流的收敛过程，具体过程如下：0 s时用第一阶段的潮流计算结果进行初始化，2 s时修改UPFC控制指令值（线路6-3的潮流控制在1.800+j0.000，节点5的电压控制在1.038）。动态仿真达到稳定后的潮流结果即为含UPFC的电力系统在目标潮流下的潮流计算结果，如表2所示。

图7算例系统示意

表1第一阶段潮流计算结果

图8线路功率曲线

由算例分析可看出，所提出的含UPFC电力系统潮流计算方法能用常规潮流计算程序直接计算含UPFC的电力系统潮流，在不同的UPFC结构以及控制方式下均具有较好的适应性。同时解决了含UPFC的电力系统动态仿真无法初始化的问题，所得潮流计算结果能够实现动态仿真初始化，保证动态仿真的顺利进行。

表2第二阶段潮流计算结果

5　结束语

分析了在基于电力系统仿真软件PSS/E实现含UPFC的电力系统潮流计算和动态仿真的过程中，常规含UPFC的潮流计算方法存在的问题，并提出了一种两阶段的含UPFC的电力系统潮流计算方法：第一阶段给定一组特殊的UPFC输出变量，使常规潮流计算程序能够直接计算含UPFC的电力系统潮流；第一阶段的潮流计算结果作为第二阶段的初始运行点，在动态仿真程序中将潮流控制到目标值，得到目标潮流下的潮流计算结果。

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Load Flow Calculation Study for Power Systems Containing UPFC

SONG Pengcheng1，WANG Ying2，XU Wenchao2，XU Zheng1
（1.College of Electrical Engineering，Zhengjiang University，Hangzhou 310027，China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China）

In this paper，the conventional method for calculating load flow of power systems containing unified power flow controllers（UPFCs）is analyzed.The drawbacks of this approach during performing load flow calculation and dynamic simulation of power systems containing UPFC in PSS/E（Power System Simulator for Engineering）are discussed.A novel two-stage method for calculating load flow of power systems containing UPFCs is proposed.Case studies validate the the proposed method.

unified power flow controller（UPFC）；load flow；PSS/E

TM744

A

1009-0665（2016）01-0024-04

2015-10-21；

2015-12-02

宋鹏程（1990），男，山东淄博人，博士研究生，从事大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电相关研究；

王莹（1986），女，江苏常州人，工程师，从事电力系统规划相关研究工作；

许文超（1979），女，江苏东台人，高级工程师，从事电力系统规划相关研究工作；

徐政（1962），男，浙江海宁人，博士生导师，从事大规模直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、电力谐波与电能质量、风力发电技术与风电场并网技术相关研究。