基于PSAT的 UPFC 电力系统潮流建模与仿真

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(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

基于PSAT的UPFC电力系统潮流建模与仿真

胡源，张福生，徐小林，王硕禾

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

相对于传统的控制方法，统一潮流控制器(UPFC)的灵活控制可以更好地提高电网稳定性。为了能够更加深入地研究计及UPFC的电力系统潮流问题，采用在PSAT环境下进行仿真分析。提出了一种改进的功率注入模型进行潮流计算，以电力系统稳定性及电力市场经济性求解最优潮流。最后对IEEE9节点系统仿真，结果表明方法可行，采用PSAT分析具有较高的参考价值。

UPFC；最优潮流；PSAT

0 引言

作为第三代灵活交流输电系统(FACTS)控制器UPFC集多种控制方式于一身，已成为处理潮流控制、提高电能质量等问题的最优方式之一[1-2]。近年来UPFC技术的研究不断深入，随着基于模块化多电平换流(MMC)技术的UPFC在江苏220 kV电网系统中得到实际应用，更备受关注[3]。计及UPFC 的电力系统潮流计算以及多目标最优潮流(OPF)等问题建模与仿真的研究有十分重要的意义。

目前除了部分商业软件外，用于研究电力系统潮流计算的Matlab电力系统分析软件包有很多，但能够进行最优潮流计算的仅有Matpower与PSAT，而PSAT除了具有Matpower的功能外添加了GUI模块，还具有更好的二次编程环境等功能，然而利用其进行潮流建模仿真的研究还比较少。文献[4]对 PSAT处理电力系统分析问题进行了有效性验证。文献[5]介绍了PSAT在潮流计算中的应用，但未对计及UPFC的潮流计算进行深入研究。文献[6]介绍了UPFC潮流计算常用的功率注入模型，但在优化潮流过程中控制变量含有UPFC的可控参数，可能存在潮流不收敛的问题,同时未采用PSAT，因而其仿真过程也较为复杂。文献[7]介绍了PSAT基于内点法的多目标最优潮流计算的处理方法，但在计及UPFC的情况下使用此方法会出现不支持静态分析的问题。在改进上述不足的基础上，在PSAT环境下解决计及UPFC的潮流计算优化以及以有功网损最小和静态稳定裕度最大为目标的最优潮流问题。通过对IEEE9节点系统仿真验证模型和算法的正确性和有效性。

图1 UPFC基本结构

1 UPFC潮流计算方法

1.1 UPFC系统基本结构

UPFC的基本结构如图1所示[2,8]，它由两个变压器以及中间带有电容器(直流环节)的两个背靠背电压源型变流器组成。变流器 1接输入端并联变压器支路，其作用是通过改变无功功率来稳定输入端电压，同时经直流环节为变流器2提供有功功率。变流器2通过一个串联线路变压器接入，其作用相当于串联一个电压源，通过改变其幅值与相位实现UPFC控制潮流的功能。

1.2 一种改进的UPFC等效注入功率模型

当线路中加入UPFC装置时可用一个串联电压源UT和一个并联电流源IZ等效，其等效电路如图2所示。 在此基础上，为了便于进行潮流计算建立的UPFC等效注入功率模型如图3所示。

图2 UPFC 等效电路图

图3 UPFC 等效注入功率模型图

在图2中等效电流源IZ可以分解为与输入端电压Ui方向相同的有功分量It和与之正交的无功分量Iq，图3中等效注入功率模型中UPFC对电力系统潮流的控制主要由注入节点i、j的功率反映。其注入功率可参考文献[9]，为了能够在使用Matlab/PSAT等仿真软件中对潮流的计算和优化中简化程序进一步推导为

式中，Pi(in)，Pj(in)分别为注入节点i，j的有功功率；Qi(in)，Qj(in)分别为注入节点i，j的无功功率；Ui，Uj，UT分别为节点i，j变压器的电压幅值；φi，φj，δT为节点i，j变压器的电压相位；gij，bij分别为线路i-j的电导和电纳；Bc为线路对地电纳；Iq为等效电流源It的无功分量。

2 多目标最优潮流模型

2.1 目标函数

最优潮流模型的建立多以有功网损最小为目标，在多目标潮流优化的研究中在考虑经济利益的同时应保证电力系统的稳定性[10-13]。建立的模型以系统有功网损最小，电压稳定裕度最大为目标函数，其中电压稳定裕度按照PSAT使用手册中的“最大负荷裕量参数”度量。即

式中，ΔP为系统有功损耗；λc为最大负荷裕量参数；ω1，ω2分别为系统有功损耗和最大负荷裕量参数的加权因子。

2.2 约束条件

2.2.1 等式约束

等式约束条件主要是系统中有功功率和无功功率保持平衡，即满足功率平衡方程。在装置UPFC的电力线路中应增加等效注入功率部分，即

式中，Pi，Pj为节点i，j的有功功率；Qi，Qj为节点i，j的无功功率。

值得注意的是，在未设UPFC装置的电力线路中应按常规潮流计算中的功率方程计算，不计式(3)中的注入有功功率和无功功率。

2.2.2 不等式约束

常规电力系统潮流的约束包括发电机端电压UG、发电机输出无功功QG、负荷节点电压U以及无功补偿电容器C,在PSAT进行潮流优化时需加入负荷裕量参数λc，即

式中，min，max为对应参数上下限。在装置UPFC后，将会引入串联电压源与并联电流源的无功分量对系统的限制，约束条件为

式中,UT为等效串联电压源幅值；δT为等效串联电压源相位；Iq为等效电流源Iz的无功分量。

3 仿真分析

采用IEEE9 节点标准系统[14]进行仿真分析，PSAT-Simalinik模型如图4所示。

图4 计及UPFC的IEEE9节点系统的PSAT-Simulink模型

其中发电机机端电压范围为0.95～1.1 p.u.，容量基准值为100 MVA，变压器T1一、二次侧变比为18 kV/230 kV,变压器T2一、二次侧变比为13.8 kV/230 kV。UPFC安装在母线8～9之间的线路上。UPFC模块是通过一个POD控制器控制变量Vp以及无功分量Iq，其设置参数中无功分量Iq上限为3 p.u.，下限为-1 p.u.；等效串联电压源与线路电流同相位的电压分量的幅值Vp上下限为±0.2 p.u.，超前线路电流90° 的电压分量的幅值Vq上下限为±0.2 p.u.；串联补偿百分比设置为30%；控制器增益与时间常数分别设置为75 p.u.和0.005 s。

系统未优化前的初始有功损耗为0.034 7 p.u.，最大负荷裕量参数为0.212 4，PSAT中“OPF type”设置为Pareto Set。表1中为进行最优潮流的求解，给出了以下5个方案供决策者根据实际情况选择：方案1是重点考虑经济利益，以有功网损最小为目标进行优化计算，再根据所求解中最大负荷裕量参数是否满足要求进一步确定；方案2是重点保证系统电压稳定，以最大负荷裕量参数λc尽可能大为目标进行优化计算；方案3是两者综合考虑且以有功网损较最大负荷裕量参数稍微重要；方案4是两者综合考虑且以最大负荷裕量参数较有功网损稍微重要；方案5是两者同等重要。

表1 Pareto潮流优化方案

图5 ω2与有功网损和最大负荷裕量参数λc的关系

图5为PSAT设置的权重因子ω2与有功网损和最大负荷裕量参数λc的关系曲线。由于考虑了系统有功损耗与系统最大负荷裕量参数两个方面，其中有功损耗单位为p.u.，系统最大负荷裕量参数无单位。为使图像更加清晰，将系统有功网损数值放大7倍并未改变网损减少的百分比，不失一般性。所提方案将系统有功网损降低了6.77%～14.12% ，通过对系统最大负荷参数的要求做进一步最优选择。在这里需要说明的是，由于考虑经济性与稳定性两个方面，其权值的分配可直接由决策者根据实际情况选取，一般是在保证一定稳定性即系统最大负荷裕量参数的前提下保证最小的系统运行成本。

4 结论

本文建立了一种改进的功率注入模型，以系统有功网损最小及电压稳定裕度最大为目标进行了计及UPFC的潮流优化，同时保证系统的安全性与经济性。PSAT仿真过程较为简单，在IEEE9节点系统中除了需要调节UPFC的控制变量外仅需调节加权因子ω2即可实现,同时考虑降低有功网损和提高稳定裕度的目的进行多目标的潮流优化，具有一定参考价值。由于本文是针对影响因素加权由决策者可控的前提下进行潮流优化，其仿真在PSAT中较为方便，深入研究可在其GAMS模块中进行。同时在UPFC的多目标潮流优化中可引入智能算法、层次分析法等对两个尤其是两个以上的目标再做深入研究，其结果与本文方法值得对比[15]。

[1]Son K M, Lasseter R H. A Newton-type current injection model of UPFC for studying low-frequency oscillations[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 2004,19(2):694-701.

[2]王锡凡.现代电力系统分析[M].北京:科学出版社，2003:204-232.

[3]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.

[4]常勇,徐政,王超.基于 MATLAB的电力系统分析工具包PSAT及其有效性检验[J].电力自动化设备，2007,27(7):102-105．

[5]SARUSSI D,RABINOVIVI R.Developing and analysis of power system using PSAT software [C].IEEE,Israel,2008:31-35．

[6]Venkatesh B,George M K.Fuzzy OPF incorporating UPFC[J].IEEE Proc-Gener, Transm and Distrib，2004,151(5):625-629.

[7]彭春华,陈佳琰,仲晓春.基于内点法的多目标OPF计算方法及其在 PSAT 软件中的应用[J].继电器，2008,36(8):35-39．

[8]陈剑,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.

[9]Hao J,Shi L B.Optimizing location of unified power flow controllers by means of improved evolutionary programming[J].IEEE Proc-Gener, Transm, and Distrib.2004,151(6):705 -712.

[10]Milano F, Canizares CA , Invernizzi M. Multiobjective optimization for pricing system security in electricity markets. IEEE Transactions on Power Systems, 2003, 18(2):596-604.

[11]杨尚瑾.统一潮流控制器(UPFC)多目标协调控制及稳定控制策略研究[D].北京:中国电力科学研究院,2013.

[12]郭建峰.计及FACTS装置的最优无功补偿[D].郑州:郑州大学，2005.

[13]仉志华.基于UPFC的自愈配电环网及其潮流优化控制技术的研究[D].济南:山东大学,2012.

[14]Anderson P M， Fouad A A.Power system control and stability[M].ISU:Ames,1977.

[15]孙银锋,闫旭,李泽财.基于NSGA-II算法的多目标无功优化[J].黑龙江电力,2013,35(1):24-26.

PowerFlowModelingandSimulationofUPFCinPowerSystemBasedonPSAT

HuYuan,ZhangFusheng,XuXiaolin,WangShuohe

(School of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Compared with the traditional control methods, the unified power flow controller (UPFC) can improve the stability of power system. In order to get a deeper study of the power flow of UPFC and the power system, the simulation analysis is carried out in the PSAT environment. An improved power injection model is proposed to solve the power flow calculation for the optimal power flow considering the stability of the power system and the power market economy. Finally, the IEEE 9-bus system simulation is made and the results show that the method is feasible and analysis based on PSAT has a high reference value.

UPFC;OPF;PSAT

TM743

A

2095-0373(2017)04-0073-05

2016-08-24责任编辑车轩玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.04.14

胡源(1991-),男,硕士研究生,研究方向为电力系统运行控制。E-mail:2830399599@qq.com

胡源，张福生，徐小林，等.基于PSAT的 UPFC 电力系统潮流建模与仿真[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2017,30(4):73-77.