双回UPFC在安徽电网应用的可靠性分析

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230062；2.国网安徽省电力有限公司黄山供电公司，安徽 黄山 245000)

0 引 言

统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)综合并扩展了静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator，SSSC)和静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)两种柔性交流输电系统(flexible AC transmission system,FACTS)设备的控制手段与功能，在系统正常运行和故障状态下均可以快速灵活地调节电力系统的潮流分布，对交流输电系统进行实时控制和动态补偿[1-2]。

UPFC接入后，有助于解决潮流分布不平衡问题，满足电网时段性灵活可控的要求。然而，UPFC作为系统中新增加元件，对运行可靠性也会产生影响。因此，UPFC接入后系统的可靠性水平变化，是UPFC应用时考量的重要因素。

UPFC接入后对系统的可靠性分析，需考虑其自身可靠性建模和其对系统可靠性影响分析。文献[3]将UPFC等值为正常、降额和停运3种运行状态；文献[4]将UPFC运行状态分为正常、停运、SCCC模式和STATCOM模式4种状态。文献[5]考虑了网络攻击对UPFC的影响，提出UPFC的综合4状态可靠性模型。文献[6]充分考虑换流器的单独运行和内部备用状态，在三状态和四状态模型的基础上提出了一种九状态模型。然而，上述文献研究的UPFC可靠性建模均只针对单回结构，少有文献考虑到UPFC的双回结构和换流器系统中MMC本身互为备用的情形。

研究UPFC对系统的可靠性影响时，现有文献都将UPFC简单等值为两状态[7-8]。但是，UPFC运行方式灵活多样，简单等值为两状态来考虑UPFC对系统可靠性的影响时，夸大了UPFC处于故障状态的概率，未考虑到UPFC运行于SSSC模式和STATCOM模式时对系统可靠性的改善作用，影响结果的准确性。

基于上述研究现状，下面以安徽电网实际运行中存在的问题为例，首先根据安徽电网的潮流分析结果和N-1校验结果，提出双回UPFC结构在安徽电网的应用方案，并论证其必要性；然后，建立双回UPFC元件的可靠性模型，并基于该模型建立计及UPFC随机故障的电力系统可靠性评估模型；最后，基于电网实际数据，分析UPFC接入后对系统可靠性的影响，并验证UPFC应用方案的可行性。

1 UPFC在安徽电网的应用研究

1.1 安徽电网分析

根据2017—2020年安徽电网稳态分析报告，安徽电网尤其是合肥电网存在着潮流不平衡以及部分线路不满足N-1校验的问题。2020年，南部电网网架结构如图1所示。

图1 合肥南部220 kV电网网架结构

正常运行方式下，部分重载线路(单回)潮流计算结果如表1所示。

表1 线路潮流计算结果

由表1可知，稳态情况下，通过单回肥西—大学城线的有功功率为285.8 MW，通过肥西—莲花线的单回有功为249.9 MW，单回线路的负荷率均已超过50%。同时N-1校验结果显示，肥西—大学城线发生单回故障时，另一回线路潮流将达到570 MW，达到线路热稳定极限的123%，严重影响了合肥南部分区电网的安全可靠运行水平。

1.2 UPFC安装方案及必要性

针对合肥南部电网中存在的N-1问题以及两端供电结构导致的“卡脖子”现象。提出两类解决方案：1)保持现有网络结构，采取电网加强方案；2)调整南部电网的分区结构，开环运行。

但是电力系统的根本任务是可靠而经济地满足用户的供电需求，开环运行将不可避免地带来系统可靠性降低的问题，所以考虑采用第1类方案。

传统的电网加强方案主要有改造和新建线路以及增加区域内新电源。国家大规模鼓励新能源发电并限制火电并网，同时考虑合肥地区的实际情况，增加南部分区新电源的实施难度太大，不予考虑。而新建220 kV输电通道建设难度高，建设周期长，投资大；改造肥西—大学城线(2×2.5 km)成更大容量线路，施工难度较大，且大学城—东至路线(2×16 km)的单回线路潮流也已经超过了50%，随着城区负荷的持续增长，未来也需要改成倍容量导线，投资大。

传统的改造方案均实施难度大，且无法适应南部电网的远景发展规划。220 kV南京西环网的潮流瓶颈问题和合肥南部电网相似，故考虑通过加装UPFC来解决合肥南部电网的稳态潮流问题，并且可以借鉴南京西环网的UPFC工程建设经验和UPFC运行管理经验。

根据安徽电网的潮流分析结果、UPFC安装的必要性和可行性分析结果以及工程选址结果，初步计划在肥西变电站220 kV侧肥西—大学城线加装UPFC。

合肥南部电网220 kV主干网络均为双回接线，综合考虑UPFC拓扑结构的经济性、灵活性和可靠性，采用图2所示的双回UPFC应用于安徽电网。

图2 UPFC接入位置

正常运行时，一组换流器通过变压器T1并联接入肥西220 kV母线，与系统交换无功功率，起无功补偿作用，并稳定接入点的交流电压；另两组换流器分别通过变压器T2、T3向交流系统注入幅值、相角均可变的串联补偿电压，控制肥西—大学城双回线路的潮流。3组换流器互为备用，直流侧直接通过转换开关连接直流母线，无需接入直流支撑电容。

当肥西—大学城线发生N-1故障时，连接故障线路的UPFC串联侧换流器退出运行，UPFC暂时变为单回结构，控制另一回线路潮流在热稳定极限内。当合肥南部电网UPFC安装位置以外线路发生故障时，也可以通过UPFC调节肥西—大学城双线实现潮流的再分配。

综合考虑合肥南部电网的潮流控制需求，所采用的接入肥西—大学城双线的UPFC基本参数如表2所示。

表2 UPFC基本参数

2 含UPFC的电力系统可靠性评估

2.1 计及UPFC随机故障的电力系统可靠性模型

1)元件简单停运模型

在不考虑计划停运的情况下，元件的停运模型可简单表示如3所示[9]，图中：λ为元件故障率；μ为元件修复率。

图3 元件停运模型

2)UPFC可靠性建模

接入电网的UPFC内部组件众多，外在运行方式多样，不能简单表示为运行与停运两种状态。根据UPFC的控制原理，将UPFC重新划分子系统，即3组互为备用的换流器组成子系统S1，串联侧变压器为子系统S2，并联侧变压器为子系统S3，直流侧和控制系统组成子系统S4。分别建立各个子系统的状态空间模型，形成整个系统的状态空间模型。

子系统S1的3组换流器可以互为备用，当1组换流器发生故障时，可以通过转换开关将剩余两组换流器转换至串联侧，此时S1工作于SSSC模式；当两组换流器发生故障时，将第3组换流器转换至并联侧，此时S1工作于STATCOM模式；当3组换流器均故障时，S1停运。

综上所述，子系统S1有4种运行状态：正常(1)、并联侧STATCOM模式(0.5+)、串联侧SSSC模式(0.5-)、停运(0)，其相互转化关系如图4所示。

图4 子系统S1状态空间模型

子系统S2、S3、S4均只包含一般元件，因而只有工作(1)和故障(0)两种状态。整合各个子系统模型，得到UPFC运行状态表，如表3所示。

表3 UPFC运行状态表

2.2 可靠性指标

计算的可靠性指标包括：电力系统缺电概率LOLP、期望缺供电力EDNS和期望缺供电量EENS[10]，这些指标的具体意义如下：

1)电力系统缺电概率LOLP

(1)

式中：Pi为系统处于状态i的概率；S为给定时间区间内不能满足负荷需求的系统状态全集。

2)期望缺供电力EDNS

(2)

式中，Ci为状态i条件下削减的负荷功率。EDNS通常用MW表示。

3)期望缺供电量EENS

(3)

式中，Fi是系统处于状态i的频率；Di为状态i的持续时间；T是给定时间区间的小时数。EENS通常用MWh/a表示。

2.3 含UPFC的电力系统最优负荷削减模型

最优负荷削减是系统状态影响评估的关键环节。计及UPFC的最优负荷削减模型是在分析系统状态影响时，考虑计及UPFC的系统潮流约束等多个等式约束以及包括UPFC控制参数约束在内的多个不等式约束，获得更小的节点削负荷量。数学模型如下：

1)目标函数

Cutload=min∑Xpi

(4)

式中：Cutload为系统削负荷量；Xpi为节点i的有功削负荷量。

2)约束条件

含UPFC的潮流等式约束：

(5)

发电机出力约束：

(6)

节点负荷约束：

(7)

(8)

节点电压约束：

Uimin≤Ui≤Uimax

(9)

线路容量约束：

(10)

UPFC控制参数约束：

(11)

2.4 含UPFC的电力系统可靠性评估

基于蒙特卡洛模拟[11]和最优负荷削减[12]在Matlab中编写计及UPFC的电力系统可靠性评估程序，计算可靠性指标，基本流程如图5所示。

图5 可靠性评估流程

3 安徽电网实例

利用上述可靠性评估程序对接入UPFC的合肥南部电网进行仿真计算。以发电机表示肥西和肥南500 kV变电站对220 kV侧电网的供电作用。系统基本可靠性参数如下：线路故障率取0.01次/(km·a)，故障修复时间10 h；发电机故障率0.6次/a，故障修复时间100 h。UPFC的可靠性参数如表4所示。

表 4UPFC可靠性参数

UPFC接入在肥西—大学城线靠近肥西侧，UPFC接入前后系统可靠性指标如表5所示。

表5 计及UPFC的系统可靠性指标

根据表5可知，可靠性指标LOLP在UPFC接入前后变化略小，而EDNS和EENS指标有较大改善，是因为UPFC虽然不能减少合肥南部电网的停电概率，但是可以在故障导致的过负荷情况下进行系统潮流分布的调整，使负荷削减量有所减少，安徽电网的可靠性亦得到改善。

肥西—大学城线是合肥南部电网中重要度和负荷率均较高的线路。为验证上节提出的UPFC安装方案的正确性以及UPFC安装位置变化时系统可靠性改善效果，将UPFC安装于合肥南部电网3条不同重载线路时的系统可靠性指标列于表6。

表6 UPFC安装位置对系统可靠性的影响

对比表5和表6可知，UPFC安装在合肥南部电网各条重载线路时，系统的可靠性较安装UPFC前均有一定程度的改善。其中，UPFC安装在肥西—大学城线对合肥南部电网可靠性的改善效果最好，这也验证了上节提出的UPFC安装方案的正确性。

4 结 语

针对安徽电网存在的实际问题，提出双回UPFC结构在安徽电网的应用方案，建立含双回UPFC的系统可靠性模型，并基于电网实际数据，分析UPFC接入后对系统可靠性的影响，验证UPFC应用方案的可行性。得出以下结论：

1)UPFC接入合肥南部电网肥西—大学城线，可以在N-1故障时，控制另一回线路潮流在热稳定极限内；

2)应用UPFC可以有效解决安徽电网的潮流分布不平衡问题，提高安徽电网可靠运行能力；

3)所提出的UPFC应用可靠性模型和UPFC应用方案，对安徽电网的可靠性改善效果显著。