柔性交流输电电力系统潮流计算研究

武历忠，司大军，黄家栋

(1.华北电力大学，河北 保定 071000；2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南电网有限责任公司电网规划研究中心，昆明 650011)

0 前言

柔性交流输电技术(flexible alternative current transmission systems，FACTS)是 将 电力电子技术、微处理机技术和控制技术等高新技术集中应用于高压输变电系统，以提高输配电系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量并获取大量节电效益的一种新型综合技术。早期受电力电子设备发展的限制，使FACTS技术在经济上和运行可靠性方面优势不明显。随着大功率高电压电力电子技术、微处理机技术和控制技术在近十几年的高速发展和日益成熟稳定，FACTS技术可靠性有了大大的提高，造价也不断降低，使直接对高电压大功率的输电系统进行可靠和快速控制已成为可能，而与电力电子元器件配套的驱动回路、保护和冷却等辅助技术也日趋完善，使FACTS技术逐步进入了实用阶段[1]。

UPFC可以为交流输电系统提供动态补偿和实时控制，它的优越特性在于能够同时或分时控制限制潮流传输的全部因素：线路传输角、线路电压、线路阻抗。并通过合理的控制策略就可以实现对线路的有功和无功潮流的独立控制。UPFC可对电力系统潮流及系统电压进行有效控制，是一种理想的FACTS装置。

1 UPFC计算潮流模型

目前统一潮流控制器的计算模型通常采用的是电源模型，主要包括两类：一类是由串联在线路中的可控制电压源以及并联的可控制电流源 组成，如图1所示；另一类是串并联支路均为可控制的电压源、组成的双电压源模型[2]，如图2所示。

图1 UPFC可控电流源等效模型（类型一）

图2 UPFC电压源等效模型（类型二）

其中，为线路的送端电压，是线路的受端电压，Y和bc为线路的导纳和对地电纳。

图2为等效电源模型，由于UPFC采用的是电压型换流器，通常，两换流器中的并联换流器工作在整流状态则串联侧运行在逆变状态，必要时也会将工作状态互换。统一潮流控制器是由两个共同直流侧电容的电压源变换器组成，电压源变换器的特点是直流电源有很大的滤波电容，电容以保证直流电压稳定。三相电压源变换器由直流侧电容器与一个全控型三相变流器组成，此变流器可四象限运行，当直流侧电容量很大时，可把直流侧电容两端的电压近似认为保持恒定。UPFC通过控制可控硅装置规律的变化就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的作用。

目前，国内外对UPFC元件的电力系统潮流计算方面的研究已取得了一些成果，主要的方法是等效附加注入功率法和等效附加节点法[3]。

文献[5]中将UPFC并联变压器所连接的节点电压幅值可以控制为定值，也可以将补偿的无功功率控制为定值，提出了UPFC与电力系统解耦的算法。

文献[6]中将UPFC的潮流控制作用等效为了两端节点的附加注入功率，修改不平衡量，实现交替迭代。

文献[7]中对控制线路潮流的几种常见的FACTS元件建立了相应的基于牛顿-拉夫逊法和导纳的潮流计算模型。

上述方法在含有UPFC时对系统潮流的计算过程往往太过于复杂，增加了潮流计算的复杂性和收敛难度，也很难与传统潮流计算方法的结合。本文根据UPFC功率交换特性，提出了一种较为简化的含UPFC装置电力系统潮流计算方法，具有一定的理论与实用意义。

2 含UPFC的电力系统潮流计算

图3 含UPFC的线路等效电路图

如图3将UPFC等效为双电压源模型。串联部分向线路提供一个幅值和相角都可以连续调节的补偿电压源，相当于可控的同步电压源，通过调节电压源的幅值和相角达到控制线路潮流的目的，串联部分换流器向线路可以发出、吸收有功功率，也可以发出、吸收无功功率。并联变换器等效为电压源。一方面可调节所接入母线的电压，另一方面可为串联部分提供有功功率的通道，保持统一潮流控制器内部功率的平衡。

电力系统运行中，UPFC装置具有控制输电线路的有功功率和无功功率以及维持并联接入点母线电压稳定的功能。在稳态潮流计算时，可将UPFC看作一个“黑匣子”，即将UPFC整体作为两个“电源”来处理，分别向两侧注入功率。在稳态运行条件下，若不考虑UPFC中换流器本身的损耗，则UPFC装置不消耗有功功率。而直流电容器电压不变，则直流电容器的储能不变，UPFC的串联换流器向线路注入的有功功率应等于并联换流器从并联接入节点吸收的有功功率。

UPFC有控制线路功率的作用，节点M为UPFC串联侧接入节点，可视为PQ节点；UPFC能够对并联接入点电压进行控制，节点K为UPFC并联接入节点，可视为PV节点。可得图4所示等值电路，其中Pm=P，Qm=Q，P和Q为线路潮流的设定值，Pk=P=Pm，Vk=V。V是节点K的设定电压值。使用上述方法对UPFC进行等效处理后，只需要对传统的潮流计算程序进行少量的导纳矩阵修改，方便于程序设计。

图4 UPFC的潮流计算模型

UPFC的控制目标是并联接入点电压和线路中传输的潮流Pm+jQm。分别为UPFC整体注入接入节点K、M的复功率，电压分别为UPFC接入节点K、M的电压向量。

3 UPFC内部状态变量的计算

在进行完潮流计算之后，可根据潮流计算结果计算出UPFC内部各电气量，如并联换流器吸收有功和无功、串联换流器发出有功和无功，串联换流器两端电压差（含幅值与相角）。具体过程如下。

根据图4及UPFC内部结构，可得出图5所示计算电路，其中，Vk，Vm和θk，θm为相应节点的电压幅值和相角，VB，VE和θB，θE是串联电压源和并联电压源的电压幅值和相角。

图5 UPFC的稳态等效电路

由图5可知，串联支路的电流等于注入节点M的电流，即当UPFC控制的串联注入电压发生改变时，输电线路电流流过串联电压源时便与系统发生有功功率、无功功率的交换。

由图5UPFC的稳态等效电路所示 ，可得出边界条件：

UPFC的内部参数求取及推导过程：

1）串联控制参数的求取，由图5可知，是UPFC串联侧电压，而串联侧变换器的电流则等于线路上的电流 。

传输到UPFC串联侧换流器的功率为：

UPFC并联侧换流器的输出功率：

4 算例分析

图6 14节点系统算例

对于IEEE14节点系统[11]图6所示，在无UPFC时对14节点系统的潮流分布进行计算，得到各节点的电压及其相角参数如表1所示。其中，基准值SB=100MVA在11-10号线路11侧安装UPFC控制器，节点15是安装UPFC后的辅助节点。P11−10+Q11−10= 0.0281 +j0.0196在没有安装UPFC时线路11-10的潮流值，当选定UPFC的控制目标为P11−10+Q11−10=0.05 +j0.05时。计算系统各节点的电压的变化和线路11-10上UPFC的控制参数。并验证以上所述方法的可行性。

14系统中节点11侧加入UPFC后，在控制目标线路传输功率为0.5+j0.5，UPFC串联换流器注入到线路的功率值为（0.0001+j0.0013）；并联换流器从并联接入母线吸收的有功功率为0.0001，注入的无功功率为0.0757。节点11电压维持恒定，系统各节点电压继续稳定在正常情况下；并能维持线路11-10上的潮流，与常规系统潮流计算相结合良好，方法准确稳定。

5 结束语

本文通过对UPFC基本原理和等效电路的分析，根据UPFC功率交换特性，提出了一种简便的含UPFC装置电力系统的潮流计算方法。与传统系统潮流计算程序兼容性好。并通过算例来验证其电力系统潮流计算的可行性。