基于PSASP的UPFC自定义模型在西南电网的应用仿真

韩连山1，王新宝1，李 建，王 彪

(1.南京南瑞继保电气有限公司, 江苏 南京 211102； 2.国网四川省电力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

川渝第三通道投运后，西南电网将建成投运藏中联网工程、渝鄂背靠背工程，使西南电网与外部电网异步联网运行，电网结构发生较大变化。西南电网异步联网运行后，川渝断面潮流分布不均现象仍然存在：北通道潮流轻而南通道潮流重，在个别方式下，北通道甚至出现潮流反送。川渝断面潮流分布不均所带来问题，是当前影响川电外送能力的主要因素。

统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作为一种典型的FACTS装置，可以有效改善潮流分布，所提研究即应用UPFC改变川渝断面潮流分布。文献[1]详细说明利用电力系统分析综合程序(PSASP)自定义程序进行UPFC建模的原理，并利用节点电流注入法建立了UPFC的动态模型。文献[2]提出了一种基于节点电流注入法的改进UPFC潮流控制的新方法：串联侧基于电流预测法实现对线路有功、无功功率的控制，并联侧用注入无功电流控制母线电压，最后建立PSASP仿真模型。

在注入功率、注入电流原理的基础上，利用PSASP用户自定义程序分别搭建了UPFC用于潮流与暂稳计算的潮流模型和暂稳模型。为了使用方便，利用UPFC动态切入方法改进了暂稳计算模型。以渝鄂背靠背、川渝三通道、川藏联网三项重点工程投产后的电网为研究对象，在典型控制方式下，研究UPFC不同安装容量、不同安装地点对改善断面潮流分布的效果；仿真计算UPFC在四川电网故障后的动态特性并对比分析UPFC抑制暂态扰动的效果。

1 UPFC原理

UPFC的主要工作原理是通过电力电子设备(换流器)及控制系统来改变串联变压器的输出电压相角及幅值，从而达到优化控制线路潮流及系统电压的目的。

图1 UPFC系统

图2 UPFC等值

以两端无穷大系统为例分析UPFC串联部分的工作原理，其拓扑结构以及矢量如图3所示：Ui∠δ为线路首端电压；Uj∠0为线路末端电压；Upq∠θ为UPFC注入的同步电压，其角度可以为0°～360°。线路等效电抗为XL(忽略线路电阻)。

图3 UPFC控制原理矢量

为简化分析模型，不考虑UPFC串并联部分的损耗。

2 UPFC潮流模型及PSASP自定义实现

PSASP潮流程序基于功率注入方法实现，含有线路模型的UPFC等效模型[3-4]如图4所示。为便于调度控制，采用线路功率控制(组合调节)。

图4 含有线路的UPFC等效模型

根据功率注入法将图4模型改写为功率注入模型，如图5所示。

图5 含有线路的UPFC功率注入模型

根据功率注入法，含有UPFC潮流模型可描述为

(1)

同时，在线路中UPFC所在支路还必须满足平衡条件：

(2)

根据上述公式和平衡方程，可以得到UPFC功率控制潮流模型，输入参数为线路参数和线路期望控制功率。

3 UPFC暂稳模型及PSASP自定义实现

UPFC动态等值模型如图6所示。

图6 UPFC动态等值电路模型

由于UD稳定模型与PSASP软件的接口为注入电流，这点与潮流模型有所不同，所以使用UPFC的注入电流模型，电流注入模型[5]见图7。

图7 UPFC注入电流模型

根据注入电流法，i、j两节点的UPFC注入电流可分别用式(3)、式(4)表示：

=[Ix-Upqxgij+Upqybij+Upqybc/2]+

j[Iy-Upqygij-Upqxbij-Upqxbc/2]

(3)

=[Upqxgij-Upqybij]+j[Upqygij+Upqxbij]

(4)

考虑直流侧电容器的充放电过程，还应满足以下关系：

(5)

串、并联侧控制采用PI控制进行解耦控制，其控制框图如图8所示。

通过图8中的控制后最终转换为式(3)、式(4)中的注入电流，实现UPFC暂态稳定控制。

图8 UPFC暂态串、并联侧控制

由于暂稳计算需要读取潮流计算结果，因存在小数截取误差以及初始化精度要求高，可能会导致初始化失败而无法进行暂稳仿真。因此在计算UPFC暂稳仿真时不采用暂稳初值计算方法。

为了避免暂态仿真失败，或者在进行暂态仿真时不搭建潮流模型，在式(3)、式(4)所述注入电流的基础上，乘上斜坡函数，斜坡函数初值为0，终值为1，其示意图如图9所示。

图9 UPFC暂态注入电流控制

这样PSASP软件在进行暂态仿真时，初始注入电流为0，不影响暂态稳定计算初始化；在暂态计算开始后的，通过斜坡函数将UPFC注入电流注入系统即可。

4 UPFC在西南电网的应用

西南电网四川侧将省内大量清洁能源通过川渝通道送到重庆或者经重庆送入华中电网。

图10 西南电网2018年年底川渝通道电网结构

然而，中通道投运后，南北通道潮流分布不均的问题仍然存在，极端方式下北通道甚至倒送功率。典型丰大方式下，川电外送6500 MW，川渝断面潮流分布如表1所示。

表1 丰大方式下川渝断面功率分布

4.1 UPFC容量及杠杆效应计算

基于PSASP软件自定义潮流模型，对渝鄂背靠背投运后川渝断面四川侧安装UPFC的容量及杠杆效应进行计算，计算数据采用2018年丰大规划数据。功率基准值采用100 MVA，基准电压采用525 kV。

考虑增加UPFC后潮流转移导致三通道无功变化，模型中并联无功功率不设上限(或者通过人工投退电容器实现)。串联变压器的容量是限制UPFC容量的首要制约因素，模型中设置串联变压器电压限幅0.2 p.u.。

1)黄万双线安装UPFC

黄万双线初始潮流为446.4 MW，UPFC额定电流按照2 kA选取，在不同的控制功率(通道末端功率)下，在四川侧安装UPFC基础上，对北通道(黄万双线)UPFC串联变压器电压幅值、相角以及容量进行计算，计算结果如表2所示。

表2 黄万UPFC不同线路控制功率下串联电压、功率

从图11、图12可以看出，在增加或者减少线路潮流时，UPFC功率近似与控制功率呈现线性关系。

黄万线UPFC的布置按照两串一并的配置原则，并联侧容量按照串联侧容量计算，则UPFC改变黄万双线功率与UPFC容量比例关系(杠杆比)如表3所示。

图11 黄万UPFC不同控制功率对川渝断面潮流改善情况

图12 黄万不同线路控制功率下串联电压、功率关系

黄万双线改变功率/(p.u.)UPFC装置功率/(p.u.)杠杆比K0.5512.207 30.249 61.5443.517 20.439 02.5275.259 00.480 53.5197.138 70.492 94.5189.076 90.497 75.53510.911 60.507 2

从计算结果可以看出，单位容量UPFC仅可改变黄万双线潮流不到0.5单位功率。

2)洪板双线安装UPFC

典型方式下，洪板双线潮流较重，其双线初始有功功率为3 465.3 MW，黄万双线初始有功功率为446.4 MW。UPFC额定电流按照3.5 kA选取，在不同的控制功率(通道末端功率)下，对南通道(洪板双线)UPFC串联变压器电压幅值、相角以及容量进行计算，计算结果如表4所示。

表4 洪板UPFC不同线路控制功率下

图13 洪板UPFC不同控制功率对川渝断面潮流改善情况

图14 洪板UPFC不同线路控制功率下串联电压、功率关系

同样按照两串一并的原则在洪板双线安装UPFC，其效果如图13、图14所示，洪板双线功率改变量与UPFC容量计算如表5所示。

从计算结果可以看出，单位容量UPFC仅可改变黄万双线潮流不到0.4单位功率，效果较差。

表5 洪板双线UPFC杠杆比

4.2 UPFC动态特性仿真

以洪板双线洪沟侧安装UPFC为例，仿真动态模型采用动态切入式模型，暂稳仿真前川渝断面功率见表1。仿真在1 s时投入UPFC模型并将洪板双线控制功率设置为3000 MW。动态模型控制参数设置如下：T1=0.01，T2=0.01，T3=0.01，T4=0.01，K1p=0.06，K2p=6，K1q=0.06，K2q=6，K1dc=3，K2dc=5，K1ac=50，K2ac=5。

图15 洪板UPFC安装前后川渝断面功率变化对比

UPFC投入进入稳态后，在10 s时发生尖山—彭祖N-2故障后川渝通道有功功率波动对比如图15所示。

5 结 语

结合UPFC等效模型以及功率注入法和电流注入法，详细介绍了利用PSASP自定义功能实现UPFC潮流模型与暂稳模型搭建过程；研究计算UPFC用于改善川渝断面潮流分布的可行性；详细计算川渝断面UPFC安装容量与改变潮流分布的关系；最后结合切入式暂稳模型，分析计算了川渝断面动态特性以及暂态能量的振荡特性。结果表明，安装在功率输送通道的UPFC对于改善川渝断面潮流分布有一定的作用，从计算结果可以看出，UPFC单位容量改变所安装通道的潮流不到0.5单位，杠杆效应小，所需的UPFC容量较大。另外，由于UPFC串联侧控制可以对所安装线路功率进行动态控制，并联侧控制动态地补偿电压变化，UPFC对抑制功率振荡方面有良好的效果。