应用UPFC优化配网损耗的方法研究

郭成蛟 肖安全 袁奔 王锐 张坤友 尚津臣 张霞鹏 田景刚

摘   要：针对线路损耗，提出了应用UPFC来降低配网损耗。使用UPFC能够精确控制潮流分布，改善输电线路潮流分布，有效减低了三相不平衡造成的线路损耗，提高了线路输电能力，增强了电网的可靠性。在UPFC设备中增加新型的三相功率补偿电路，能够自动采集电网电路中的电压信号和电流信号，并对采集到的电压信号和电流信号进行计算，通过控制电路将计算出的信号信息生成驱动信号，驱动信息传递到主电路，主电路根据驱动信号对电网进行电流补偿，计算机控制操作过程，并显示控制结果。实验表明，本设计方法明显降低了电网电路中的损耗，增加了有功功率的使用，为电网电路的稳定运行提供良好的环境。

关键词：电网;损耗;UPFC;电流补偿;可靠性

中图分类号：TP391.9                                         文献标识码：A

文章编号：1003—6199（2020）02—0082—04

Abstract：For the line loss，the application of UPFC to reduce the distribution network loss is proposed. using UPFC accurately control the power flow distribution and improve the power flow distribution of transmission lines. It effectively reduces the line loss caused by the three-phase unbalance，improves the line transmission capacity，and enhances the reliability of the power grid，a new three-phase power compensation circuit is added to the UPFC device，which can automatically collect the voltage signal and current signal in the grid circuit，and calculate the collected voltage and current signal. The calculated signal information is generated by the control circuit to generate a driving signal，and the driving information is transmitted to the main circuit. The main circuit performs current compensation on the power grid according to the driving signal，and the computer controls the operation process and displays the control result. The experiments show the method designed significantly reduces the loss in the grid circuit，increases the use of active power，and provides a good environment for the stable operation of the grid circuit.

Key words：power grid;loss;UPFC;current compensation;reliability

随着电网技术的飞速发展，用电负荷日益增加，配电网络经常会出现电压低、网络复杂、输送距离长等问题，这些因素容易导致电网电路上损耗严重，配网损耗是国电网公司、供电企业、用户等面临的严峻问题[1-3]。该问题不仅影响各公司的电网结构布局，还影响供用电企业的管理水平和技术水平[4-7]。为了确保电网运行安全，通常使用统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）实现配网损耗优化，通过使用UPFC，能够快速地单独控制电网输电线路中的有功功率和无功功率，大大降低线路损耗、提高电网质量[8-10]。

UPFC为包括具有电压调节、串联补偿和移相等能力的柔性交流输电装置[11-13]。在使用时，能够同时控制多个电网参数，如节点电压幅值、支路阻抗和功角差等，从而实现控制电网内有功潮流、无功潮流和节点电压的目的[14-15]。为了保证电网运行能够处于安全稳定的状态，提出了应用UPFC来减低网配损耗，提高了输电线路输电能力以及电力系统安全运行的稳定性。

1   优化系统设计

本技术方案利用UPFC对网络损耗进行优化，通过使用UPFC设备，并在UPFC设备中增加补偿电路来实现功率不平衡的自动检测和校准，使电网电路中的损耗最小化。在优化系统中，主要包括UPFC设备、补偿电路、计算机、数据处理单元、数据传输单元、中央控制室，如图1所示。

在上述系统中，补偿电路包含交流电源、计算机、互感器、计算单元、控制单元、驱动电路以及主电路。在结构布局中，互感器设置在交流电路和负载之间，在互感器的输出端连接计算单元，计算单元输出連接控制单元，控制单元通过驱动电路与主电路连接，主电路输出到负载，主电路输出连接计算机。在设计的方案中，互感器选为电流互感器、电压互感器，其中电流互感器用于采集电流信息，电压互感器用于采集电压信息，补偿电路还可以包含低压断路器QF，低压断路器QF设置在交流接触器 KM与负载侧电网之间，其作用在电路发生短路时，或电路严重过载时，能够能自动切除故障电路，及时保护负载（电气设备），补偿电路中桥式变流器与电抗器 L 之间通过焊接钢管连接用于保护电线。桥式变流器包含功率开关管（N1-N8）、二极管（D1-D8）、电容器（C1-C8）。

在本设计中，功率开关管的基极在驱动电路作用下，将其输出端连接到其中控制支路的一端。功率开关管的发射极的输出与二极管的阳极和功率开关管的集电极连接。功率开关管的集电极与二极管的阴极和电容器的一端连接，电容器的另一端与功率开关管的发射极连接;功率开关管的基极连接到驱动电路，驱动电路的输出连接至不同的控制支路。功率开关管的发射极与二极管的阳极连接。功率开关管的集电极与二极管的阴极连接。功率开关管在应用时可选择绝缘栅双极型晶体管，这样，能够有效地消除中性线的基波电流。如图2所示。

在计算电路中，根据上述电路所采集的电压信号、电流信号，将电流信号经由控制电路来产生驱动信号，这样将驱动电路处于正常工作状态，能够促进控制主电路中的各开关管进行通或断。在主电路中的各个补偿电路的作用下，对电网 A 相、B 相、C 相及 N 相中电流实施电流补偿。其中主电路可以根据多个实施例包含两个以上的补偿电路，这些补偿电路分别与负载侧处的A相、B相、C相和中性线N进行连接。其中补偿电路可以包含输入与输出依次连接设置的多个器件，比如桥式变流器、电抗器 L1-L4、电阻 R1-R4 以及交流接触器 KM1、KM2。其中桥式变流器的输出端与驱动电路的输入端连接。交流接触器 KM与负载侧的电路连接，交流接触器 KM 能够远程地控制电力的开或断。其中电抗器 L 能够充当变流器的输出滤波器，实现滤波的作用。

在补偿过程中，需要对主电路进行控制，变压器运行方式柔性切换的方式，UPFC 根据配电管理系统实时发布控制方案，該方案能够灵活、准确、平滑地调控待投切变压器的输出电流，便于实现零电流倒合闸，并联侧控制回路还包含传统的电压电流双闭环回路，如图3所示。

2   配网损耗分析

如图4所示，在具体应用中，UFPC的关键部件主要由并联变压器、串联变压器、并联换流器、串联换流器以及控制器组成。并联变压器以及串联变压器用于改变交流变压，并联换流器用于将电网中的交流电转换为用户直接应用的直流电，可以作为静止同步补偿器（STATCOM）来使用，并联换流器和串联换流器的供源方式是将两者在直流电容上施加的电压Vdc放电产生，期间，有功功率在这2个换流器之间的交流电侧端的任意方向上进行自由流动，在交流输出端处，能够独立地发出无功功率，或独立吸收无功功率。

在计算无功功率时，可以采用Hilbert滤波器进行计算，假设Hilbert滤波器把各次谐波电压的相位移位90°来进行计算，则电压值可以表示为：

并联换流器在工作时，在公共端点处，提供、吸收串联换流器正常工作需要的有功能量，经换流器换流之后，电流输出至交流端，并送入到与电网线路并联连接的变压器。假设在稳状态下，自身损耗不作为计算的因素，那么UPFC两侧存在的有功功率是相等的。在电网电路中，直流电容器不发出有功功率，也不会吸收有功功率，这样，就使得电压Vdc处于恒定状态。这种工作原理与STATCOM的工作原理近乎相似。并联换流器在线路中还能够人为控制地产生无功功率，或者吸收无功功率。当电路系统需要并联换流器时，并联换流器便为电力线路提供动态、可变的无功补偿。在电路中，串联换流器将VB控制并稳定的范围：0 ～ VBmax。因此，可以利用UFPC解决了三相不平衡造成的线路损耗、提高线路输电能力、提高电网的可靠性，但是仍旧存在一些列不足，比如在平衡三相功率时，自动检测能力差，人为参与因素多，连续性能差，电容分相补偿适用范窄等问题。因此，需要在此基础上对电路做进一步的优化。

在使用UFPC时，UFPC可快速、灵活地控制功率流动。比起传统的无功补偿设备，UFPC具有很好的连续性。

将UPFC接入配网电路中，其系统结构图如图6所示。UPFC在电路中能够维持母线电压，实现调节潮流的功能。在应用时，其串联侧工作等价于向电路中注入可控电压，如图6所示。

3   实验与分析

下面基于PSCAD/EMTDC环境对本技术方案进行验证，在PSCAD/EMTDC环境下，通过对UPFC进行动态模拟仿真，得出仿真结果。实验将并联侧、直流侧和串联侧的动态反应以及周围杂波的干扰考虑在内。在进行实验时，采用相同结构的串、并联侧换流器，选用三相三电平换流器进行二重化的方式，换流器容积为50 MVA，24脉动，将选用的换流器额定交流电压定义为15.435 kV，额定交流电流为2.01 kA。

仿真启动1 s时，将并联变流器接入电路中，电容处于充电状态。在并联测释放控制信息，将母线电压维持在800 V。然后再接入串联变流器，控制潮流，再仿真初始状态，发电机端的电压为230 V，补给系统的总功率为10 W，无功功率几乎为0，如图7所示。

从图7的波形图可以看到，采用UPFC和未采用UPFC具有明显的差异。因此，设计的补偿方法使得电网线路上的有功总损耗显著降低，具有一定的应用价值。

4   结   论

通过在电网中引入UPFC，并在UPFC中接入新型的补偿电路，该电路能够实时采集电网中的瞬变电压、电流信号，并通过计算电路计算采集到的电压和电流值，并采用柔性切换方式的控制器控制主路，根据计算结果补偿A、B、C、N 的电流，从而消除中性线的基波电流，使得三相不平衡造成的线路损耗大大降低，有力地提高了线路输电能力，增强了电网的可靠性。

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