UPFC在省级电网应用的选址定容方法

刘 兵，张 鑫，余晓伟，高雯曼，申旭辉

（1.国家电网公司华中分部，武汉 430070；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

随着我国电网负荷不断增长，电网运行情况日益复杂，输电线路负载分布不均的问题普遍存在，受制于部分重载设备的输电瓶颈，电网供电能力难以大幅提升；同时，由于建设用土地资源日渐稀缺，电网建设项目遇到的阻力越来越大，电网建设的边际效益逐渐递减。如何最大程度发挥电网的供电能力，必然成为未来电网发展关注的重点[1]，因此需要利用新技术来解决电网运行中潮流分布不均问题，提升电网供电能力。

柔性交流输电FACTS（flexible AC transmission system）装置能够在保持电力系统安全性、稳定性和可靠性的前提下，快速灵活地改变系统电压、相角、阻抗等电气量，从而最大限度地利用现有资源对输送功率进行合理分配，提高电网运行的有效性。统一潮流控制器 UPFC（unified power flow controller）作为功能最强大的FACTS装置，可以通过快速控制电压、电流等电气运行参数，来提高其输电功率及输电线路利用率，从而提升电网供电能力[2]。

目前，理论研究中关于UPFC的选址定容问题主要为最优潮流选址法[3]和灵敏度分析法[4]，但实际工程中网络拓扑结构复杂，上述最优算法在工程仿真计算软件中集成的难度较大，计算过程烦琐而且盲目[5]。以实际电网为研究对象的UPFC选址定容方法以N-1校核为约束，容量最小为目标，计算不同运行方式下UPFC的需求容量，这种方法计算速度快，但考虑问题单一，且缺少对UPFC安装效果的综合评价[6-7]。

在上述研究的基础上，本文提出了一种“精准选址-优化容量”的优化配置方法：针对某省级电网UPFC应用场景，首先精准的定位省级电网对UPFC的应用需求，根据计算分析结果筛选出存在问题的750（500）kV和330（220）kV断面；之后以UPFC容量利用率最大为原则，计算各个方案所需的UPFC容量；最后，综合效果分析、经济性分析和必要性分析，选出适合省级电网实际情况的UPFC布点。

1 UPFC选址方法研究

1.1 UPFC潮流优化能力

UPFC能够将潮流分布控制在较大的区间并使其按预定方向流动，从而优化电网运行方式，并提高整个系统运行可靠性。如图1所示，以330 kV网架的N-1故障为例，双回线L1、L2由热稳限额为700 MW的线路构成，线路L1发生N-1故障后另一回线过载；在线路L2装设UPFC后，可动态调整330 kV线路潮流，使潮流转移到L2线路，避免出现线路过载情况，从而大幅提高分区电网的供电能力，增强了电网的静态安全性[8]。

图1 UPFC提高330 kV输电断面输送功率示意图Fig.1 Schemtic of using UPFC to improve the transmission power of 330 kV transmission section

随着我国电网负荷的不断增长，省级电网中，存在线路潮流不均衡情况。若某回线路发生N-1∕N-2故障或直流闭锁引起潮流大范围转移后，存在线路功率超过自身热稳或静稳限额，则供电能力将受到极大限制[9]。

通过在适当线路上加装UPFC，可均衡断面线路潮流，避免故障校核不通过，最大程度提高供电能力，延缓或彻底替代新建输电线路[10]。

1.2 UPFC布点选择方法

潮流调整和优化往往是电网对于UPFC的首要需求，本文提出了统筹考虑线路输电能力、电网输电薄弱环节、规划网架的高低压电磁环网和复杂环网的电网UPFC选址原则，具体为

（1）基于电网现状梳理出在输∕受电方面存在的薄弱环节和问题，如：750∕330（500∕220）kV高低压电磁环网、330∕220kV复杂环网等；

（2）梳理研究电网规划网架，分析现有薄弱环节和问题的解决情况，分析电网结构优化后可能新出现的问题；

（3）综合以上成果，开展分析计算，初步筛选出UPFC在省级电网中的应用前景；

（4）结合电网发展中可能存在的不确定因素，做敏感性分析，对因此产生的电网问题开展分析计算，统筹考虑UPFC装置在电网中的应用。

1.3 UPFC容量特性分析与优化选取

UPFC装置的串联侧容量由其额定电流及最大串入电压共同决定，根据电网的现状和对UPFC的应用需求，对UPFC容量范围进行预估，计算公式为

式中：S为装置的额定容量；I为串联侧的额定电流；UB为最大串入电压。

UPFC装置串联侧额定电流可按其所在线路额定电流来选取，以750∕330 kV为例：750 kV线路额定电流为3 080 A；330 kV线路额定电流为1 200 A。

UPFC装置通过改变串入电压达到对线路潮流的控制目标。确定其最大串入电压时，需对系统各种典型潮流控制目标下，所需的串入电压进行校核。从UPFC性能角度考虑，串入电压越大，对潮流的调节作用越强，但过大的串入电压会大幅增加UPFC的容量和技术难度，因此，需要根据UPFC的经济性确定UPFC最大串联电压上限；过小的串入电压则无法有效起到调节线路潮流的功能，因此，需要根据UPFC能力需求确定UPFC最大串联电压下限。

在此容量区间内，UPFC容量和断面提升功率存在饱和关系，如图2所示。可见存在一点，使UPFC容量的利用率最大。

图2 UPFC容量特性曲线Fig.2 Characteristic curve of UPFC capacity

UPFC在省级电网应用需综合N-1、N-2校核结果和选址原则得出初选地点，根据各个布点存在问题和所处位置不同，不仅需要对控制效果进行比较，还要在经济层面、技术层面等对UPFC的备选安装地点进行综合评估[1-12]，从而得到有较好调节能力优势的布点，具体流程如图3所示。在UPFC容量计算分析之后，还需进行与传统方案的经济性对比和必要性分析，并考虑UPFC对系统运行的影响。

图3 UPFC提高输电断面输送功率示意图Fig.3 Schematic of using UPFC to improve the transmission power of transmission section

2 省级实际电网现状

2.1 省级电网现状简介

本章以西北某省级电网为对象，验证本方法的适用性。该省级电网为水火并济以火电为主的电网，火电主要分布在中部和北部，水电主要分布在南部。电网主网电压等级为750∕330 kV。

截至2016年底，该电网共有330 kV及以上变电站63座，主变139台，总容量53 730 MV·A；330 kV及以上输电线路共有233条，总长度12 069.832 km；共有3个跨区外送输电通道，外送规模7 710 MW，为“网对网”外送，2016年累计送电量8.7亿kW·h。

2.2 省级电网输/供电方面存在的问题及规划解决措施

目前该电网在输∕供电方面主要存在以下问题：

（1）北部送出断面受阻。北部至中部输电断面由“750 kV YH-LCh双回+330 kV三回线路”构成，2015年至今YL地区电源装机增长迅速，截至2016年底，北部地区装机容量达到9 737.5 MW，本地可供平衡的负荷仅有2 000 MW，所发电力难以就地消纳。到2020年，北部将建成第二通道（YH-DJ-FX 750 kV双回线），但仍不能满足该地区电力送出需求，具体接线如图4所示。

图4 北部电网结构Fig.4 Northern Power Grid structure

（2）负荷高峰时段多个断面重载。夏季负荷高峰时段，中东部电网受电断面电压稳定极限运行；当局部地区开机不足时，部分电网受电断面重载运行。

（3）南部水电送出受阻。汛期南部小水电集中上网时，受断面稳定水平的限制，出力受限，不能满发。在南部小水电装机继续增长的情况下，汛期后夜低谷时段窝电达350 MW。

随着“十三五”期间该电网的不断加强，上述3个问题将得到一定缓解，但局部地区仍存在电力输送困难的问题。另外，由于电网内存在高低压电磁环网和复杂330 kV环网，以及输电断面线路阻抗不均等因素，传统手段对潮流的优化控制仍然受限，调节发电机出力、线路开断等措施，对潮流控制的范围离散且灵活性差，存在降低电网运行安全可靠性的风险。因此需要新的技术手段对其进行潮流调整与优化控制[13]。

3 电网UPFC应用方案仿真分析

本节针对上章中省级电网规划网架，分析UPFC的应用效果，计算采用2020年规划数据，潮流分析采用BPA仿真平台，其中UPFC采用模块化等效功率注入模型[14]。

3.1 UPFC需求地点筛选

根据线路N-1∕N-2校核结果和直流闭锁故障分析，综合UPFC选址原则，在电网中共得到5处UP⁃FC需求地点。

3.1.1 北部断面（750 kV）

北部第二通道和特高压直流的规划建设，使得地区电网结构将发生较大变化，北部通道将由YHDJ-FX和YH-LCh双通道构成，在发生特高压直流闭锁故障情况下，盈余潮流将转移至该断面，易超过断面静态稳定极限，限制了该断面的输送能力。

3.1.2 ShM-YH电磁环网（330 kV）

ShM 750 kV变电站于2018年建成投运，ShM 750 kV站与YH 750 kV站之间主要输电断面为“750 kV ShM-YH双回+330 kV ShM-JJ双回”，其结构如图5所示，ShM-JJ 330 kV线路发生N-1故障时，单回线路上潮流达768.1 MW，超过线路输送热稳极限680 MW。

图5 ShM-YH电网结构Fig.5 Power Grid structure of ShM-YH

3.1.3 BJ地区受电断面（330 kV）

2017年330 kV CJP变电站投运，原BJ地区受电断面由“BJ-XSh双回+YCh-MY+YCh-GX”变为“BJ-XSh双回+YCh-MY+YCh-CJP”电网结构，如图6所示。随着BJ地区负荷增长，该受电断面运行压力不断增加，并严重依赖当地热电厂出力。当BJ-XSh线发生N-2故障时，YCh-MY线的潮流为778.2 MW，超过线路自身680 MW的热稳定极限。

图6 BJ电网结构Fig.6 Power Grid structure of BJ

3.1.4 DW 330 kV站近区（330 kV）

2017年3月，BQ热电厂、XJ热电厂将逐步从发电为主调整为供热为主，未来将搬出城区。BQ热电厂是该地区重要的电源支撑点，BQ电厂退运后，将对周边的ChL、DoJ、DW、WN、XL之间的复杂330 kV环网的运行情况带来重大影响，造成DW近区线路多处N-1校核不通过，DW地区电网结构如图7所示。

图7 DW地区电网结构Fig.7 Power Grid structure of DW

3.1.5 XA北近区（330 kV）

“十三五”期间，XA地区将加快中心城区国际化进程，北部地区负荷将不断增高，电网结构如图8所示。根据潮流计算分析，XA北地区负荷增长后，当XAB-XZh线路发生N-2故障后，XAB-BeJ线路上输送潮流为757.2 MW，超过线路680 MW的输送极限。

图8 XA北地区电网结构Fig.8 Power Grid structure of northern XA

3.2 750 kV UPFC安装方案仿真分析

经初步分析，750 kV北部断面静态稳定极限约为9 000 MW，YH-LCh线路先达到极限，而YH-DJFX仍有一定裕度，因此可利用UPFC的潮流转移能力，将特高压直流闭锁故障后的部分盈余潮流由YH-LCh线路转移至YH-DJ-FX通道，最大化的利用各通道输电能力。

在北部断面通道输送功率4 100 MW情况下，发生直流单极闭锁故障，系统失稳，具体情况如图9（a）所示。在北部地区继续开机，使通道功率达到4 600 MW，在YH-DJ双回线加装650 MV·A（2×250+150 MV·A，串联侧250 MV·A且共用并联端，下同）UPFC装置，在直流故障后提升YH-DJ输送功率，系统仍可稳定运行，如图9（b）所示。

图9 北部断面装设UPFC前后潮流对比（直流单极闭锁故障）Fig.9 Comparison of power flow before and after UPFC installation on northern section（under DC monopole locking fault）

综合以上分析可知，通过加装650MV·AUPFC装置，可提高北部断面输电能力500 MW，效果较好。

3.3 330 kV UPFC安装方案仿真分析

本小节选取DW 330 kV站近区进行具体计算和仿真分析，其余安装地点采取相同的分析方法。

3.3.1 DW 330 kV站近区

DW 330 kV站近区接线示意图如图7所示。当XL-DW线路发生N-1故障时，WN-DW线路输送潮流为729.9 MW，超过线路热稳定极限（680 MW），需减小DoJ近区75 MW负荷，才能保证系统正常运行；当WN-DoJ线路发生N-1故障时，WN-DW线路输送潮流为771.8 MW，超过线路热稳定极限。

针对上述2个故障提出相应UPFC安装方案，UPFC安装地点分别为DoJ-XL单回线和WN-DoJ单回线，并联侧均在DoJ站，详情见表1。经仿真计算，在不同N-1故障下，每个方案都可以解决线路过载问题，但所需UPFC容量不同。

表1 DW 330 kV站近区UPFC安装方案详情Tab.1 Details of UPFC installation scheme in the near area of DW 330 kV station

综上所述，建议在330 kV DoJ站内DoJ-XL线路上加装一套容量为13 M·VA的UPFC装置，可确保任一线路发生N-1故障后，DoJ近区线路无过载情况发生，详细控制效果见图10。

一套容量为13 MV·A的UPFC装置工程造价约为2 660万元，而在DoJ-WN线架设一回输送能力为680 MW的330 kV电压等级线路工程造价为11 747万元，在DoJ-XL线架设一回输送能力为680 MW的330 kV电压等级线路工程造价为15 829万元。经济效益对比分析见表2。由对比分析可知，在WN-DoJ线安装UPFC装置工程造价相较于架设330 kV输电线路，经济性非常好。

表2 DW地区经济效益对比分析Tab.2 Comparison and analysis of economic benefits in DW area

图10 UPFC应用方案示意Fig.10 Schematic of UPFC application scheme

3.3.2 其余需求地点仿真分析

对其余UPFC需求地点进行安装方案研究和仿真分析，并与新建线路进行经济性对比，结果如下：

（1）ShM-YH电磁环网。根据仿真计算，在JJShM线上安装一套容量为46MV·A（18×2+5×2MV·A，不共用并联端）的UPFC装置，当ShM-JJ线路N-1后，可以把JJ-ShM线上的潮流转移到ShM-YH 750 kV线路上，使得JJ近区线路正常运行，提升北部电网外送能力150 MW。

在JJ-ShM线安装一套容量为46 MV·A的UP⁃FC装置工程造价约为9 200万元，而在该线架设一回输送能力为680 MW的330 kV电压等级线路的工程造价约为3 072万元。安装UPFC装置成本远高于架设330kV输电线路，经济性较差。

（2）BJ地区受电断面。若在YCh-MY线上加装一套11 MV·A（6+5 MV·A）的UPFC，可将YCh-MY线的部分潮流转移至YCh-CJP线，使得YCh-MY线潮流为679.5 MW，低于线路热稳限额，使得YCh地区的受电能力大大加强。

安装一套容量为11 MV·A的UPFC装置工程造价约为2 200万元，而在YCh-MY线架设一回输送能力为680 MW的330 kV电压等级线路工程造价为7 190万元。由对比分析可知，BJ地区受电断面在YCh-MY线安装UPFC装置成本低于架设330 kV输电线路，有较好的经济性。

（3）XA北近区。根据仿真计算，应选择在XAB-ChB双回线路上加装总容量为46 MV·A（18×2+5×2 MV·A，不共用并联端）的UPFC装置，当XAB-XZh线路发生N-2故障后，可使得XAB-BeJ线路上的部分潮流转移到邻近线路上，保证XAB-BeJ线路输送潮流不过载，同时提升XZh、BeJ地区的受电能力，保证BeJ地区供电稳定。

2套容量各为23 MV·A的UPFC装置工程造价为9 200万元，而新建XAB-XZh第三回输送能力为680 MW的330 kV电压等级线路工程造价为3 983万元。由对比分析可知，XA北近区负荷增长后，在ChB-XAB双回线路上加装UPFC装置成本高于架设330 kV输电线路，经济性较差。

3.3.3 综合比较

基于上述计算结果，330 kV电网中共有4处地点存在UPFC应用需求，其容量范围为11～46 MV·A，详细比较见表3所示。

表3 各UPFC应用方案技术经济性对比Tab.3 Comparison of technical and economic performance among various UPFC application schemes

在JJ-ShM线路和ChB-XAB双回线两处，加装UPFC装置成本高于架设输电线路，经济性差。余下布点中，在BJ近区，可通过增大BJ地区火电厂出力，解决BJ-XSh双回线三永N-2故障下YCh-MY单回线过载的问题，必要性较差；在XAB近区，安装UP⁃FC装置可以在推迟建设XAB-BeJ线路建设的同时满足近区用电需求，节约电网投资，但是可通过调整WN热电厂运行方式来解决N-1后线路过载问题；在DW站近区，装设UPFC经济性好，且必要性强。

4 结论

本文提出了一种“精准选址-优化容量”的优化配置方法，基于实际电网情况，研究了其对UPFC的需求，并开展了UPFC布点选择和技术经济性比较。得出以下结论：

（1）UPFC作为第3代FACTS装置，有精准的潮流控制能力，能够实现线路潮流的转移，从而改善断面输电能力。

（2）不同布点对UPFC控制的灵敏度不同，在此基础上，综合经济分析和必要性比较，可得出在技术层面的优选布点；通过本文分析，针对西北某省级电网实际情况，建议在YH-DJ 750 kV线路和DoJXL 330 kV安装UPFC装置，提升电网供电稳定性。

（3）从长远来看，UPFC装置还有降价空间，与电网的适用性将进一步增强。