HHUPFC在环网线路中的潮流调节应用

费雯丽， 王晓蓓， 张天然

(海军工程大学电气工程学院， 武汉 430034)

由于一次能源和主要用电负荷地理上分布不均匀，中国已经建成了大规模的超高压和特高压输电线路[1]。然而，由于电网中输电线路潮流的自然分布是由系统注入模式、网络结构和网络参数决定的，因此系统实际潮流分布和理想分布可能相去甚远。尤其在环网线路中，潮流的不均衡分布可能造成部分线路重载，而部分线路利用率不足，既没有充分挖掘现有电网的潜力，又影响电力系统的安全稳定运行[2-3]。因此亟需采用一种有效的潮流调节装置，解决高压环网中的潮流分布不均问题。

基于电力电子器件的统一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)可快速、连续的调节输电线路的潮流，但由于其成本较高、电力电子器件在高压环境下运行可靠性低等问题，它更适用于电压等级低、对动态调节能力、响应速度要求高的应用场合[4-5]。

近年来，有学者提出了混合式统一潮流控制器(hybrid electromagnetic unified power flow controller, HEUPFC)，即将大容量的“Sen”变压器和小容量的UPFC结合，既弥补了“Sen”变压器离散调节的不足[6-8]，又弥补了仅采用UPFC调节时，装置成本高、损耗大和可靠性低等方面的不足[9-11]。但其有功潮流调节范围有限。

文献[12]在HEUPFC的基础上，提出了高压混合式统一潮流控制器(high-voltage hybrid unified power flow controller, HHUPFC)的拓扑结构。相比于HEUPFC，HHUPFC大幅度增加了装置同容量下的有功的潮流调节范围。HHUPFC由大容量的高压“Sen”变压器(high-voltage “Sen” transformer, HVST)[13]和小容量UPFC组成，是一种适合高压电力系统的功能强大的潮流调节装置。但文献[12]仅在单条输电线路上研究了HHUPFC的潮流调节原理，并未对其在环网中的调节性能进行研究。

基于此，现研究HHUPFC在环网中的潮流调节问题，在介绍HHUPFC基本原理的基础上，理论推导了HHUPFC在环网线路中的调节原理，并在IEEE30节点系统及广东某220 kV环网中仿真对比HHUPFC和HEUPFC的潮流调节性能，以验证HHUPFC在环网潮流调节中的优势及作用。

1 HHUPFC基本原理

1.1 HHUPFC的拓扑结构

图1 HHUPFC的拓扑结构Fig.1 Schematic diagram of HHUPFC

HHUPFC接入三相输电线路的简化结构图如图1所示。HHUPFC由大容量HVST和小容量UPFC组成。补偿前系统首端电压为UsA、UsB、UsC，经过HHUPFC补偿后，系统首端电压为UsA1、UsB1、UsC1。HHUPFC输出的串联侧补偿电压为UHHA、UHHB、UHHC，通过三相隔离变压器注入系统首端。

图1中，A、B、C为HVST和UPFC共用的三相原边励磁绕组，a1、b1、c1为三相原边绕组中带可调抽头的部分，a2、b2、c2为带有可调抽头的二次绕组，这两部分带有可调抽头的绕组提供了HVST输出的串联补偿电压；a3、b3、c3这3个二次绕组为UPFC并联侧提供三相励磁电压。

HHUPFC中各绕组的具体接线方式如图1所示，A相输电线路串入的补偿电压UHHA由b1绕组、c2绕组、UPFC-a提供；B相线路串入的补偿电压UHHB由c1绕组、a2绕组、UPFC-b提供; C相线路串入的补偿电压UHHC由a1绕组、b2绕组、UPFC-c提供。

1.2 HHUPFC的电压调节特性

HVST产生的串联侧补偿电压UHVST和UPFC产生的串联侧补偿电压UUPFC串联，合成装置HHUPFC的串联侧补偿电压UHH，需要注意的是，HVST和UPFC输出的串联补偿电压都是三相对称的，这样才能保证串联补偿后的三相电压仍然维持三相平衡。补偿后的系统首端电压可表示为

Us1=Us+UHH=Us+UHVST+UUPFC

(1)

式(1)中：Us为首端电压。当HVST的可调抽头能在(0，±1)这3个档位调节，即HVST的调节级数m=1时，HHUPFC三相的串联侧输出电压向量图如图2所示。

图2 HHUPFC串联侧输出电压向量(m=1)Fig.2 Output voltage phasors of HHUPFC(m=1)

HVST可输出的电压向量是菱形上离散的点，而UPFC则可以输出以其最大补偿电压为半径的圆内的任一电压向量，当这两个向量叠加，HHUPFC就结合了HVST的点补偿和UPFC的面补偿能力，HHUPFC电压向量的输出范围即图2中所有小圆所覆盖的整个区域，是连续可调的。

当HVST的调节级数m增大时，HHUPFC可输出的电压向量数量就会增加，UPFC的小圆半径就可以随之减少。即随着HVST调节级数的增多，可减少UPFC的容量。

1.3 HHUPFC的潮流调节特性

接入HHUPFC装置的输电系统及其电压向量示意图如图3所示(假设调节级数m=3)，其中HHUPFC串联部分的补偿功能用电压向量UHH表示，幅值为U′HH，相位为θHH。输电线路两端简化为理想的单机无穷大系统。补偿前，系统首端电压用Us表示，系统末端电压用Ur表示，系统首末端本身的相位差为δ。经过HHUPFC补偿后，系统首端电压向量用Us1表示，补偿后系统首末的相位差为δ1，忽略线路的电阻和电容，其等效电抗为XL，输电系统末端有功、无功潮流分别为Pr、Qr。

图3 接入HHUPFC的输电系统及电压向量示意图Fig.3 Schematic diagram of a power system with a HHUPFC block and the phasor diagram

通过潮流计算可知， HHUPFC补偿后，输电系统末端的有功潮流Pr、无功潮流Qr表达式分别为

(2)

(3)

将式(2)、式(3)结合HHUPFC在整个区域的电压控制向量图[图3(b)]可得，输电线路末端传输的有功潮流Pr、无功潮流Qr调节区域就如图4所示，其中Pr0、Qr0分别为没有潮流调节装置时线路末端传输的有功、无功功率。图3(b)中每一个电压向量控制点都对应图4中一个P-Q运行点，如图3(b)中HHUPFC输出电压向量“OM”时，此时系统的潮流运行点即为图4中的点“N”。通过控制HHUPFC串联侧输出不同幅值UHH、不同相位θHH的电压向量，即可以得到图4所示的潮流控制区域。以上就是HHUPFC在单条输电线路上进行电压调节和潮流调节的基本原理。

图4 HHUPFC控制下的P-Q运行范围Fig.4 Relationship between P and Q with the HHUPFC

2 环网线路中的潮流调节原理

简单环网的等效结构图如图5所示，系统“s”通过环网(输电线路L1、L2和L3)向系统“r1”和系统“r2”传输电能。

图5 简单环网的等效结构Fig.5 Schematic diagram of a simplified ring network

图5所示的简单环网中，系统“r1”和“r2”带有恒定负载，其功率分别为SLD1=PLD1+jQLD1,SLD2=PLD2+jQLD2。系统“s”发出的功率Ss=Ps+jQs。忽略电阻的影响，系统“s”发出的有功功率必然等于系统“r1”和系统“r2”接收的有功功率之和。输电线路L1、L2和L3上的等效电抗分别为XL1、XL2和XL3，在这些线路上传输的潮流分别记为S1=Pr1+jQr1、S2=Pr2+jQr2和S3=Pr3+jQr3。

根据闭环网络的功率分布计算公式可知，该环网的功率分布为

(4)

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可知，环网潮流的分布除了受系统负荷(SLD1和SLD2)影响以外，主要是由输电线路的电抗参数决定的。由于不能改变系统所需负荷值，如果环网的阻抗大小分布不合理，就会导致潮流在环网中的分布不合理，极端情况下可能出现部分线路过载、部分线路利用率不足的情况。因此，对于潮流分布不合理的环网线路，可在其中一条线路首端安装一个HHUPFC，在环网中引入环路电势UHH使产生循环功率Sc，以对环网进行潮流控制，改善功率分布。HHUPFC接入输电线路L2首端的环网等效结构如图6所示。

HHUPFC向系统提供的附加电势为UHH，其幅值为U′HH，相对于系统“s”端电压的相位为θHH。这个附加电势在环网中产生循环电流Ic，并产生循环功率Sc，其中有功为Pc，无功为Qc。HHUPFC调节后，线路L1、L2和L3上传输的有功分别为P′r1、P′r2和P′r3，无功分别为Q′r1、Q′r2和Q′r3。3条输电线路的电抗和记为X∑，忽略输电线路和装置本身的损耗，HHUPFC产生的循环电流为

(7)

图6 接入HHUPFC后的环网等效结构图Fig.6 Schematic diagram of a ring network with a HHUPFC block

图6中，循环电流的方向为逆时针方向，因而该循环电流产生的循环功率Sc与输电线路L1的原功率S1反方向，与输电线路L2、L3的原功率S2、S3同方向。循环功率的计算表达式为

(8)

式(8)中：UN为输电网络的额定电压。

由于通常所说的输电容量是指线路传输的有功功率，因此仅分析HHUPFC对线路传输的有功功率的影响。通过式(8)可得，接入HHUPFC后，线路L1、L2和L3末端的有功功率表达式分别为

(9)

(10)

(11)

由式(9)～式(11)可知，通过调节HHUPFC的输出电压幅值UHH或输出电压相位θHH，即可调节环网中的线路潮流，改善功率分布。

为方便理解，现假设环网中初始的潮流分布为Pr2>Pr3>Pr1，其中输电线路L2和L3过载，输电线路L1轻载。当HHUPFC的输出电压幅值UHH为一个恒定值，输电线路L1、L2和L3传输的有功潮流(P′r1、P′r2和P′r3)随HHUPFC的输出电压相位θHH变化的曲线如图7所示。

从图7可以看出，当HHUPFC的输出电压相位θHH在180°～360°范围取值时，HHUPFC减少了线路L2和L3传输的有功潮流，增加了线路L1传输的有功潮流，这就减小了潮流在3条输电线路中的不均衡度。通过HHUPFC的调节，在A<θHH

分析可知，控制HHUPFC输出一定幅值和相位的补偿电压，可以将环网线路中传输的潮流由重载线路向轻载线路转移，HHUPFC可应用于环网中使环网中的潮流分布更合理。

灰色的区域为线路潮流的正常运行范围， 超过这个潮流值认定是潮流过载区域图7 环网中输电线路传输的有功潮流随HHUPFC输出 电压相位的变化Fig.7 The active power flows on ring network lines with HHUPFC compensating at a varying phase angle

3 算例研究

为验证HHUPFC在环网中的潮流均衡作用，在IEEE30节点系统中，对HHUPFC和HEUPFC的潮流调节性能进行仿真对比研究。

3.1 IEEE30节点系统模型

IEEE30节点系统和其初始潮流分布如图8所示(系统基准电压：220 kV)。

编号1～30表示系统的30个节点，每个节点编号周围有一个带括号的数字，其中括号里的正数表示这个节点的有功负荷，负数表示这个节点的发电出力；箭头代表潮流流动的方向，上面的数字就是 对应的有功潮流值；有功功率的单位均为MW图8 IEEE30节点系统及其潮流分布(无潮流调节装置)Fig.8 IEEE 30 bus system without any power flow control devices and the power flow distribution

从图8(a)可以看出，IEEE30节点系统可划分为3个区域，区域“M1”“M2”和“M3”。图8(b)为对应的潮流分布。

区域“M1”和“M2”之间通过支路“4～12”传输潮流，区域“M1”和“M3”之间通过支路“6～10”“9～10”“28～27”传输潮流，区域“M3”和“M2”之间通过支路“10～17”“10～20”“24～23”传输潮流。由于区域“M1”和“M2”之间仅有一条功率传输通道，而“M1”和 “M3” “M3”和“M2”之间均有三条潮流的通道，潮流在这三组输电通道上分布不均，输电通道“4～12”潮流较重。

如果能将“M1”向“M2”直接传输的有功功率转移一部分，即转移部分功率先从“M1”流向“M3”，再从“M3”流向“M2”，这样就能减小输电通道“4～12”的潮流，降低潮流在这三组输电通道中的不平衡度。因此，在支路“4～12”上安装潮流调节装置，可降低区域“M1”直接向“M2”传输的有功功率，均衡潮流分布。

3.2 环网线路仿真结果对比分析

HEUPFC和HHUPFC分别被安装在输电通道“4～12”的首端进行潮流调节。两种潮流调节装置的可调级数均设置为m=3。当HEUPFC和HHUPFC二次绕组的额定电压UsN为0.1 p.u.时，两种潮流调节装置对IEEE30节点系统中3个区域间输电通道的潮流调节结果如图9所示。

以P4～12为例，表示支路4～12上的潮流图9 IEEE30节点系统潮流调节结果(UsN=0.1 p.u.)Fig.9 The power flow regulation results of the IEEE 30 bus system(UsN=0.1 p.u.)

由于区域“M1～M3”的输电通道“9～10”是进行潮流调节后，有功潮流值增加最多的输电通道，因此，对比输电通道“4～12”和输电通道“9～10”上的潮流分布情况。在原始潮流分布中，输电通道“4～12”和 “9～10”上的潮流分布不均衡度为82%。

由图9(a)可知，在IEEE30节点系统中安装HEUPFC后(UsN= 0.1 p.u.)，通过其潮流调节，在一定程度上降低了“M1”和“M2”之间的输电通道“4～12”上的有功潮流，增加了其他输电通道上的有功潮流，尤其是输电通道“9～10”上传输的有功功率。但是，在此时，输电线路“4～12”上传输的有功潮流仍然比“9～10”多56%。如果要通过HEUPFC完全均衡这两条输电线路上传输的有功潮流，只能进一步增加HEUPFC二次绕组的额定电压，这样会增加装置的容量与成本。

由图9(b)可知，在IEEE30节点系统中安装HHUPFC后(UsN= 0.1 p.u.)，输电通道“4～12” 和输电通道“9～10”上的有功潮流不平衡度从82%降低为了3%，同样参数设计下，HHUPFC潮流均衡效果优于HEUPFC。

图10为HEUPFC和HHUPFC二次绕组额定电压从0～0.25 p.u.变化时，输电通道 “4～12”和“9～10”上传输的有功功率分布情况。可以看出，当HHUPFC的二次绕组额定电压达到0.1 p.u.时，HHUPFC即可平衡这两条输电线路上的传输潮流。而对于HEUPFC，二次绕组额定电压达到0.22 p.u.，才能平衡环网中这两条线路的潮流。

在以上几种典型情况下的装置仿真参数设置及其对应的潮流调节结果如表1所示。

对比HEUPFC-1和HEUPFC-2的两组数据可知，当HEUPFC的额定电压从0.1 p.u.提高到0.22 p.u.时，输电通道 “4～12”和“9～10”的潮流不平衡度可从54%减小到2%。此时，HEUPFC-2的潮流均衡效果与HHUPFC到达一致。

对比HEUPFC-2和HHUPFC两组数据可知，在达到同样的潮流调节效果时，HHUPFC的二次绕组成本可减少70%，UPFC的容量可减少55%，有载调压开关成本可减少39%。分析可知，HHUPFC用来

图10 输电通道 “4～12”和“9～10”传输有功潮流随 额定电压UsN的变化Fig.10 The transmission active power flows of lines 4～12 and 9～10 at various rated voltage UsN

表1 在IEEE30节点系统中HEUPFC和HHUPFC 的仿真参数

均衡环网中输电通道的潮流时，其成本低于HEUPFC。

4 广东某220 kV环网中的应用研究

为验证HHUPFC在环网中的输电能力提升作用，在广东电网某220 kV环网系统中，对HHUPFC的输电能力提升作用进行仿真研究。

4.1 广东电网某220 kV环网线路潮流调节现状

广东电网某220 kV环网的输电线路存在输电瓶颈，从惠州往仲恺方向的输电极限受环网中其他输电线路的制约，该环网等效结构如图11所示。

环网(图11)中各条输电通道参数如表2所示。图11所示的环网结构中，惠州站通过这个220 kV环网向仲恺、雍园输送电能，由于三栋站没有其他有功出力接入，因此这个环网的输电极限就是惠州-仲恺(甲线、乙线)、惠州-三栋(甲线、乙线)这四条通道的输电极限之和。

PHZ1和PHZ2分别为惠州-仲恺甲线、乙线传输的有功潮流；PHS1和PHS2分别为惠州-三栋甲线、乙线传输的有功潮流；PSY1和PSY2分别为三栋-雍园甲线、乙线传输的有功潮流；PZY为仲恺-雍园传输 的有功潮流图11 广东电网某220 kV环网结构Fig.11 Structure of a 220 kV ring network of Guangdong Power Grid

表2 广东电网某220 kV环网主要电气参数

表3 在HHUPFC调节下广东某220 kV环网的输电极限提升情况

在潮流的自然分布下，当惠州-三栋甲线、惠州-三栋乙线(输电线路HS1、HS2)的负载率分别达到97%、100%时，惠州-仲恺甲线、惠州-仲恺乙线(输电线路HZ1、HZ2)的负载率均只达到32%，这就使得惠州-仲恺段的输电能力没有得到充分应用，惠州-仲恺、雍园的总输电极限被限制到964 MW。

为了提高惠州-仲恺、雍园的总输电极限，就需要增加惠州-仲恺甲线、惠州-仲恺乙线这两条输电线路的利用率。基于以上分析，将在仲恺-雍园(ZY)输电通道上增加潮流调节装置，此时潮流调节装置产生的循环功率Pc与惠州-仲恺、仲恺-雍园的有功潮流同方向，与惠州-三栋、三栋-雍园的有功潮流反方向，这将有效增加惠州-仲恺、仲恺-雍园这两部分输电通道的潮流比例，减小惠州-三栋、三栋-雍园这两部分输电通道的潮流比例，从而改善潮流分布的不均衡度，使惠州-仲恺段输电通道的输电能力得到更充分应用，以增加惠州-仲恺、雍园的总输电极限。

4.2 环网总输电能力调节结果

如图11所示，将在仲恺-雍园(ZY)输电通道的首端安装HHUPFC来进行对比仿真研究。HHUPFC中二次绕组额定电压为0.1 p.u.时(UsN=0.1 p.u.)，HHUPFC使该220 kV环网的总输电极限达到1 494 MW。具体的仿真结果如表3所示。

5 结论

通过研究HHUPFC在环网中的潮流调节作用，得出以下结论。

(1)HHUPFC可有效改善环网输电线路中潮流分布不均衡的问题。通过控制HHUPFC输出一定幅值和相位的补偿电压，可以将重载线路的潮流转移到轻载线路上。

(2)与传统混合式统一潮流控制器(HEUPFC)相比，在同等参数设计下，HHUPFC的潮流调节效果更好。为达到同样的潮流均衡效果，HHUPFC所需装置容量更小，降低了装置成本。

(3)在广东电网典型环网中验证了HHUPFC对环网线路的输电极限提升作用。