南京西環網裝設UPFC裝置的主設備容量優化選擇

甄宏寧，梁志瑞，王瑩，王震泉，張詩滔

南京西環網裝設UPFC裝置的主設備容量優化選擇

甄宏寧1，梁志瑞2，王瑩1，王震泉1，張詩滔1

（1.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102；2.華北電力大學，河北保定071000）

為了解決近期及未來南京主城區220 kV西環網存在輸電通道瓶頸的問題，電力規劃部門決定采取在電網中串接統一潮流控制器（UPFC）的措施。文中結合當地電網實際情況提出了UPFC容量選擇的方法和思路。借助電力系統綜合分析程序（PSASP），通過潮流穩態計算，進行了UPFC容量對提升南京西環網供電能力的敏感性分析，并且提出了UPFC最優容量選擇。

UPFC；南京西環網；容量選擇

為解決南京江南城區220 kV西環網長期存在送電能力不足問題，改善局部輸電通道正常運行方式下重載、重要線路N-1過載的情況，規劃和運行部門經過多種方案比選，決定采取在220 kV西環網合適的位置安裝統一潮流控制器（UPFC）的措施。根據電網規劃研究，隨著南京地區負荷的增長以及220 kV電網的建設發展，“十三五”初期至“十四五”末期間，均需要UPFC裝置在南京220 kV西環網中起到限制送電通道潮流越限的作用。本文對南京220 kV西環網中的裝設UPFC的主設備容量（主設備指的是UPFC串聯側換流成套裝置及相應串聯變壓器）進行計算分析，對UPFC自投產后到“十四五”期間在電網中運行所需的容量提出優化選擇［1］。

圖1　現狀南京220 kV西環網系統結構圖

圖2　遠景年南京220 kV西環網系統結構圖

1　南京西環網裝設UPFC工程

南京江南主城區220 kV電網呈雙鏈式環網結構。220 kV西環網為500 kV龍王山變以西至500 kV秦淮變以北部分，主要供電范圍是南京老城區的重要負荷中心。現狀及遠景年西環網主要結構如圖1、圖2所示。2014年，南京地區總負荷約8460 MW，其中220 kV西環網供電負荷約2200 MW。由于南京主城環網的電源、負荷分布不均，220 kV西環網中部潮流自然分界點以北的主要輸電通道存在潮流過重問題，自東向西通過西環網內220 kV曉莊變南送下關變、中央門變斷面潮流過重情況尤為突出，現狀及未來成為制約整個西環網輸電能力的瓶頸，從而最終影響南京電網整體供電能力和安全可靠水平。

電網規劃和調度運行部門通過多方案比選，最終決定采用技術和經濟性最優的在220 kV電網中串聯UPFC裝置的措施解決西環網輸電瓶頸問題。根據設計單位現場踏勘和初步計算，確定將UPFC安裝在鐵北220 kV開關站，UPFC串聯入曉莊—鐵北雙回線路中，通過控制該輸電斷面的潮流大小以保證整個西環網中相關220 kV線路在正常運行方式下不過載，在線路N-1方式下輸送潮流不越限［2］。

2　基于PSASP的UPFC穩態計算方法

本文通過電力系統綜合分析程序（PSASP）結合南京220 kV電網實際參數，使用簡化的等效穩態計算方法，忽略UPFC的有功損耗，按UPFC同時控制母線電壓和線路功率的條件，在電網仿真潮流計算中加入UPFC模型。通過穩態潮流計算，考察相同電網結構和負荷水平下不同容量的UPFC裝置對電網潮流改變能力并找到符合運行要求的最小必須容量。

2.1UPFC串聯側改變線路功率的向量圖

UPFC通過串聯變壓器在線路上產生一個電壓源，通過該電壓源來改變線路首端的電壓幅值和相角，從而改變線路上的功率。忽略串聯變壓器的電阻后模型如圖3所示。UPFC串聯側的向量圖如圖4、圖5所示。

圖3　UPFC串聯接入電網基礎模型

圖4　UPFC降低線路輸送功率向量圖

圖5　UPFC提升線路輸送功率向量圖

串聯變壓器消耗的功率：線路側為（Vs-Vr）× （IB）*，閥側的值等于VB×（IB）*。

在降低線路功率時，變壓器線路側功率＞閥側功率。XB越大，兩者差值越大。

在提升線路功率時，變壓器線路側功率＜閥側功率。XB越大，兩者差值越大。

串聯變壓器兩側輸出電壓：線路側輸出為（Vs-Vr），閥側輸出折算到線路側等于VB。

在降低線路功率時，線路側電壓＞閥側電壓（折算至線路側）。XB越大，兩者差值越大。

在提升線路功率時，線路側電壓＜閥側電壓（折算至線路側）。XB越大，兩者差值越大。

通過分析可知，串聯變壓器消耗無功主要影響所串聯線路上的有功變化；串聯變壓器消耗有功主要影響所串聯線路上的無功變化。

2.2PSASP計算時的UPFC模型

在程序中無UPFC模型的情況下，為在潮流計算中體現UPFC的作用并估算其所需容量大小，忽略UPFC的有功損耗，按UPFC同時控制母線電壓和線路功率考慮，UPFC接入電力系統示意圖如圖6所示。

圖6　UPFC接入電力系統示意圖

在穩態潮流計算中，母線s的電壓Vs為設定值，線路上的功率Prs，Qrs也是設定值。此時母線s的電壓幅值和有功都為已知，則可將其看作PV節點，等效成一臺發電機；母線r的流出有功、無功都為已知，所以可以將其看作PQ節點，等效成一個負荷，即可得到如圖7所示的UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型。

圖7　UPFC的Nabavi-Niaki&Iravani模型

利用該模型進行潮流或最優潮流計算后，可以得到Vs，Vr以及s端等效發電機的無功出力Qgs的值，利用這些已知量可以推算出UPFC電壓源模型的相關變量，通過計算UPFC串聯變側（主要改變線路有功潮流輸送能力）的容量以確定UPFC成套裝置的容量。

3　UPFC容量選擇

UPFC容量選擇是工程設計、設備選擇和采購過程中重要的步驟。通過初步研究分析，同等情況下，UPFC容量的大小決定了改變電網有功潮流分布變化大小［3］。對于南京220 kV西環網UPFC應用示范工程來說，容量計算分析和選擇的主要制約因素為：

（1）當地220 kV電網邊界條件的變化。外界電網的結構和運行方式的改變，對UPFC完成同一樞紐點功率變化控制所需的容量有一定影響。當電網主要輸電斷面的增強或減弱、電網中電源點的新增或減少對UPFC裝設的容量選擇影響明顯。

（2）負荷分布和增長的不確定性。南京220 kV西環網UPFC示范工程基于現狀南京及所含西環網供電片區的負荷總量和分布進行分析，隨著社會經濟的發展，供電負荷的提升或者負荷在整個地區的分布發生了較大變化，對UPFC所需容量的選取有一定影響。

（3）設備制造能力的制約。UPFC工程應用的核心設備是電壓源換流器及控制保護裝置。MMC結構換流器具有低損耗、低諧波，以及結構緊湊、擴展性好等特點，適合于UPFC工程應用。經向相關制造商了解，其核心大容量換流閥制造能力有限，其IGBT晶閘管最大穿越電流制約了UPFC的容量不能無限增大。

基于上述主要制約因素，UPFC的容量選擇可通過電網調度和規劃部門既定的UPFC投產年及今后南京電網負荷預測及分布，充分考慮當地220 kV電網邊界條件的變化，借助PSASP進行潮流分析計算，描繪逐年UPFC控制電網功率變化的能力特性曲線，并找到該曲線上的控制臨界點。綜合逐年曲線上的臨界點，選取合適的UPFC成套裝置容量，校核設備制造能力是否滿足要求。

3.1計算邊界條件的確定

根據UPFC工程概況，投產年UPFC安裝位置如圖8所示，即UPFC串入曉莊—鐵北雙回線路，通過控制鐵北—曉莊雙線潮流，進而實現調節曉莊南送斷面（曉莊—中央—下關、曉莊—下關）潮流的目的。

圖8　投產年南京220kV西環網系統結構圖

根據規劃部門資料，在工程投產年、近期以及遠景年中，該片區220 kV電網中需考慮：

（1）秦淮—濱南二通道（第3，4回線）的投運時間待定，預計2017年至2018年建成投產。

（2）受國家政策影響，“十三五”期間華能南京電廠具體關停時間待定。

（3）500 kV秋藤變的江南側主變220 kV送出通道（秋藤—綠博園線路）投運時間不確定。

本文以2017年至2020（2025）年規劃電網網架目標為基礎，計算考慮UPFC裝置后電網遠景年的潮流。論證UPFC容量需求時，對考慮秦淮—濱南二通道、華能南京電廠關停、秋藤—綠博園線路等不確定因素進行了敏感性分析。

計算邊界條件。西環網負荷發展按2016年2800 MW、2020年3100 MW、2025年3500 MW考慮。充分考慮電網建設進度安排以及各年份負荷發展，穩態計算和UPFC容量選擇計算的邊界條件如表1所示。

表1　計算的邊界條件

3.2潮流計算和容量需求分析

對上述邊界條件下所有運行方式，針對正常運行方式下重載線路及重要輸電斷面做N-1穩態潮流分析，其中利用2.2節的穩態計算方法，對各邊界條件下UPFC容量大小改變目標線路潮流大小的能力進行分析并找到該邊界條件下的最低容量點。

以2016A為例，在計算UPFC投產年穩態潮流中，UPFC的控制目標為曉莊南送斷面線路N-1后剩下的另一回線路不過載（2016A1）通過計算描繪UPFC隨著容量的增大改變潮流能力提升的曲線，如圖9所示。并且通過計算找到該邊界條件下為完成控制目標UPFC所需要的最小容量是23.9 MV·A，如表2所示。

圖9　2016A UPFC容量-潮流改變量曲線圖

表2　UPFC所需要的最小容量計算結果

通過圖9曲線可以初步認為UPFC的容量越大改變潮流的能力越強，但是隨著容量增大到一定程度后再增大其容量改變潮流的能力提升就很有限。通過2016A2曲線與2016A1曲線比對，由于前者設定的潮流控制目標距離UPFC裝置裝設地點較遠，同等容量的UPFC對目標潮流改變的能力不如后者。

根據邊界條件中對比2016A與2017D，2018D和2019D，電網的結構和電源均無變化，僅西環網負荷的體量整體上升（負荷分布相同）。根據計算結果（見圖10），這4種邊界條件下的UPFC容量與改變潮流大小曲線基本一致，隨著西環網負荷的增大，UPFC改變潮流的目標也逐年增大，所需的最小容量亦逐年增大。

圖10　UPFC容量-潮流改變量曲線圖1

根據邊界條件中對比2017B與2016A，在電網的結構改變下，由于秦淮北送第二通道投運，為UPFC控制功率降低了難度，安裝同等容量UPFC情況下，2017B的改變潮流能力比2016A強。同時可以看出由于前者面對西環網的負荷水平高于后者，故前者所需的UPFC最小容量僅比后者小了2.1 MV·A。如圖11所示。

圖11　UPFC容量-潮流改變量曲線圖2

根據邊界條件中比對2017C，2018C，2019C，較2016年投產年電網部分的敏感性電源項目機組退役了，對UPFC的控制目標提出了更高的要求：鐵北西送斷面要保持正常方式下較大的潮流水平而該斷面線路N-1后需UPFC控制剩下的一回線路不過載。這3種邊界條件下的UPFC容量與改變潮流大小曲線也基本一致，如圖12所示。

隨著逐年西環網負荷水平的提升，逐年對UPFC最低容量需求也提升，分別需要59.8 MV·A，68.1 MV·A和77.1 MV·A（最大）（見表2），將圖10與圖12對比，圖12中UPFC容量提升10 MV·A左右時，改變潮流的能力僅為20 MW左右，較前者大大縮減，故認為UPFC面對情況較復雜的調節任務時，一味增大容量不能起到明顯的效果。

圖12　UPFC容量-潮流改變量曲線圖3

對3.1節各邊界條件均進行曲線描述，并找出相應的UPFC所需最小容量（見表2）。可見，隨著電網加強工程的積極推進，以及適當延后重要電源的退役時間，各年份邊界條件下UPFC所需最小容量可以適當降低。

3.3UPFC容量選擇

綜合各邊界條件下潮流計算結論和UPFC所需最小容量臨界值，可見未來一段時期內在最惡劣工況下UPFC的容量選取應不低于77.1 MV·A。但是最終待電網建設工程全部完成后僅需要54.4 MV·A。針對2017C，2018C和2019C邊界條件下對UPFC提出的過高要求，本文建議通過其他手段予以避免。根據表2的計算結論，2017A，2017C，2018A，2018C，2019A，2019C的邊界條件下投運了秦淮—濱南第二通道，將UPFC所需最小容量分別從59.8 MV·A，68.1 MV·A 和77.1 MV·A減小到了11.4 MV·A，18.1 MV·A和17.9 MV·A。考慮到該工程的實際建設情況有一定阻力，不一定能在2016年如期投運，但本文建議仍應該在2018年之前完成，即徹底摒除邊界條件中的2018C，2019C行。

綜上分析，UPFC的容量選擇按不低于59.8 MV·A考慮，也能滿足遠景年54.4 MV·A的要求。結合向廠家咨詢相關設備制造能力可以在經濟性允許的情況下做到單套容量60 MV·A的UPFC交直流環流部分及串聯變設備。因此UPFC串聯變和交直流轉換成套裝置需安裝的最優容量應選擇60 MV·A。

4　結束語

本文按照提出的UPFC容量選擇方法和思路展開相關研究，基于理論計算，通過敏感性分析并結合當地電網工程的實際情況，對UPFC在南京220 kV西環網的安裝容量提出了最優化選擇。該結論可以滿足UPFC工程投產年及未來長期電網運行需求，較優化前顯著降低了UPFC的建設容量，合理利用資源，節省了工程主要設備投資。本文對UPFC容量的優化選擇方式也可在今后同類工程中作為參考。

［1］江蘇省電力設計院.統一潮流控制器在南京電網應用工程可研報告［R］.2014.

［2］江蘇省電力設計院.UPFC在南京城市電網中的應用需求分析專題報告［R］.2014.

［3］陳劍平，李林川，張芳，等.基于PSASP的UPFC潮流控制建模與仿真［J］.電力系統及其自動化學報，2014，26（2）：66-70.

The Optimal Capacity Selection of UPFC Installed in Nanjing 220 kV Western Power Grid

ZHEN Hongning1，LIANG Zhirui2，WANG Ying1，WANG Zhenquan1，ZHANG Shitao
（1.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China；2.North China Electric Power University，Baoding 071000，China）

In order to solve the transmission channel bottleneck problem will occur in Nanjing 220 kV western grid，a series unified power flow controller（UPFC）is planned to install into the grid.Considering the actual situation of the power grid，a method for selecting the UPFC capacity is proposed.In this method，sensitivity analysis of UPFC capacity to promote Nanjing western network supply ability is given through power flow calculation in PSASP.Finally，the suitable UPFC capacity for Nanjing 220 kV western power grid is presented.

unified power flow controller（UPFC）；Nanjing 220 kV western power grid；capacity selection

TM744

A

1009-0665（2015）06-0018-05

2015-08-07；

2015-09-17

甄宏寧（1985），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統規劃和輸變電工程設計工作；

梁志瑞（1959），男，河北磁縣人，教授，任教于華北電力大學；

王瑩（1986），女，江蘇常州人，工程師，從事電力規劃研究工作；

王震泉（1980），男，江蘇泰州人，高級工程師，從事電力系統規劃研究工作；

張詩滔（1980），男，江蘇蘇州人，高級工程師，從事電力系統規劃研究工作。