基于UPFC的電力系統可用輸電能力的研究

張艷麗 武俊麗 崔繼仁 吳桂云

基于UPFC的電力系統可用輸電能力的研究

張艷麗 武俊麗 崔繼仁 吳桂云

隨著電力電子技術的發展，電力系統輸電的穩定性和經濟性有了顯著的提高。本文結合FACT裝置中的統一潮流控制器對系統可用輸電能力進行了研究，簡要說明了UPFC的工作原理，給出了計算模型，并分析了仿真結果，從而驗證了研究的有效性。

隨著各個電力系統之間聯系的緊密程度的加深，系統之間經濟和可靠的系統運行方式引起了廣泛地探討。其中，電力系統可用輸電能力（Available Transfer Capability，簡寫為ATC）是重要指標，不僅體現出了系統之間的聯系程度，而且為電力系統的穩定運行提供合理數據。在電力系統中，靈活交流輸電系統FACTS的一個基本而又重要的作用是調節電力系統潮流分布，控制電力系統的運行狀態。而統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller 簡寫UPFC）綜合了FACTS控制器的眾多靈活控制功能。為此本文應用UPFC對電力系統的可用輸電能力進行了研究，給出了計算模型以及仿真分析，結果表明本文的模型的有效性，增加了系統的輸電能力和穩定性。

UPFC基本原理

在FACT裝置中，UPFC的功能顯得尤為突出，并且能夠高效運行。它通過并聯補償、串聯補償以及換流器、電容器，來實時控制輸電線路的電壓幅值和相角，以及線路的參數，并且能夠控制節點的電壓和功率，從而優化系

圖1 UPFC結構原理圖

統的潮流。圖1為UPFC的結構原理圖，包括換流器、電容、變壓器和它們中間的連接線。換流器用來吸收或供給無功功率。UPFC模型在等值計算電路中，串聯部分等效為一個電壓源（控制參數為EcθEc，其中0≤Ec≤Ecmax，0≤θEc≤2π）。它的并聯支路等效為一個無功電流源（可控參數為IcθIc，其中0≤Ic≤Icmax，0≤θIc≤2π）。它通過串聯部分等效的電壓源來改善電力系統的潮流分布。

計算模型

目前很對科技工作者提出了多種UPFC模型，如節點等效注人功率模型、電壓源模型和輸電線路參數如阻抗Z模型等等。而對于網絡等效注入模型實質變換網絡，轉移支路，通過研究線路兩側的節點來考慮UPFC的影響對線路的影響，而沒有新增節點，從而降低了網絡的潮流計算矩陣的維數。為此本文采用此模型，使得UPFC來優化電力系統的潮流，圖2為UPFC的節點注入功率模型。

則該數學模型可表示為：

其中x 為系統的狀態變量，u 為控制變量。f（ x， u）為目標函數，g（ x， u ）為等式約束，h（ x， u）為不等式約束。其中x 包括節點電壓的富變量，u為發電機和負荷的復功率、UPFC等效電壓源和電流源的復變量。設∑Pij為兩個區域聯絡線上初始功率，∑Pij（x， u ）為兩個區域聯絡線上現有功率。為此，可用輸電能力計算中令A目標函數為：

圖2 UPFC模型

圖3 IEEE-30節點系統

等式約束條件為

輸電能力計算的不等式約束包括容量約束（發電和負荷），安全約束（包括節點電壓偏移量約束，線損約束等），另外，不能忽略UPFC等效的EcθEcIcθIc的約束。本文采用了動態規劃法來進行最優潮流計算。

仿真分析

為驗證上述模型的可行性，采用IEEE-30節點系統進行了可用輸電能力計算，如圖3所示，該系統包括6臺發電機，21個負荷，41條支路，并將其劃分為3個區域。分別對有無UPFC裝置，進行了仿真分析。所設參數如下：其中標么值均以功率200MVA，各段平均額定電壓為基準，各發電機的端電壓相角差為0。驗證了區域2和區域3間的可用輸電能力。

（1）系統未含有UPFC

初始輸電協議為36.73MW，由Matlab得知區域2和區域3之間的最大輸電能力為85.21MW，則區域間的可用輸電能力為48.48MW。此時線路10-17、18-19、23-24超限。

（2）系統含有UPFC

在線路19-20和29-30上之間安裝了統一潮流控制器，新增了u，修正了節點19，20，29，30的潮流方程中考慮UPFC的附加注入功率，計算得兩個區域間的可用輸電能力為68.79MW，與不裝設UPFC相比，可用輸電能力增加了20.31MW。此時僅有線路21-22超限。線路10-17、18-19、23-24雖沒有裝設UPFC裝置，但在線路19-20和29-30得附加了UPFC后，目標函數得以優化，潮流分布得到了改善，繼而減少了線路超限。

結語

我國的電源和負荷分布不平衡的問題，引起了對電力系統輸電能力的探討。而靈活輸電技術的引進解決了輸電能力的一些問題，UPFC綜合了FACTs功效，利用補償原理對其進行改善。本文利用統一潮流控制器對電力系統的可用輸電能力進行了詳細地研究，并在以IEEE-30節點系統中進行了仿真分析，從而改善了系統的穩態和安全性。但是在可用輸電能力中，電力系統模型仍存在實時型差和較強的復雜度，并且龐大的系統引起了計算速度的問題，但是計算仍受到模型的復雜性和計算速度的制約，因此有很多問題值得學者更加深入地研究與實踐。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.06.004