雙回UPFC在安徽電網應用的可靠性分析

2019-04-14 07:04:56

四川電力技術 2019年6期

(1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽合肥 230062；2.國網安徽省電力有限公司黃山供電公司，安徽黃山 245000)

0 引言

統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)綜合并擴展了靜止同步串聯補償器(static synchronous series compensator，SSSC)和靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)兩種柔性交流輸電系統(flexible AC transmission system,FACTS)設備的控制手段與功能，在系統正常運行和故障狀態下均可以快速靈活地調節電力系統的潮流分布，對交流輸電系統進行實時控制和動態補償[1-2]。

UPFC接入后，有助于解決潮流分布不平衡問題，滿足電網時段性靈活可控的要求。然而，UPFC作為系統中新增加元件，對運行可靠性也會產生影響。因此，UPFC接入后系統的可靠性水平變化，是UPFC應用時考量的重要因素。

UPFC接入后對系統的可靠性分析，需考慮其自身可靠性建模和其對系統可靠性影響分析。文獻[3]將UPFC等值為正常、降額和停運3種運行狀態；文獻[4]將UPFC運行狀態分為正常、停運、SCCC模式和STATCOM模式4種狀態。文獻[5]考慮了網絡攻擊對UPFC的影響，提出UPFC的綜合4狀態可靠性模型。文獻[6]充分考慮換流器的單獨運行和內部備用狀態，在三狀態和四狀態模型的基礎上提出了一種九狀態模型。然而，上述文獻研究的UPFC可靠性建模均只針對單回結構，少有文獻考慮到UPFC的雙回結構和換流器系統中MMC本身互為備用的情形。

研究UPFC對系統的可靠性影響時，現有文獻都將UPFC簡單等值為兩狀態[7-8]。但是，UPFC運行方式靈活多樣，簡單等值為兩狀態來考慮UPFC對系統可靠性的影響時，夸大了UPFC處于故障狀態的概率，未考慮到UPFC運行于SSSC模式和STATCOM模式時對系統可靠性的改善作用，影響結果的準確性。

基于上述研究現狀，下面以安徽電網實際運行中存在的問題為例，首先根據安徽電網的潮流分析結果和N-1校驗結果，提出雙回UPFC結構在安徽電網的應用方案，并論證其必要性；然后，建立雙回UPFC元件的可靠性模型，并基于該模型建立計及UPFC隨機故障的電力系統可靠性評估模型；最后，基于電網實際數據，分析UPFC接入后對系統可靠性的影響，并驗證UPFC應用方案的可行性。

1 UPFC在安徽電網的應用研究

1.1 安徽電網分析

根據2017—2020年安徽電網穩態分析報告，安徽電網尤其是合肥電網存在著潮流不平衡以及部分線路不滿足N-1校驗的問題。2020年，南部電網網架結構如圖1所示。

圖1 合肥南部220 kV電網網架結構

正常運行方式下，部分重載線路(單回)潮流計算結果如表1所示。

表1 線路潮流計算結果

由表1可知，穩態情況下，通過單回肥西—大學城線的有功功率為285.8 MW，通過肥西—蓮花線的單回有功為249.9 MW，單回線路的負荷率均已超過50%。同時N-1校驗結果顯示，肥西—大學城線發生單回故障時，另一回線路潮流將達到570 MW，達到線路熱穩定極限的123%，嚴重影響了合肥南部分區電網的安全可靠運行水平。

1.2 UPFC安裝方案及必要性

針對合肥南部電網中存在的N-1問題以及兩端供電結構導致的“卡脖子”現象。提出兩類解決方案：1)保持現有網絡結構，采取電網加強方案；2)調整南部電網的分區結構，開環運行。

但是電力系統的根本任務是可靠而經濟地滿足用戶的供電需求，開環運行將不可避免地帶來系統可靠性降低的問題，所以考慮采用第1類方案。

傳統的電網加強方案主要有改造和新建線路以及增加區域內新電源。國家大規模鼓勵新能源發電并限制火電并網，同時考慮合肥地區的實際情況，增加南部分區新電源的實施難度太大，不予考慮。而新建220 kV輸電通道建設難度高，建設周期長，投資大；改造肥西—大學城線(2×2.5 km)成更大容量線路，施工難度較大，且大學城—東至路線(2×16 km)的單回線路潮流也已經超過了50%，隨著城區負荷的持續增長，未來也需要改成倍容量導線，投資大。

傳統的改造方案均實施難度大，且無法適應南部電網的遠景發展規劃。220 kV南京西環網的潮流瓶頸問題和合肥南部電網相似，故考慮通過加裝UPFC來解決合肥南部電網的穩態潮流問題，并且可以借鑒南京西環網的UPFC工程建設經驗和UPFC運行管理經驗。

根據安徽電網的潮流分析結果、UPFC安裝的必要性和可行性分析結果以及工程選址結果，初步計劃在肥西變電站220 kV側肥西—大學城線加裝UPFC。

合肥南部電網220 kV主干網絡均為雙回接線，綜合考慮UPFC拓撲結構的經濟性、靈活性和可靠性，采用圖2所示的雙回UPFC應用于安徽電網。

圖2 UPFC接入位置

正常運行時，一組換流器通過變壓器T1并聯接入肥西220 kV母線，與系統交換無功功率，起無功補償作用，并穩定接入點的交流電壓；另兩組換流器分別通過變壓器T2、T3向交流系統注入幅值、相角均可變的串聯補償電壓，控制肥西—大學城雙回線路的潮流。3組換流器互為備用，直流側直接通過轉換開關連接直流母線，無需接入直流支撐電容。

當肥西—大學城線發生N-1故障時，連接故障線路的UPFC串聯側換流器退出運行，UPFC暫時變為單回結構，控制另一回線路潮流在熱穩定極限內。當合肥南部電網UPFC安裝位置以外線路發生故障時，也可以通過UPFC調節肥西—大學城雙線實現潮流的再分配。

綜合考慮合肥南部電網的潮流控制需求，所采用的接入肥西—大學城雙線的UPFC基本參數如表2所示。

表2 UPFC基本參數

2 含UPFC的電力系統可靠性評估

2.1 計及UPFC隨機故障的電力系統可靠性模型

1)元件簡單停運模型

在不考慮計劃停運的情況下，元件的停運模型可簡單表示如3所示[9]，圖中：λ為元件故障率；μ為元件修復率。

圖3 元件停運模型

2)UPFC可靠性建模

接入電網的UPFC內部組件眾多，外在運行方式多樣，不能簡單表示為運行與停運兩種狀態。根據UPFC的控制原理，將UPFC重新劃分子系統，即3組互為備用的換流器組成子系統S1，串聯側變壓器為子系統S2，并聯側變壓器為子系統S3，直流側和控制系統組成子系統S4。分別建立各個子系統的狀態空間模型，形成整個系統的狀態空間模型。

子系統S1的3組換流器可以互為備用，當1組換流器發生故障時，可以通過轉換開關將剩余兩組換流器轉換至串聯側，此時S1工作于SSSC模式；當兩組換流器發生故障時，將第3組換流器轉換至并聯側，此時S1工作于STATCOM模式；當3組換流器均故障時，S1停運。

綜上所述，子系統S1有4種運行狀態：正常(1)、并聯側STATCOM模式(0.5+)、串聯側SSSC模式(0.5-)、停運(0)，其相互轉化關系如圖4所示。

圖4 子系統S1狀態空間模型

子系統S2、S3、S4均只包含一般元件，因而只有工作(1)和故障(0)兩種狀態。整合各個子系統模型，得到UPFC運行狀態表，如表3所示。

表3 UPFC運行狀態表

2.2 可靠性指標

計算的可靠性指標包括：電力系統缺電概率LOLP、期望缺供電力EDNS和期望缺供電量EENS[10]，這些指標的具體意義如下：

1)電力系統缺電概率LOLP

(1)

式中：Pi為系統處于狀態i的概率；S為給定時間區間內不能滿足負荷需求的系統狀態全集。

2)期望缺供電力EDNS

(2)

式中，Ci為狀態i條件下削減的負荷功率。EDNS通常用MW表示。

3)期望缺供電量EENS

(3)

式中，Fi是系統處于狀態i的頻率；Di為狀態i的持續時間；T是給定時間區間的小時數。EENS通常用MWh/a表示。

2.3 含UPFC的電力系統最優負荷削減模型

最優負荷削減是系統狀態影響評估的關鍵環節。計及UPFC的最優負荷削減模型是在分析系統狀態影響時，考慮計及UPFC的系統潮流約束等多個等式約束以及包括UPFC控制參數約束在內的多個不等式約束，獲得更小的節點削負荷量。數學模型如下：

1)目標函數

Cutload=min∑Xpi

(4)

式中：Cutload為系統削負荷量；Xpi為節點i的有功削負荷量。

2)約束條件

含UPFC的潮流等式約束：

(5)

發電機出力約束：

(6)

節點負荷約束：

(7)

(8)

節點電壓約束：

Uimin≤Ui≤Uimax

(9)

線路容量約束：

(10)

UPFC控制參數約束：

(11)

2.4 含UPFC的電力系統可靠性評估

基于蒙特卡洛模擬[11]和最優負荷削減[12]在Matlab中編寫計及UPFC的電力系統可靠性評估程序，計算可靠性指標，基本流程如圖5所示。

圖5 可靠性評估流程

3 安徽電網實例

利用上述可靠性評估程序對接入UPFC的合肥南部電網進行仿真計算。以發電機表示肥西和肥南500 kV變電站對220 kV側電網的供電作用。系統基本可靠性參數如下：線路故障率取0.01次/(km·a)，故障修復時間10 h；發電機故障率0.6次/a，故障修復時間100 h。UPFC的可靠性參數如表4所示。