UPFC在省級電網應用的選址定容方法

劉 兵，張 鑫，余曉偉，高雯曼，申旭輝

（1.國家電網公司華中分部，武漢 430070；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

隨著我國電網負荷不斷增長，電網運行情況日益復雜，輸電線路負載分布不均的問題普遍存在，受制于部分重載設備的輸電瓶頸，電網供電能力難以大幅提升；同時，由于建設用土地資源日漸稀缺，電網建設項目遇到的阻力越來越大，電網建設的邊際效益逐漸遞減。如何最大程度發揮電網的供電能力，必然成為未來電網發展關注的重點[1]，因此需要利用新技術來解決電網運行中潮流分布不均問題，提升電網供電能力。

柔性交流輸電FACTS（flexible AC transmission system）裝置能夠在保持電力系統安全性、穩定性和可靠性的前提下，快速靈活地改變系統電壓、相角、阻抗等電氣量，從而最大限度地利用現有資源對輸送功率進行合理分配，提高電網運行的有效性。統一潮流控制器 UPFC（unified power flow controller）作為功能最強大的FACTS裝置，可以通過快速控制電壓、電流等電氣運行參數，來提高其輸電功率及輸電線路利用率，從而提升電網供電能力[2]。

目前，理論研究中關于UPFC的選址定容問題主要為最優潮流選址法[3]和靈敏度分析法[4]，但實際工程中網絡拓撲結構復雜，上述最優算法在工程仿真計算軟件中集成的難度較大，計算過程煩瑣而且盲目[5]。以實際電網為研究對象的UPFC選址定容方法以N-1校核為約束，容量最小為目標，計算不同運行方式下UPFC的需求容量，這種方法計算速度快，但考慮問題單一，且缺少對UPFC安裝效果的綜合評價[6-7]。

在上述研究的基礎上，本文提出了一種“精準選址-優化容量”的優化配置方法：針對某省級電網UPFC應用場景，首先精準的定位省級電網對UPFC的應用需求，根據計算分析結果篩選出存在問題的750（500）kV和330（220）kV斷面；之后以UPFC容量利用率最大為原則，計算各個方案所需的UPFC容量；最后，綜合效果分析、經濟性分析和必要性分析，選出適合省級電網實際情況的UPFC布點。

1 UPFC選址方法研究

1.1 UPFC潮流優化能力

UPFC能夠將潮流分布控制在較大的區間并使其按預定方向流動，從而優化電網運行方式，并提高整個系統運行可靠性。如圖1所示，以330 kV網架的N-1故障為例，雙回線L1、L2由熱穩限額為700 MW的線路構成，線路L1發生N-1故障后另一回線過載；在線路L2裝設UPFC后，可動態調整330 kV線路潮流，使潮流轉移到L2線路，避免出現線路過載情況，從而大幅提高分區電網的供電能力，增強了電網的靜態安全性[8]。

圖1 UPFC提高330 kV輸電斷面輸送功率示意圖Fig.1 Schemtic of using UPFC to improve the transmission power of 330 kV transmission section

隨著我國電網負荷的不斷增長，省級電網中，存在線路潮流不均衡情況。若某回線路發生N-1∕N-2故障或直流閉鎖引起潮流大范圍轉移后，存在線路功率超過自身熱穩或靜穩限額，則供電能力將受到極大限制[9]。

通過在適當線路上加裝UPFC，可均衡斷面線路潮流，避免故障校核不通過，最大程度提高供電能力，延緩或徹底替代新建輸電線路[10]。

1.2 UPFC布點選擇方法

潮流調整和優化往往是電網對于UPFC的首要需求，本文提出了統籌考慮線路輸電能力、電網輸電薄弱環節、規劃網架的高低壓電磁環網和復雜環網的電網UPFC選址原則，具體為

（1）基于電網現狀梳理出在輸∕受電方面存在的薄弱環節和問題，如：750∕330（500∕220）kV高低壓電磁環網、330∕220kV復雜環網等；

（2）梳理研究電網規劃網架，分析現有薄弱環節和問題的解決情況，分析電網結構優化后可能新出現的問題；

（3）綜合以上成果，開展分析計算，初步篩選出UPFC在省級電網中的應用前景；

（4）結合電網發展中可能存在的不確定因素，做敏感性分析，對因此產生的電網問題開展分析計算，統籌考慮UPFC裝置在電網中的應用。

1.3 UPFC容量特性分析與優化選取

UPFC裝置的串聯側容量由其額定電流及最大串入電壓共同決定，根據電網的現狀和對UPFC的應用需求，對UPFC容量范圍進行預估，計算公式為

式中：S為裝置的額定容量；I為串聯側的額定電流；UB為最大串入電壓。

UPFC裝置串聯側額定電流可按其所在線路額定電流來選取，以750∕330 kV為例：750 kV線路額定電流為3 080 A；330 kV線路額定電流為1 200 A。

UPFC裝置通過改變串入電壓達到對線路潮流的控制目標。確定其最大串入電壓時，需對系統各種典型潮流控制目標下，所需的串入電壓進行校核。從UPFC性能角度考慮，串入電壓越大，對潮流的調節作用越強，但過大的串入電壓會大幅增加UPFC的容量和技術難度，因此，需要根據UPFC的經濟性確定UPFC最大串聯電壓上限；過小的串入電壓則無法有效起到調節線路潮流的功能，因此，需要根據UPFC能力需求確定UPFC最大串聯電壓下限。

在此容量區間內，UPFC容量和斷面提升功率存在飽和關系，如圖2所示。可見存在一點，使UPFC容量的利用率最大。

圖2 UPFC容量特性曲線Fig.2 Characteristic curve of UPFC capacity

UPFC在省級電網應用需綜合N-1、N-2校核結果和選址原則得出初選地點，根據各個布點存在問題和所處位置不同，不僅需要對控制效果進行比較，還要在經濟層面、技術層面等對UPFC的備選安裝地點進行綜合評估[1-12]，從而得到有較好調節能力優勢的布點，具體流程如圖3所示。在UPFC容量計算分析之后，還需進行與傳統方案的經濟性對比和必要性分析，并考慮UPFC對系統運行的影響。

圖3 UPFC提高輸電斷面輸送功率示意圖Fig.3 Schematic of using UPFC to improve the transmission power of transmission section

2 省級實際電網現狀

2.1 省級電網現狀簡介

本章以西北某省級電網為對象，驗證本方法的適用性。該省級電網為水火并濟以火電為主的電網，火電主要分布在中部和北部，水電主要分布在南部。電網主網電壓等級為750∕330 kV。

截至2016年底，該電網共有330 kV及以上變電站63座，主變139臺，總容量53 730 MV·A；330 kV及以上輸電線路共有233條，總長度12 069.832 km；共有3個跨區外送輸電通道，外送規模7 710 MW，為“網對網”外送，2016年累計送電量8.7億kW·h。

2.2 省級電網輸/供電方面存在的問題及規劃解決措施

目前該電網在輸∕供電方面主要存在以下問題：

（1）北部送出斷面受阻。北部至中部輸電斷面由“750 kV YH-LCh雙回+330 kV三回線路”構成，2015年至今YL地區電源裝機增長迅速，截至2016年底，北部地區裝機容量達到9 737.5 MW，本地可供平衡的負荷僅有2 000 MW，所發電力難以就地消納。到2020年，北部將建成第二通道（YH-DJ-FX 750 kV雙回線），但仍不能滿足該地區電力送出需求，具體接線如圖4所示。

圖4 北部電網結構Fig.4 Northern Power Grid structure

（2）負荷高峰時段多個斷面重載。夏季負荷高峰時段，中東部電網受電斷面電壓穩定極限運行；當局部地區開機不足時，部分電網受電斷面重載運行。

（3）南部水電送出受阻。汛期南部小水電集中上網時，受斷面穩定水平的限制，出力受限，不能滿發。在南部小水電裝機繼續增長的情況下，汛期后夜低谷時段窩電達350 MW。

隨著“十三五”期間該電網的不斷加強，上述3個問題將得到一定緩解，但局部地區仍存在電力輸送困難的問題。另外，由于電網內存在高低壓電磁環網和復雜330 kV環網，以及輸電斷面線路阻抗不均等因素，傳統手段對潮流的優化控制仍然受限，調節發電機出力、線路開斷等措施，對潮流控制的范圍離散且靈活性差，存在降低電網運行安全可靠性的風險。因此需要新的技術手段對其進行潮流調整與優化控制[13]。

3 電網UPFC應用方案仿真分析

本節針對上章中省級電網規劃網架，分析UPFC的應用效果，計算采用2020年規劃數據，潮流分析采用BPA仿真平臺，其中UPFC采用模塊化等效功率注入模型[14]。

3.1 UPFC需求地點篩選

根據線路N-1∕N-2校核結果和直流閉鎖故障分析，綜合UPFC選址原則，在電網中共得到5處UP?FC需求地點。

3.1.1 北部斷面（750 kV）

北部第二通道和特高壓直流的規劃建設，使得地區電網結構將發生較大變化，北部通道將由YHDJ-FX和YH-LCh雙通道構成，在發生特高壓直流閉鎖故障情況下，盈余潮流將轉移至該斷面，易超過斷面靜態穩定極限，限制了該斷面的輸送能力。

3.1.2 ShM-YH電磁環網（330 kV）

ShM 750 kV變電站于2018年建成投運，ShM 750 kV站與YH 750 kV站之間主要輸電斷面為“750 kV ShM-YH雙回+330 kV ShM-JJ雙回”，其結構如圖5所示，ShM-JJ 330 kV線路發生N-1故障時，單回線路上潮流達768.1 MW，超過線路輸送熱穩極限680 MW。

圖5 ShM-YH電網結構Fig.5 Power Grid structure of ShM-YH

3.1.3 BJ地區受電斷面（330 kV）

2017年330 kV CJP變電站投運，原BJ地區受電斷面由“BJ-XSh雙回+YCh-MY+YCh-GX”變為“BJ-XSh雙回+YCh-MY+YCh-CJP”電網結構，如圖6所示。隨著BJ地區負荷增長，該受電斷面運行壓力不斷增加，并嚴重依賴當地熱電廠出力。當BJ-XSh線發生N-2故障時，YCh-MY線的潮流為778.2 MW，超過線路自身680 MW的熱穩定極限。

圖6 BJ電網結構Fig.6 Power Grid structure of BJ

3.1.4 DW 330 kV站近區（330 kV）

2017年3月，BQ熱電廠、XJ熱電廠將逐步從發電為主調整為供熱為主，未來將搬出城區。BQ熱電廠是該地區重要的電源支撐點，BQ電廠退運后，將對周邊的ChL、DoJ、DW、WN、XL之間的復雜330 kV環網的運行情況帶來重大影響，造成DW近區線路多處N-1校核不通過，DW地區電網結構如圖7所示。

圖7 DW地區電網結構Fig.7 Power Grid structure of DW

3.1.5 XA北近區（330 kV）

“十三五”期間，XA地區將加快中心城區國際化進程，北部地區負荷將不斷增高，電網結構如圖8所示。根據潮流計算分析，XA北地區負荷增長后，當XAB-XZh線路發生N-2故障后，XAB-BeJ線路上輸送潮流為757.2 MW，超過線路680 MW的輸送極限。

圖8 XA北地區電網結構Fig.8 Power Grid structure of northern XA

3.2 750 kV UPFC安裝方案仿真分析

經初步分析，750 kV北部斷面靜態穩定極限約為9 000 MW，YH-LCh線路先達到極限，而YH-DJFX仍有一定裕度，因此可利用UPFC的潮流轉移能力，將特高壓直流閉鎖故障后的部分盈余潮流由YH-LCh線路轉移至YH-DJ-FX通道，最大化的利用各通道輸電能力。

在北部斷面通道輸送功率4 100 MW情況下，發生直流單極閉鎖故障，系統失穩，具體情況如圖9（a）所示。在北部地區繼續開機，使通道功率達到4 600 MW，在YH-DJ雙回線加裝650 MV·A（2×250+150 MV·A，串聯側250 MV·A且共用并聯端，下同）UPFC裝置，在直流故障后提升YH-DJ輸送功率，系統仍可穩定運行，如圖9（b）所示。

圖9 北部斷面裝設UPFC前后潮流對比（直流單極閉鎖故障）Fig.9 Comparison of power flow before and after UPFC installation on northern section（under DC monopole locking fault）

綜合以上分析可知，通過加裝650MV·AUPFC裝置，可提高北部斷面輸電能力500 MW，效果較好。

3.3 330 kV UPFC安裝方案仿真分析

本小節選取DW 330 kV站近區進行具體計算和仿真分析，其余安裝地點采取相同的分析方法。

3.3.1 DW 330 kV站近區

DW 330 kV站近區接線示意圖如圖7所示。當XL-DW線路發生N-1故障時，WN-DW線路輸送潮流為729.9 MW，超過線路熱穩定極限（680 MW），需減小DoJ近區75 MW負荷，才能保證系統正常運行；當WN-DoJ線路發生N-1故障時，WN-DW線路輸送潮流為771.8 MW，超過線路熱穩定極限。

針對上述2個故障提出相應UPFC安裝方案，UPFC安裝地點分別為DoJ-XL單回線和WN-DoJ單回線，并聯側均在DoJ站，詳情見表1。經仿真計算，在不同N-1故障下，每個方案都可以解決線路過載問題，但所需UPFC容量不同。

表1 DW 330 kV站近區UPFC安裝方案詳情Tab.1 Details of UPFC installation scheme in the near area of DW 330 kV station

綜上所述，建議在330 kV DoJ站內DoJ-XL線路上加裝一套容量為13 M·VA的UPFC裝置，可確保任一線路發生N-1故障后，DoJ近區線路無過載情況發生，詳細控制效果見圖10。

一套容量為13 MV·A的UPFC裝置工程造價約為2 660萬元，而在DoJ-WN線架設一回輸送能力為680 MW的330 kV電壓等級線路工程造價為11 747萬元，在DoJ-XL線架設一回輸送能力為680 MW的330 kV電壓等級線路工程造價為15 829萬元。經濟效益對比分析見表2。由對比分析可知，在WN-DoJ線安裝UPFC裝置工程造價相較于架設330 kV輸電線路，經濟性非常好。

表2 DW地區經濟效益對比分析Tab.2 Comparison and analysis of economic benefits in DW area

圖10 UPFC應用方案示意Fig.10 Schematic of UPFC application scheme

3.3.2 其余需求地點仿真分析

對其余UPFC需求地點進行安裝方案研究和仿真分析，并與新建線路進行經濟性對比，結果如下：

（1）ShM-YH電磁環網。根據仿真計算，在JJShM線上安裝一套容量為46MV·A（18×2+5×2MV·A，不共用并聯端）的UPFC裝置，當ShM-JJ線路N-1后，可以把JJ-ShM線上的潮流轉移到ShM-YH 750 kV線路上，使得JJ近區線路正常運行，提升北部電網外送能力150 MW。

在JJ-ShM線安裝一套容量為46 MV·A的UP?FC裝置工程造價約為9 200萬元，而在該線架設一回輸送能力為680 MW的330 kV電壓等級線路的工程造價約為3 072萬元。安裝UPFC裝置成本遠高于架設330kV輸電線路，經濟性較差。

（2）BJ地區受電斷面。若在YCh-MY線上加裝一套11 MV·A（6+5 MV·A）的UPFC，可將YCh-MY線的部分潮流轉移至YCh-CJP線，使得YCh-MY線潮流為679.5 MW，低于線路熱穩限額，使得YCh地區的受電能力大大加強。

安裝一套容量為11 MV·A的UPFC裝置工程造價約為2 200萬元，而在YCh-MY線架設一回輸送能力為680 MW的330 kV電壓等級線路工程造價為7 190萬元。由對比分析可知，BJ地區受電斷面在YCh-MY線安裝UPFC裝置成本低于架設330 kV輸電線路，有較好的經濟性。

（3）XA北近區。根據仿真計算，應選擇在XAB-ChB雙回線路上加裝總容量為46 MV·A（18×2+5×2 MV·A，不共用并聯端）的UPFC裝置，當XAB-XZh線路發生N-2故障后，可使得XAB-BeJ線路上的部分潮流轉移到鄰近線路上，保證XAB-BeJ線路輸送潮流不過載，同時提升XZh、BeJ地區的受電能力，保證BeJ地區供電穩定。

2套容量各為23 MV·A的UPFC裝置工程造價為9 200萬元，而新建XAB-XZh第三回輸送能力為680 MW的330 kV電壓等級線路工程造價為3 983萬元。由對比分析可知，XA北近區負荷增長后，在ChB-XAB雙回線路上加裝UPFC裝置成本高于架設330 kV輸電線路，經濟性較差。

3.3.3 綜合比較

基于上述計算結果，330 kV電網中共有4處地點存在UPFC應用需求，其容量范圍為11～46 MV·A，詳細比較見表3所示。

表3 各UPFC應用方案技術經濟性對比Tab.3 Comparison of technical and economic performance among various UPFC application schemes

在JJ-ShM線路和ChB-XAB雙回線兩處，加裝UPFC裝置成本高于架設輸電線路，經濟性差。余下布點中，在BJ近區，可通過增大BJ地區火電廠出力，解決BJ-XSh雙回線三永N-2故障下YCh-MY單回線過載的問題，必要性較差；在XAB近區，安裝UP?FC裝置可以在推遲建設XAB-BeJ線路建設的同時滿足近區用電需求，節約電網投資，但是可通過調整WN熱電廠運行方式來解決N-1后線路過載問題；在DW站近區，裝設UPFC經濟性好，且必要性強。

4 結論

本文提出了一種“精準選址-優化容量”的優化配置方法，基于實際電網情況，研究了其對UPFC的需求，并開展了UPFC布點選擇和技術經濟性比較。得出以下結論：

（1）UPFC作為第3代FACTS裝置，有精準的潮流控制能力，能夠實現線路潮流的轉移，從而改善斷面輸電能力。

（2）不同布點對UPFC控制的靈敏度不同，在此基礎上，綜合經濟分析和必要性比較，可得出在技術層面的優選布點；通過本文分析，針對西北某省級電網實際情況，建議在YH-DJ 750 kV線路和DoJXL 330 kV安裝UPFC裝置，提升電網供電穩定性。

（3）從長遠來看，UPFC裝置還有降價空間，與電網的適用性將進一步增強。