余穎輝，馮煜堯，楊增輝

　　(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437)

　　摘  要： 針對(duì)上海220 kV電網(wǎng)中輸電通道輸送能力受阻問題，開展了統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）在上海220 kV電網(wǎng)的應(yīng)用研究。通過梳理上海電網(wǎng)220 kV斷面、通道輸送能力受阻問題，分析UPFC裝置在上海電網(wǎng)的應(yīng)用需求，對(duì)包括潮流控制策略、安裝點(diǎn)的選擇等問題進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上，以220 kV南橋送出斷面為例，分析了UPFC裝置對(duì)斷面潮流的控制效果，并結(jié)合裝置容量需求分析，提出了裝置關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。

　　關(guān)鍵詞： 統(tǒng)一潮流控制器；輸送受阻；潮流控制策略；容量需求

0 引言

　　近年來，為限制電網(wǎng)短路電流，上海220 kV電網(wǎng)保持獨(dú)立分區(qū)運(yùn)行，因500 kV主變降壓容量分布不均以及220 kV聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)受阻，局部熱點(diǎn)地區(qū)因潮流分布不合理產(chǎn)生了輸電瓶頸，迫切需要采取有效的潮流控制手段來加以改善。而隨著上海直流來電的增加以及線路電纜化率的提高，低谷時(shí)段的高電壓問題日益突出。部分負(fù)荷重、電源少的分區(qū)中高峰時(shí)段低電壓問題也同樣突出，無功電壓控制急待加強(qiáng)。針對(duì)上述問題，開展了UPFC裝置應(yīng)用于上海220 kV電網(wǎng)的可行性研究。首先針對(duì)220 kV電網(wǎng)中輸送能力受阻問題，分析了UPFC裝置在上海電網(wǎng)的應(yīng)用需求與基本應(yīng)用原則，并以南橋送出斷面為例，對(duì)裝置的潮流控制效果及容量需求進(jìn)行了分析，提出了裝置關(guān)鍵參數(shù)的確定原則。

1 仿真模型

　　在DIgSILENT/PowerFactory中建立UPFC仿真模型如圖1所示。采用該仿真模型可對(duì)UPFC接入系統(tǒng)后的特性進(jìn)行詳細(xì)模擬。

2 應(yīng)用需求

　　根據(jù)上海電網(wǎng)2013-2015年運(yùn)行情況分析，對(duì)上海220 kV電網(wǎng)中輸送能力受阻問題進(jìn)行梳理，歸納為以下幾類：

　?。?）輸送通道或斷面上線路載流量差距顯著，斷面潮流分布均勻，但斷面輸送能力受制于載流量小的線路；

　　（2）輸送斷面上線路載流量與潮流水平均差距顯著，斷面輸送能力受制于載流量大且重載的線路；

　?。?）輸電斷面上線路載流量相當(dāng)，但受制于N-1條件下線路轉(zhuǎn)移比不同，線路的運(yùn)行限額差別比較大，斷面輸送能力受制于運(yùn)行限額小的線路；

　?。?）變電站為限制短路電流而分片運(yùn)行，兩片區(qū)主變潮流不均衡限制其運(yùn)行限額。

　　目前，針對(duì)第一類輸送能力受阻問題，一般直接對(duì)載流量不足的線路進(jìn)行增容改造，而對(duì)后面三類問題，則通過調(diào)整變電站母線運(yùn)行方式、調(diào)整線路入串方式、控制機(jī)組開機(jī)方式等手段來加以緩解。這些傳統(tǒng)的潮流控制措施常以降低運(yùn)行可靠性或靈活性為代價(jià)，增加了電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的困難，也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了隱患。為此，可考慮利用UPFC裝置控制輸電斷面或通道潮流，緩解重載設(shè)備輸電壓力，提高輕載設(shè)備輸送功率，挖掘輸電斷面、通道及設(shè)備輸送潛力，從而優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行。

3 應(yīng)用原則與實(shí)例分析

　　3.1基本應(yīng)用原則

　?。?）安裝地點(diǎn)：優(yōu)先考慮安裝于重載線路，以直接降低重載線路潮流，裝置的控制邏輯、信號(hào)采集等將簡單明了。若重載線路對(duì)裝置的額定電流要求比較高時(shí)，可考慮安裝于斷面上的輕載線路，通過提高輕載線路潮流達(dá)到降低重載線路潮流的目的，但這可能會(huì)增加裝置信號(hào)采集量及控制邏輯的復(fù)雜度。

　　初步分析表明，上海220 kV電網(wǎng)中，UPFC裝置安裝在被研究線路的送出側(cè)或受入側(cè)，取得的潮流控制效果差別不大。具體安裝在哪一側(cè)，可結(jié)合兩側(cè)變電站的無功電壓控制需求及相關(guān)工程實(shí)施條件來確定。

　?。?）潮流控制策略：由于上海220 kV電網(wǎng)中，潮流受阻問題集中反映在有功潮流過重，受阻斷面或通道上無功潮流普遍比較小，因此可結(jié)合實(shí)際分析計(jì)算結(jié)果確定是否有必要將無功功率納入優(yōu)化范圍內(nèi)及可能需確定的無功優(yōu)化目標(biāo)。

　?。?）裝置串、并聯(lián)側(cè)功能：鑒于UPFC裝置應(yīng)用于上海電網(wǎng)的主要目的是控制線路的有功潮流，從提高裝置控制效能的角度出發(fā)，在確定裝置安裝站點(diǎn)無明確電壓控制需求的情況下，裝置并聯(lián)側(cè)不參與電壓控制，即潮流控制僅由串聯(lián)部分完成，并聯(lián)部分無功容量可根據(jù)安裝點(diǎn)所在分區(qū)動(dòng)態(tài)無功需求及無功平衡狀況來配置。

　　3.2 應(yīng)用實(shí)例分析

　　南橋~閔行雙線（以下簡稱南閔線）與南橋~浦江雙線（以下簡稱南浦線）組成的南橋送出斷面上，前者雖然載流量比較大，但常處于重載狀態(tài)，而后者潮流則比較輕。顯然，南閔線具有直接的潮流控制需求，但考慮到其線路載流量(超過2 kA)顯著大于后者(1.3 kA)，對(duì)UPFC裝置的額定電流及容量的要求將因此大幅提高。為此，在利用UPFC裝置控制這一斷面潮流時(shí)，裝置的安裝點(diǎn)宜選擇在南浦線。以下針對(duì)裝置安裝與南浦線時(shí)，斷面的潮流控制效果以及裝置的容量需求進(jìn)行計(jì)算分析。

　　2014年夏季高峰，南浦雙線總功率為482 MW，與南閔線1 048 MW相比輸送壓力比較小。通過UPFC裝置將每條線潮流分別提高約30 MW與50 MW，兩種控制方式下，斷面潮流變化如表1所示。

　　由表1可以看出：UPFC裝置可以將南浦雙線潮流控制到目標(biāo)值，控制后斷面總潮流基本未變，但潮流分布得到了優(yōu)化。南浦雙線總潮流增加，南閔線潮流相應(yīng)降低，輸送壓力得到改善。

　　為確定南浦線UPFC裝置串聯(lián)側(cè)的容量需求，以2014年夏季高峰方式為例，計(jì)算南浦線不同的潮流控制目標(biāo)下，裝置串聯(lián)側(cè)電流、串入電壓、視在功率。該方式下，南浦雙線初始潮流均為：有功240 MW，無功20 Mvar。利用UPFC進(jìn)行潮流控制時(shí)，雙線有功均分別按照其最大載流量、一半載流量控制，考慮功率因數(shù)不低于0.9，無功按-200Mvar、0Mvar與200Mvar來控制，即共6種控制方式。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

　　由表2可見， UPFC裝置串聯(lián)側(cè)容量需求隨受控線路視在功率與功率目標(biāo)值這二者之間的差距增大而增大。與控制線路有功相比，裝置在實(shí)現(xiàn)線路無功控制時(shí)，串聯(lián)側(cè)視在功率將顯著增大，從而將對(duì)裝置串聯(lián)側(cè)容量提出更大的要求?？紤]到受控?cái)嗝娴某绷骺刂浦饕性谟泄Σ糠?，斷面無功比較輕，從充分發(fā)揮裝置控制效能的角度出發(fā)，線路的無功功率可不納入控制目標(biāo)，即裝置應(yīng)用于這一斷面時(shí)，潮流控制目標(biāo)僅考慮有功功率。采用這種控制方式，裝置串聯(lián)側(cè)容量需求可以得到有效降低，將低于50MVA。

4 關(guān)鍵參數(shù)的確定方法

　　UPFC裝置關(guān)鍵參數(shù)包括串聯(lián)測與并聯(lián)測兩部分。其中，前者主要包括容量、額定電流及最大串入電壓；而后者則特別針對(duì)裝置的并聯(lián)無功容量。

　?。?）串聯(lián)側(cè)容量

　　UPFC裝置的串聯(lián)側(cè)容量由其額定電流及最大串入電壓共同決定。其中，串聯(lián)側(cè)額定電流可按其所在線路額定電流來選取。UPFC裝置通過改變串入電壓的大小來實(shí)現(xiàn)移相功能，從而達(dá)到對(duì)線路潮流的控制目標(biāo)。確定其最大串入電壓時(shí)，需對(duì)系統(tǒng)各種運(yùn)行方式（包括N-1方式），為實(shí)現(xiàn)潮流控制目標(biāo)需提供的串入電壓進(jìn)行校核，取其中最大值。

　　UPFC裝置串聯(lián)側(cè)容量的計(jì)算公式如下：

　　其中，S為裝置串聯(lián)側(cè)的容量，IL為所在線路的額定電流，?駐Umax為最大串入電壓。

　　以上節(jié)中的南橋送出斷面為例，當(dāng)UPFC裝置安裝與南浦雙線時(shí)，裝置串聯(lián)側(cè)額定電流與南浦線線路的額定電流保持一致，即1.3 kA。經(jīng)各種方式校核確定在線路無功不納入潮流控制目標(biāo)的情況下，其最大串入電壓約20 kV。裝置串聯(lián)側(cè)容量需求約為45 MVA。

　?。?）并聯(lián)側(cè)容量

　　UPFC裝置并聯(lián)側(cè)容量主要是由安裝點(diǎn)或臨近地區(qū)的無功電壓控制需求來決定，可通過對(duì)安裝點(diǎn)母線電壓控制要求或相關(guān)220 kV分區(qū)動(dòng)態(tài)無功支撐能力及無功平衡狀況分析來具體確定。實(shí)際容量選擇中，還應(yīng)結(jié)合串聯(lián)側(cè)容量大小綜合考慮，以實(shí)現(xiàn)裝置的有效、經(jīng)濟(jì)的利用。

　　仍以南橋送出斷面為例，UPFC裝置安裝與斷面上南浦雙線時(shí)，由于安裝點(diǎn)南橋站或浦江站自身并無迫切的電壓控制要求，因此可結(jié)合安裝點(diǎn)所在的220 kV南橋分區(qū)動(dòng)態(tài)無功支撐能力及無功平衡分析來確定并聯(lián)側(cè)的容量需求。南橋分區(qū)電源較多，電壓穩(wěn)定分析表明其動(dòng)態(tài)無功支撐能力較強(qiáng)。同時(shí)，低容配置較足，夏季高峰期間容性無功有較多盈余。南橋分區(qū)在負(fù)荷調(diào)整后，低谷方式下分區(qū)內(nèi)低抗配置容量不足以平衡盈余無功負(fù)荷，缺額約為80 Mvar。若葛南直流濾波器再送入無功容量，南橋分區(qū)220 kV電壓將被進(jìn)一步推高，建議在南橋分區(qū)加強(qiáng)感性無功補(bǔ)償配置，滿足低谷時(shí)段電壓調(diào)整需求。

　　參考上述無功平衡情況及分區(qū)動(dòng)態(tài)無功支撐能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，配合分區(qū)內(nèi)其他變電站擬增加的低抗設(shè)備容量，UPFC裝置并聯(lián)側(cè)容量設(shè)計(jì)為40~50 MVA，即可滿足分區(qū)對(duì)感性無功的需求。而考慮到UPFC裝置串聯(lián)側(cè)容量為45 MVA，基于容量設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性原則，可進(jìn)一步將裝置并聯(lián)側(cè)容量選擇與串聯(lián)側(cè)容量一致，即45 MVA。

5 結(jié)論

　　本文對(duì)利用UPFC裝置在上海220kV電網(wǎng)的應(yīng)用需求、基本應(yīng)用原則以及裝置的關(guān)鍵參數(shù)確定方法進(jìn)行了研究，得到結(jié)論如下：

　?。?）改善輸送能力受阻斷面（或通道）的潮流分布是UPFC裝置應(yīng)用于上海220 kV電網(wǎng)的主要目的，有功功率是裝置的控制重點(diǎn)。

　　（2）UPFC裝置可在保持輸電斷面總潮流不變的條件下，實(shí)現(xiàn)潮流按照控制目標(biāo)在斷面的通道之間轉(zhuǎn)移，從而均衡斷面潮流。

　?。?）UPFC裝置串聯(lián)側(cè)容量需求隨受控線路潮流與控制目標(biāo)之間的差距增加而增大。從提高裝置控制效能的角度出發(fā)，建議裝置并聯(lián)側(cè)不參與電壓調(diào)節(jié)，潮流控制僅由串聯(lián)側(cè)部分完成，且在受控線路無明確的無功控制要求的情況下，建議無功功率不納入控制目標(biāo)。

　?。?）UPFC裝置的串聯(lián)側(cè)容量應(yīng)由其所在線路的額定電流與為實(shí)現(xiàn)潮流控制目標(biāo)所需的最大串入電壓來決定，而并聯(lián)側(cè)容量則可根據(jù)安裝點(diǎn)的無功電壓控制需求、分區(qū)動(dòng)態(tài)無功支撐能力及無功平衡情況，結(jié)合串聯(lián)側(cè)容量的選擇來確定。