一种UPFC接入系统的方法、UPFC五节点功率注入模型及潮流计算方法

摘要

本发明公开了一种UPFC接入系统的方法，将并联换流器通过并联耦合变压器Tsh与节点k相连，节点k通过变电站变压器T进行升压，接入到串联侧线路母线上，第一串联换流器通过第一串联耦合变压器Tse1连接在第一回线路i1j1上，第二串联换流器通过第二串联耦合变压器Tse2连接在第二回线路i2j2上，第一串联换流器和第二串联换流器均连接直流电容C1两端，且第一串联换流器和第二串联换流器均耦合连接并联换流器。本发明还公开了UPFC五节点功率注入模型及潮流计算方法。本发明可以对串联侧两回输电线路分开实现潮流控制，实现N‑1故障下单回线路的断面潮流控制，并且该模型并联侧接入低压侧，提高了接入节点电压水平，能够体现并联侧节点及其后续线路的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统仿真建模技术，特别是涉及一种UPFC接入系统的方法、UPFC五节点功率注入模型及潮流计算方法。

背景技术

统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)作为功能最强大的柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System，FACTS)装置，能同时对输电线路的电压、相角和阻抗和母线电压进行灵活的调节与控制，同时实现串联补偿和并联补偿功能，可以灵活快速地对输电线路中的潮流进行调控。

UPFC建模是研究UPFC潮流控制的基础，目前，对含UPFC的系统进行潮流计算时，常采用等效功率注入法，功率注入模型将UPFC对系统的影响等效到对应线路的两侧节点上，在不修改原来节点导纳阵的情况下嵌入UPFC模型，最大限度地利用传统潮流计算中雅克比矩阵形成的公式和经验。

尽管目前UPFC理论研究比较丰富，但真正投入实际运行的UPFC工程仅有四个，南京西环网统一潮流控制器示范工程(南京UPFC工程)是国内第一个、世界第四个UPFC工程。以南京UPFC工程为例，根据综合实际考虑，UPFC采用特殊的安装方式，UPFC两台串联侧变压器安装在铁北-晓庄双回线路的铁北侧；铁北220kV节点附近有220kV燕子矶主变，考虑到UPFC安装的区域南京西环网在近远期对无功补偿的需求均不大，UPFC并联侧的主要功能是补偿串联侧的与线路交换的有功功率，UPFC并联侧接入燕子矶主变的35kV母线，以节省并联侧换流变的投资，同时能提高燕子矶节点电压水平。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的UPFC接入系统的方法、UPFC五节点功率注入模型及潮流计算方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的UPFC接入系统的方法，将并联换流器通过并联耦合变压器T_sh与节点k相连，节点k通过变电站变压器T进行升压，接入到串联侧线路母线上，第一串联换流器通过第一串联耦合变压器T_se1连接在第一回线路i₁j₁上，第二串联换流器通过第二串联耦合变压器T_se2连接在第二回线路i₂j₂上，第一串联换流器和第二串联换流器均连接直流电容C1两端，且第一串联换流器和第二串联换流器均耦合连接并联换流器。

采用本发明所述的UPFC接入系统的方法的UPFC五节点功率注入模型，UPFC的输入信息分别为：节点i₁、i₂、j₁、j₂、k的电压幅值V_k和相角θ_k，受控线路i₁j₁的有功功率和无功功率受控线路i₂j₂的有功功率和无功功率UPFC的输出信息为节点i₁、i₂、j₁、j₂、k的注入有功功率P_ks和注入无功功率Q_ks；UPFC控制目标为受控线路潮流以及节点电压各个参数之间的关系如式(1)—(10)所示：

Q_ks＝V_kI_q(10)

其中，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，如式(11)和(12)所示，g_ij、b_ij、b_cij分别为线路上的电导、电纳和对地电纳，I_q为相对于节点k电压的无功分量；为并联侧流入节点k的电流，也即并联侧输出电流；

其中，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源的电压幅值，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源的电压相角，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源的电抗，为第一回线路i₁j₁所在支路的电流，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源的电压幅值，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源的电压相角，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源的电抗，为第二回线路i₂j₂所在支路的电流；

V_sh为并联耦合变压器T_sh的理想电压源的电压幅值，θ_sh为并联耦合变压器T_sh的理想电压源的电压相角，X_sh为并联耦合变压器T_sh的理想电压源的电抗，并联侧电压源V_sh∠θ_sh和并联侧输出电流的关系如下：

本发明所述的UPFC五节点功率注入模型的潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)未加入UPFC，进行初始条件下潮流计算；

(2)从数据接口读取UPFC的输入信息，录入UPFC的控制目标；根据初始潮流计算的自然潮流值和UPFC控制目标中设置的线路潮流得到节点j₁和j₂的注入功率，即得到根据式(5)—式(8)，计算得出V′_se1、θ′_se1和V′_se2、θ′_se2；再根据式(1)—式(4)和式(9)，计算得到输出信息P_ks；

(3)通过得到的输出值计算新的状态变量和

(4)再获取新的输入信息，判断新的状态变量是否收敛；若不收敛，回到步骤(2)；若收敛，则根据输出值和式(11)—式(12)计算出UPFC串联侧控制量V_se1，θ_se1，V_se2，θ_se2，根据式(10)计算出节点k的无功功率Q_ks；

(5)通过式(13)求出并联侧控制量V_sh和θ_sh。

有益效果：本发明中的UPFC五节点功率注入模型，在串联侧方面，该UPFC模型可以对串联侧两回输电线路分开实现潮流控制，可以实现N-1故障下单回线路的断面潮流控制；在并联侧方面，该模型并联侧接入低压侧，提高了接入节点电压水平，且能够体现并联侧节点及其后续线路的影响；两个串联侧共用一个并联侧换流器，且换流器连接在低压母线节点上，减少了投资。同时，在实际仿真运行中，采用本发明中的模型，可以更加准确地评估实际工程中UPFC的控制能力，可信度和准确度更高。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中南京UPFC工程中的UPFC实际拓扑结构；

图2为本发明具体实施方式提出的接入系统的UPFC结构图；

图3为本发明具体实施方式的UPFC五节点模型等值电路；

图4为本发明具体实施方式的UPFC五节点功率注入模型。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种UPFC接入系统的方法，将并联换流器1通过并联耦合变压器T_sh与节点k相连，节点k通过变电站变压器T进行升压，接入到串联侧线路母线上，第一串联换流器2通过第一串联耦合变压器T_se1连接在第一回线路i₁j₁上，第二串联换流器3通过第二串联耦合变压器T_se2连接在第二回线路i₂j₂上，第一串联换流器2和第二串联换流器3均连接直流电容C1两端，且第一串联换流器2和第二串联换流器3均耦合连接并联换流器1。

采用UPFC接入系统的方法建立的UPFC五节点功率注入模型如图4所示，为：节点i₁、i₂、j₁、j₂、k的电压幅值V_k和相角θ_k，受控线路i₁j₁的有功功率和无功功率受控线路i₂j₂的有功功率和无功功率UPFC的输出信息为节点i₁、i₂、j₁、j₂、k的注入有功功率P_ks和注入无功功率Q_ks；UPFC控制目标为受控线路潮流以及节点电压各个参数之间的关系如式(1)—(10)所示：

Q_ks＝V_kI_q(10)

其中，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压相角，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源电压与电抗压降合成得到的电压幅值，如式(11)和(12)所示，g_ij、b_ij、b_cij分别为线路上的电导、电纳和对地电纳，I_q为相对于节点k电压的无功分量；为并联侧流入节点k的电流，也即并联侧输出电流；

其中，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源电压的幅值，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源电压的相角，为第一串联耦合变压器T_se1的理想电压源电压的电抗，为第一回线路i₁j₁所在支路的电流，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源电压的幅值，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源电压的相角，为第二串联耦合变压器T_se2的理想电压源电压的电抗，为第二回线路i₂j₂所在支路的电流。

V_sh为并联耦合变压器T_sh的理想电压源的电压幅值，θ_sh为并联耦合变压器T_sh的理想电压源的电压相角，X_sh为并联耦合变压器T_sh的理想电压源的电抗，并联侧电压源V_sh∠θ_sh和并联侧输出电流的关系如下：

图3为UPFC五节点模型等值电路。

加入UPFC的线路潮流为线路自然潮流为j₁、j₂的注入功率为其中，加入UPFC后的线路潮流、线路自然潮流和j₁、j₂的注入功率有如下关系：

设定串联侧两回线路i₁j₁和i₂j₂的潮流控制值分别为P_ref1、Q_ref1和P_ref2、Q_ref2，可将P_ref1、Q_ref1、P_ref2、Q_ref2分别替换替换中的并求出j₁、j₂侧节点的注入功率由于一般情况下节点i₁、i₂的电压幅值存在关系：且V_i与UPFC并联侧注入的无功功率Q_ks有直接关系，故采用PI控制作为UPFC并联侧的无功注入功率控制规律，表示为：

其中K_p、K_i分别为母线电压控制的比例、积分系数；V_ref为i节点电压V_i的设定值。

其收敛条件为：

式中，ε为收敛精度。

UPFC五节点功率注入模型的潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)未加入UPFC，进行初始条件下潮流计算；

(2)从数据接口读取UPFC的输入信息，录入UPFC的控制目标；根据初始潮流计算的自然潮流值和UPFC控制目标中设置的线路潮流得到节点j₁和j₂的注入功率，也即得到根据式(5)—式(8)，计算得出V′_se1、θ′_se1和V′_se2、θ′_se2；再根据式(1)—式(4)和式(9)，计算得到输出信息P_ks；

(3)通过得到的输出值计算新的状态变量和

(4)再获取新的输入信息，判断新的状态变量是否收敛；若不收敛，回到步骤(2)；若收敛，则根据输出值和式(11)—式(12)计算出UPFC串联侧控制量V_se1，θ_se1，V_se2，θ_se2，根据式(10)计算出节点k的无功功率Q_ks；

(5)通过式(13)求出并联侧控制量V_sh和θ_sh。

下面以南京UPFC工程2015年冬季运行系统为实施例来详细说明本发明。

图1为南京UPFC工程中的UPFC实际拓扑结构。在PSASP/UD仿真软件中搭建如图2所示的UPFC五节点功率注入模型。设置UPFC串联侧耦合变压器注入电压最大值V_semax＝0.115p.u.，串联侧耦合变压器内电抗X_se1＝X_se2＝0.0037p.u.，并联侧换流变压器内电抗X_sh＝0.004p.u.，并联侧耦合变压器注入电流最大值I_shmax＝2.0p.u.。PI控制器参数为：K_p＝1，K_i＝1。燕子矶变内电抗X_T＝0.0887p.u.。

实例为南京UPFC工程2015年冬季运行系统。未安装UPFC时，铁北-晓庄断面潮流即UPFC串联侧线路自然潮流为P_line＝3.692p.u.，Q_line＝-0.2973p.u.，母线铁北处的电压V_s＝1.000p.u.。

实例在安装UPFC五节点功率注入模型后，设置UPFC的有功功率控制目标在不同数值，其中控制无功功率维持原值，控制精度为10^-3。仿真可以得到铁北-晓庄线路(UPFC串联侧)、铁北-燕子矶线路(UPFC并联侧)电流和线路潮流控制结果，如表1所示，可以看出，该UPFC模型可以将控制目标控制在指定值，从而实现UPFC在系统中的潮流控制功能。

表1