CN106329520B - 一种基于psasp的upfc建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于PSASP的UPFC建模方法，属于电力系统建模与仿真技术领域。本发明通过在电力系统分析综合程序PSASP中研究建立统一潮流控制器UPFC的稳态及暂态模型为UPFC的仿真研究建立基础。本发明首先建立UPFC的稳态数学模型：独立支路模型和功率注入模型。然后以PSASP软件为平台，利用PSASP中的用户自定义建模功能UD模块建立UPFC的稳态模型。接着，利用PSASP中的UD模块建立UPFC的暂态模型。最后，将该模型应用到实际电网仿真数据。本发明建立模型能够正确模拟实际计及UPFC的输电网络，能够满足电网生产运行部门进行电网仿真计算的要求。

Description

一种基于PSASP的UPFC建模方法

技术领域

本发明属于电力系统建模与仿真技术领域，涉及一种基于PSASP的UPFC建模方法。以PSASP软件为平台，利用PSASP中的用户自定义建模UD功能对UPFC进行稳态与暂态的建模，最后将该模型应用于实际电网仿真。本发明建立模型能够正确模拟实际计及UPFC的输电网络，能够满足电网生产运行部门进行电网仿真计算的要求。

技术背景

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是一种功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电(flexible AC transmission system,FACTS)装置，也是迄今为止通用性最好的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，它包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力，它可以同时并非常快速的独立控制输电线路中有功功率和无功功率。UPFC可以控制线路的潮流分布,有效地提高电力系统的稳定性。自从UPFC技术发明之后，美国、德国、韩国等国的大公司和研究机构先后研制了三套高电压、大容量的UPFC装置，并已经在电力系统中实际运行。中国第一个UPFC工程，世界第一套基于MMC技术的UPFC工程-220kV南京西环网UPFC工程于2015年12月正式投入运行，引发了国内又一波的UPFC研究热潮。电力系统分析综合程序(PSASP)是中国电科院自主研发的电力系统仿真分析软件，为诸多仿真产品提供仿真核心引擎。因此，随着UPFC接入电网，亟需建立基于PSASP的UPFC模型，为UPFC的后续仿真研究奠定基础。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于基于PSASP建立UPFC的实用化模型，最终能够正确模拟实际计及UPFC的输电网络，能够满足电网生产运行部门进行电网仿真计算的要求。

技术方案：本发明提供一种基于PSASP的UPFC建模方法，包括以下步骤：

步骤1：收集、整理电网基础数据以及UPFC参数，并建立PSASP的UPFC数据组；

步骤2：分别基于独立支路法和功率注入法推导UPFC的稳态数学模型；

步骤3：利用PSASP中的UD功能分别建立UPFC的潮流控制模型和UPFC的参数控制模型；

步骤4：利用PSASP中的UD功能分别建立基于注入电流模型的UPFC的暂态初值计算和UPFC的暂态动态计算模型。

进一步，步骤1包括以下步骤：

步骤101：UPFC的基本结构和原理：

UPFC是由两个背靠背电压源换流器VSC构成，共用直流侧电容；换流器通过变压器并联耦合入系统，除了向换流器提供有功功率外，还可以通过变压器向系统吸收或者注入无功功率，用来控制母线电压；换流器通过变压器串联接入系统，向线路注入一个幅值和相角可调的串联电压，控制线路的潮流；因此，UPFC相当于由静止同步补偿器STATCOM和静止同步串联补偿器SSSC通过直流电容耦合而成的，能够实现潮流控制、并联无功补偿、移相等功能的综合柔性交流输电FACTS装置；

步骤102：电网基础数据和UPFC参数的获取与编辑：

电网基础数据通过PSASP中的数据包获得，包括分区、发电机及其调节器、母线、负荷、交流线、并联电容电抗、串联电容电抗、变压器变比和阻抗；加装UPFC后不仅需要对原有电网基础数据，包括UPFC所在线路开断在内进行编辑修改，还需要添加数据包括UPFC的串并联容量限制、UPFC所安装线路首末节点以及增加的节点，所安装并联侧等效电压源。

进一步，步骤2包括以下步骤：

步骤201：UPFC的独立支路模型：

将UPFC所在支路分解为UPFC支路和原线路支路，使UPFC成为独立的支路参与系统潮流计算；独立支路模型考虑了并联和串联变压器的漏抗X_E、X_B和等效电阻R_E、R_B，使模型更加精确；但该方法由于需要增加新的节点，并且需要将UPFC的内部功率约束加入到约束方程中，在PSASP中需要对于电网基础的数据进行编辑修改；

采用双电压源模型仿真UPFC支路，为UPFC所在支路并联侧首节点电压；为新增加的节点电压；分别为UPFC的等效串、并联电压；R_B+jX_B、R_E+jX_E分别为等效串、并联阻抗；分别为所在支路的电流；

则UPFC支路两端节点s、r的注入功率P_sr+jQ_sr、P_rs+jQ_rs：

UPFC的作用被等效为两端的节点注入功率，节点s、r之间不再相连；

步骤202：UPFC的功率注入模型：

功率注入法实际上是一种网络拓扑变换，它将线路上可调变量对系统的贡献移植到对应线路的两侧节点上，这样就可以在不修改原节点导纳阵的情况下嵌入FACTS模型，便于潮流计算，同时还能提供一种直观的方式来研究FACTS对系统的影响。利用功率注入法，忽略UPFC装置本身的损耗，可得到UPFC的功率注入模型；

是安装有UPFC的线路的原始潮流，取决于线路两端节点电压r_ij+jx_ij、分别是线路ij的阻抗和对地电纳：

当ij线路不含UPFC装置时线路的功率为：

当ij线路含UPFC装置时线路的功率为：

分别是UPFC线路流进节点i和j的等效注入功率。

进一步，步骤3包括以下步骤：

潮流控制模型通常采用给定UPFC的控制参数P_ref、Q_ref、V_ref的方式以达到潮流控制的效果，P_ref+jQ_ref为UPFC末端线路的给定功率，V_ref为UPFC并联侧的给定电压；根据UPFC的功率注入模型在用户自定义模块中搭建UPFC的稳态潮流控制模型；

R_ij和X_ij分别为装设UPFC的线路的阻抗，B_c/2为该线路对地电纳的1/2，n为安装UPFC线路两端节点之间的线路条数，V_pqmax为串联侧电压控制最大值，控制参数为UPFC末端线路有功功率P_ref和无功功率Q_ref，该控制量由用户按照需求设定；以上UD模型仅控制线路潮流为定值，另外，通过在PSASP元件数据中在UPFC并联侧增加一台发电机来控制并联侧电压V_ref；

步骤302：基于PSASP建立UPFC的参数控制模型：

同样地，根据UPFC的独立支路模型还可以通过给定UPFC的控制参数V_pq，Theta_pq，I_q达到潮流控制的效果；具体参数设置如附图5所示：

控制参数为串联侧电压幅值V_pq，串联侧电压相角Theta_pq，并联侧无功电流I_q。

进一步，步骤4中基于PSASP的UPFC暂态模型如下：

由于UD暂态模型与PSASP软件的接口为注入电流，这点与潮流模型有所不同，所以使用UPFC的注入电流模型；

在换流器的动态调节过程中，随着两侧换流器交流侧输入有功的变化，两侧不平衡有功出现，直流侧电容将进行充放电，直流电压随之而改变。对于暂态稳定分析时，需要考虑直流电容的充放电过程，所以控制目标有四个，分别为并联侧的节点电压控制，直流电容的电压控制，串联侧的线路潮流控制。

直流侧方程可以表示为：

计算框图如附图4所示，V_dc为直流侧电容电压，V_i为并联侧节点电压：

根据UPFC并联侧的控制，我们可以得到并联侧向系统注入的电流的实部I_x和虚部I_y。串联侧控制中，P为控制线路j侧有功，Q为控制线路j侧无功：

则注入节点i侧的电流为：

注入节点j侧的电流为：

根据I_x，I_y，V_x，V_y和上面三个式子可以建立UPFC的暂态模型。

本发明建立模型能够正确模拟实际计及UPFC的输电网络，能够满足电网生产运行部门进行电网仿真计算的要求。

工作原理：本发明首先收集、整理电网基础数据以及UPFC参数，并建立基于PSASP的UPFC数据组；然后研究UPFC的通用等效模型。接着，以PSASP软件为平台，利用用户自定义UD模块建立UPFC的稳态模型和暂态模型。最后，该模型应用到实际电网仿真数据。

有益效果：本发明具有如下优点和技术效果：

(1)利用PSASP中的用户自定义建模UD模块来建立UPFC的模型，具有直观可靠，可移植性强等特点；

(2)分别建立了UPFC的潮流控制稳态模型和参数控制稳态模型，全面考虑了UPFC的不同适用场合；

(3)基于PSASP建立UPFC的稳态和暂态模型，具有良好的仿真特性和工程实用性。

附图说明

图1 基于PSASP的UPFC建模流程图；

图2 UPFC的独立支路模型；

图3 UPFC的功率注入模型；

图4 UPFC直流侧计算框图；

图5 UPFC并联侧控制计算框图；

图6 UPFC串联侧控制计算框图；

图7 某省网加装UPFC后的线路图；

图8 某省网安装UPFC支路原始潮流图；

图9 UPFC潮流控制稳态模型的UD框图一；

图10 UPFC潮流控制稳态模型的UD框图二；

图11 UPFC潮流控制稳态模型潮流结果图；

图12 UPFC参数控制稳态模型的UD框图一；

图13 UPFC参数控制稳态模型的UD框图二；

图14 UPFC参数控制稳态模型潮流结果图；

图15 PSASP中UPFC暂态模型的UD框图一；

图16 PSASP中UPFC暂态模型的UD框图二；

图17 PSASP中UPFC暂态模型的UD框图三；

图18 PSASP中UPFC暂态模型的UD框图四；

图19 未加装UPFC设置故障时的暂态过程；

图20 加装UPFC设置故障时的暂态过程。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和包含不限于此。

一种基于PSASP的UPFC建模方法，包括以下步骤：

步骤1：收集、整理电网基础数据以及UPFC参数，并建立PSASP的UPFC数据组；

步骤2：分别基于独立支路法和功率注入法推导UPFC的稳态数学模型；

步骤3：利用PSASP中的UD功能分别建立UPFC的潮流控制模型和UPFC的参数控制模型；

步骤4：利用PSASP中的UD功能分别建立基于注入电流模型的UPFC的暂态初值计算和UPFC的暂态动态计算模型。

进一步，步骤1包括以下步骤：

步骤101：UPFC的基本结构和原理：

UPFC是由两个背靠背电压源换流器VSC构成，共用直流侧电容；换流器通过变压器并联耦合入系统，除了向换流器提供有功功率外，还可以通过变压器向系统吸收或者注入无功功率，用来控制母线电压；换流器通过变压器串联接入系统，向线路注入一个幅值和相角可调的串联电压，控制线路的潮流；因此，UPFC相当于由静止同步补偿器STATCOM和静止同步串联补偿器SSSC通过直流电容耦合而成的，能够实现潮流控制、并联无功补偿、移相等功能的综合柔性交流输电FACTS装置；

步骤102：电网基础数据和UPFC参数的获取与编辑：

电网基础数据通过PSASP中的数据包获得，包括分区、发电机及其调节器、母线、负荷、交流线、并联电容电抗、串联电容电抗、变压器变比和阻抗；加装UPFC后不仅需要对原有电网基础数据，包括UPFC所在线路开断在内进行编辑修改，还需要添加数据包括UPFC的串并联容量限制、UPFC所安装线路首末节点以及增加的节点，所安装并联侧等效电压源。

进一步，步骤2包括以下步骤：

步骤201：UPFC的独立支路模型：

将UPFC所在支路分解为UPFC支路和原线路支路，使UPFC成为独立的支路参与系统潮流计算；独立支路模型考虑了并联和串联变压器的漏抗X_E、X_B和等效电阻R_E、R_B，使模型更加精确；但该方法由于需要增加新的节点，并且需要将UPFC的内部功率约束加入到约束方程中，在PSASP中需要对于电网基础的数据进行编辑修改；

采用双电压源模型仿真UPFC支路，为UPFC所在支路并联侧首节点电压；为新增加的节点电压；分别为UPFC的等效串、并联电压；R_B+jX_B、R_E+jX_E分别为等效串、并联阻抗；分别为所在支路的电流；

则UPFC支路两端节点s、r的注入功率P_sr+jQ_sr、P_rs+jQ_rs：

UPFC的作用被等效为两端的节点注入功率，节点s、r之间不再相连；

步骤202：UPFC的功率注入模型：

功率注入法实际上是一种网络拓扑变换，它将线路上可调变量对系统的贡献移植到对应线路的两侧节点上，这样就可以在不修改原节点导纳阵的情况下嵌入FACTS模型，便于潮流计算，同时还能提供一种直观的方式来研究FACTS对系统的影响。利用功率注入法，忽略UPFC装置本身的损耗，可得到UPFC的功率注入模型；

是安装有UPFC的线路的原始潮流，取决于线路两端节点电压r_ij+jx_ij、分别是线路ij的阻抗和对地电纳：

当ij线路不含UPFC装置时线路的功率为：

当ij线路含UPFC装置时线路的功率为：

分别是UPFC线路流进节点i和j的等效注入功率。

进一步，步骤3包括以下步骤：

潮流控制模型通常采用给定UPFC的控制参数P_ref、Q_ref、V_ref的方式以达到潮流控制的效果，P_ref+jQ_ref为UPFC末端线路的给定功率，V_ref为UPFC并联侧的给定电压；根据UPFC的功率注入模型在用户自定义模块中搭建UPFC的稳态潮流控制模型；

R_ij和X_ij分别为装设UPFC的线路的阻抗，B_c/2为该线路对地电纳的1/2，n为安装UPFC线路两端节点之间的线路条数，V_pqmax为串联侧电压控制最大值，控制参数为UPFC末端线路有功功率P_ref和无功功率Q_ref，该控制量由用户按照需求设定；以上UD模型仅控制线路潮流为定值，另外，通过在PSASP元件数据中在UPFC并联侧增加一台发电机来控制并联侧电压V_ref；

步骤302：基于PSASP建立UPFC的参数控制模型：

同样地，根据UPFC的独立支路模型还可以通过给定UPFC的控制参数V_pq，Theta_pq，I_q达到潮流控制的效果；具体参数设置如附图5所示：

控制参数为串联侧电压幅值V_pq，串联侧电压相角Theta_pq，并联侧无功电流I_q。

进一步，步骤4中基于PSASP的UPFC暂态模型如下：

由于UD暂态模型与PSASP软件的接口为注入电流，这点与潮流模型有所不同，所以使用UPFC的注入电流模型；

在换流器的动态调节过程中，随着两侧换流器交流侧输入有功的变化，两侧不平衡有功出现，直流侧电容将进行充放电，直流电压随之而改变。对于暂态稳定分析时，需要考虑直流电容的充放电过程，所以控制目标有四个，分别为并联侧的节点电压控制，直流电容的电压控制，串联侧的线路潮流控制。

直流侧方程可以表示为：

计算框图如附图4所示，V_dc为直流侧电容电压，V_i为并联侧节点电压：

根据如附图5所示UPFC并联侧的控制，我们可以得到并联侧向系统注入的电流的实部I_x和虚部I_y。串联侧控制如附图6所示，P为控制线路j侧有功，Q为控制线路j侧无功：

则注入节点i侧的电流为：

注入节点j侧的电流为：

根据I_x，I_y，V_x，V_y和上面三个式子可以建立UPFC的暂态模型。

本发明建立模型能够正确模拟实际计及UPFC的输电网络，能够满足电网生产运行部门进行电网仿真计算的要求。

实施例

以某省网2016年夏高方式为算例进行仿真计算。加装UPFC后的线路图如附图7所示。在铁北—晓庄双线加装两台UPFC，将铁北侧电压控制在1.01p.u.，单回线路功率控制为0.5-j0.2。由于需要添加两台UPFC，需要对线路结构进行改变，添加节点铁北1、铁北2，晓庄1、晓庄2，断开双回线铁北-晓庄，添加线路铁北1-晓庄1、铁北2-晓庄2，UPFC分别加装在铁北1、铁北2，控制该两点的母线电压和线路晓庄1、晓庄2侧的功率。

在PSASP中需要更改基础数据中的母线数据和交流线数据。潮流计算时由于是双回线，需要调用UD模型两次。

不加UPFC的系统潮流情况如附图8所示。单线晓庄1侧线路潮流为0.43-j0.22，铁北1侧电压为1.007。

现加入UPFC的潮流控制模型，其部分UD模型如附图9-附图10所示，将晓庄1侧线路潮流为0.5-j0.2，铁北1侧电压为1.01。加入UPFC潮流控制模型后潮流结果如附图11所示。线路晓庄1侧和晓庄2侧潮流为0.5-j0.2，节点铁北1侧和铁北2侧电压为1.01，与预设值一致，控制成功；现加入UPFC的参数控制模型，其部分UD模型如附图12-附图13所示，该模型是通过向新增节点铁北1和铁北2注入电流Iq来等效其电压控制，因此Iq为潮流控制模型的一半，去掉铁北220侧新增发电机数据后调用UD模型，得到潮流结果如附图14所示。可以看到UPFC的参数控制模型同样能将晓庄1和晓庄2单线侧的功率控制为0.5-j0.2，并同时将铁北220侧的电压控制为1.01，与预设值一致，控制成功。由此说明，基于PSASP建立的两种UPFC稳态模型均具有有效性。

经过调用UPFC的UD模型的潮流计算后可以进行计及UPFC的暂态计算，分为暂态初值计算和暂态计算两个部分，部分UD框图如附图15-附图18所示。现通过PSASP中的UPFC模型来对UPFC提高系统稳定性作用进行分析。UPFC的控制要求设置如下：稳态时控制线路潮流为0.5-j0.2，并联侧电压控制为1.01，暂态过程控制为0.45-j0.25，并联侧电压控制仍为1.01。在线路AC_9125即晓庄-下关的下关处设置两个周波三相接地短路故障，起始时间为2s，结束时间为2.04s。未加装UPFC设置故障的动态过程如附图19所示。加装UPFC，控制潮流仍为0.45-j0.25，电压控制为原始值，加装三相接地短路故障后的动态过程如附图20所示。

附图19和附图20中的带叉号曲线表示母线铁北220的电压幅值，实线和虚线分别表示安装UPFC线路(单线)末端有功功率和无功功率。由附图20可以发现，故障发生后，故障点和UPFC安装点处的电压发生跌落，安装UPFC线路上的功率也发生突变，故障切除后，在UPFC的作用下，故障点和UPFC安装点处的电压逐渐恢复，线路上的功率也逐渐恢复到设定值。且通过比较未加装和加装UPFC前后设置故障后的暂态过程即比较附图19和附图20，可以得到，未加装UPFC时系统故障后经30s仍无法恢复到正常稳定运行，而加装UPFC后大约20s系统即可恢复到正常运行状态，说明UPFC能够提高系统暂态稳定性，减少稳定时间并且能够减少稳定下的波动。通过以上对比分析，UPFC对于系统稳定性的改善有着明显的作用。

以上仿真结果验证了本发明所建立模型的有效性和实用性。本发明基于PSASP建立UPFC的稳态和暂态模型，为在PSASP软件中对计及UPFC的电网仿真计算奠定了一定的基础。且该模型利用PSASP中的用户自定义建模UD模块进行搭建，具有直观可靠和可移植性等特点。

Claims (2)

1.一种基于PSASP的UPFC建模方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：收集、整理电网基础数据以及UPFC参数，并建立PSASP的UPFC数据组；

UPFC是由两个背靠背电压源换流器VSC构成，共用直流侧电容；换流器通过变压器并联耦合入系统，除了向换流器提供有功功率外，还通过变压器向系统吸收或者注入无功功率，用来控制母线电压；换流器通过变压器串联接入系统，向线路注入一个幅值和相角可调的串联电压，控制线路的潮流；因此，UPFC相当于由静止同步补偿器STATCOM和静止同步串联补偿器SSSC通过直流电容耦合而成的，能够实现潮流控制、并联无功补偿、移相功能的综合柔性交流输电FACTS装置；

电网基础数据和UPFC参数的获取与编辑，电网基础数据通过PSASP中的数据包获得，包括分区、发电机及其调节器、母线、负荷、交流线、并联电容电抗、串联电容电抗、变压器变比和阻抗；加装UPFC后不仅需要对原有电网基础数据，包括UPFC所在线路开断在内进行编辑修改，还需要添加数据包括UPFC的串并联容量限制、UPFC所安装线路首末节点以及增加的节点，所安装并联侧等效电压源；

步骤2：分别基于独立支路法和功率注入法推导UPFC的稳态数学模型；

将UPFC所在支路分解为UPFC支路和原线路支路，使UPFC成为独立的支路参与系统潮流计算；独立支路模型考虑了并联和串联变压器的漏抗X_E、X_B和等效电阻R_E、R_B，使模型更加精确；但该方法由于需要增加新的节点，并且需要将UPFC的内部功率约束加入到约束方程中，在PSASP中需要对于电网基础的数据进行编辑修改；

采用双电压源模型仿真UPFC支路，为UPFC所在支路并联侧首节点电压；为新增加的节点电压；分别为UPFC的等效串、并联电压；R_B+jX_B、R_E+jX_E分别为等效串、并联阻抗；分别为所在支路的电流；

则UPFC支路两端节点s、r的注入功率P_sr+jQ_sr、P_rs+jQ_rs：

UPFC的作用被等效为两端的节点注入功率，节点s、r之间不再相连；

功率注入法实际上是一种网络拓扑变换，它将线路上可调变量对系统的贡献移植到对应线路的两侧节点上，这样就在不修改原节点导纳矩阵的情况下嵌入FACTS模型，便于潮流计算，同时还能提供一种直观的方式来研究FACTS对系统的影响，利用功率注入法，忽略UPFC装置本身的损耗，可得到UPFC的功率注入模型；

是安装有UPFC的线路的原始潮流，取决于线路两端节点电压 r_ij+jx_ij、分别是线路ij的阻抗和对地电纳：

当ij线路不含UPFC装置时线路的功率为：

当ij线路含UPFC装置时线路的功率为：

分别是UPFC线路流进节点i和j的等效注入功率，为注入节点i侧的电流；

步骤3：利用PSASP中的UD功能分别建立UPFC的潮流控制模型和UPFC的参数控制模型；

步骤4：利用PSASP中的UD功能分别建立基于注入电流模型的UPFC的暂态初值计算和UPFC的暂态动态计算模型。

2.根据权利要求1所述的基于PSASP的UPFC建模方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：

步骤301：基于PSASP建立UPFC的潮流控制模型：

潮流控制模型采用给定UPFC的控制参数P_ref、Q_ref、V_ref的方式以达到潮流控制的效果，P_ref+jQ_ref为UPFC末端线路的给定功率，V_ref为UPFC并联侧的给定电压；根据UPFC的功率注入模型在用户自定义模块中搭建UPFC的稳态潮流控制模型；

R_ij和X_ij分别为装设UPFC的线路的阻抗，B_c/2为该线路对地电纳的1/2，n为安装UPFC线路两端节点之间的线路条数，V_pqmax为串联侧电压控制最大值，控制参数为UPFC末端线路有功功率P_ref和无功功率Q_ref，该控制量由用户按照需求设定；以上UD模型仅控制线路潮流为定值，另外，通过在PSASP元件数据中在UPFC并联侧增加一台发电机来控制并联侧电压V_ref；

步骤302：基于PSASP建立UPFC的参数控制模型：

同样地，根据UPFC的独立支路模型还通过给定UPFC的控制参数V_pq，Theta_pq，I_q达到潮流控制的效果；

控制参数为串联侧电压幅值V_pq，串联侧电压相角Theta_pq，并联侧无功电流I_q。