CN106786607A - 一种确定upfc工程安装位置和安装容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法，其通过N‑1扫描寻找过载线路并确定潮流转移需求，通过所提出的计算公式直接计算在不同位置安装UPFC装置时串联侧装置所需的安装容量。针对利用UPFC的潮流控制能力，改善输电断面潮流分布、解决关键输电线路过载问题的应用场景，本发明提供的UPFC选址和容量确定方法可以快速找出能够解决断面关键输电线路过载问题同时所需安装容量最小的UPFC安装位置，并给出相应的UPFC装置的安装容量，大大减少了UPFC工程选址和定容时所需的工作量，对UPFC的工程应用具有重要意义。

Description

一种确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电技术领域，具体涉及一种确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法。

背景技术

在大规模电力系统中，电力运行和调度机构通常以输电断面作为实际系统分析与监控对象，以实现对大规模电力系统的降维控制。输电断面集中体现了电网的薄弱环节，威胁电网的安全稳定运行。由于输电断面潮流分布不均匀导致的输电线路过载严重制约了断面的输电能力，进而威胁电网的安全稳定运行。因此，改善输电断面潮流分布，解决断面关键线路的过载问题对电网的安全稳定运行有重要意义。

统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作为最新一代的FACTS(flexible AC transmission system)装置，具有强大的潮流控制能力，能够实现潮流的快速、精确控制，为解决上述问题提供了一种有力的技术手段。如图1所示，UPFC由两个背靠背的电压源换流器构成，两个背靠背的换流器共用直流母线和直流电容，二者都通过换流变压器接入系统，其中变流器2的换流变压器以串联形式接入。有功功率可以在两个变流器之间在任一方向自由流动，每个变流器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率。

南京西环网UPFC示范工程投运后，南京西环网供电断面潮流分布的改善、输电能力的提升情况反映出利用UPFC装置解决上述问题具有广阔的应用前景。应用UPFC改善输电断面潮流分布，解决断面关键线路的过载问题的实质是利用UPFC的潮流控制能力，使潮流从重载线路向该输电线路所在的割集断面上的轻载线路转移，从而减轻过载线路的潮流。如何选择UPFC的最佳安装位置和容量以最大的“杠杆效应”转移重载线路的潮流是应用UPFC装置解决上述问题时首先需要考虑的。已有文献大多通过最优算法使电网潮流分布或断面输电能力达到最优，从而确定UPFC的安装位置和容量，然而上述最优算法在工程仿真计算软件中集成的难度较大，工程上通常采用仿真的方法确定UPFC的安装位置及安装容量，所需工作量较大。因此，制定一套可以工程实用的UPFC装置选址和定容方法是十分有必要的。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法，其通过N-1扫描寻找过载线路并确定潮流转移需求，直接计算在不同位置安装UPFC装置时串联侧装置所需的安装容量，进而确定UPFC装置的最佳安装位置和安装容量，能够改善输电断面潮流分布，解决关键输电线路过载问题。

一种确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法，包括如下步骤：

(1)识别并确定电力系统中的关键输电断面，对所述关键输电断面进行N-1故障扫描，以鉴别该断面上的受限线路；

(2)对于关键输电断面上的任一条受限线路，切除该受限线路并计算此工况下系统的潮流，选取系统中过载情况最严重的输电线路为需要转移潮流的目标线路，进而计算该工况下系统各输电线路加装UPFC的串联侧安装容量；

(3)根据步骤(2)遍历关键输电断面上的所有受限线路，对于系统中的任一条输电线路，取其在各受限线路切除工况下加装UPFC的串联侧安装容量最大值作为该输电线路加装UPFC的串联侧最终安装容量；

(4)使系统中除受限线路以外串联侧最终安装容量最小的输电线路作为UPFC最终安装所在线路。

所述关键输电断面为电力系统中最脆弱的环节，该断面发生故障后对系统两端区域电能传输会产生重要影响，直接影响电网安全稳定运行；N-1故障扫描为本领域专业术语，在本发明中N等同于关键输电断面上的输电线路总数。

所述步骤(1)中对关键输电断面进行N-1故障扫描的具体方法为：对于关键输电断面上的任一条输电线路，在切除该输电线路的工况下，若系统中存在有过载线路，则判定该输电线路为受限线路；依据上述遍历判断关键输电断面上的各条输电线路。

所述步骤(2)中对于系统中任一条输电线路i，通过以下公式计算输电线路i上加装UPFC的串联侧安装容量S_i：

Z′_xy＝(Z_xx-Z_xy)-(Z_yx-Z_yy) Z′_mn＝(Z_mx-Z_my)-(Z_nx-Z_ny)

其中：X_k为目标线路的电抗，I_L,limit为输电线路i的热稳定电流，ΔI_Max为目标线路自然潮流分布下的电流幅值与目标线路热稳定电流之差，Z为系统节点导纳矩阵的逆矩阵，Z_xx为逆矩阵Z中第x行第x列元素，Z_xy为逆矩阵Z中第x行第y列元素，Z_yx为逆矩阵Z中第y行第x列元素，Z_yy为逆矩阵Z中第y行第y列元素，Z_mx为逆矩阵Z中第m行第x列元素，Z_my为逆矩阵Z中第m行第y列元素，Z_nx为逆矩阵Z中第n行第x列元素，Z_ny为逆矩阵Z中第n行第y列元素，x和y分别为输电线路i两端母线节点在系统节点导纳矩阵中的节点编号，m和n分别为目标线路两端母线节点在系统节点导纳矩阵中的节点编号。

所述输电线路加装UPFC的并联侧最终安装容量与串联侧最终安装容量相同。

针对利用UPFC的潮流控制能力，改善输电断面潮流分布、解决关键输电线路过载问题的应用场景，本发明UPFC选址和容量确定方法可以快速找出能够解决断面关键输电线路过载问题同时所需安装容量最小的UPFC安装位置，并给出相应的UPFC装置的安装容量。本发明UPFC串联侧装置容量需求的计算方法能够快速准确的计算出所需加装的UPFC串联侧装置容量，减少了UPFC工程选址和定容所需的工作量，对UPFC的工程应用具有重要意义。

附图说明

图1为UPFC的结构示意图。

图2为含有多条母线的电力系统示意图。

图3为本发明UPFC装置选址及定容方法的流程示意图。

图4为IEEE 39节点标准电力系统示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图3所示，本发明UPFC装置选址和定容方法，具体步骤如下：

(1)识别并确定关键输电断面，对输电断面进行N-1扫描，针对某一N-1工况：若存在过载线路，则进行第(2)步；若无输电线路过载，则继续扫描下一条线路，若N-1扫描结束，则进行第(4)步。

(2)在不加装UPFC情况下计算该N-1工况下的潮流，选取过载情况最严重的输电线路为需要转移潮流的目标线路，进而计算各输电线路上加装UPFC装置的串联侧安装容量，具体计算方法如下：

2.1UPFC串联侧装置的额定电压V_TR可以通过下式确定：

其中，对于图2所示的一个含有a-1条母线的电力系统，需要转移潮流的目标线路接于母线m和母线n之间，其线路电抗为X_k。UPFC安装在母线1和母线2之间，母线2是为方便推导而在UPFC安装线路上增加的辅助母线。矩阵Z_n为电网络节点导纳矩阵的逆矩阵，其第i行第j列元素为Z_ij(i,j＝1,2,…,a)，则网架结构参数Z′₂₁、Z′_mn的计算公式为：

Z′₂₁＝(Z₂₂-Z₂₁)-(Z₁₂-Z₁₁)

Z′_mn＝(Z_m2-Z_m1)-(Z_n2-Z_n1) A2

2.2UPFC串联侧装置的电流额定值I_R取UPFC安装线路的最大可能运行电流I_L,limit。为保证UPFC装置能够在不同工况下运行，同时UPFC安装线路的输电能力不会下降，I_L,limit可以取为UPFC安装线路的热稳电流。

2.3在网架结构参数、安装位置、安装线路最大运行电流I_L,limit以及目标线路潮流转移需求ΔI_Max确定后，UPFC串联侧装置的容量需求可以通过下式计算：

目标线路潮流转移需求ΔI_Max为目标线路自然潮流分布下的电流幅值与其热稳电流之差。

(3)记录各条输电线路上加装UPFC装置时串联侧装置所需的安装容量，将该工况对应的发生N-1的输电线路记录到受限线路集合中，返回步骤(1)，继续扫描下一条线路。

(4)各条输电线路上加装UPFC串联侧装置所需最终的容量为所有工况下该输电线路上所需加装UPFC串联侧装置容量的最大值。

(5)所需UPFC串联侧装置安装容量最小同时不在受限线路集合中的输电线路即为UPFC装置的最终安装位置，对应的串联侧装置容量为最终串联侧装置的安装容量。

(6)在串联侧安装位置和容量确定后，为提高UPFC装置的可靠性，并联侧装置容量与串联侧相同，此时当串联侧换流器因故障退出运行时，可以改变并联换流器接入系统的方式使UPFC运行在静止同步串联补偿器(SSSC)状态，继续对有功潮流进行调节。

下面我们以IEEE 39节点标准系统为例，如图4所示，选取区域A送出断面为研究断面，区域A中的有功功率通过线路2-1、2-3、26-27送出，潮流在送出通道上分布不均衡。线路2-3潮流较重，是制约该输电断面的输送能力的关键线路。因此，可以考虑在该系统中应用UPFC装置，改善该输电断面各输电线路上的潮流分布，解决线路2-3的过载问题，进而提高区域A送出断面的输电能力。

对区域A送出断面进行N-1扫描发现，当线路26-27因故障退出运行时，线路2-3上电流将达到1.06kA，超过其热稳电流。其余N-1故障下，无线路过载。计算时，UPFC安装线路的最大可能运行电流I_L,limit(pu)取UPFC安装线路的热稳电流，电网中各输电线路热稳电流如表1所示。为了保证在线路26-27退出运行时线路2-3的安全稳定运行，需要通过UPFC实现的潮流转移量ΔI_Max为1.06-0.9＝0.16kA。

表1

利用式A2计算得到在电网各条线路上加装UPFC装置时对应的网架结构参数，然后利用式A3便可得到在电网各条线路上加装UPFC装置转移线路2-3上0.16kA的潮流所需的容量。将线路2-3上的电流由1.06kA减小到0.9kA，在各条线路上加装UPFC装置所需容量的计算值和仿真值如表2所示。

表2

由表2中数据可以看出，通过本发明提出的计算公式计算得到的安装容量与仿真结果相同，从而在保证结果相同的前提下大大减少了工程选址和容量确定的工作量。通过计算发现在2-3上安装UPFC装置其串联侧装置的容量需求最小，为79MVA，作为安装UPFC装置的推荐方案。

串联侧装置容量确定后，并联侧装置的安装容量也取为79MVA，这样当串联侧换流器因故障退出运行时，可以改变并联换流器接入系统的方式使UPFC运行在静止同步串联补偿器(SSSC)状态，继续对有功潮流进行调节，增加了UPFC装置的可靠性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法，包括如下步骤：

(1)识别并确定电力系统中的关键输电断面，对所述关键输电断面进行N-1故障扫描，以鉴别该断面上的受限线路；

(2)对于关键输电断面上的任一条受限线路，切除该受限线路并计算此工况下系统的潮流，选取系统中过载情况最严重的输电线路为需要转移潮流的目标线路，进而计算该工况下系统各输电线路加装UPFC的串联侧安装容量；

(3)根据步骤(2)遍历关键输电断面上的所有受限线路，对于系统中的任一条输电线路，取其在各受限线路切除工况下加装UPFC的串联侧安装容量最大值作为该输电线路加装UPFC的串联侧最终安装容量；

(4)使系统中除受限线路以外串联侧最终安装容量最小的输电线路作为UPFC最终安装所在线路。

2.根据权利要求1所述确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法，其特征在于：所述步骤(1)中对关键输电断面进行N-1故障扫描的具体方法为：对于关键输电断面上的任一条输电线路，在切除该输电线路的工况下，若系统中存在有过载线路，则判定该输电线路为受限线路；依据上述遍历判断关键输电断面上的各条输电线路。

3.根据权利要求1所述确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法，其特征在于：所述步骤(2)中对于系统中任一条输电线路i，通过以下公式计算输电线路i上加装UPFC的串联侧安装容量S_i：

$S_i=\left|\frac{Z_{xy}^{\′}}{Z_{mn}^{\′}}\right|X_k{I}_{L,\lim it}\left|{\mathrm{\ΔI}}_{Max}\right|$

Z′_xy＝(Z_xx-Z_xy)-(Z_yx-Z_yy) Z′_mn＝(Z_mx-Z_my)-(Z_nx-Z_ny)

其中：X_k为目标线路的电抗，I_L,limit为输电线路i的热稳定电流，ΔI_Max为目标线路自然潮流分布下的电流幅值与目标线路热稳定电流之差，Z为系统节点导纳矩阵的逆矩阵，Z_xx为逆矩阵Z中第x行第x列元素，Z_xy为逆矩阵Z中第x行第y列元素，Z_yx为逆矩阵Z中第y行第x列元素，Z_yy为逆矩阵Z中第y行第y列元素，Z_mx为逆矩阵Z中第m行第x列元素，Z_my为逆矩阵Z中第m行第y列元素，Z_nx为逆矩阵Z中第n行第x列元素，Z_ny为逆矩阵Z中第n行第y列元素，x和y分别为输电线路i两端母线节点在系统节点导纳矩阵中的节点编号，m和n分别为目标线路两端母线节点在系统节点导纳矩阵中的节点编号。

4.根据权利要求1所述确定UPFC工程安装位置和安装容量的方法，其特征在于：所述输电线路加装UPFC的并联侧最终安装容量与串联侧最终安装容量相同。