余穎輝，馮煜堯，楊增輝

　　(國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437)

　　摘  要： 針對上海220 kV電網中輸電通道輸送能力受阻問題，開展了統一潮流控制器（UPFC）在上海220 kV電網的應用研究。通過梳理上海電網220 kV斷面、通道輸送能力受阻問題，分析UPFC裝置在上海電網的應用需求，對包括潮流控制策略、安裝點的選擇等問題進行了探討。在此基礎上，以220 kV南橋送出斷面為例，分析了UPFC裝置對斷面潮流的控制效果，并結合裝置容量需求分析，提出了裝置關鍵參數的確定方法。

　　關鍵詞： 統一潮流控制器；輸送受阻；潮流控制策略；容量需求

0 引言

　　近年來，為限制電網短路電流，上海220 kV電網保持獨立分區運行，因500 kV主變降壓容量分布不均以及220 kV聯絡通道建設受阻，局部熱點地區因潮流分布不合理產生了輸電瓶頸，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，低谷時段的高電壓問題日益突出。部分負荷重、電源少的分區中高峰時段低電壓問題也同樣突出，無功電壓控制急待加強。針對上述問題，開展了UPFC裝置應用于上海220 kV電網的可行性研究。首先針對220 kV電網中輸送能力受阻問題，分析了UPFC裝置在上海電網的應用需求與基本應用原則，并以南橋送出斷面為例，對裝置的潮流控制效果及容量需求進行了分析，提出了裝置關鍵參數的確定原則。

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UPFC接入系統后的特性進行詳細模擬。

2 應用需求

　　根據上海電網2013-2015年運行情況分析，對上海220 kV電網中輸送能力受阻問題進行梳理，歸納為以下幾類：

　　（1）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；

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

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

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

3 應用原則與實例分析

　　3.1基本應用原則

　　（1）安裝地點：優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、信號采集等將簡單明了。若重載線路對裝置的額定電流要求比較高時，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到降低重載線路潮流的目的，但這可能會增加裝置信號采集量及控制邏輯的復雜度。

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

　　（2）潮流控制策略：由于上海220 kV電網中，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，因此可結合實際分析計算結果確定是否有必要將無功功率納入優化范圍內及可能需確定的無功優化目標。

　　（3）裝置串、并聯側功能：鑒于UPFC裝置應用于上海電網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，在確定裝置安裝站點無明確電壓控制需求的情況下，裝置并聯側不參與電壓控制，即潮流控制僅由串聯部分完成，并聯部分無功容量可根據安裝點所在分區動態無功需求及無功平衡狀況來配置。

　　3.2 應用實例分析

　　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，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，裝置的安裝點宜選擇在南浦線。以下針對裝置安裝與南浦線時，斷面的潮流控制效果以及裝置的容量需求進行計算分析。

　　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值，控制后斷面總潮流基本未變，但潮流分布得到了優化。南浦雙線總潮流增加，南閔線潮流相應降低，輸送壓力得到改善。

　　為確定南浦線UPFC裝置串聯側的容量需求，以2014年夏季高峰方式為例，計算南浦線不同的潮流控制目標下，裝置串聯側電流、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進行潮流控制時，雙線有功均分別按照其最大載流量、一半載流量控制，考慮功率因數不低于0.9，無功按-200Mvar、0Mvar與200Mvar來控制，即共6種控制方式。計算結果如表2所示。

　　由表2可見， UPFC裝置串聯側容量需求隨受控線路視在功率與功率目標值這二者之間的差距增大而增大。與控制線路有功相比，裝置在實現線路無功控制時，串聯側視在功率將顯著增大，從而將對裝置串聯側容量提出更大的要求。考慮到受控斷面的潮流控制主要集中在有功部分，斷面無功比較輕，從充分發揮裝置控制效能的角度出發，線路的無功功率可不納入控制目標，即裝置應用于這一斷面時，潮流控制目標僅考慮有功功率。采用這種控制方式，裝置串聯側容量需求可以得到有效降低，將低于50MVA。

4 關鍵參數的確定方法

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

　　（1）串聯側容量

　　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。其中，串聯側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現移相功能，從而達到對線路潮流的控制目標。確定其最大串入電壓時，需對系統各種運行方式（包括N-1方式），為實現潮流控制目標需提供的串入電壓進行校核，取其中最大值。

　　UPFC裝置串聯側容量的計算公式如下：

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

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

　　（2）并聯側容量

　　UPFC裝置并聯側容量主要是由安裝點或臨近地區的無功電壓控制需求來決定，可通過對安裝點母線電壓控制要求或相關220 kV分區動態無功支撐能力及無功平衡狀況分析來具體確定。實際容量選擇中，還應結合串聯側容量大小綜合考慮，以實現裝置的有效、經濟的利用。

　　仍以南橋送出斷面為例，UPFC裝置安裝與斷面上南浦雙線時，由于安裝點南橋站或浦江站自身并無迫切的電壓控制要求，因此可結合安裝點所在的220 kV南橋分區動態無功支撐能力及無功平衡分析來確定并聯側的容量需求。南橋分區電源較多，電壓穩定分析表明其動態無功支撐能力較強。同時，低容配置較足，夏季高峰期間容性無功有較多盈余。南橋分區在負荷調整后，低谷方式下分區內低抗配置容量不足以平衡盈余無功負荷，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220 kV電壓將被進一步推高，建議在南橋分區加強感性無功補償配置，滿足低谷時段電壓調整需求。

　　參考上述無功平衡情況及分區動態無功支撐能力較強的特點，配合分區內其他變電站擬增加的低抗設備容量，UPFC裝置并聯側容量設計為40~50 MVA，即可滿足分區對感性無功的需求。而考慮到UPFC裝置串聯側容量為45 MVA，基于容量設計的經濟性原則，可進一步將裝置并聯側容量選擇與串聯側容量一致，即45 MVA。

5 結論

　　本文對利用UPFC裝置在上海220kV電網的應用需求、基本應用原則以及裝置的關鍵參數確定方法進行了研究，得到結論如下：

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

　　（2）UPFC裝置可在保持輸電斷面總潮流不變的條件下，實現潮流按照控制目標在斷面的通道之間轉移，從而均衡斷面潮流。

　　（3）UPFC裝置串聯側容量需求隨受控線路潮流與控制目標之間的差距增加而增大。從提高裝置控制效能的角度出發，建議裝置并聯側不參與電壓調節，潮流控制僅由串聯側部分完成，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。

　　（4）UPFC裝置的串聯側容量應由其所在線路的額定電流與為實現潮流控制目標所需的最大串入電壓來決定，而并聯側容量則可根據安裝點的無功電壓控制需求、分區動態無功支撐能力及無功平衡情況，結合串聯側容量的選擇來確定。