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与流程

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(unifiedpowerflowcontroller，upfc)作为功能最强大的柔性交流输电系统(flexibleactransmissionsystem，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。

技术实现要素：

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。

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vk和相角θk，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pks和注入无功功率qks；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：

qks＝vkiq(10)

其中，为第一串联耦合变压器tse1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tse1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tse2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tse2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，gij、bij、bcij分别为线路上的电导、电纳和对地电纳，iq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tse1的理想电压源的电压幅值，为第一串联耦合变压器tse1的理想电压源的电压相角，为第一串联耦合变压器tse1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tse2的理想电压源的电压幅值，为第二串联耦合变压器tse2的理想电压源的电压相角，为第二串联耦合变压器tse2的理想电压源的电抗，为第二回线路i2j2所在支路的电流；

vsh为并联耦合变压器tsh的理想电压源的电压幅值，θsh为并联耦合变压器tsh的理想电压源的电压相角，xsh为并联耦合变压器tsh的理想电压源的电抗，并联侧电压源vsh∠θsh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pks；

(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vse1，θse1，vse2，θse2，根据式(10)计算出节点k的无功功率qks；

(5)通过式(13)求出并联侧控制量vsh和θsh。

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2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3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vk和相角θk，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pks和注入无功功率qks；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：

qks＝vkiq(10)

其中，为第一串联耦合变压器tse1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tse1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tse2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tse2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，gij、bij、bcij分别为线路上的电导、电纳和对地电纳，iq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tse1的理想电压源电压的幅值，为第一串联耦合变压器tse1的理想电压源电压的相角，为第一串联耦合变压器tse1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tse2的理想电压源电压的幅值，为第二串联耦合变压器tse2的理想电压源电压的相角，为第二串联耦合变压器tse2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。

vsh为并联耦合变压器tsh的理想电压源的电压幅值，θsh为并联耦合变压器tsh的理想电压源的电压相角，xsh为并联耦合变压器tsh的理想电压源的电抗，并联侧电压源vsh∠θsh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pref1、qref1和pref2、qref2，可将pref1、qref1、pref2、qref2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vi与upfc并联侧注入的无功功率qks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kp、ki分别为母线电压控制的比例、积分系数；vref为i节点电压vi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pks；

(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vse1，θse1，vse2，θse2，根据式(10)计算出节点k的无功功率qks；

(5)通过式(13)求出并联侧控制量vsh和θsh。

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vsemax＝0.115p.u.，串联侧耦合变压器内电抗xse1＝xse2＝0.0037p.u.，并联侧换流变压器内电抗xsh＝0.004p.u.，并联侧耦合变压器注入电流最大值ishmax＝2.0p.u.。pi控制器参数为：kp＝1，ki＝1。燕子矶变内电抗xt＝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pline＝3.692p.u.，qline＝-0.2973p.u.，母线铁北处的电压vs＝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