余颖辉，冯煜尧，杨增辉
(国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437)
摘 要： 针对上海220 kV电网中输电通道输送能力受阻问题，开展了统一潮流控制器（UPFC）在上海220 kV电网的应用研究。通过梳理上海电网220 kV断面、通道输送能力受阻问题，分析UPFC装置在上海电网的应用需求，对包括潮流控制策略、安装点的选择等问题进行了探讨。在此基础上，以220 kV南桥送出断面为例，分析了UPFC装置对断面潮流的控制效果，并结合装置容量需求分析，提出了装置关键参数的确定方法。
关键词： 统一潮流控制器；输送受阻；潮流控制策略；容量需求
0 引言
近年来，为限制电网短路电流，上海220 kV电网保持独立分区运行，因500 kV主变降压容量分布不均以及220 kV联络通道建设受阻，局部热点地区因潮流分布不合理产生了输电瓶颈，迫切需要采取有效的潮流控制手段来加以改善。而随着上海直流来电的增加以及线路电缆化率的提高，低谷时段的高电压问题日益突出。部分负荷重、电源少的分区中高峰时段低电压问题也同样突出，无功电压控制急待加强。针对上述问题，开展了UPFC装置应用于上海220 kV电网的可行性研究。首先针对220 kV电网中输送能力受阻问题，分析了UPFC装置在上海电网的应用需求与基本应用原则，并以南桥送出断面为例，对装置的潮流控制效果及容量需求进行了分析，提出了装置关键参数的确定原则。
1 仿真模型
在DIgSILENT/PowerFactory中建立UPFC仿真模型如图1所示。采用该仿真模型可对UPFC接入系统后的特性进行详细模拟。
2 应用需求
根据上海电网2013-2015年运行情况分析，对上海220 kV电网中输送能力受阻问题进行梳理，归纳为以下几类：
（1）输送通道或断面上线路载流量差距显著，断面潮流分布均匀，但断面输送能力受制于载流量小的线路；
（2）输送断面上线路载流量与潮流水平均差距显著，断面输送能力受制于载流量大且重载的线路；
（3）输电断面上线路载流量相当，但受制于N-1条件下线路转移比不同，线路的运行限额差别比较大，断面输送能力受制于运行限额小的线路；
（4）变电站为限制短路电流而分片运行，两片区主变潮流不均衡限制其运行限额。
目前，针对第一类输送能力受阻问题，一般直接对载流量不足的线路进行增容改造，而对后面三类问题，则通过调整变电站母线运行方式、调整线路入串方式、控制机组开机方式等手段来加以缓解。这些传统的潮流控制措施常以降低运行可靠性或灵活性为代价，增加了电网调度运行的困难，也给电网的安全稳定运行带来了隐患。为此，可考虑利用UPFC装置控制输电断面或通道潮流，缓解重载设备输电压力，提高轻载设备输送功率，挖掘输电断面、通道及设备输送潜力，从而优化电网运行。
3 应用原则与实例分析
3.1基本应用原则
（1）安装地点：优先考虑安装于重载线路，以直接降低重载线路潮流，装置的控制逻辑、信号采集等将简单明了。若重载线路对装置的额定电流要求比较高时，可考虑安装于断面上的轻载线路，通过提高轻载线路潮流达到降低重载线路潮流的目的，但这可能会增加装置信号采集量及控制逻辑的复杂度。
初步分析表明，上海220 kV电网中，UPFC装置安装在被研究线路的送出侧或受入侧，取得的潮流控制效果差别不大。具体安装在哪一侧，可结合两侧变电站的无功电压控制需求及相关工程实施条件来确定。
（2）潮流控制策略：由于上海220 kV电网中，潮流受阻问题集中反映在有功潮流过重，受阻断面或通道上无功潮流普遍比较小，因此可结合实际分析计算结果确定是否有必要将无功功率纳入优化范围内及可能需确定的无功优化目标。
（3）装置串、并联侧功能：鉴于UPFC装置应用于上海电网的主要目的是控制线路的有功潮流，从提高装置控制效能的角度出发，在确定装置安装站点无明确电压控制需求的情况下，装置并联侧不参与电压控制，即潮流控制仅由串联部分完成，并联部分无功容量可根据安装点所在分区动态无功需求及无功平衡状况来配置。
3.2 应用实例分析
南桥~闵行双线（以下简称南闵线）与南桥~浦江双线（以下简称南浦线）组成的南桥送出断面上，前者虽然载流量比较大，但常处于重载状态，而后者潮流则比较轻。显然，南闵线具有直接的潮流控制需求，但考虑到其线路载流量(超过2 kA)显著大于后者(1.3 kA)，对UPFC装置的额定电流及容量的要求将因此大幅提高。为此，在利用UPFC装置控制这一断面潮流时，装置的安装点宜选择在南浦线。以下针对装置安装与南浦线时，断面的潮流控制效果以及装置的容量需求进行计算分析。
2014年夏季高峰，南浦双线总功率为482 MW，与南闵线1 048 MW相比输送压力比较小。通过UPFC装置将每条线潮流分别提高约30 MW与50 MW，两种控制方式下，断面潮流变化如表1所示。
由表1可以看出：UPFC装置可以将南浦双线潮流控制到目标值，控制后断面总潮流基本未变，但潮流分布得到了优化。南浦双线总潮流增加，南闵线潮流相应降低，输送压力得到改善。
为确定南浦线UPFC装置串联侧的容量需求，以2014年夏季高峰方式为例，计算南浦线不同的潮流控制目标下，装置串联侧电流、串入电压、视在功率。该方式下，南浦双线初始潮流均为：有功240 MW，无功20 Mvar。利用UPFC进行潮流控制时，双线有功均分别按照其最大载流量、一半载流量控制，考虑功率因数不低于0.9，无功按-200Mvar、0Mvar与200Mvar来控制，即共6种控制方式。计算结果如表2所示。
由表2可见， UPFC装置串联侧容量需求随受控线路视在功率与功率目标值这二者之间的差距增大而增大。与控制线路有功相比，装置在实现线路无功控制时，串联侧视在功率将显著增大，从而将对装置串联侧容量提出更大的要求。考虑到受控断面的潮流控制主要集中在有功部分，断面无功比较轻，从充分发挥装置控制效能的角度出发，线路的无功功率可不纳入控制目标，即装置应用于这一断面时，潮流控制目标仅考虑有功功率。采用这种控制方式，装置串联侧容量需求可以得到有效降低，将低于50MVA。
4 关键参数的确定方法
UPFC装置关键参数包括串联测与并联测两部分。其中，前者主要包括容量、额定电流及最大串入电压；而后者则特别针对装置的并联无功容量。
（1）串联侧容量
UPFC装置的串联侧容量由其额定电流及最大串入电压共同决定。其中，串联侧额定电流可按其所在线路额定电流来选取。UPFC装置通过改变串入电压的大小来实现移相功能，从而达到对线路潮流的控制目标。确定其最大串入电压时，需对系统各种运行方式（包括N-1方式），为实现潮流控制目标需提供的串入电压进行校核，取其中最大值。
UPFC装置串联侧容量的计算公式如下：
其中，S为装置串联侧的容量，IL为所在线路的额定电流，?驻Umax为最大串入电压。
以上节中的南桥送出断面为例，当UPFC装置安装与南浦双线时，装置串联侧额定电流与南浦线线路的额定电流保持一致，即1.3 kA。经各种方式校核确定在线路无功不纳入潮流控制目标的情况下，其最大串入电压约20 kV。装置串联侧容量需求约为45 MVA。
（2）并联侧容量
UPFC装置并联侧容量主要是由安装点或临近地区的无功电压控制需求来决定，可通过对安装点母线电压控制要求或相关220 kV分区动态无功支撑能力及无功平衡状况分析来具体确定。实际容量选择中，还应结合串联侧容量大小综合考虑，以实现装置的有效、经济的利用。
仍以南桥送出断面为例，UPFC装置安装与断面上南浦双线时，由于安装点南桥站或浦江站自身并无迫切的电压控制要求，因此可结合安装点所在的220 kV南桥分区动态无功支撑能力及无功平衡分析来确定并联侧的容量需求。南桥分区电源较多，电压稳定分析表明其动态无功支撑能力较强。同时，低容配置较足，夏季高峰期间容性无功有较多盈余。南桥分区在负荷调整后，低谷方式下分区内低抗配置容量不足以平衡盈余无功负荷，缺额约为80 Mvar。若葛南直流滤波器再送入无功容量，南桥分区220 kV电压将被进一步推高，建议在南桥分区加强感性无功补偿配置，满足低谷时段电压调整需求。
参考上述无功平衡情况及分区动态无功支撑能力较强的特点，配合分区内其他变电站拟增加的低抗设备容量，UPFC装置并联侧容量设计为40~50 MVA，即可满足分区对感性无功的需求。而考虑到UPFC装置串联侧容量为45 MVA，基于容量设计的经济性原则，可进一步将装置并联侧容量选择与串联侧容量一致，即45 MVA。
5 结论
本文对利用UPFC装置在上海220kV电网的应用需求、基本应用原则以及装置的关键参数确定方法进行了研究，得到结论如下：
（1）改善输送能力受阻断面（或通道）的潮流分布是UPFC装置应用于上海220 kV电网的主要目的，有功功率是装置的控制重点。
（2）UPFC装置可在保持输电断面总潮流不变的条件下，实现潮流按照控制目标在断面的通道之间转移，从而均衡断面潮流。
（3）UPFC装置串联侧容量需求随受控线路潮流与控制目标之间的差距增加而增大。从提高装置控制效能的角度出发，建议装置并联侧不参与电压调节，潮流控制仅由串联侧部分完成，且在受控线路无明确的无功控制要求的情况下，建议无功功率不纳入控制目标。
（4）UPFC装置的串联侧容量应由其所在线路的额定电流与为实现潮流控制目标所需的最大串入电压来决定，而并联侧容量则可根据安装点的无功电压控制需求、分区动态无功支撑能力及无功平衡情况，结合串联侧容量的选择来确定。