雙回UPFC在安徽電網(wǎng)應(yīng)用的可靠性分析

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230062；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司黃山供電公司，安徽 黃山 245000)

0 引 言

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)綜合并擴(kuò)展了靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator，SSSC)和靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)兩種柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible AC transmission system,FACTS)設(shè)備的控制手段與功能，在系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下均可以快速靈活地調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的潮流分布，對交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[1-2]。

UPFC接入后，有助于解決潮流分布不平衡問題，滿足電網(wǎng)時(shí)段性靈活可控的要求。然而，UPFC作為系統(tǒng)中新增加元件，對運(yùn)行可靠性也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，UPFC接入后系統(tǒng)的可靠性水平變化，是UPFC應(yīng)用時(shí)考量的重要因素。

UPFC接入后對系統(tǒng)的可靠性分析，需考慮其自身可靠性建模和其對系統(tǒng)可靠性影響分析。文獻(xiàn)[3]將UPFC等值為正常、降額和停運(yùn)3種運(yùn)行狀態(tài)；文獻(xiàn)[4]將UPFC運(yùn)行狀態(tài)分為正常、停運(yùn)、SCCC模式和STATCOM模式4種狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]考慮了網(wǎng)絡(luò)攻擊對UPFC的影響，提出UPFC的綜合4狀態(tài)可靠性模型。文獻(xiàn)[6]充分考慮換流器的單獨(dú)運(yùn)行和內(nèi)部備用狀態(tài)，在三狀態(tài)和四狀態(tài)模型的基礎(chǔ)上提出了一種九狀態(tài)模型。然而，上述文獻(xiàn)研究的UPFC可靠性建模均只針對單回結(jié)構(gòu)，少有文獻(xiàn)考慮到UPFC的雙回結(jié)構(gòu)和換流器系統(tǒng)中MMC本身互為備用的情形。

研究UPFC對系統(tǒng)的可靠性影響時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)都將UPFC簡單等值為兩狀態(tài)[7-8]。但是，UPFC運(yùn)行方式靈活多樣，簡單等值為兩狀態(tài)來考慮UPFC對系統(tǒng)可靠性的影響時(shí)，夸大了UPFC處于故障狀態(tài)的概率，未考慮到UPFC運(yùn)行于SSSC模式和STATCOM模式時(shí)對系統(tǒng)可靠性的改善作用，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

基于上述研究現(xiàn)狀，下面以安徽電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中存在的問題為例，首先根據(jù)安徽電網(wǎng)的潮流分析結(jié)果和N-1校驗(yàn)結(jié)果，提出雙回UPFC結(jié)構(gòu)在安徽電網(wǎng)的應(yīng)用方案，并論證其必要性；然后，建立雙回UPFC元件的可靠性模型，并基于該模型建立計(jì)及UPFC隨機(jī)故障的電力系統(tǒng)可靠性評估模型；最后，基于電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，分析UPFC接入后對系統(tǒng)可靠性的影響，并驗(yàn)證UPFC應(yīng)用方案的可行性。

1 UPFC在安徽電網(wǎng)的應(yīng)用研究

1.1 安徽電網(wǎng)分析

根據(jù)2017—2020年安徽電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析報(bào)告，安徽電網(wǎng)尤其是合肥電網(wǎng)存在著潮流不平衡以及部分線路不滿足N-1校驗(yàn)的問題。2020年，南部電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 合肥南部220 kV電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

正常運(yùn)行方式下，部分重載線路(單回)潮流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 線路潮流計(jì)算結(jié)果

由表1可知，穩(wěn)態(tài)情況下，通過單回肥西—大學(xué)城線的有功功率為285.8 MW，通過肥西—蓮花線的單回有功為249.9 MW，單回線路的負(fù)荷率均已超過50%。同時(shí)N-1校驗(yàn)結(jié)果顯示，肥西—大學(xué)城線發(fā)生單回故障時(shí)，另一回線路潮流將達(dá)到570 MW，達(dá)到線路熱穩(wěn)定極限的123%，嚴(yán)重影響了合肥南部分區(qū)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行水平。

1.2 UPFC安裝方案及必要性

針對合肥南部電網(wǎng)中存在的N-1問題以及兩端供電結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的“卡脖子”現(xiàn)象。提出兩類解決方案：1)保持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采取電網(wǎng)加強(qiáng)方案；2)調(diào)整南部電網(wǎng)的分區(qū)結(jié)構(gòu)，開環(huán)運(yùn)行。

但是電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是可靠而經(jīng)濟(jì)地滿足用戶的供電需求，開環(huán)運(yùn)行將不可避免地帶來系統(tǒng)可靠性降低的問題，所以考慮采用第1類方案。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)加強(qiáng)方案主要有改造和新建線路以及增加區(qū)域內(nèi)新電源。國家大規(guī)模鼓勵(lì)新能源發(fā)電并限制火電并網(wǎng)，同時(shí)考慮合肥地區(qū)的實(shí)際情況，增加南部分區(qū)新電源的實(shí)施難度太大，不予考慮。而新建220 kV輸電通道建設(shè)難度高，建設(shè)周期長，投資大；改造肥西—大學(xué)城線(2×2.5 km)成更大容量線路，施工難度較大，且大學(xué)城—東至路線(2×16 km)的單回線路潮流也已經(jīng)超過了50%，隨著城區(qū)負(fù)荷的持續(xù)增長，未來也需要改成倍容量導(dǎo)線，投資大。

傳統(tǒng)的改造方案均實(shí)施難度大，且無法適應(yīng)南部電網(wǎng)的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃。220 kV南京西環(huán)網(wǎng)的潮流瓶頸問題和合肥南部電網(wǎng)相似，故考慮通過加裝UPFC來解決合肥南部電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流問題，并且可以借鑒南京西環(huán)網(wǎng)的UPFC工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和UPFC運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)安徽電網(wǎng)的潮流分析結(jié)果、UPFC安裝的必要性和可行性分析結(jié)果以及工程選址結(jié)果，初步計(jì)劃在肥西變電站220 kV側(cè)肥西—大學(xué)城線加裝UPFC。

合肥南部電網(wǎng)220 kV主干網(wǎng)絡(luò)均為雙回接線，綜合考慮UPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和可靠性，采用圖2所示的雙回UPFC應(yīng)用于安徽電網(wǎng)。

圖2 UPFC接入位置

正常運(yùn)行時(shí)，一組換流器通過變壓器T1并聯(lián)接入肥西220 kV母線，與系統(tǒng)交換無功功率，起無功補(bǔ)償作用，并穩(wěn)定接入點(diǎn)的交流電壓；另兩組換流器分別通過變壓器T2、T3向交流系統(tǒng)注入幅值、相角均可變的串聯(lián)補(bǔ)償電壓，控制肥西—大學(xué)城雙回線路的潮流。3組換流器互為備用，直流側(cè)直接通過轉(zhuǎn)換開關(guān)連接直流母線，無需接入直流支撐電容。

當(dāng)肥西—大學(xué)城線發(fā)生N-1故障時(shí)，連接故障線路的UPFC串聯(lián)側(cè)換流器退出運(yùn)行，UPFC暫時(shí)變?yōu)閱位亟Y(jié)構(gòu)，控制另一回線路潮流在熱穩(wěn)定極限內(nèi)。當(dāng)合肥南部電網(wǎng)UPFC安裝位置以外線路發(fā)生故障時(shí)，也可以通過UPFC調(diào)節(jié)肥西—大學(xué)城雙線實(shí)現(xiàn)潮流的再分配。

綜合考慮合肥南部電網(wǎng)的潮流控制需求，所采用的接入肥西—大學(xué)城雙線的UPFC基本參數(shù)如表2所示。

表2 UPFC基本參數(shù)

2 含UPFC的電力系統(tǒng)可靠性評估

2.1 計(jì)及UPFC隨機(jī)故障的電力系統(tǒng)可靠性模型

1)元件簡單停運(yùn)模型

在不考慮計(jì)劃停運(yùn)的情況下，元件的停運(yùn)模型可簡單表示如3所示[9]，圖中：λ為元件故障率；μ為元件修復(fù)率。

圖3 元件停運(yùn)模型

2)UPFC可靠性建模

接入電網(wǎng)的UPFC內(nèi)部組件眾多，外在運(yùn)行方式多樣，不能簡單表示為運(yùn)行與停運(yùn)兩種狀態(tài)。根據(jù)UPFC的控制原理，將UPFC重新劃分子系統(tǒng)，即3組互為備用的換流器組成子系統(tǒng)S1，串聯(lián)側(cè)變壓器為子系統(tǒng)S2，并聯(lián)側(cè)變壓器為子系統(tǒng)S3，直流側(cè)和控制系統(tǒng)組成子系統(tǒng)S4。分別建立各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，形成整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。

子系統(tǒng)S1的3組換流器可以互為備用，當(dāng)1組換流器發(fā)生故障時(shí)，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將剩余兩組換流器轉(zhuǎn)換至串聯(lián)側(cè)，此時(shí)S1工作于SSSC模式；當(dāng)兩組換流器發(fā)生故障時(shí)，將第3組換流器轉(zhuǎn)換至并聯(lián)側(cè)，此時(shí)S1工作于STATCOM模式；當(dāng)3組換流器均故障時(shí)，S1停運(yùn)。

綜上所述，子系統(tǒng)S1有4種運(yùn)行狀態(tài)：正常(1)、并聯(lián)側(cè)STATCOM模式(0.5+)、串聯(lián)側(cè)SSSC模式(0.5-)、停運(yùn)(0)，其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖4所示。

圖4 子系統(tǒng)S1狀態(tài)空間模型

子系統(tǒng)S2、S3、S4均只包含一般元件，因而只有工作(1)和故障(0)兩種狀態(tài)。整合各個(gè)子系統(tǒng)模型，得到UPFC運(yùn)行狀態(tài)表，如表3所示。

表3 UPFC運(yùn)行狀態(tài)表

2.2 可靠性指標(biāo)

計(jì)算的可靠性指標(biāo)包括：電力系統(tǒng)缺電概率LOLP、期望缺供電力EDNS和期望缺供電量EENS[10]，這些指標(biāo)的具體意義如下：

1)電力系統(tǒng)缺電概率LOLP

(1)

式中：Pi為系統(tǒng)處于狀態(tài)i的概率；S為給定時(shí)間區(qū)間內(nèi)不能滿足負(fù)荷需求的系統(tǒng)狀態(tài)全集。

2)期望缺供電力EDNS

(2)

式中，Ci為狀態(tài)i條件下削減的負(fù)荷功率。EDNS通常用MW表示。

3)期望缺供電量EENS

(3)

式中，F(xiàn)i是系統(tǒng)處于狀態(tài)i的頻率；Di為狀態(tài)i的持續(xù)時(shí)間；T是給定時(shí)間區(qū)間的小時(shí)數(shù)。EENS通常用MWh/a表示。

2.3 含UPFC的電力系統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減模型

最優(yōu)負(fù)荷削減是系統(tǒng)狀態(tài)影響評估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。計(jì)及UPFC的最優(yōu)負(fù)荷削減模型是在分析系統(tǒng)狀態(tài)影響時(shí)，考慮計(jì)及UPFC的系統(tǒng)潮流約束等多個(gè)等式約束以及包括UPFC控制參數(shù)約束在內(nèi)的多個(gè)不等式約束，獲得更小的節(jié)點(diǎn)削負(fù)荷量。數(shù)學(xué)模型如下：

1)目標(biāo)函數(shù)

Cutload=min∑Xpi

(4)

式中：Cutload為系統(tǒng)削負(fù)荷量；Xpi為節(jié)點(diǎn)i的有功削負(fù)荷量。

2)約束條件

含UPFC的潮流等式約束：

(5)

發(fā)電機(jī)出力約束：

(6)

節(jié)點(diǎn)負(fù)荷約束：

(7)

(8)

節(jié)點(diǎn)電壓約束：

Uimin≤Ui≤Uimax

(9)

線路容量約束：

(10)

UPFC控制參數(shù)約束：

(11)

2.4 含UPFC的電力系統(tǒng)可靠性評估

基于蒙特卡洛模擬[11]和最優(yōu)負(fù)荷削減[12]在Matlab中編寫計(jì)及UPFC的電力系統(tǒng)可靠性評估程序，計(jì)算可靠性指標(biāo)，基本流程如圖5所示。

圖5 可靠性評估流程

3 安徽電網(wǎng)實(shí)例

利用上述可靠性評估程序?qū)尤險(xiǎn)PFC的合肥南部電網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。以發(fā)電機(jī)表示肥西和肥南500 kV變電站對220 kV側(cè)電網(wǎng)的供電作用。系統(tǒng)基本可靠性參數(shù)如下：線路故障率取0.01次/(km·a)，故障修復(fù)時(shí)間10 h；發(fā)電機(jī)故障率0.6次/a，故障修復(fù)時(shí)間100 h。UPFC的可靠性參數(shù)如表4所示。

表 4UPFC可靠性參數(shù)

UPFC接入在肥西—大學(xué)城線靠近肥西側(cè)，UPFC接入前后系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表5所示。

表5 計(jì)及UPFC的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

根據(jù)表5可知，可靠性指標(biāo)LOLP在UPFC接入前后變化略小，而EDNS和EENS指標(biāo)有較大改善，是因?yàn)閁PFC雖然不能減少合肥南部電網(wǎng)的停電概率，但是可以在故障導(dǎo)致的過負(fù)荷情況下進(jìn)行系統(tǒng)潮流分布的調(diào)整，使負(fù)荷削減量有所減少，安徽電網(wǎng)的可靠性亦得到改善。

肥西—大學(xué)城線是合肥南部電網(wǎng)中重要度和負(fù)荷率均較高的線路。為驗(yàn)證上節(jié)提出的UPFC安裝方案的正確性以及UPFC安裝位置變化時(shí)系統(tǒng)可靠性改善效果，將UPFC安裝于合肥南部電網(wǎng)3條不同重載線路時(shí)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)列于表6。

表6 UPFC安裝位置對系統(tǒng)可靠性的影響

對比表5和表6可知，UPFC安裝在合肥南部電網(wǎng)各條重載線路時(shí)，系統(tǒng)的可靠性較安裝UPFC前均有一定程度的改善。其中，UPFC安裝在肥西—大學(xué)城線對合肥南部電網(wǎng)可靠性的改善效果最好，這也驗(yàn)證了上節(jié)提出的UPFC安裝方案的正確性。

4 結(jié) 語

針對安徽電網(wǎng)存在的實(shí)際問題，提出雙回UPFC結(jié)構(gòu)在安徽電網(wǎng)的應(yīng)用方案，建立含雙回UPFC的系統(tǒng)可靠性模型，并基于電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，分析UPFC接入后對系統(tǒng)可靠性的影響，驗(yàn)證UPFC應(yīng)用方案的可行性。得出以下結(jié)論：

1)UPFC接入合肥南部電網(wǎng)肥西—大學(xué)城線，可以在N-1故障時(shí)，控制另一回線路潮流在熱穩(wěn)定極限內(nèi)；

2)應(yīng)用UPFC可以有效解決安徽電網(wǎng)的潮流分布不平衡問題，提高安徽電網(wǎng)可靠運(yùn)行能力；

3)所提出的UPFC應(yīng)用可靠性模型和UPFC應(yīng)用方案，對安徽電網(wǎng)的可靠性改善效果顯著。