1000 kV萬(wàn)縣變電站可控高抗配置問(wèn)題分析

雷 宇，肖 漢，黎 嵐

(西南電力設(shè)計(jì)院，成都市，610021)

0 引言

特高壓輸電線(xiàn)路的充電功率很大，每100 km的1000 kV線(xiàn)路的充電功率約達(dá)到530 Mvar[1-2]。為限制工頻過(guò)電壓，1000 kV線(xiàn)路安裝了大容量的高壓電抗器，這將導(dǎo)致線(xiàn)路廣義自然功率下降，輕載負(fù)荷運(yùn)行情況下線(xiàn)路的電壓偏高，或者重載負(fù)荷運(yùn)行情況下線(xiàn)路電壓偏低，為此，在變壓器的低壓側(cè)還需安裝低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置。這樣一方面將增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資，另一方面由于受到變壓器低壓側(cè)繞組容量的限制，即使按最大可能配置低壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備也無(wú)法適應(yīng)重載線(xiàn)路的無(wú)功需求[3]?？煽馗呖故墙鉀Q限制過(guò)電壓和無(wú)功調(diào)相調(diào)壓之間矛盾的有效有段之一[4]，其容量可根據(jù)線(xiàn)路輸送功率的大小實(shí)現(xiàn)平滑或者分級(jí)調(diào)節(jié)，在一定程度上抑制電壓在小負(fù)荷方式下過(guò)高或大負(fù)荷方式下過(guò)低，同時(shí)能在故障瞬間將容量調(diào)節(jié)至最大，限制故障引起的過(guò)電壓。但是如果全部采用可控高抗，不但成本很高，經(jīng)濟(jì)效益差，而且運(yùn)行中也沒(méi)有必要[3]。

本文結(jié)合雅安—南京北1000 kV交流特高壓工程的無(wú)功配置的研究成果，通過(guò)分析萬(wàn)縣特高壓變電站容性無(wú)功補(bǔ)償容量不足的原因，就如何優(yōu)化可控高抗的配置提出解決思路。

1 雅安—南京北交流特高壓工程簡(jiǎn)介

為配合長(zhǎng)距離的西電東送，規(guī)劃于2012年建成雅安—南京北1000 kV交流特高壓輸變電工程，即從雅安途經(jīng)樂(lè)山、重慶、長(zhǎng)壽、萬(wàn)縣、荊門(mén)、武漢、蕪湖、南京，至南京北雙回特高壓輸變電工程，線(xiàn)路全長(zhǎng)約2034 km。本期新建雅安、重慶、萬(wàn)縣特高壓站，擴(kuò)建荊門(mén)、蕪湖、南京北特高壓站，新增變電容量18000 MVA，新建特高壓雙回線(xiàn)路6段。

遠(yuǎn)景年，隨著樂(lè)山、長(zhǎng)壽以及南京特高壓變電站的建設(shè)，雅安—重慶線(xiàn)路開(kāi)斷∏接入樂(lè)山特高壓變電站，重慶—萬(wàn)縣線(xiàn)路開(kāi)斷∏接入長(zhǎng)壽特高壓變電站，蕪湖—南京北線(xiàn)路開(kāi)斷∏接入南京特高壓變電站。

2 雅安—南京北全線(xiàn)高抗配置情況

從限制工頻過(guò)電壓和潛供電流、配置合理容量的低抗以及遠(yuǎn)期適應(yīng)性各個(gè)方面綜合比選分析，雅安—南京北全線(xiàn)高抗配置如表1所示。

從表1可以看出，除雅安—重慶、荊門(mén)—武漢西站址的高抗補(bǔ)償度低于70%外，其余線(xiàn)路的高抗補(bǔ)償度都高于70%，其中重慶—萬(wàn)縣以及萬(wàn)縣—荊門(mén)線(xiàn)路的高抗補(bǔ)償度均達(dá)到了81%。

表1 雅安—南京北全線(xiàn)高抗配置表Tab.1 Shunt reactor configuration of Yaan—Nanjingbei transmission line

3 萬(wàn)縣變電站可控高抗需求情況

在特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)建成的初期，線(xiàn)路輸送功率較小，即使在高抗補(bǔ)償度較高時(shí)，線(xiàn)路無(wú)功也能平衡，但是隨著輸送容量的逐步增加，線(xiàn)路會(huì)吸收大量無(wú)功，系統(tǒng)運(yùn)行電壓下降。同時(shí)無(wú)功傳輸?shù)脑黾?，也?dǎo)致系統(tǒng)網(wǎng)損的增加，當(dāng)輸送容量達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，即使將變壓器的低壓電容全部投上，也不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的無(wú)功需求[4-10]。從理論上來(lái)說(shuō)，可控高抗可調(diào)節(jié)的容量應(yīng)該大于系統(tǒng)的無(wú)功缺額。

下面以雅安—南京北特高壓工程中1000 kV萬(wàn)縣變電站的無(wú)功配置為例來(lái)說(shuō)明關(guān)于可控高抗配置的問(wèn)題。

3.1 計(jì)算的邊界條件

（1）主變通過(guò)容量。主變通過(guò)容量按1.4的容載比來(lái)考慮，即每臺(tái)3000 MVA的主變通過(guò)最大容量約為2100 MW。

主變N-1時(shí)，剩下的主變輸送容量按將正常時(shí)所有容量送出來(lái)考慮。

（2）線(xiàn)路傳輸?shù)挠泄β?。遠(yuǎn)景年的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參考2020年特高壓總體規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，為校核最終規(guī)模，考慮到輸送容量的不確定性，正常方式的線(xiàn)路有功功率按1000 kV線(xiàn)路自然功率即每回線(xiàn)路5000 MW計(jì)算，N-1退出1回線(xiàn)路時(shí)按正常功率的2倍計(jì)算，即按照10 GW計(jì)算。

（3）低壓電容配置原則。低壓電容單組容量按210 Mvar考慮，每臺(tái)主變下最多能配置4組電容。

3.2 遠(yuǎn)景年萬(wàn)縣變電站容性無(wú)功平衡計(jì)算

遠(yuǎn)景年與萬(wàn)縣變電站相關(guān)線(xiàn)路的高抗配置設(shè)想如表2所示。

根據(jù)計(jì)算條件，對(duì)萬(wàn)縣站遠(yuǎn)景的容性無(wú)功平衡進(jìn)行了計(jì)算，萬(wàn)縣站需要的容性無(wú)功補(bǔ)償容量為主變的無(wú)功損耗以及線(xiàn)路的容性無(wú)功需求之和。計(jì)算分為正常方式和N-1校核方式。

表2 萬(wàn)縣變電站遠(yuǎn)期高抗配置表Tab.2 Future shunt reactor configuration at Wanxian substation

（1）正常方式下萬(wàn)縣特高壓變電站容性無(wú)功平衡計(jì)算。

主變無(wú)功損耗計(jì)算結(jié)果：主變?nèi)萘繛?×3000 MVA；最大變電功率為4×2100 MW；變壓器無(wú)功損耗為1176 Mvar。

正常方式下1000 kV出線(xiàn)無(wú)功需求計(jì)算情況如表3所示。

表3 正常方式下萬(wàn)縣站1000 kV出線(xiàn)無(wú)功需求Tab.3 Reactive power demand of 1000 kV line at Wanxian substation（former case）

由表3計(jì)算可得，線(xiàn)路容性無(wú)功需求總和為3088 Mvar。

由此，萬(wàn)縣站容性無(wú)功需求總值為4264 Mvar，需配置的低容為20×210 Mvar。

（2）N-1校核方式下萬(wàn)縣特高壓變電站容性無(wú)功平衡計(jì)算。

主變無(wú)功損耗計(jì)算結(jié)果：主變?nèi)萘繛?×3000 MVA；最大變電功率為4×2100 MW；變壓器無(wú)功損耗為1176 Mvar。

N-1校核方式下1000 kV出線(xiàn)無(wú)功需求計(jì)算情況如表4所示。

由表4計(jì)算可得，線(xiàn)路容性無(wú)功需求總和為4902 Mvar。

由此，萬(wàn)縣站容性無(wú)功需求總值為6078 Mvar，需配置的低容為29×210 Mvar。

根據(jù)計(jì)算，遠(yuǎn)景年由于萬(wàn)縣特高壓站出線(xiàn)較多，正常方式下，為補(bǔ)償萬(wàn)縣站主變和其1000 kV出線(xiàn)無(wú)功損耗的一半（另一半由對(duì)側(cè)變電站補(bǔ)償），需要的容性無(wú)功補(bǔ)償容量為4264 Mvar，如果低壓電容的容量按單臺(tái)210 Mvar考慮，則共需要20臺(tái)低壓電容器。如果按N-1退出萬(wàn)縣—荊門(mén)1回線(xiàn)路的控制校核方式來(lái)計(jì)算，總共需要約6078 Mvar的容性無(wú)功補(bǔ)償，需要配置29臺(tái)低壓電容。而萬(wàn)縣站4臺(tái)主變時(shí)，總共只能配置16組低容，即便將低容全部配滿(mǎn)，仍需要新增904 Mvar的容性補(bǔ)償容量（對(duì)應(yīng)于正常方式）和2718 Mvar的容性補(bǔ)償容量（對(duì)應(yīng)于N-1校核方式）。若采用可控高抗方案解決容性無(wú)功缺乏的問(wèn)題，則可控高抗可調(diào)節(jié)容量應(yīng)大于2983 Mvar（考慮高抗實(shí)際出力與額定容量之間存在一個(gè)折算系數(shù)），而遠(yuǎn)景年萬(wàn)縣站高抗配置總?cè)萘考s5400 Mvar，可控高抗可調(diào)節(jié)容量約占高抗配置總?cè)萘康?5%，單臺(tái)可控高抗的可控容量達(dá)到330 Mvar，給萬(wàn)縣站的布置以及可控高抗的制造都帶來(lái)了困難。

表4 N-1校核方式萬(wàn)縣站1000 kV出線(xiàn)無(wú)功需求Tab.4 Reactive power demand of 1000 kV line at Wanxian substation（N-1 case）

4 萬(wàn)縣站容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備不足的原因

造成遠(yuǎn)期萬(wàn)縣特高壓變電站容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備不足的原因如下：

（1）本期萬(wàn)縣為開(kāi)關(guān)站，重慶—萬(wàn)縣—荊門(mén)線(xiàn)路總長(zhǎng)733 km，為了限制重慶—萬(wàn)縣—荊門(mén)工頻過(guò)電壓和潛供電流，高抗補(bǔ)償度達(dá)到了81%，如表1所示。

（2）本期相關(guān)線(xiàn)路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，重慶—萬(wàn)縣線(xiàn)路長(zhǎng)度為245 km，萬(wàn)縣—荊門(mén)線(xiàn)路長(zhǎng)度為488 km，線(xiàn)路高抗容量主要配置在萬(wàn)縣側(cè)，萬(wàn)縣側(cè)配置高抗容量為2×600 Mvar和2×（2×600）Mvar。而遠(yuǎn)期萬(wàn)縣變電站還將新建4回特高壓線(xiàn)路，分別至綿陽(yáng)和陜南，線(xiàn)路都比較長(zhǎng)，高抗容量也很大。

（3）遠(yuǎn)期萬(wàn)縣變電站為川電東送和陜電南送的樞紐變電站，進(jìn)出線(xiàn)路潮流很重，單回線(xiàn)路將達(dá)到特高壓線(xiàn)路自然功率，線(xiàn)路充電功率與線(xiàn)路損耗抵消，低壓電容器需補(bǔ)償線(xiàn)路高抗容量。如果某線(xiàn)路發(fā)生“N-1”，線(xiàn)路潮流增加1倍，則該線(xiàn)路無(wú)功損耗將增大4倍；如果該線(xiàn)路較長(zhǎng)，則需要新增較多低壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

5 萬(wàn)縣變電站可控高抗配置優(yōu)化的建議

5.1 降低初期高抗的補(bǔ)償度

由于特高壓電網(wǎng)投產(chǎn)初期線(xiàn)路較長(zhǎng)，充電功率較大，在滿(mǎn)足限制工頻過(guò)電壓和潛供電流的條件下，應(yīng)盡量選擇配置較小容量的高抗，所缺感性無(wú)功采用低抗來(lái)補(bǔ)償，從而緩和遠(yuǎn)期重載時(shí)調(diào)壓困難的問(wèn)題，降低對(duì)可控高抗可調(diào)節(jié)容量的需求。萬(wàn)縣變電站初期是開(kāi)關(guān)站，過(guò)電壓?jiǎn)栴}十分突出，在確定高抗配置方案時(shí)，在滿(mǎn)足工頻過(guò)電壓和潛供電流要求（我國(guó)特高壓系統(tǒng)限制工頻過(guò)電壓需結(jié)合具體系統(tǒng)情況研究而定[7]）的基礎(chǔ)上，盡量選擇最低的高抗配置方案，本次萬(wàn)縣站初期高抗配置方案是在多個(gè)配置方案中選擇的補(bǔ)償度相對(duì)最低的方案，但在工程實(shí)施前還需進(jìn)一步優(yōu)化。

5.2 調(diào)整遠(yuǎn)期高抗配置

根據(jù)規(guī)劃，重慶—萬(wàn)縣線(xiàn)路將會(huì)在2015年左右開(kāi)斷接入長(zhǎng)壽特高壓站，屆時(shí)可以將重慶—萬(wàn)縣線(xiàn)路的萬(wàn)縣側(cè)所裝2組600 Mvar高抗搬遷其中1組高抗至對(duì)側(cè)長(zhǎng)壽特高壓站，既能起到平衡每條線(xiàn)路無(wú)功分布的作用，同時(shí)也可以使萬(wàn)縣變電站所需低抗容量從6078 Mvar減至5532 Mvar，需要配置的可控高抗的可控容量也從2983 Mvar降低為2172 Mvar，可控高抗可調(diào)節(jié)容量約占高抗配置總?cè)萘恳部蓮?5%降低為45%。如果將重慶—萬(wàn)縣線(xiàn)路的萬(wàn)縣側(cè)所裝2組600 Mvar高抗全部搬遷至長(zhǎng)壽特高壓站，則萬(wàn)縣站需配置的可控高抗容量減至4985 Mvar，需要配置的可控高抗的可控容量降至1625 Mvar，可控高抗可調(diào)節(jié)容量約占高抗配置總?cè)萘康谋壤部山档蜑?9%。

5.3 優(yōu)化遠(yuǎn)期高抗配置

隨著綿陽(yáng)—萬(wàn)縣、萬(wàn)縣—陜南線(xiàn)路的建成，以及長(zhǎng)壽、萬(wàn)縣特高壓開(kāi)關(guān)站擴(kuò)建成變電站之后，特高壓網(wǎng)絡(luò)的加強(qiáng)將使萬(wàn)縣變電站相關(guān)特高壓線(xiàn)路過(guò)電壓和潛供電流水平大大降低，相應(yīng)線(xiàn)路的高抗補(bǔ)償度可以在一定程度上降低。可以對(duì)萬(wàn)縣變電站相關(guān)線(xiàn)路配置高抗容量進(jìn)行優(yōu)化，如初期將高抗分組，并加裝隔離開(kāi)關(guān)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)后，可以切除部分高抗容量，以達(dá)到降低可控高抗需要的可控容量。

6 結(jié)論

（1）特高壓線(xiàn)路充電功率大，投產(chǎn)初期為限制工頻過(guò)電壓和潛供電流所需投入的高抗容量較大，同時(shí)會(huì)造成線(xiàn)路潮流較重時(shí)的容性無(wú)功缺乏及調(diào)壓困難的問(wèn)題?？煽馗呖故墙鉀Q限制過(guò)電壓和調(diào)相調(diào)壓矛盾的有效手段之一，但是由于制造條件的限制，可控高抗的可調(diào)節(jié)容量不可能做得太大，因此，有必要對(duì)可控高抗的配置進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

（2）對(duì)雅安—南京北1000 kV交流特高壓輸變電工程中萬(wàn)縣變電站無(wú)功配置分析可以看出，由于萬(wàn)縣變電站所連的1000 kV線(xiàn)路都較長(zhǎng)，初期高抗配置容量較大，遠(yuǎn)景年對(duì)可控高抗的可調(diào)節(jié)容量的需求達(dá)到了萬(wàn)縣變電站出線(xiàn)側(cè)高抗總?cè)萘康?5%。

（3）在對(duì)萬(wàn)縣變電站容性無(wú)功缺額進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出盡量降低初期高抗補(bǔ)償度，特別是長(zhǎng)度較短的線(xiàn)路（如低于200 km）過(guò)電壓?jiǎn)栴}不顯著，高抗配置度可適當(dāng)降低[3]，同時(shí)提出調(diào)整和優(yōu)化遠(yuǎn)期高抗配置的幾點(diǎn)建議以降低對(duì)可控高抗的可調(diào)節(jié)容量的需求，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。

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