UPFC在南京西環(huán)網(wǎng)中的應用需求分析

王　瑩，甄宏寧，常寶立，許文超，姜崇學

（1.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

電網(wǎng)技術

UPFC在南京西環(huán)網(wǎng)中的應用需求分析

王瑩1，甄宏寧1，常寶立2，許文超1，姜崇學2

（1.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

隨著負荷的發(fā)展，南京西環(huán)網(wǎng)存在輸電能力不足、潮流分布不均勻，輸電通道"卡脖子"的問題，研究了南京西環(huán)網(wǎng)現(xiàn)狀及遠景所面臨的供電能力不足的問題，并進行多種可采取措施的對比分析，得出在南京西環(huán)網(wǎng)加裝統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的必要性。同時，通過相關電氣計算，得到了UPFC對電網(wǎng)的影響及作用。

統(tǒng)一潮流控制器；南京西環(huán)網(wǎng)；輸電能力

隨著負荷的發(fā)展，南京市區(qū)西環(huán)網(wǎng)220 kV電網(wǎng)存在輸電能力不足、輸電通道“卡脖子”的問題，為了解決電網(wǎng)存在的問題，選擇合適的地點，加裝統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）。文中對UPFC在南京城市電網(wǎng)中的應用需求進行計算分析，論證了在南京西環(huán)網(wǎng)加裝UPFC裝置的必要性［1］。

1　 UPFC應用現(xiàn)狀

目前，世界上有3個UPFC工程已投入運行，1998年美國電力公司（AEP）在INEZ 138 kV變電站安裝了世界上第一套UPFC裝置，由美國西屋公司研制［2］。2003年韓國康津變電站安裝了1套UPFC裝置，由韓國曉星公司和西門子公司提供技術支持。2002年美國紐約Marcy變電站安裝了1套轉換靜止補償器（CSC），兼具UPFC、靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC）和線間潮流控制器（IPFC）功能，由西門子公司研制［3］。

國內UPFC的研究工作主要集中在實驗室，進行建模仿真以及研制小容量裝置，并無工業(yè)化產(chǎn)品。

2　近期南京西環(huán)網(wǎng)供電能力分析

南京市區(qū)220 kV電網(wǎng)呈雙環(huán)網(wǎng)結構 （如圖1所示）。南京西環(huán)網(wǎng)系指南京主城220 kV環(huán)網(wǎng)西部，為龍王山變以西至秦淮變以北部分，主要供電范圍為鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、下關區(qū)以及棲霞新港地區(qū)、雨花經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，是南京城網(wǎng)的主要負荷中心。

目前，該區(qū)域供電電源主要由500 kV東善橋變、龍王山變從南北兩端共同供電，區(qū)域內還有華潤板橋電廠、華能南京電廠。由于南京市區(qū)電網(wǎng)結構及電源、負荷分布特點，為西環(huán)網(wǎng)供電的主要輸電通道存在較嚴重的潮流分布不均情況，其中500 kV龍王山變向西環(huán)網(wǎng)的220 kV輸電通道潮流偏重，尤其是西環(huán)網(wǎng)內220 kV曉莊變南送下關變、中央門變斷面潮流過重情況尤為突出，而500 kV東善橋變向西環(huán)網(wǎng)的220 kV輸電通道潮流較輕，從而最終影響了西環(huán)網(wǎng)的整體供電能力和安全可靠水平。

圖1南京西環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)接線示意

隨著西環(huán)網(wǎng)負荷的增長，南京城網(wǎng)由東向西的潮流將進一步加重，輸電通道出現(xiàn)“卡脖子”問題，曉莊—下關/曉莊—中央斷面潮流過重。曉莊—下關、曉莊—中央均屬于老線路，截面2×400 mm2，輸送能力有限（極限輸送容量520 MV·A），同時，曉莊變、下關變和中央變均處于老城區(qū)，周邊房屋較多，居民較密集，線路較容易發(fā)生故障。另外，2016年將建成投運500 kV秦淮變，但是其配套220 kV秦淮—濱南二通道建設難度較大，無法如期投運，原秦淮—濱南雙回線路輸送能力有限，將成為南京西環(huán)網(wǎng)另一輸電瓶頸。

3　供電能力研究

3.1常規(guī)技術對比

南京西環(huán)網(wǎng)地區(qū)至2016年左右2個斷面存在潮流問題，分別是曉莊斷面和秦淮—濱南斷面。解決潮流問題，可采用如下兩類方案：

第一類，保持現(xiàn)有網(wǎng)絡結構，采取電網(wǎng)加強方案；第二類，調整南京市區(qū)電網(wǎng)的分區(qū)結構，將西環(huán)網(wǎng)開斷運行。對于第一類方案，解決曉莊斷面潮流問題，提出以下4個電網(wǎng)加強方案，各方案的經(jīng)濟技術比較詳見表1。

表1方案綜合比較

由表1可以得出：

（1）方案1需建設2×9 km左右的220 kV電纜線路，總投資最多；方案2需建設串抗設備，占用鐵北開關站部分場地資源，投資最小；方案3需將曉莊—下關/曉莊—中央所有老線路更換成倍容量導線，根據(jù)現(xiàn)場勘察，實施難度大，基本無法實現(xiàn)；方案4需要建設UPFC裝置，占用鐵北開關站的部分場地資源，投資較少。

（2）方案4可解決曉莊斷面及秦淮—濱南斷面的潮流問題，且遠景適應性較好，可解決遠景各種運行方式下的潮流問題。

（3）方案1、方案2、方案3僅可解決投產(chǎn)年左右曉莊斷面的潮流問題，遠景適應性較差。

（4）方案4采用新型設備，國內暫無運行管理經(jīng)驗，但近年來電力電子設備在電網(wǎng)中運用越來越多，可借鑒同類電力電子設備的相關經(jīng)驗及國外同類裝置的經(jīng)驗；方案1和方案3為常規(guī)線路建設，運行管理經(jīng)驗較豐富；方案2，國內暫無220 kV串抗的運行管理經(jīng)驗，但可借鑒國內現(xiàn)有500 kV串抗的經(jīng)驗。

對于第二類方案，進行調整南京電網(wǎng)的分區(qū)結構，將西環(huán)網(wǎng)開斷運行。為了避免嚴重影響西環(huán)網(wǎng)的可靠性，西環(huán)網(wǎng)的開斷點宜選擇在220 kV曉莊變或下關變，并建議采用母線分排以盡量維持電網(wǎng)結構的完整。經(jīng)計算，無論西環(huán)網(wǎng)的開斷點選擇在曉莊變還是下關變，電網(wǎng)部分N-1方式存在線路潮流越限的問題，可能造成南京中心城區(qū)部分負荷因故停電，造成較大的社會影響?？梢姡{整分區(qū)結構（即西環(huán)網(wǎng)解環(huán)）的措施存在較大安全風險隱患，不推薦采用。

綜上，通過各方面的比較，建議加裝UPFC解決南京西環(huán)網(wǎng)的潮流問題。

3.2規(guī)劃適應性分析

2017至2020年間，西環(huán)網(wǎng)將規(guī)劃500 kV秋藤變以及配套送出（綠博園—莫愁線路，以下簡稱綠莫線）工程，同時華能南京電廠將可能關停，針對上述電網(wǎng)規(guī)劃過程中影響西環(huán)網(wǎng)供電能力的關鍵變化因素以及可能出現(xiàn)的情況組合，進行了2017至2020年6種可能方式下西環(huán)網(wǎng)供電能力分析。遠景年南京西環(huán)網(wǎng)如圖2所示。

圖2遠景年南京西環(huán)網(wǎng)

2019至2020年、2025年南京西環(huán)網(wǎng)在各種方式下的供電能力見表2。由表2可得，無論華能南京是否關停，2019至2020年均需建設500 kV秋藤（南）變；若華能南京不關停，綠莫線通道（8 km、8億元，難度極大）可推遲到2025年，否則該通道需與秋藤變同步投運；在秋藤投運后，無論綠莫線是否投運，華能南京機組不關停相對于關停，西環(huán)網(wǎng)供電能力均提高約500 MW。

2025年，南京西環(huán)網(wǎng)負荷達3500 MW，上述方式中僅方式1、方式2及方式4能夠滿足，而由于南京市政府已確定“十三五”期間關停華能南京電廠，現(xiàn)實可行的只有方式4，即2025年前需要建設秦淮、秋藤及綠莫線，該通道地處南京中心城區(qū)，不僅投資巨大，而且工程實施難度極大。

可見，采用建設新線路的常規(guī)手段解決南京西環(huán)網(wǎng)供電問題，代價很高昂，建設周期長。有必要在西環(huán)網(wǎng)裝設潮流控制器來提升西環(huán)網(wǎng)的供電能力，推遲或避免部分代價高昂、建設難度極大的輸電通道的建設。

表2南京西環(huán)網(wǎng)供電能力　MW

南京西環(huán)網(wǎng)近期（華能南京關停前）需要減輕曉莊南送斷面的潮流，保證其滿足N-1校核，遠景（華能南京關停前）需要提升曉莊南送通道的潮流，減輕秋藤北送通道的輸電壓力。此外，西環(huán)網(wǎng)開機方式對潮流控制的需求也有影響，當華能南京機組或華能金陵燃機停機時，可能出現(xiàn)潮流控制需求由減輕潮流到提升潮流的變化。因此，南京西環(huán)網(wǎng)需要裝設具備動態(tài)雙向調節(jié)潮流能力的潮流控制器。另外，能夠實現(xiàn)動態(tài)雙向調節(jié)潮流能力的潮流控制器有UPFC、晶閘管控制分級投切移相器，其中UPFC盡管造價略高，但在潮流調節(jié)速度、調節(jié)精度、暫態(tài)性能、可維護性、技術成熟度上均優(yōu)于于晶閘管控制分級投切移相器，因此，建議在南京西環(huán)網(wǎng)裝設UPFC。

4　安裝地點及接入系統(tǒng)方案

加裝UPFC為解決南京西環(huán)網(wǎng)地區(qū)至2016年左右2個斷面存在的潮流問題，擬在220 kV電網(wǎng)中安裝UPFC。經(jīng)項目前期初步踏勘，UPFC裝置的可選安裝位置為220 kV曉莊變、220 kV鐵北開關站。經(jīng)進一步論證，曉莊變因場地面積受限無法安裝合適容量的UPFC裝置。因此該工程初步確定在220 kV鐵北開關站安裝UPFC裝置?，F(xiàn)有曉莊至鐵北雙回線路均為300 mm2倍容量導線，最大輸送容量僅為430 MV·A，無法滿足UPFC對電網(wǎng)潮流控制的需要；為了安裝在鐵北變的UPFC裝置集中控制220 kV西環(huán)網(wǎng)通道上的潮流，建議將現(xiàn)有曉莊—經(jīng)港（LGJ-2×630，最大輸送容量720 MV·A）雙線開斷環(huán)入220 kV鐵北開關站，開斷原有雙回 220 kV曉莊—鐵北老線路，將UPFC安裝至新形成雙回220 kV曉莊—鐵北線路上。

5　電氣計算

5.1短路計算

投產(chǎn)年短路計算結果見表3［4，5］。由計算結果可以看出，UPFC裝置的等效阻抗值很小，且相當于在系統(tǒng)線路上串聯(lián)阻值很小的電抗器，不會提高系統(tǒng)的短路水平。

表3 UPFC接入前后500 kV變電站220 kV母線三相短路電流結果　kA

5.2潮流計算及串聯(lián)變容量選擇

根據(jù)工程實際進展情況，500 kV秦淮變配套送出的220 kV秦淮—濱南線路建設難度較高，無法配合500 kV秦淮變一同投運，預計于2018年夏高峰前投運。若不建設UPFC，2016年夏高峰南京市區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)有主變容量及線路規(guī)模已無法滿足負荷的供電需求。投產(chǎn)年各種方式下UPFC所需容量計算結果見表4。

表4投產(chǎn)年各種方式下UPFC所需容量計算結果　MV·A

遠景年，華能南京電廠可能在2017年左右關停。因此加裝UPFC之后，在規(guī)劃2017年、2020年及2025年結構的基礎上，計算遠景年的潮流，并考慮華能南京電廠是否關停。潮流結果詳見表5。

表5遠景年各種方式下UPFC的適應性分析計算結果　MV·A

根據(jù)潮流計算的結果，最嚴重的情況為2017年秦淮—濱南第二通道未投且華京機組關停的情況，UPFC串聯(lián)變容量需達到60 MV·A。

5.3電氣計算結論

綜合各種計算結果，可以得到以下結論：

（1）UPFC裝置不會提高系統(tǒng)的短路電流水平，對系統(tǒng)短路電流有一定的降低效果；

（2）通過計算，該工程的投運可以解決南京西環(huán)網(wǎng)的潮流瓶頸問題，投產(chǎn)年夏高峰正常方式及N-1方式下，無線路潮流越限的情況；

（3）為滿足投產(chǎn)年及遠景年各種方式下潮流調節(jié)的需要，本期在鐵北—曉莊雙回線路上安裝UPFC裝置，其串聯(lián)變容量按2×60 MV·A是合適的，但為了更好滿足遠景的適應性，可將串聯(lián)變容量適當擴大。

6　結束語

南京市區(qū)電網(wǎng)2016年左右開始出現(xiàn)輸電瓶頸問題，大大降低了電網(wǎng)的整體供電能力和安全可靠水平。若采取傳統(tǒng)措施，無法解決供電問題，適應電網(wǎng)發(fā)展的需求；建議加裝UPFC裝置，滿足2016年及遠景電網(wǎng)的發(fā)展。但由于UPFC為新興設備，國內暫無運行管理經(jīng)驗，建議加強對UPFC裝置的監(jiān)測監(jiān)管工作。

［1］陳劍平，李林川，張 芳，等.基于PASAP的UPFC潮流控制建模與仿真［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2014，26（2）：66-70.

［2］李駢文.美國INEZ變電站統(tǒng)一潮流控制器簡介［J］.電網(wǎng)技術，2002，26（8）：84-87.

［3］宋曉燕.統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）在湖南電網(wǎng)中的應用研究［D］.北京：華北電力大學，2012.

［4］王海潛，祁萬春.統(tǒng)一潮流控制器在城市電網(wǎng)中的應用研究［J］.電子技術與軟件工程，2013，17：122-123.

［5］王 建，吳 捷.統(tǒng)一潮流控制器的建模與控制研究綜述［J］.電力自動化設備，2000，20（6）：41-45.

Research on the Application of UPFC in Nanjing Western Grid

WANG Ying1，ZHEN Hongning1，CHANG Baoli2，XU Wenchao1，JIANG Chongxue2
（1.China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

With the load increases，the problems，such as limited transfer capacities of power imported channels，unbalanced power flow distributions and so on，facing Nanjing Western grid increase.This paper studies these problems and analyzes countermeasures.Through the analysis it is found that it is necessary to install UPFC in Nanjing Western grid.The effect of UPFC on the power grid is investigated by calculation.Results show that UPFC can effectively solve these problems.

unified power flow controller（UPFC）；Nanjing western grid；transfer capacity

TM761

B

1009-0665（2016）01-0053-04

2015-10-13；

2015-11-24

王瑩（1986），女，江蘇常州人，工程師，從事電力規(guī)劃研究工作；

甄宏寧（1985），男，江蘇南京人，工程師，從事電力規(guī)劃研究工作；

常寶立（1981），男，河北唐山人，工程師，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制研究工作；

許文超（1979），女，江蘇鹽城人，高級工程師，從事電力規(guī)劃研究工作；

姜崇學（1987），男，黑龍江佳木斯人，工程師，從事直流輸電保護研究工作。