可控高壓電抗器對四川電網(wǎng)的影響分析

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(國家電網(wǎng)公司西南分部，四川 成都 610041)

可控高壓電抗器對四川電網(wǎng)的影響分析

劉柏私，余銳，張宇棟，湯凡

(國家電網(wǎng)公司西南分部，四川 成都 610041)

可控高壓電抗器是重要的無功補(bǔ)償裝置，這里從川電外送能力、局部水電送出能力、系統(tǒng)故障恢復(fù)能力以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力4個(gè)方面研究了可控高壓電抗器對四川電網(wǎng)的影響，具有一定的實(shí)際意義。

可控高壓電抗器；外送能力；特高壓；穩(wěn)定極限

0 引 言

全國電力系統(tǒng)正在形成大型的互聯(lián)電網(wǎng)，使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，安全穩(wěn)定運(yùn)行任務(wù)艱巨。四川電網(wǎng)地處中國西南，其水電資源豐富，而用電負(fù)荷相對較少。在這種能源格局的背景下，四川電網(wǎng)更多地?fù)?dān)負(fù)的是大功率、遠(yuǎn)距離的輸電任務(wù)。四川電網(wǎng)作為能源基地，大容量遠(yuǎn)距離輸電的送端，其暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、特高壓輸電及大電網(wǎng)安全等問題依然突出，提高系統(tǒng)外送穩(wěn)定性將是首要目的。

FACTS技術(shù)作為“現(xiàn)代電力系統(tǒng)中三項(xiàng)具有變革性的前沿技術(shù)”之一[1]，是增強(qiáng)輸配電系統(tǒng)可控性和靈活性、提高運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的重要手段[2]。特別是處于電力技術(shù)前沿的高壓可控并聯(lián)電抗器，可實(shí)現(xiàn)無功功率的快速補(bǔ)償和調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)主要站點(diǎn)安裝可控高壓電抗器，除抑制潛供電流、限制工頻過電壓等功能外[3]，還可以發(fā)揮以下作用[4-7]：

1) 適應(yīng)豐枯期潮流變化，提高電壓調(diào)控能力；

2) 提升電網(wǎng)運(yùn)行電壓，降低輸電損耗；

3) 減少低壓無功補(bǔ)償裝置操作，降低維護(hù)運(yùn)行成本；

4) 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)控，改善電網(wǎng)動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性；

5) 提升輸電線路輸送功率，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，抑制功率振蕩。

因此，立足于可控高壓電抗器的無功功率的調(diào)節(jié)特性，分別從川電外送能力、局部水電送出能力、系統(tǒng)故障恢復(fù)能力以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力4個(gè)方面研究了可控高壓電抗器對四川電網(wǎng)的影響，通過仿真分析對比了具體的安裝配置方案，為堅(jiān)強(qiáng)四川電網(wǎng)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

1 可控高壓電抗器簡介

目前，超高壓長線路基本采用的是固定電抗器，其在限制過電壓的同時(shí)，又限制了系統(tǒng)調(diào)節(jié)電壓的能力，需要配置相應(yīng)容量的電容來滿足系統(tǒng)調(diào)壓需求?？煽馗邏弘娍蛊鞯某霈F(xiàn)有效地解決了限制過電壓與無功補(bǔ)償?shù)拿?。在系統(tǒng)潮流發(fā)生變化時(shí)，可以根據(jù)調(diào)壓需求自動(dòng)投入相應(yīng)容量的電抗器，并且在發(fā)生暫態(tài)過程時(shí)，它可以實(shí)現(xiàn)無功功率的快速補(bǔ)償和調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)對系統(tǒng)的振蕩也有一定的抑制作用，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定能力[8]。

可控并聯(lián)電抗器按照工作原理的不同，可以分為3類：磁控式可控并聯(lián)電抗器、晶閘管控制變壓器(thysistor controlled transformer，TCT)型可控并聯(lián)電抗器和分級式可控并聯(lián)電抗器[9-12]。其各自優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1)磁控式可控并聯(lián)電抗器的主要優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)輸出容量連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，且本體運(yùn)行時(shí)有諧波，需要加裝濾波器。

2)TCT式可控并聯(lián)電抗器的優(yōu)點(diǎn)是容量可以連續(xù)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快；缺點(diǎn)是晶閘管閥長時(shí)工作，需要增加水冷系統(tǒng)，損耗增加，維護(hù)工作量大，可靠性低，6脈動(dòng)方式諧波量大，需要加裝濾波器。

3)分級式可控并聯(lián)電抗器的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，響應(yīng)速度快，諧波小，無需濾波器，晶閘管閥采用自冷方式，可靠性高；缺點(diǎn)是容量不能連續(xù)調(diào)節(jié)，應(yīng)用于超/特高壓輸電系統(tǒng)時(shí)，考慮到成本等因素，其分級容量不宜設(shè)置過多。

考慮到TCT式可控并聯(lián)電抗器具有連續(xù)調(diào)節(jié)和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，下面以TCT式可控高壓電抗器為例，研究可控高壓電抗器對四川電網(wǎng)的影響。

2 可控高壓電抗器對四川電網(wǎng)的影響

以四川電網(wǎng)2016年豐大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從川電外送能力、局部水電送出能力、系統(tǒng)故障恢復(fù)能力以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力4個(gè)方面研究了可控高壓電抗器對四川電網(wǎng)的影響。

2.1川電外送能力

四川電網(wǎng)的外送能力受區(qū)域間功率交換、網(wǎng)架建設(shè)、暫態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等多方限制。在電網(wǎng)網(wǎng)架和區(qū)域間功率交換值相對固定時(shí)，川電外送能力主要受暫態(tài)穩(wěn)定限制。

仿真時(shí)將固定高壓電抗器更換為可控高壓電抗器，容量與固定高壓電抗器保持一致，由于固定高壓電抗器在四川電網(wǎng)廣泛分布于多個(gè)站點(diǎn)，并且可控高抗價(jià)格較高，不能對所有站點(diǎn)進(jìn)行配置，因此存在可控高壓電抗器的優(yōu)化配置問題。

鑒于蜀州變電站是川西水電外送的匯集站，同時(shí)也是成都環(huán)網(wǎng)的連接站，其樞紐地位較為突出，潮流穿越較大；洪溝變電站是四川交流外送通道的出口站，也是川南東縱通道的電氣重點(diǎn)，其在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與直流閉鎖后均承載較大的轉(zhuǎn)移功率，其樞紐地位同樣十分突出；南充變電站也是重要的樞紐變電站，站內(nèi)相關(guān)設(shè)備停電，將嚴(yán)重影響川西-川南斷面和川渝斷面輸送能力。因此，在四川500 kV電網(wǎng)可控高壓電抗器多點(diǎn)布置條件下，可優(yōu)先考慮在蜀州、洪溝和南充變電站配置。

為考察可控高壓電抗器安裝對川電外送的提高能力，以川渝斷面500 kV洪溝—板橋線路N-2故障為限制故障進(jìn)行仿真研究，可得到川電外送極限如表1所示。

表1 可控高抗對外送能力的影響

從表1中可以看出：1)配置可控高壓電抗器對于川電外送能力的提高有一定作用，并且提高的程度對可控高壓電抗器的安裝地點(diǎn)比較敏感；2)相比蜀州和洪溝變電站，南充變電站安裝可控高壓電抗器的效果最好，單位提高超過了0.5，因此建議在南充安裝可控高壓電抗器來提高四川電網(wǎng)外送能力。

當(dāng)川渝斷面發(fā)生洪溝—板橋線路N-2故障時(shí)，部分潮流轉(zhuǎn)移至黃巖—萬縣這2回線路，造成南充站電壓過低，若在南充站安裝可控高壓電抗器，可以提供一定的無功補(bǔ)償和電壓支撐，提高四川電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

2.2局部水電送出能力

四川九石雅、大普提水電外送通道穩(wěn)定性較低，特別是西部電源并網(wǎng)超前于電網(wǎng)建設(shè)，水電棄水矛盾較為突出。以大普提水電通道的送出能力為例，討論可控高壓電抗器對于局部水電送出能力的影響。

圖1和圖2對比了普洪線N-1故障下，在無可控高壓電抗器和洪溝配置可控高壓電抗器時(shí)，二灘—三峽機(jī)組功角振蕩曲線和晉長治特高壓電壓曲線。

圖1 二灘—三峽機(jī)組功角振蕩曲線

由圖1所示，相比沒有可控高壓電抗器的情況，在洪溝站配置可控高壓電抗器后，二灘機(jī)組功角振蕩的振幅變小，并且衰減得更快。由圖2所示，在洪溝站加裝可控高壓電抗器后，對晉長治特高壓電壓提升較為明顯，對比電壓跌落的最低點(diǎn)，電壓提升近0.1 p.u.。以普洪線N-1故障為限制故障時(shí)，在洪溝站配置可控高壓電抗器可以提高大普提斷面功率約600 MW。

圖2 晉長治特高壓電壓曲線

2.3系統(tǒng)故障恢復(fù)能力

電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，發(fā)電機(jī)功角和區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線將出現(xiàn)振蕩，變電站母線電壓降低，這里以系統(tǒng)阻尼比和交流特高壓無功電壓支撐來描述系統(tǒng)故障后的恢復(fù)能力。

2.3.1 提高系統(tǒng)阻尼比

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生南譚N-2故障時(shí)，圖3給出了無可控高壓電抗器和在南充站配置可控高壓電抗器時(shí)，洪板線的功率振蕩曲線。可以看出，南充站配置可控高壓電抗器后，洪板線功率振蕩幅度變小，衰減速度變快。

圖3 洪板線功率振蕩曲線

為考察可控高壓電抗器的配置地點(diǎn)對系統(tǒng)阻尼比的影響，依次在蜀州、洪溝、南充、東坡變電站配置可控高壓電抗器，得到計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 可控高壓電抗器對系統(tǒng)阻尼比的影響

從表2可以看出，在單一站點(diǎn)安裝可控高壓電抗器可以比較明顯地增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼，各站配置可控高壓電抗器的效果差別不太明顯。相比較而言，在成都環(huán)網(wǎng)和川西斷面上配置可控高壓電抗器的效果較好。

2.3.2 提高特高壓電壓

同樣當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生南譚N-2故障后，依次在蜀州、洪溝、南充、東坡變電站配置可控高壓電抗器。在仿真中，可控高壓電抗器的容量僅作動(dòng)態(tài)電壓支撐，不參與穩(wěn)態(tài)調(diào)壓。得到的結(jié)果如表3和圖3所示。

表3 可控高壓電抗器對特高壓電壓的影響

從仿真結(jié)果可以看出：1)系統(tǒng)若不配置可控高壓電抗器，則南譚N-2故障可能引起特高壓母線電壓大幅降落，并接近特高壓解列的臨界值；2)在東坡站、洪溝站安裝可控高壓電抗器的效果最好，并且安裝的容量越大，特高壓電壓提升得越為明顯。

圖4 特高壓長治站母線電壓

2.4穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力

與固定高壓電抗器不同，可控高壓電抗器可根據(jù)不同運(yùn)行方式下電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)感性補(bǔ)償容量，可以增強(qiáng)電網(wǎng)電壓調(diào)控的靈活性，提升重負(fù)荷水平下電網(wǎng)的電壓水平，并降低輸電網(wǎng)損耗。

針對蜀州、東坡、普提、洪溝4個(gè)變電站，考察如表4所示的單一與組合等不同可控高壓電抗器配置方案對電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓和網(wǎng)損的影響。

表4 四川500 kV主干網(wǎng)架高壓電抗器配置方案 單位：MW

通過退出可控高壓電抗器提升輸電網(wǎng)電壓水平和降低網(wǎng)絡(luò)損耗，其計(jì)算結(jié)果如表5所示。從中可以看出：蜀州站配置180 Mvar或360 Mvar的可控高壓電抗器，可將成都環(huán)網(wǎng)電壓各節(jié)點(diǎn)電壓分別提升2.4～3.7 kV和5.1～7.8 kV，降低網(wǎng)損7～13.5 MW；組合配置方案下，蜀州、普提變電站各配置360 Mvar的可控高壓電抗器與蜀州、普提、東坡、洪溝變電站各配置180 Mvar的可控高壓電抗器在降低網(wǎng)損方面的效益基本相當(dāng)；若4個(gè)變電站各配置360 Mvar的可控高壓電抗器，最大可降低網(wǎng)損46 MW。

在普提、洪溝變電站均配置等容量的可控高壓電抗器條件下，洪溝站的配置對成都環(huán)網(wǎng)電壓提升效果更顯著，降低網(wǎng)損功率水平也更大。

綜合各站點(diǎn)配置可控高壓電抗器對成都環(huán)網(wǎng)負(fù)荷中心電壓水平影響和降低網(wǎng)損的幅度，可優(yōu)先考慮在蜀州和洪溝兩個(gè)變電站配置可控高壓電抗器。

3 結(jié) 論

可控高壓電抗器在四川電網(wǎng)具有較好的適用性：1)可以提高電網(wǎng)交流外送能力，改善局部水電送出能力；2)系統(tǒng)發(fā)生故障后，可以提高母線電壓水平，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼；3)可以提升電網(wǎng)電壓調(diào)控能力，提高電壓運(yùn)行水平降低網(wǎng)絡(luò)損耗。若考慮外送能力，在南充變電站配置可控高壓電抗器效果較好，若綜合考慮電壓的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)提升、降低網(wǎng)絡(luò)損耗，可在洪溝變電站配置可控高壓電抗器。

表5 不同可控高壓電抗器配置對電網(wǎng)電壓及網(wǎng)損的影響評估

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The controllable high-voltage reactor is an important equipment of reactive compensation. The influence of controllable high-voltage reactors on Sichuan power grid is analyzed in terms of transmission capability from Sichuan power grid, local hydropower transmission capability, recovery capability after fault and voltage regulation capability of steady state, which is of actual significance.

controllable high-voltage reactors; transmission capability; ultra-high voltage; stability limit

TM76

：A

：1003-6954(2017)04-0043-05

2017-04-10)