復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流分析及其控制

李春敏

（國網(wǎng)寧東供電公司 寧夏回族自治區(qū)靈武市 750411）

1 電磁環(huán)網(wǎng)的定義及環(huán)流的影響

高低壓電磁環(huán)網(wǎng)是電磁環(huán)網(wǎng)在電力學(xué)范疇里的稱呼，直白一點解釋就是將兩組電壓等級等同的線路通過聯(lián)接兩端的變壓器磁回路形成并聯(lián)運行的電網(wǎng)。而產(chǎn)生環(huán)流的原因是因為現(xiàn)代電網(wǎng)的電壓等級因等級越高電路系統(tǒng)就能以更小的損耗輸送更大的功率而在持續(xù)的提高，但在實際要做的過程中，在向更高級電壓的電網(wǎng)傳遞時，由于原本的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不夠堅固，一般情況下就會形成若干個電磁環(huán)網(wǎng)一起運行的現(xiàn)象,進而產(chǎn)生環(huán)流。而該過程中的負(fù)荷轉(zhuǎn)移很有可能造成較大的安全事故，破壞電路系統(tǒng)的穩(wěn)定，還會造成電力資源的不必要浪費。因為電磁環(huán)網(wǎng)功率環(huán)流的存在對電路系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行有著較為嚴(yán)重的影響：

（1）會影響電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，進而破壞掉系統(tǒng)的熱穩(wěn)定，就會引起系統(tǒng)振蕩等等一系列現(xiàn)象；

（2）會對工作人員設(shè)置的三道防線產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，會對繼電保護整定工作的難度產(chǎn)生很大的影響，同時也使電網(wǎng)工作人員設(shè)置電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，從而為系統(tǒng)帶來故障隱患；

（3）會影響電網(wǎng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，由于特高壓和超高壓電磁環(huán)網(wǎng)中會產(chǎn)生功率環(huán)流，就會使得在運行系統(tǒng)的過程中產(chǎn)生額外的有功損耗，使得部分電力公司承擔(dān)了本不該承擔(dān)的費用，也造成了電力資源的不必要浪費。

所以如何加強對電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流的控制研究具有十分重要的現(xiàn)實意義，值得各大學(xué)者專家致力研究。

2 復(fù)雜網(wǎng)路電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流控制的現(xiàn)狀分析

2.1 國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀分析

研究表明，我國的電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流問題比較突出，為電網(wǎng)日常的運行管理工作帶來了不必要的負(fù)擔(dān)，也影響國家電網(wǎng)的進一步發(fā)展。而相關(guān)專家學(xué)者若能成功解決電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流問題，可以方便調(diào)整潮流、快速處理電網(wǎng)事故、簡化繼電保護和安全自動裝置工作、限制短路的容量等，所以解決電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流問題也成了國內(nèi)外眾多專家學(xué)者的研究共識。在國內(nèi)以東北電網(wǎng)作為解決電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流問題的例子，在2007年的冬季，東北電網(wǎng)首次完成了電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的工程，造福了整個東北，使得整個東北電網(wǎng)在日后的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)工程有了一個良好的基礎(chǔ)。國家電網(wǎng)公司在2007年這一年的時間內(nèi)，就相繼完成了15 個網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的工程，且電壓都在220kv 以上甚至更為復(fù)雜。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)工程也在不斷進步，現(xiàn)如今，我國已經(jīng)基本完成了220/110kV電網(wǎng)的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)工作，由于電磁環(huán)網(wǎng)較多的存在于500/220kV電壓的電網(wǎng)系統(tǒng)中，750/330kV 及1000/500kV 以上電壓電網(wǎng)系統(tǒng)中電磁環(huán)網(wǎng)存在較少，而隨著國家電壓等級的不斷提升，更高電壓等級的電磁環(huán)網(wǎng)正在形成。在電網(wǎng)運行的初步階段，由于電磁環(huán)網(wǎng)的出現(xiàn)，還可以在一定程度上提高電網(wǎng)供電的可靠性以及靈活性，但到了后期階段，一般情況下還是會為電網(wǎng)系統(tǒng)的運行帶來必不可少的麻煩。為滿足日益增長的電能需求，因為新建輸電線路需要國家巨大的投資，而近年來FACTS 技術(shù)又在迅猛發(fā)展，國內(nèi)專家對FACTS 技術(shù)也做了不少的相關(guān)研究，經(jīng)過研究可以得出，F(xiàn)ACTS技術(shù)對現(xiàn)有電氣設(shè)備的容量利用效率的提高有很大的幫助，在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和次暫態(tài)這三種工況下，都能起到相應(yīng)的作用，這為輸電系統(tǒng)的新建和改造升級提供了新思路。

2.2 國外相關(guān)研究現(xiàn)狀深入分析

從調(diào)查數(shù)據(jù)中可以得出，國外將研究的重點放在了抑制電磁環(huán)網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)功率環(huán)流上，針對重大的停電事故，相關(guān)專家學(xué)者只是把研究重點放在加強繼電保護及改進電力自動安全裝置等方面，沒有重點研究電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的工作，因為獨立開放的電力市場缺乏統(tǒng)一的調(diào)度和規(guī)劃，在電路建設(shè)完成后針對復(fù)雜的電路網(wǎng)路電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的代價較大，因此國外對于電磁環(huán)網(wǎng)問題的研究重點大部分停留如何分布功率環(huán)流上，或者采用柔性交流輸電技術(shù)使得電磁環(huán)網(wǎng)中的功率環(huán)流得以消除，進而確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。相關(guān)研究已經(jīng)證實移相變壓器、旋轉(zhuǎn)潮流控制器、晶閘管控制串聯(lián)電容器、靜止同步補償器、線間潮流控制器等等，這些FACTS 控制器都可以在控制電磁環(huán)網(wǎng)的功率環(huán)流中進行工作，不同的控制器也會產(chǎn)生不同的控制效果，如何合理運算應(yīng)用這些控制器，從而切實解決電磁環(huán)網(wǎng)中環(huán)流問題，還需眾多學(xué)者專家的致力研究。

3 復(fù)雜網(wǎng)路電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流控制技術(shù)的探究

3.1 常規(guī)控制技術(shù)

3.1.1 常規(guī)的電力系統(tǒng)潮流控制方法

可以使用常規(guī)的電力系統(tǒng)潮流控制方法，比如使用發(fā)電機來控制、抽頭切換變壓器、并聯(lián)無功補償以及相位角調(diào)節(jié)器等等，其在電磁環(huán)網(wǎng)功率環(huán)流中的作用效果可以通過在動態(tài)響應(yīng)和控制范圍方面的缺陷來進行更好的制約，從而達(dá)到減緩電磁環(huán)網(wǎng)中功率環(huán)流的影響。

3.1.2 分布式串聯(lián)阻抗（DSI）技術(shù)

分布式串聯(lián)阻抗（DSI）技術(shù)作為目前最簡單的技術(shù)手段，工作原理是通過將串聯(lián)電抗或者串聯(lián)電容嵌入到特定的輸電線路中，使得線路的參數(shù)得到改變，進而可以更好的控制潮流分布的效果。

3.1.3 基于晶閘管閥的FACTS 裝置

基于電壓源變流器的新型FACTS 技術(shù)和基于電壓源變流器的HVDC 技術(shù)近幾年來發(fā)展迅速，在無功潮流、有功潮流和動態(tài)響應(yīng)獨立控制方面的缺陷以及諧波等問題可以制約其在電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流控制中的作用，為復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流問題的解決，提供了更加恰當(dāng)?shù)乃悸泛屯緩健?/p>

3.2 基于VSC的HVDC技術(shù)

3.2.1 環(huán)網(wǎng)功率控制器（LPC）技術(shù)

國外有專家提出利用環(huán)網(wǎng)功率控制器即LPC 來調(diào)節(jié)電磁環(huán)網(wǎng)潮流，通過直流背靠背的方法在合環(huán)點實現(xiàn)潮流的雙向控制，能夠很好的減小分布式電源接入后引起的節(jié)點電壓偏差量越限，在解決潮流流動管理以及短路電流增加等等問題時也發(fā)揮良好的作用。相關(guān)研究表明LPC技術(shù)能夠應(yīng)用到輸電網(wǎng)的中去，但就目前情況來看，所需要的整體成本還比較高，一般用戶難以負(fù)擔(dān)該費用，通常在長距離輸電時才考慮使用該技術(shù)。不過隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及相關(guān)電子設(shè)備成本的下降，該技術(shù)早晚會在國內(nèi)的電網(wǎng)系統(tǒng)中大面積普及應(yīng)用，以解決復(fù)雜電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流現(xiàn)象。

3.2.2 BTB-HVDC 技術(shù)

相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查研究結(jié)果中顯示，通過對VSC-HVDC 換流站和直流輸電線中的損耗作量化分析，發(fā)現(xiàn)VSC-HVDC 能有效控制無功和有功功率、送端和受端電壓，在電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流控制工程中可帶來諸多優(yōu)勢。還有文獻(xiàn)針對含VSC-MTDC 的交直流環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)計及N-1 準(zhǔn)則，總結(jié)并提出了能夠安全約束矯正電磁環(huán)網(wǎng)潮流的最有效解決方法。

3.3 基于VSC的FACTS技術(shù)

隨著國家經(jīng)濟水平的飛速提升，國民對電力資源的需求也在日益增長，但如果不能很好地解決電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流問題，勢必會影響輸電走廊線路的新建工程。隨著FACTS 技術(shù)研究越來越成熟，通過對諸多文獻(xiàn)的探究，發(fā)現(xiàn)它們都提出了從現(xiàn)輻射型配電網(wǎng)到環(huán)形配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，可以使得在系統(tǒng)接入分布式電源有一個更好的適應(yīng)過程，這就使得節(jié)點過低電壓、短路電流以及功率環(huán)流等等這一系列問題有了更好的解決方案。常見的FACTS 技術(shù)具體有以下幾種。

3.3.1 串聯(lián)型背靠背功率調(diào)節(jié)器

相關(guān)研究提出，要想更好的解決電磁環(huán)網(wǎng)功率環(huán)流的問題，能夠使用串聯(lián)型背靠背功率調(diào)節(jié)器平衡功率的方法來解決，但由于需要安裝在饋首端才可以使用串聯(lián)型背靠背功率調(diào)節(jié)器，由不同變電站饋線所構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)中就不能很好的使用，需要進一步研究解決。

3.3.2 SSSC 和D-SSSC 技術(shù)

研究表明將SSSC 與儲能裝置聯(lián)接，SSSC 能夠提供容抗補償和動態(tài)感抗，進而達(dá)到控制獨立的有功和無功功率的作用，但目前SSSC 只能作為UPFC 的一部分考慮到其設(shè)備的成本經(jīng)濟性問題。另外有研究發(fā)現(xiàn)通過D-SSSC 將常規(guī)的輻射型配電網(wǎng)聯(lián)接成環(huán)網(wǎng)，可以提高電網(wǎng)的運行可靠性，方便節(jié)點電壓的管理，并促進分布式能源的利用，為解決電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流問題提供了解決方法。另外還有研究發(fā)現(xiàn)，D-SSSC 相比于串聯(lián)型背靠背功率調(diào)節(jié)器來說，能夠在不同的變電站饋線構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的情況中運用。

3.3.3 IPFC 和GUPFC 技術(shù)

IPFC 是有效實現(xiàn)將SSSC 用于環(huán)流控制的技術(shù)手段，由多個串聯(lián)于不同線路的SSSC 和公共直流電容組成。相關(guān)文獻(xiàn)通過對IPFC進行了建模分析，分析結(jié)果表明IPFC 具有同時控制無功和有功功率的功效。

3.3.4 UPFC 技術(shù)

UPFC 是一種將STATCOM 和SSSC 技術(shù)組合應(yīng)用的技術(shù)，對于優(yōu)化現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)運行，阻尼系統(tǒng)的振蕩、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定等具有顯著的作用，能有效解決功率輸送不平衡的問題，實現(xiàn)有功和無功功率獨立控制，提升電網(wǎng)潮流輸送的靈活性，應(yīng)用前景廣闊。相關(guān)文獻(xiàn)研究將UPFC 直接裝在中壓網(wǎng)絡(luò)能起到抑制電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流的效果，另外通過分析UPFC 的經(jīng)濟可行性，如何實現(xiàn)環(huán)形配電網(wǎng)系統(tǒng)損耗最小化的經(jīng)濟條件，可以推理得出兩種關(guān)于環(huán)網(wǎng)損耗最小的UPFC 控制策略，其一是線路電壓補償控制，其二是線路電感補償控制。

3.3.5 可控網(wǎng)絡(luò)變壓器技術(shù)(CNT)

CNT 具有變換器容量小、對低頻變壓器的要求低、成本低等優(yōu)勢，相關(guān)文獻(xiàn)也對CNT 的運行做了解析表達(dá)式，得出CNT 可以在高壓電網(wǎng)中得以應(yīng)用解決環(huán)網(wǎng)環(huán)流問題。

3.3.6 其它技術(shù)

除了以上幾種相關(guān)研究較多，趨于成熟化發(fā)展的控制技術(shù)，有專家提出了一種新穎的潮流控制器即電力路由器(PR)，該控制器可以保留VSC 和CNT 的優(yōu)勢，無需串聯(lián)變壓器，制造成本上也頗具有競爭力，能在現(xiàn)存的LTC變壓器上進行改造以完成技術(shù)上的過渡。相關(guān)研究表明PR 還可應(yīng)用于FACTS 裝置上如BTB、CNT、UPFC和DSI 等裝置的改造，具有很強的應(yīng)用擴展性和市場價值。

綜上所述，通過分析國內(nèi)外專家學(xué)者對解決電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流的控制問題上做出的相關(guān)研究現(xiàn)狀，對以上復(fù)雜電網(wǎng)系統(tǒng)電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流控制技術(shù)的簡單介紹。理論上的各種研究表明，在電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流控制中應(yīng)用以上介紹的各種控制技術(shù)手段都會起一定的控制效果。其中一些常規(guī)技術(shù)已經(jīng)在多年前應(yīng)用于解決電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流問題，現(xiàn)在技術(shù)較為成熟。FACTS 技術(shù)在電網(wǎng)綜合智能控制方面及VSCHVDC 技術(shù)在電網(wǎng)間互聯(lián)和城市電網(wǎng)供電等方面都表現(xiàn)較為突出，是未來更好解決電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流問題的研究重點。另外還有部分新興控制技術(shù)手段如IPFC 等雖然已通過仿真計算機得以驗證其功效，但因其成本、制造、安裝等問題難以解決，至今未能應(yīng)用到實際的工程中，需要科學(xué)家們進一步的努力研究，進而切實解決電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)流控制問題，為國家電網(wǎng)的建設(shè)拓展邁向新階段作出貢獻(xiàn)。