多級(jí)快速投切電抗器控制區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率的技術(shù)方案研究

馬騫，劉洪濤，孫嘉彌，杜翠，鄧卓明

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東廣州 510663；2.國(guó)家能源局，北京 100031；3.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510663）

0 引言

大型區(qū)域電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線功率交換對(duì)保障大區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。因此將聯(lián)絡(luò)線交換功率控制在合理范圍內(nèi)可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。但區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷以及電源出力是實(shí)時(shí)變化的，尤其大規(guī)模新能源投運(yùn)后，受新能源多時(shí)空、高不確定性特點(diǎn)的影響，聯(lián)絡(luò)線交換功率控制變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)的手段難以滿足快速變化的交換功率的需求。另外，交流線路故障跳開(kāi)后的潮流轉(zhuǎn)移將導(dǎo)致其它聯(lián)絡(luò)線功率越限，需要采取一定措施限制線路的潮流，但現(xiàn)常規(guī)的調(diào)整開(kāi)停機(jī)組的手段難以達(dá)到潮流快速控制的效果［1-3］。為此，如何在潮流變化頻繁且難以控制的場(chǎng)合進(jìn)行合理的潮流控制，有待更深入的研究。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)大規(guī)模發(fā)展，快速靈活的潮流控制技術(shù)，如統(tǒng)一潮流控制器（UPFC，Unified Power Flow Controller）技術(shù)、分布式潮流控制器技術(shù)（DPFC，Distributed Power Flow Controller）等在電網(wǎng)工程中得到了應(yīng)用并取得了良好的控制效果。例如，2015年，南京西環(huán)網(wǎng)220 kV 統(tǒng)一潮流控制器工程投運(yùn)，對(duì)均衡南京西環(huán)網(wǎng)的潮流、提升電網(wǎng)輸電能力以及事故后的潮流控制能力起到了良好的效果［4］；2017年，蘇州南部電網(wǎng)500 kV統(tǒng)一潮流控制器投運(yùn)，至今運(yùn)行良好［5-6］；2020 年，浙江杭州電網(wǎng)以及湖州電網(wǎng)分布式潮流控制器工程投運(yùn)，在地區(qū)電網(wǎng)潮流均衡和潮流調(diào)節(jié)方面發(fā)揮了重要的作用。從工程應(yīng)用情況來(lái)看，潮流控制器可靠性高，響應(yīng)速度快，有利于提高電網(wǎng)的潮流控制能力。

盡管這類(lèi)基于電力電子裝備的柔性潮流控制技術(shù)在電網(wǎng)中的運(yùn)行得到驗(yàn)證，但整體高昂的造價(jià)以及占地較大兩類(lèi)問(wèn)題成為其難以大規(guī)模推廣的主要因素。鑒于此，本文提出將多級(jí)快速投切電抗器應(yīng)用于交流電網(wǎng)，通過(guò)對(duì)多級(jí)快速投切電抗器的控制來(lái)滿足潮流靈活調(diào)節(jié)需求。該方案在整體造價(jià)和占地方面均有較大優(yōu)勢(shì)。

1 影響線路有功功率的因素

輸電線路潮流示意圖如圖1所示。

圖1 輸電線路潮流示意圖Fig.1 Power flow diagram of transmission line

考慮到輸電線路的電抗XL遠(yuǎn)大于線路電阻RL，因此將RL忽略。線路有功功率Pij和無(wú)功功率Qij與線路首末端電壓以及線路阻抗的關(guān)系分別如式（1）、式（2）所示：

從有功功率的表達(dá)式中可以看出，要改變線路的有功傳輸功率，可以分別考慮改變線路首末端電壓、線路阻抗，以及線路首末端的相角差。通常來(lái)說(shuō)，線路兩端的電壓在一定范圍內(nèi)運(yùn)行，通過(guò)改變首末端電壓對(duì)線路傳輸?shù)挠泄β视绊懖⒉淮螅?-8］。而通過(guò)改變線路的相角差以及線路的阻抗則可以實(shí)現(xiàn)有功的快速改變［7-8］。下面分別分析幾類(lèi)柔性潮流控制技術(shù)的潮流控制的基本原理。

2 電力電子類(lèi)柔性潮流控制裝置

2.1 統(tǒng)一潮流控制器技術(shù)

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，典型的UPFC 是由兩個(gè)通過(guò)直流電容耦合的換流器組成，換流器1 和換流器2 分別通過(guò)并聯(lián)變壓器和串聯(lián)變壓器與系統(tǒng)進(jìn)行連接。

圖2 傳統(tǒng)UPFC的基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The basic structure of traditional UPFC

其中，換流器1 通過(guò)并聯(lián)變壓器Tsh與系統(tǒng)連接，獨(dú)立地向系統(tǒng)注入或吸收無(wú)功功率，其主要目的是為了維持并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)母線電壓以及直流電壓。換流器2 通過(guò)串聯(lián)變壓器Tse與系統(tǒng)連接，可以等效成向交流系統(tǒng)注入一個(gè)與系統(tǒng)同頻率且幅值和相位均可變化的串聯(lián)電壓Vse∠θse，幅值Vse的變化范圍為：［0，Vsemax］，Vsemax受制于交流輸電系統(tǒng)的電壓水平，相角θse的變化范圍為：［0，360°］。

UPFC串入線路中的等效電路如圖3所示。

圖3 UPFC串聯(lián)側(cè)等效電路圖Fig.3 The equivalent circuit diagram of UPFC on series side

目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的南京西環(huán)網(wǎng)220 kV統(tǒng)一潮流控制器和蘇南電網(wǎng)500 kV統(tǒng)一潮流控制器，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采取了一定優(yōu)化。應(yīng)用在雙回線路上時(shí)，采取兩個(gè)串聯(lián)換流閥共用一個(gè)并聯(lián)換流閥的拓樸結(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)線路端電壓控制模式、阻抗控制模式、相角控制模式以及潮流控制模式。

2.2 分布式潮流控制技術(shù)

DPFC 即分布式潮流控制器，是一種分布式輕型化潮流控制裝置。它利用分布式的小型化單相子單元對(duì)電網(wǎng)潮流進(jìn)行控制，可為智能電網(wǎng)提供更靈活、更先進(jìn)的控制手段，有效提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，提升電網(wǎng)供電能力，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。

早在2004 年，美國(guó)Deepak Divan 教授提出了分布式潮流控制器的概念。該技術(shù)的核心思想是考慮到變電站空間有限，采用小容量的分布式串聯(lián)補(bǔ)償器，可直接分布式地懸掛于電力線路上，實(shí)現(xiàn)和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC，Static Synchronous Series Compensation）相近的電網(wǎng)潮流控制功能和效果，可為智能電網(wǎng)提供更靈活、更先進(jìn)的控制手段，有效提高電力系統(tǒng)的供電能力和安全穩(wěn)定性。該裝置具有體積小、重量輕等特點(diǎn)。大量分布式的子單元保障了設(shè)備的冗余性，進(jìn)而提升了裝置的可靠性［9-10］。

3 基于多級(jí)快速投切電抗器的潮流控制技術(shù)

從線路傳輸功率的表達(dá)式可以看出，改變線路傳輸功率，一種方法是通過(guò)串入電壓的方法改變相角，另外一種是直接通過(guò)改變線路的阻抗值，即通過(guò)在線路上串入電容或者電抗的方式來(lái)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。如在輸電線路上安裝串補(bǔ)或者可控串補(bǔ)的方式縮短電氣距離，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并同步提高斷面的輸電能力［11］。

上一章分析的統(tǒng)一潮流控制器和分布式潮流控制器，其核心作用原理主要是通過(guò)換流器的控制改變串入線路的電壓的幅值和相角，進(jìn)而改變線路首末端兩側(cè)相角差來(lái)改變線路的有功功率，可以實(shí)現(xiàn)柔性潮流控制裝置所控制線路功率在一定范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)，但基于電力電子器件的柔性潮流控制裝置總體成本較高，同時(shí)設(shè)備總占地面積較大，難以大規(guī)模推廣。

本文提出了基于多級(jí)快速投切電抗器的潮流控制器，主要通過(guò)靈活改變串入線路的阻抗大小的方式來(lái)改變線路的有功功率。下面將分別介紹該控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、選址定容方案以及控制策略。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于以上的研究思路，本文提出通過(guò)多級(jí)快速投切電抗器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流控制，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于多級(jí)快速投切電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Topological structure diagram based on multistage fast switching reactor

由圖4 可知，多級(jí)快速投切的電抗器為3 級(jí)投切電抗器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為電抗器與快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)后，再與其他的電抗器及快速開(kāi)關(guān)串聯(lián)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，通過(guò)對(duì)多級(jí)快速開(kāi)關(guān)的投退，即可控制串入線路的阻抗值大小。在阻抗值選取方面，可通過(guò)合理的選取使得串入的阻抗值可在一定范圍內(nèi)變化，如選取的阻抗值為xΩ、2xΩ，則通過(guò)開(kāi)關(guān)的投退可以串入的阻抗值為xΩ、2xΩ、3xΩ。如選擇三個(gè)阻抗值為xΩ、2xΩ、4xΩ 的電抗串聯(lián)，則通過(guò)對(duì)快速開(kāi)關(guān)的投退可以實(shí)現(xiàn)x～7xΩ 阻抗值7個(gè)階梯度的變化。

3.2 安裝位置和容量?jī)?yōu)化方案

在選擇多級(jí)快速投切電抗器的每一級(jí)電抗值的大小時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的需求，即需要計(jì)算各種運(yùn)行方式下電網(wǎng)需要串入的阻抗大小，同時(shí)電抗器投退過(guò)程中不應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如引起暫穩(wěn)或電壓失穩(wěn)等問(wèn)題。電抗器主要是用于降低安裝線路的潮流，因此用于區(qū)域聯(lián)網(wǎng)線路實(shí)現(xiàn)潮流控制時(shí)，應(yīng)將其重點(diǎn)安裝在重載線路上，通過(guò)對(duì)重載線路的潮流限制，實(shí)現(xiàn)區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)斷面的潮流均衡，尤其是在線路聯(lián)絡(luò)線路發(fā)生故障時(shí)需要采取經(jīng)濟(jì)性潮流限制措施的時(shí)候。

在容量選擇時(shí)，主要考慮各種運(yùn)行方式下需要串入的最大電抗值，選擇的額定電流與安裝線路的額定電流一致，具體的步驟如下：

步驟1：識(shí)別確定關(guān)鍵斷面，對(duì)輸電斷面進(jìn)行N-1掃描，對(duì)N-1后過(guò)載的線路進(jìn)行定位。

步驟2：在機(jī)電暫態(tài)程序中，在N-1 后過(guò)載的線路中串入電抗值，電抗值的大小需滿足在各種運(yùn)行方式下N-1后均不過(guò)載。

步驟3：校核在計(jì)算的最大電抗值串入后，各類(lèi)故障下是否會(huì)引發(fā)新的穩(wěn)定問(wèn)題。如無(wú)影響則進(jìn)入下一步，如可能存在穩(wěn)定問(wèn)題，則進(jìn)入上一步，并將電抗值減小約10%。

步驟4：確定好總電抗值后，評(píng)估調(diào)節(jié)的頻繁程度和電網(wǎng)對(duì)潮流的精細(xì)化要求，選擇所需的多級(jí)投切電抗器的級(jí)數(shù)，如對(duì)潮流控制要求較低，則選擇2 級(jí)電抗值，如對(duì)潮流控制精度要求搞，則選擇3級(jí)或者4級(jí)投切電抗器。

3.3 控制策略

正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)安裝線路的潮流未達(dá)到預(yù)警值，快速開(kāi)關(guān)均處于合位，將電抗器置于旁路，系統(tǒng)運(yùn)行在無(wú)損耗的狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到安裝點(diǎn)的潮流超過(guò)預(yù)警值時(shí)，則按照預(yù)定的控制策略投入電抗器，進(jìn)行電網(wǎng)潮流的改變。電抗器的投入策略分為正常運(yùn)行時(shí)因負(fù)荷和開(kāi)機(jī)方式的改變導(dǎo)致的運(yùn)行越限和故障情況下的事故越限，當(dāng)其中一回線路跳開(kāi)，潮流轉(zhuǎn)移到另外一回線路導(dǎo)致線路過(guò)載的問(wèn)題時(shí)，兩種方式下的控制的緊迫程度以及控制策略有所區(qū)別。

正常運(yùn)行時(shí)，多級(jí)快速投切電抗器以降低系統(tǒng)運(yùn)行損耗、事故預(yù)防為主要目的，即當(dāng)區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線路功率較小時(shí)，將快速開(kāi)關(guān)合上，對(duì)所有的電抗器進(jìn)行旁路。當(dāng)安裝線路的功率達(dá)到預(yù)警值時(shí)，考慮投入電抗器。由于正常運(yùn)行時(shí)潮流越門(mén)檻值屬于較輕的問(wèn)題，因此電抗器投入時(shí)可以考慮電抗值由小到大逐步投入，即先投入電抗值最小的電抗器，如發(fā)現(xiàn)再次越限，則進(jìn)一步投入剩余電抗值最小的電抗器。當(dāng)檢測(cè)到線路功率在預(yù)警值以下并維持一段時(shí)間T后，再依次合上快速開(kāi)關(guān)退出電抗器。

當(dāng)發(fā)生緊急事故時(shí)，需要對(duì)潮流進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)限制，因此電抗器的投切考慮優(yōu)先投入電抗值最大的電抗器。檢測(cè)潮流仍然越限后，再次投入剩余電抗值最大的電抗器，直到將潮流限制到事故限額以下并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)后，再依次合上快速開(kāi)關(guān)，退出電抗器。

4 幾類(lèi)潮流控制裝置基本性能比較

如表1 所示，在控制性能、造價(jià)等指標(biāo)方面對(duì)統(tǒng)一潮流控制器、分布式潮流控制器以及本文提出的多級(jí)快速投切電抗器進(jìn)行比較?？梢钥闯觯疚奶岢龅亩嗉?jí)快速投切電抗器在設(shè)備價(jià)格、運(yùn)行損耗、環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)行范圍等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在潮流控制性能上，主要是對(duì)線路有功功率的控制，無(wú)法兼顧到無(wú)功電壓的調(diào)節(jié)。

表1 幾類(lèi)潮流控制裝置基本性能對(duì)比Tab.1 Comparison of basic performance of several kinds of power flow control devices

5 案例分析

某省級(jí)電網(wǎng)的區(qū)間聯(lián)絡(luò)線路由2 回500 kV A-B雙回線路和2 回500 kV C-D 雙回線路連接。受潮流自然分布的影響，通道A-B 間的潮流較重，其中區(qū)域電網(wǎng)1 為送端電網(wǎng)，有大量的水電和新能源接入；區(qū)域電網(wǎng)2 為負(fù)荷中心，需要大量的外電饋入，如圖5所示。

圖5 區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線示意圖Fig.5 The diagram of Tie-line between on regional grid

隨著新能源的大規(guī)模接入，區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線路的功率變化頻繁，控制難度較大。在某種運(yùn)行方式下，通道A-B 的線路功率較大，N-1 后另外一回線過(guò)載，該通道500 kV 單回線路的熱穩(wěn)限額為2.6 GW。在區(qū)域電網(wǎng)1 新能源大量發(fā)電時(shí)，A-B 線路重載。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)雙回線潮流達(dá)到3.5 GW 時(shí)，N-1 后另外一回線路剛好滿載，此時(shí)另外一個(gè)通道的潮流為2.6 GW。但該區(qū)域間聯(lián)絡(luò)斷面限額為5.5 GW，一旦超過(guò)該限額，則區(qū)域電網(wǎng)1 需要采取棄風(fēng)棄光的措施來(lái)限制斷面潮流。其實(shí)在通道A-B達(dá)到N-1 熱穩(wěn)限額時(shí)，C-D 仍然有較大的裕度，因此考慮在通道A-B上安裝多級(jí)快速投切電抗器。

結(jié)合電網(wǎng)遠(yuǎn)期規(guī)劃，到2030 年區(qū)域電網(wǎng)1 風(fēng)光大力發(fā)展時(shí)，斷面最大輸送能力可能達(dá)到6.4 GW，其中A-B 通道潮流為4.07 GW，通道C-D 潮流為2.33 GW。如果不采取任何潮流控制措施，就需要采取限制電源出力等措施。

由于上述情況下潮流調(diào)節(jié)較頻繁，且對(duì)潮流控制的精度較高，考慮采用3 級(jí)的投切電抗器，各級(jí)電抗器的電抗值分別設(shè)置為2 Ω、4 Ω、8 Ω。通過(guò)對(duì)快速開(kāi)關(guān)的控制，可實(shí)現(xiàn)2～14 Ω 之間7 個(gè)檔位的潮流調(diào)節(jié)。

表2 為在某一運(yùn)行方式下，通道A-B 發(fā)生N-1故障后，另外一回線路功率3.02 GW，超過(guò)熱穩(wěn)限額約420 MW，考慮通過(guò)多級(jí)快速投切電抗器投入不同的電抗器來(lái)限制潮流。

表2 多級(jí)快速投切電抗器不同的電抗值對(duì)線路功率的控制效果Tab.2 Control effect on line power of different reactance values on multistage fast switching reactor

從表1 可以看出，通過(guò)對(duì)電抗器的投切控制，串入的電抗值可以表現(xiàn)為7 個(gè)遞增的數(shù)值，對(duì)電網(wǎng)的潮流可以控制到相對(duì)精細(xì)化的水平。在該運(yùn)行方式下，單次投切可改變的潮流約為77 MW。

從該案例可以看到，通過(guò)對(duì)多快速投切電抗器的控制可以實(shí)現(xiàn)潮流相對(duì)精確的控制，當(dāng)投切開(kāi)關(guān)的級(jí)數(shù)達(dá)到4 級(jí)甚至更多時(shí)，其潮流控制的精度也將會(huì)進(jìn)一步提高。

6 結(jié)論

本文提出的基于多級(jí)快速投切電抗器的潮流控制技術(shù)，具備占地面積小、造價(jià)相對(duì)低廉、可靈活投退等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)基于多級(jí)快速投切對(duì)區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線功率的控制策略研究，可得出以下結(jié)論：

1）基于多級(jí)快速投切電抗器的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)斷面的潮流靈活調(diào)整，尤其適用于潮流不均的斷面，應(yīng)用于重載通道，可實(shí)現(xiàn)潮流的靈活調(diào)節(jié)。

2）該技術(shù)具備快速的投退功能，在低于設(shè)定門(mén)檻值時(shí)，將電抗器旁路后不產(chǎn)生運(yùn)行損耗。只有在聯(lián)絡(luò)線潮流超過(guò)啟動(dòng)門(mén)檻值時(shí)，才將其投入運(yùn)行，通過(guò)對(duì)多級(jí)開(kāi)關(guān)的投退可控制投入的電抗值大小，實(shí)現(xiàn)潮流的靈活調(diào)節(jié)。

3）考慮到電抗值投入后有功無(wú)功不解耦，需消耗一定的無(wú)功，因此該技術(shù)適用于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，無(wú)功調(diào)節(jié)手段較多的場(chǎng)合。