提升臺遠-塔中-且末通道輸送能力的綜合方案

宋曉通，戴擁民，武守遠，劉慧文，汪揚

（1.北京石油化工學院信息工程學院，北京102617；2.新疆電力公司，烏魯木齊830002；3.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102200）

提升臺遠-塔中-且末通道輸送能力的綜合方案

宋曉通1，戴擁民2，武守遠3，劉慧文3，汪揚3

（1.北京石油化工學院信息工程學院，北京102617；2.新疆電力公司，烏魯木齊830002；3.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102200）

為提升新疆電網(wǎng)臺遠-塔中-且末通道的輸送能力，改善受端電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性和電壓水平，首先計算了當前與遠期網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下該通道的輸送能力，確定了限制該通道電能送出的約束性因素；再結(jié)合電網(wǎng)遠期負荷需求和系統(tǒng)的動態(tài)特性，系統(tǒng)研究了加裝固定串補、可控串補與SVC的可行性和接入效果；最后基于臺遠-塔中-且末輸送通道的電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定分析，給出了包括固定串補、可控串補和SVC的裝置的綜合解決方案，并確定了裝置的布點方案與控制策略等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和方案。

固定串補；可控串補；靜止無功補償器；功角穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定；輸送能力

固定串聯(lián)電容器補償裝置即固定串補FSC（fixed series capacitor installation）在遠距離大容量輸電系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用，用以補償交流輸電線路的電抗，縮短電力系統(tǒng)送斷和受端的電氣距離，提高電力系統(tǒng)的輸送能力。晶閘管控制串聯(lián)電容器補償裝置即可控串補TCSC（thyristor controlled series capacitor installation）可在一定范圍內(nèi)可控調(diào)節(jié)串補裝置對外呈現(xiàn)的等效電抗（可實現(xiàn)容性模式和感性模式的切換），實現(xiàn)提高線路傳輸能力、優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布、提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)低頻功率振蕩、抑制SSR等控制目標[1-3]。靜止無功補償器SVC（static var compensator）在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，主要用于容量限定范圍內(nèi)的電壓動態(tài)控制，同時在機組“第一擺”過程中增強系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，在系統(tǒng)功率振蕩的情況下兼可用于提升電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定性、改善阻尼特性[4-5]。FSC/TCSC、SVC分別從輸電系統(tǒng)的串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)發(fā)揮“補償”作用，能夠顯著改善系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在特定場合下，較之通過假設(shè)輸電線路來達成相同目標，在經(jīng)濟性、可控性和工程實施的復雜性方面具有一定的優(yōu)勢。因此，單獨配置或綜合配置FSC/TCSC、SVC等裝置道的輸送能力。考慮到塔中-且末沿線地區(qū)自然條件、輸電距離等因素，新架設(shè)線路難度較大、成本較高、工程周期也較長。為盡快消除輸電瓶頸，基于現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化配置FSC/TCSC和SVC的綜合解決方案，達到提升輸電通道的輸送能力，改善受端電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性和電壓水平，滿足負荷增長和電力送出需要的目的。成為提升電力系統(tǒng)的輸送能力及安全穩(wěn)定水平的一個可行的解決方案，得到了業(yè)內(nèi)的重視。

新疆電網(wǎng)是西北電網(wǎng)的重要組成部分，目前正處于快速發(fā)展的時期。隨著新疆-西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)750 kV第二通道于2013-06-27投運建成投運、哈密南-鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程的實施，顯著增強了新疆電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，有力提升了“疆電外送”的能力；但新疆當?shù)仉娋W(wǎng)特別是南疆三地州的電網(wǎng)構(gòu)架仍然比較薄弱，電網(wǎng)的輸送能力受到諸如電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定等因素的制約。本文所研究的臺遠-塔中-且末輸電通道集中體現(xiàn)了以上特點，電力送出需求與實際送出能力的矛盾十分顯著。根據(jù)遠景規(guī)劃，塔中地區(qū)“十二五”期間負荷較為平穩(wěn)，但且末地區(qū)負荷在“十二五”期間將有顯著增長，預計2015年最大負荷將超出了目前的主要送出通道，即臺遠-塔中-且末220 kV輸電通

1 臺遠-塔中-且末送出通道的穩(wěn)定特性研究

臺遠-塔中-且末送出通道的基本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，220 kV臺遠-塔中和塔中-且末的線路長度均在200 km以上，負荷與電源中心距離遠，在末端負荷增加的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性水平將急劇下降。

圖1 臺遠-塔中-且末送出通道系統(tǒng)接線（局部）Fig.1System connection of taiyuan-tazhong-qiemo transmission channel（partial diagram）

基于PSASP綜合程序，研究了臺遠-塔中-且末通道的穩(wěn)定特性，確定了極限功率下的失穩(wěn)模式，以此提出提升該通道輸送能力的綜合解決方案。本文對發(fā)電機采用了考慮次暫態(tài)過程的E″變化模型，對負荷采用了恒阻抗和感應(yīng)電動機的組合模型，計及了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)和原動機調(diào)速系統(tǒng)的作用，研究對象主要是大擾動后的功角搖擺特性、電壓穩(wěn)定特性、功率振蕩特性等穩(wěn)定特性。重點分析的輸電斷面包括臺遠-塔中220 kV單回、塔中-且末220 kV單回、巴州-庫爾勒220 kV雙回、庫爾勒-臺遠220 kV雙回等。

分析表明，在目前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，臺塔和塔且線的極限送出能力分別為64.6 MW和43.3 MW，不能滿足未來的負荷增長需求。通過仿真計算確定，在當前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，約束性故障為塔中～臺遠線路塔中側(cè)單瞬故障，故障的主要失穩(wěn)模式為庫爾勒地區(qū)的串珠電廠和塔中四電廠對新疆主網(wǎng)的振蕩失穩(wěn)。圖2給出了臨界穩(wěn)定狀態(tài)下串珠電廠、塔中四電廠對新疆主網(wǎng)的功角搖擺曲線（阻尼比為0.042）。

圖2 臨界穩(wěn)定功角搖擺曲線Fig.2Power angle swing curves of critical stability

除了功角穩(wěn)定性的因素外，由于且末地區(qū)作為遠方的受端系統(tǒng)，缺乏足夠容量的電源支撐，因而電壓穩(wěn)定的問題也十分突出。當前系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度較低，發(fā)生電壓失穩(wěn)造成110 kV及以下系統(tǒng)失去負荷的風險較大，在發(fā)生故障等大擾動的情況下，上述問題顯得更為突出。極限潮流下3個關(guān)鍵母線的動態(tài)電壓穩(wěn)定特性如圖3所示。

圖3 動態(tài)電壓穩(wěn)定特性Fig.3Dynamic stability characteristic of bus voltage

2 FSC/TCSC工作原理與控制策略

在功能上，TCSC可以看作是容值可調(diào)的FSC。單機無窮大系統(tǒng)如圖4所示，發(fā)電機G通過升壓變壓器T1、雙回裝設(shè)TCSC線路、降壓變壓器T2接到受端系統(tǒng)，受端系統(tǒng)可視為無窮大母線。

當線路沒有裝設(shè)TCSC時，發(fā)電機輸出的電磁功率Pe為

式中：Eq為機組內(nèi)電勢；V為系統(tǒng)電壓；δ為二者的相角差；Xd∑為機組到受端系統(tǒng)之間的阻抗，由發(fā)電機內(nèi)電抗Xd，變壓器電抗XT1、XT2，線路電抗XL組成，即

圖4 裝設(shè)TCSC的單機無窮大系統(tǒng)及其電路模型Fig.4Single machine infinite bus system with TCSC and related analysis model

當雙回輸電線裝設(shè)TCSC時，從發(fā)電機到無窮大系統(tǒng)的等值電抗為

式中，XTCSC為TCSC容抗。則發(fā)電機輸出的電磁功率方程變?yōu)?/p>

從穩(wěn)定極限上來看，加裝TCSC和FSC可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和輸送能力。根據(jù)控制目標的不同，TCSC的動態(tài)調(diào)節(jié)功能主要有暫態(tài)穩(wěn)定控制[6-7]、低頻振蕩阻尼控制[8]、次同步諧振抑制控制等，上述控制策略最終都是通過對TCSC的阻抗控制實現(xiàn)。

基于PSASP分析軟件，采用基于bang-bang控制的“強補”策略結(jié)合PID控制阻尼控制策略示意如圖5所示，圖中：X0、P0分別為TCSC阻抗、線路有功潮流的參考值；X1、P1分別為TCSC阻抗、線路有功潮流的測量值。“強補”策略在線路故障清除后的系統(tǒng)“第一擺”期間投入并持續(xù)一段時間，用以提升暫態(tài)穩(wěn)定水平；阻尼功率振蕩環(huán)節(jié)在“強補”過程之后投入，采用了PID調(diào)節(jié)的相移控制環(huán)節(jié)[8]，抑制潮流低頻振蕩，防止動態(tài)失穩(wěn)。

圖5 TCSC控制框圖Fig.5Control diagram of TCSC

3 SVC工作原理與控制策略

SVC通過動態(tài)調(diào)節(jié)等效電納的輸出可為系統(tǒng)提供穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的無功補償，起到提升系統(tǒng)小干擾（靜態(tài)）和暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平的作用，同時也可實現(xiàn)對功率振蕩的抑制[9-10]。對SVC的控制目標進行綜合評估，首先考慮在電壓控制和阻尼控制之間控制效果的相互影響[10]，在控制參數(shù)的選擇上優(yōu)先考慮電壓控制效果。巴州地區(qū)電網(wǎng)乃至新疆南部電網(wǎng)屬于典型的遠距離輸電受端電網(wǎng)，與主網(wǎng)聯(lián)系較弱，動態(tài)無功儲備不足，電壓穩(wěn)定問題突出[11]，系統(tǒng)的低頻振蕩問題由TCSC阻尼控制來解決，可同時兼顧系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定與系統(tǒng)阻尼的問題；其次，在研究電壓穩(wěn)定對輸送能力的影響時，重點考慮了電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性問題。一方面，由靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限所限定的潮流水平在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱的情況下往往偏于樂觀，不能代表真實的輸送能力；另一方面，靜態(tài)電壓問題一般可通過靜態(tài)的無功儲備得到解決，而以SVC為代表的動態(tài)無功補償裝置更適用于抑制電網(wǎng)的暫態(tài)失穩(wěn)[12-13]。

本文所采用的SVC電壓控制策略框圖如圖6所示。圖中：VT、VREF分別為控制點電壓的測量值和參考值；VEMAX、VEMIN分別為由SVC容量所決定的電壓信號限幅值；T1、T2、T3、T4均為移相環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；TS1為量測回路時間常數(shù)；KSVS為電壓控制增益；BR為SVC的導納輸出。電壓偏差環(huán)節(jié)采用經(jīng)過移相和電壓控制增益環(huán)節(jié)來計算輸出導納，移相環(huán)節(jié)也可用PID環(huán)節(jié)來代替。

圖6 SVC控制策略框圖Fig.6Control scheme diagram of SVC

4 提升輸送能力的綜合方案研究

4.1FSC/TCSC配置方案研究

臺遠-塔中-且末輸電通道的送出能力較低，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)過于薄弱，電源中心與負荷中心距離遙遠，受端系統(tǒng)又缺乏足夠容量的電源支撐，導致以低頻功角振蕩和功率振蕩為主要失穩(wěn)模式。

為滿足電力送出的需求，首先，在臺遠-塔中、塔中-且末線路上裝設(shè)FSC。表1中給出了兩段線路中各配置50%FSC（均配置在塔中側(cè)）前后，極限潮流的變化情況。

表1 FSC的應(yīng)用效果Tab.1Application effect of FSC MW

由表1可以看出，加裝FSC后，塔中-且末的輸送能力有了顯著的提升。但由于新疆電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱，在長距離送電通道的末端發(fā)生短路故障等擾動后，弱阻尼的低頻振蕩問題較為突出，限制了送出能力的進一步提升。仿真研究表明，該振蕩主要發(fā)生在臺遠-塔中220 kV線路、塔中-中心110 kV線路上，振蕩波形如圖7所示。

圖7 低頻功率振蕩波形Fig.7Low-frequency power oscillation curves

圖中的主導振蕩分量幅值為0.153 8 p.u，振蕩頻率為1.89 Hz，振蕩中心位于臺遠-塔中線路，其阻尼比僅為0.010 3。該弱阻尼的振蕩模式是導致系統(tǒng)故障后長期處于振蕩過程的主要原因，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和電力的可靠送出十分不利。

其次，在塔中-且末線路上裝設(shè)50%的FSC，在塔中-臺遠線路上裝設(shè)40%FSC+10%TCSC，這個方案對電力送出能力和穩(wěn)定水平具有提升作用。FSC主要用于縮短輸電通道的等效電氣距離，提升系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定水平；TCSC主要用于對系統(tǒng)中的低頻振蕩提供附加阻尼，確保系統(tǒng)擾動后動態(tài)過程的穩(wěn)定性。為充分發(fā)揮TCSC部分的運行效益，同時考慮系統(tǒng)故障后“強補”控制對暫態(tài)穩(wěn)定性的支撐作用。

TCSC的基本容抗為10.526 Ω，長期工作容抗為12.631 Ω。選取額定電流時，考慮了負荷電流的增長、區(qū)外故障時串補承受搖擺電流的能力等因素并考慮一定裕度后取額定電流650 A，額定容量16.01 Mvar（額定提升系數(shù)1.2），控制過程中的最大提升系數(shù)取3.0，容性調(diào)節(jié)范圍為每相10.526～31.578 Ω。

TCSC的控制特性及對系統(tǒng)低頻振蕩的抑制效果如圖8所示。由圖可見，TCSC的阻尼控制對系統(tǒng)功率振蕩起到了良好的抑制作用。功率低頻振蕩和系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定水平得以提升，臺遠-塔中-且末通道的送出能力進一步提高，當限制故障為塔中-臺遠線路塔中側(cè)單瞬故障時其應(yīng)用效果如表2所示。

圖8 TCSC的阻尼控制及其抑制效果Fig.8Damping control output of TCSC and its inhibiting effect

表2 FSC/TCSC的應(yīng)用效果Tab.2Application effect of FSC/TCSCMW

仿真研究表明，配置TCSC后，制約系統(tǒng)輸送能力的失穩(wěn)模式已經(jīng)變?yōu)槭芏说碾妷簳簯B(tài)穩(wěn)定問題。這就需要進一步采用動態(tài)電壓支撐裝置，提升系統(tǒng)的電壓暫態(tài)穩(wěn)定水平。

4.2 計及SVC動態(tài)電壓支撐策略的綜合方案研究

塔中、且末等廠站位于輸電通道的末端，在負荷較重的情況下，面臨較大的電壓失穩(wěn)的風險。研究表明，在極限潮流下，臺遠、塔中、且末等地區(qū)的穩(wěn)態(tài)電壓水平可以維持在0.95～1.05 p.u.水平內(nèi)。但當塔中-且末線路送出功率超過極限且塔中-臺遠線塔中側(cè)發(fā)生單相故障擾動時，且末、棗園等站的電壓暫態(tài)穩(wěn)定性將受到破壞，其電壓暫態(tài)及動態(tài)特性如圖9所示。

圖9 相關(guān)母線電壓的暫態(tài)穩(wěn)定特性Fig.9Transient stability performance of buses voltage

由圖9可看出，臺遠、塔中站的電壓穩(wěn)定性水平優(yōu)于且末、城南、棗園等站，其原因一方面是后者位于輸電系統(tǒng)的“末梢”；另一方面和臺遠站裝設(shè)了RSVC裝置有很大關(guān)系[14]，RSVC動態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力較強，對于臨近的塔中站的電壓穩(wěn)定性也產(chǎn)生了積極的支撐作用；再則，且末、城南、棗園位于系統(tǒng)受端，距離電源較遠。

綜合分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本文研究了在且末站37kV母線側(cè)裝設(shè)SVC，對輸電通道負荷側(cè)的電壓支撐作用及對臺遠-塔中-且末輸送能力的提升作用。通過比選研究，取SVC的三相容量為100 Mvar。且末、棗園等母線在極限潮流的限制性故障下，電壓暫態(tài)穩(wěn)定水平得到顯著提高，電壓暫態(tài)恢復特性及SVC的控制輸出分別如圖10和圖11所示。

圖10 大擾動后母線電壓暫態(tài)特性Fig.10Post-disturbance transient stability of buses voltage

圖11 SVC的控制輸出Fig.11Control output of SVC

在綜合考慮了FSC、TCSC、SVC的配置方案的情況下，臺遠-塔中-且末的輸送能力可滿足“十二五”期間的負荷增長需求，且兼具較好的系統(tǒng)阻尼、功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定特性。限制故障為塔中-臺遠線路塔中側(cè)單瞬故障時各解決方案的應(yīng)用效果如表3所示。

表3 各技術(shù)方案的應(yīng)用效果Tab.3Comparison on the effect of ttechnical schemes MW

表3中，方案0為原始系統(tǒng)，方案1為“且塔50%FSC+塔臺50%FSC”的方案，方案2為“且塔50%FSC+塔臺40%FSC+塔臺10%TCSC”的方案，方案3為在方案2的基礎(chǔ)上配置了且末SVC。從表中可以看出，方案1～方案3分別增加了臺塔線的輸送能力達32.5%，47.2%和94.3%，增加了塔且線的輸送能力達47.3%，71.4%和141.6%。綜合解決方案3完全可以滿足未來的送出要求。作為綜合解決方案研究的一部分，本文還評估了各方案的經(jīng)濟成本。考慮到設(shè)備容量優(yōu)化的可能性，方案3的經(jīng)濟性仍遠優(yōu)于線路建設(shè)等基建投資。限于篇幅，不再贅述。

5 結(jié)語

臺遠-塔中-且末輸電通道屬于典型的長距離受端系統(tǒng)，末端的擾動極易引發(fā)暫態(tài)失穩(wěn)、低頻振蕩和電壓穩(wěn)定性問題。文中根據(jù)該系統(tǒng)的特性，結(jié)合FSC、TCSC和SVC的功能特性，研究了解決送出能力與未來負荷需求矛盾的綜合解決方案。仿真計算的結(jié)果也表明，在正確布點、合理確定容量、科學制定控制策略的情況下，通過加裝FSC/ TCSC和SVC等裝置能夠顯著提升系統(tǒng)的輸送能力，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制低頻振蕩。該方案相對于新架線路，具有基建投資小，可控性好，工程周期短等優(yōu)點。

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Integrated Solution for Transfer Capability Enhancement of Taiyuan-Tazhong-Qiemo Channel

SONG Xiao-tong1，DAI Yong-min2，WU Shou-yuan3，LIU Hui-wen3，WANG Yang3
（1.Information Engineering College，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.Electric Power of Xinjiang，Urümqi 830002，China；3.State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102200，China）

The restrictive factors of transfer capability of Taiyuan-Tazhong-Qiemo channel in Xinjiang grid are determined by comprehensive study to the grid.Especially the transmission limit of this channel is calculated and compared based on different scenarios.The feasibility of installing FSC，TSCS and SVC is systematically studied with considering the demand of forward load plan in different years of the gird.Based on the analysis of voltage stability，transient stability and dynamic stability for Taiyuan-Tazhong-Qiemo channel，the integrated solution of installing FSC，TSCS and SVC is proposed，as well as the parameters and programs about the mounting point of devices，and control strategies.

fixed series capacitor installation（FSC）；thyristor controlled series capacitor installation（TCSC）；static var compensator（SVC）；angle stability；voltage stability；transmission capacity

TM73

A

1003-8930（2014）09-0085-06

宋曉通（1982—），男，通信作者，博士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)分析、FACTS技術(shù)理論研究與工程應(yīng)用等方面的研究和教學工作。Email：mail_songxt@126.com

2013-12-24；

2014-04-02

戴擁民（1964—），男，本科，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃及管理工作。Email：daiyongmin@xj.sgcc.com.cn

武守遠（1964—），男，博士，教授級高級工程師，從事電力系統(tǒng)分析與控制、FACTS技術(shù)及電力電子裝置應(yīng)用等方面工作。Email：pr_wooshy@sgri.sgcc.com.cn