小電源富集地區(qū)的電壓控制策略

高 濤 ，尚學(xué)全 ，陳昌墾 ，季廣虎

（1. 十堰巨能電力設(shè)計有限公司，湖北 十堰 442000;2. 國網(wǎng)湖北十堰電力調(diào)度中心，湖北 十堰 442000）

0 引言

在小電源富集區(qū)域，出于經(jīng)濟(jì)原因，電源與負(fù)載混雜（共線或共站），導(dǎo)致電力潮流變動劇烈，甚至反向流動，匯集母線電壓也隨之劇烈波動。這些地區(qū)的輸變電系統(tǒng)主變電壓選擇不合理，在主網(wǎng)供電時母線電壓偏低，在外送主網(wǎng)時母線電壓大幅抬升，即使主變調(diào)壓到極限也無法限制到安全水平，只能限發(fā)限供，甚至斷網(wǎng)停運，導(dǎo)致棄水、棄光、棄風(fēng)，影響正常供電。

文獻(xiàn)[1-2]規(guī)定了各級標(biāo)稱電壓和供電端、用電端電壓的允許偏差。文獻(xiàn)[3]原則性列舉了減小電壓偏差的4 條途徑和3 條措施。文獻(xiàn)[4]給出了逆調(diào)壓、順調(diào)壓、恒調(diào)壓的概念。文獻(xiàn)[5]討論了變壓器分接頭調(diào)壓、（加壓調(diào)壓器、靜電電容補償器、同步調(diào)相機）改變功率分布調(diào)壓、（串聯(lián)電容補償、按容許壓降選擇導(dǎo)線截面）改善線路參數(shù)調(diào)壓的工程計算方法，給出了電壓偏移、無功增量、變比差值、電抗之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但忽略了電阻、有功變量，也沒有分析各變量的調(diào)壓權(quán)重和靈敏度。文獻(xiàn)[6]描述了系統(tǒng)電壓過低或無功功率突然大額缺失（等效為電抗突然增大）時，系統(tǒng)在無功電壓特性作用下發(fā)生電壓崩潰，分析了其機理和預(yù)防措施，卻回避了無功充盈、電壓偏高時的控制。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[7-9]原則性規(guī)定了有載調(diào)壓變壓器的條件和逆調(diào)壓條件、范圍，文獻(xiàn)[10]一般性地規(guī)定了變壓器的額定電壓、分接頭布置、調(diào)壓方式選用和（無勵、有載）分接范圍，文獻(xiàn)[11]則給出了調(diào)相調(diào)壓的具體計算方法，但未考慮線路阻抗，也沒有分析各參數(shù)的調(diào)壓權(quán)重和靈敏度。

本文根據(jù)單機無窮大系統(tǒng)模型，解釋電壓偏差產(chǎn)生的機理，建立了電壓偏差與有功、無功、電阻、電抗、變比的數(shù)學(xué)關(guān)系式，分析了電壓控制的途徑。由電壓偏差的數(shù)學(xué)關(guān)系式，推導(dǎo)了電壓偏差的靈敏度公式，估算了各變量的靈敏度系數(shù)值，提出了電壓控制途徑的優(yōu)先順序。在此基礎(chǔ)上，闡述了以調(diào)控主變變比為主電壓控制策略，給出了理論設(shè)計步驟和工程設(shè)計流程，最后結(jié)合實例進(jìn)行說明。

1 電壓波動的控制策略

綜前所述，主變變比K最能影響關(guān)注的電源接入點電壓U′′， ΔU′′對主變變比K最敏感，故控制U′′的策略為：合理選擇系統(tǒng)主變各側(cè)額定電壓，配合有載調(diào)壓變比K′，盡量將U′′限制在合理區(qū)間，再依次限制Q、R、P，最后考慮上調(diào)電壓等級。具體步驟如下：

根據(jù)實際運行情況，確定P、Q的波動范圍和U′′的允許范圍；

建立系統(tǒng)模型，求綜合電阻R、綜合電抗X；

確定無窮大系統(tǒng)（足夠遠(yuǎn)處）母線恒定電壓U′的波動范圍，在此過程中不考慮有載調(diào)壓變比K′，且KN取UN與均為標(biāo)稱電壓時的標(biāo)稱變比；

根據(jù)U′、U的波動范圍（實際工程中不可能有無窮大系統(tǒng)，U仍有波動），合理確定

根據(jù)確定的KN，考慮K′，計算各極端工況下的U′′，校核其是否在允許范圍；

若U′′超標(biāo)，則提出限制Q（無功補償、SVG、進(jìn)相運行）、R（更換導(dǎo)線）、P（限發(fā)限供）等可行措施后，返回上一步；迭代若干次后，可以考慮上調(diào)電壓等級。

實際工程可借助PSASP 軟件簡化上述步驟：

根據(jù)實際運行情況，確定P、Q的波動范圍和各控制點電壓的允許范圍；

輸入各元件參數(shù)，系統(tǒng)建模；

在主變參數(shù)頁面上改變額定電壓、變比（季節(jié)調(diào)節(jié)可疊加無勵調(diào)壓）后，計算各極端工況下的潮流，校核各控制點的電壓水平，固化最能滿足各點電壓水平的主變額定電壓；

若仍有控制點的電壓超標(biāo)，提出限制Q（無功補償、SVG、進(jìn)相運行）、R（更換導(dǎo)線）、P（限發(fā)限供）等可行措施后，計算各極端工況下的潮流，校核各控制點的電壓水平；迭代若干次后，可以考慮上調(diào)接入電壓等級。

當(dāng)有多點電壓須要控制時，可按先系統(tǒng)側(cè)后接入側(cè)、先整體后局部、先高壓后低壓的順序漸次進(jìn)行。接入大量社會公共負(fù)荷的10 kV 母線是最主要的電壓控制點，而110 kV 主變控制范圍廣，結(jié)合文獻(xiàn)[7]規(guī)定，有載調(diào)壓一般以110 kV 主變?yōu)橹?，不足部分輔以35 kV 主變。

2 工程實例

如圖1 所示，中壩、上龕2 座35 kV 變電站接入主網(wǎng)110 kV 秦口變電站35 kVII 段母線：

圖1 秦口35kV 輸變電系統(tǒng)圖

中壩主變2 臺（1 主1 備），容量（1.6 +6.3）MV·A，變比均為35 ± 2 × 2.5%/10.5，；35 kV側(cè)裝機14.7 MW，外送13.23～1.47 MW；10 kV 側(cè)裝機3.32 MW，平衡就地負(fù)荷后外送3.10～-2.1 MW。

上龕主變1 臺，容量12.5 MV·A，變比35 ± 2 ×2.5%/10.5；10 kV 側(cè)裝機8.6 MW，平衡就地負(fù)荷后外送7.74～-2.5 MW。

秦口主變2 臺，容量（10 + 31.5）MV·A，變比110 ± 8 × 1.25%/38.5 ± 2 × 2.5%/10.5；110 kV 側(cè)裝機8.805 MW，外送7.93～0.88 MW；35 kV 側(cè)裝機10.75 MW，平衡就地負(fù)荷后外送7.68～-4.34 MW；10 kV 側(cè)裝機2 MW，就地平衡后不外送。

因為該3 座變電所的10 kV 母線均接有居民用電等公共負(fù)荷，故電壓調(diào)控的首要目標(biāo)就是將它們的10 kV 母線電壓限制在10.0～10.7 kV，其次是將35 kV 母線電壓波幅絕對值限制在10%以內(nèi)。將線路、主變參數(shù)錄入PSASP 軟件，各工況的運行數(shù)據(jù)代入秦口主變所在的大網(wǎng)做潮流計算，考察各母線電壓變化情況。

在發(fā)電最多、用電最少的峰小時期，選取秦口主變?yōu)?10 ± 8 × 1.25%/38.5 ± 2 × 2.5%/10.5、115 ±8 × 1.25%/37 ± 2 × 2.5%/10.5 2 個系列、（秦口、中壩、上龕）配合調(diào)壓的7 種狀況。

（1）秦口主變 110 ± 8 × 1.25%/38.5 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)9 檔、35 kV 側(cè)3 檔（110 + 0%/38.5 + 0%）；

（2）中壩、上龕停運，其他同（1）；

（3）秦口主變 110 ± 8 × 1.25%/38.5 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)1 檔、35 kV 側(cè)5 檔（110 + 10%/38.5-10%）；

（4）秦口主變 115 ± 8 × 1.25%/37 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)9 檔、35 kV 側(cè)3 檔（115 + 0%/37 + 0%）；

（5）秦口主變 115 ± 8 × 1.25%/37 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)1 檔、35 kV 側(cè)5 檔（115 + 10%/37-10%）；

（6）中壩、上龕主變均35 kV 側(cè)1 檔（35 +5%/10.5），其他同（5）；

（7）中壩變10 kV 母線裝設(shè)4 Mvar 的SVG（出力約3 Mvar），其他同（6）。

上述各情況下的各點電壓如表1 所示。由情況（1）～（3）可見，雖然秦口主變當(dāng)前電壓變比不合理導(dǎo)致峰小時期各控制點電壓均偏高，但是調(diào)整主變變比要比限制發(fā)電出力更能改善各點電壓水平。

表1 峰小期各控制點在7 種調(diào)控狀況下的電壓比較kV

在發(fā)電最少、用電最多的枯大時期，選取秦口主變?yōu)?10 ± 8 × 1.25%/38.5 ± 2 × 2.5%/10.5、115 ±8 × 1.25%/37 ± 2 × 2.5%/10.5 2 個系列、（秦口、中壩、上龕）配合調(diào)壓的6 種狀況。

（1）秦口主變 110 ± 8 × 1.25%/38.5 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)9 檔、35 kV 側(cè)3 檔（110 + 0%/38.5 + 0%）；

（2）秦口主變 110 ± 8 × 1.25%/38.5 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)9 檔、35 kV 側(cè)5 檔（110 + 0%/38.5-5%）；

（3）中壩、上龕主變均35 kV 側(cè)2 檔（35 +2.5%/10.5），其他同（2）；

（4）秦口主變 115 ± 8 × 1.25%/37 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)9 檔、35 kV 側(cè)3 檔（115 + 0%/37 + 0%）；

（5）秦口主變 115 ± 8 × 1.25%/37 ± 2 × 2.5%/10.5，110 kV 側(cè)12 檔、35 kV 側(cè)3 檔（115 - 3.75%/37 + 0%）；

（6）中壩、上龕主變均35 kV 側(cè)2 檔（35 +2.5%/10.5），其他同（5）。

上述各情況下的各點電壓如表2 所示。由情況（1）～（3）可見，保持秦口主變當(dāng)前電壓變比，即使在枯大時期也要無勵調(diào)壓，且中壩、上龕配合有載調(diào)壓，才能使各控制點電壓合格。

表2 枯大期各控制點在6 種調(diào)控狀況下的電壓比較kV

由表1 情況（7）、表2 情況（6）可見，應(yīng)將秦口主變電壓變比調(diào)整為115 ± 8 × 1.25%/37 ± 2 ×2.5%/10.5，再在中壩變10 kV 母線裝設(shè)SVG。峰小時，秦口主變有載、無勵調(diào)壓，中壩、上龕主變有載調(diào)壓，中壩變無功補償；枯大時，秦口、中壩、上龕僅主變有載調(diào)壓，就可以將各控制點限制到合理區(qū)間。

綜上所述，秦口主變最優(yōu)電壓等級為115 ± 8 ×1.25%/37 ± 2 × 2.5%/10.5。此外，35 kV 秦壩線導(dǎo)線型號為LGJ-70，輸電容量偏小，如果再換線改造，則秦口35 kV 輸變電系統(tǒng)就能應(yīng)對各種工況。

3 結(jié)論

小電源富集區(qū)電網(wǎng)無功充盈，本文用單機無窮大系統(tǒng)模型揭示了電壓隨電力潮流波動的機理。由此推導(dǎo)的電壓偏差計算公式表明，主變變比最能影響控制點電壓；靈敏度分析表明，控制點電壓變動對主變變比變化最敏感。電壓控制策略為先合理選擇系統(tǒng)主變各側(cè)額定電壓，配合有載調(diào)壓變比，盡量將控制點電壓限制在合理區(qū)間，再依次限制無功、電阻、有功，最后考慮上調(diào)電壓等級。該策略成功應(yīng)用于實踐，對類似工程具有借鑒意義。