提升特高壓電網(wǎng)輸電能力的方法

董 宸，周 霞，李 威，薛 峰，李 暉，王智冬

(1.中國電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京100761)

我國地域遼闊，發(fā)電能源主要集中在中西部地區(qū)，而負荷則主要集中在東南部和中部地區(qū)。輸送規(guī)模大、輸電距離長是我國電網(wǎng)未來發(fā)展過程中的主要特點[1]。特高壓電網(wǎng)代表了當(dāng)今世界最高電壓等級的輸電技術(shù)，由1 000 kV交流和800 kV直流輸電網(wǎng)絡(luò)組成，具有大容量、遠距離、低損耗輸電等特點[2]。特高壓交流電網(wǎng)將經(jīng)歷弱交流聯(lián)網(wǎng)、特高壓電磁環(huán)網(wǎng)、強交流聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展階段，還存在交直流混聯(lián)運行，這些都使得特高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性變得極為復(fù)雜，各個時期的輸電能力也有較大差別。以特高壓電網(wǎng)為背景，通過分析影響電網(wǎng)輸電能力的主要因素及受限原因，結(jié)合國內(nèi)、外提升電網(wǎng)輸電能力的先進經(jīng)驗，尤其是電網(wǎng)新技術(shù)、新方法應(yīng)用的研究，對各種提升電網(wǎng)輸送能力的方法進行了綜合闡述，并分析了各自的特點，結(jié)合特高壓電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性及發(fā)展趨勢，研究了其對特高壓電網(wǎng)的適用性及應(yīng)用效果。

1 影響電網(wǎng)輸電能力的主要因素和受限原因

電網(wǎng)的輸電能力是指電網(wǎng)在一系列的約束條件下能夠傳輸功率的能力。隨著電網(wǎng)的發(fā)展、運行特性的改變，制約電網(wǎng)輸電能力的主要因素也會發(fā)生變化。一般來說，在電網(wǎng)發(fā)展初期，暫態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題是制約電網(wǎng)輸電能力的關(guān)鍵因素。而電網(wǎng)發(fā)展的后期，熱穩(wěn)定水平限制等因素則會成為影響輸電能力的關(guān)鍵。

（1）熱穩(wěn)定水平限制。系統(tǒng)熱穩(wěn)定水平主要由電網(wǎng)中元件的額定容量決定，目前電網(wǎng)中線路、主變等額定容量偏低是導(dǎo)致熱穩(wěn)定水平受限的主要原因。

（2）暫態(tài)穩(wěn)定水平限制。遠距離送出線路及跨省聯(lián)絡(luò)線的電氣聯(lián)系相對薄弱，使得暫態(tài)穩(wěn)定問題比較突出，是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平受限的關(guān)鍵因素。此外，電磁環(huán)網(wǎng)也容易引發(fā)暫態(tài)穩(wěn)定破壞。

（3）動態(tài)穩(wěn)定水平限制。電力的送出會因系統(tǒng)阻尼差而受到約束，通常區(qū)域電網(wǎng)之間靠周邊單點弱聯(lián)、形成長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，或者電網(wǎng)屬于大型水電強送系統(tǒng)的，動態(tài)穩(wěn)定問題會比較突出。此外，遠距離重負荷送電的發(fā)電機及其快速勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)也容易產(chǎn)生負阻尼。

2 提高特高壓電網(wǎng)輸電能力的方法

一般來說要提高電網(wǎng)輸送功率，可以從提高電壓等級、減小線路電抗、縮小系統(tǒng)間功率夾角等三方面考慮。本節(jié)將基于特高壓交直流電網(wǎng)規(guī)劃及典型發(fā)展趨勢，提出有效提升特高壓電網(wǎng)輸電能力的方案[3-6]。

2.1 改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外的經(jīng)驗表明，堅強的網(wǎng)架是提高輸電能力的基礎(chǔ)，因此通過改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的方法可以提高輸電能力。除增加送電走廊、采用緊湊型輸電技術(shù)（提高單位走廊的輸電能力）、采用大截面導(dǎo)線和耐熱導(dǎo)線技術(shù)（提高線路熱容量）、變壓器擴容以及采用大功率直流輸電技術(shù)等常規(guī)方法外，還可以考慮電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)、拉停線路和線路出串運行等方法。

2.1.1 電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)

高低壓電磁環(huán)網(wǎng)是指2組不同電壓等級運行的線路通過變壓器或電磁耦合構(gòu)成的環(huán)形電網(wǎng)，是電網(wǎng)發(fā)展初期必然要經(jīng)歷的一個過程。在電網(wǎng)建設(shè)初期，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱，電磁環(huán)網(wǎng)運行可增加供電可靠性。但隨著電網(wǎng)的發(fā)展和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的加強，電磁環(huán)網(wǎng)對電網(wǎng)供電可靠性的影響降低，反而由于潮流轉(zhuǎn)移、短路電流超標(biāo)等問題，會制約電網(wǎng)的輸電能力。實施電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后，高壓線路的輸送能力能夠得到更好地發(fā)揮，可以提高電網(wǎng)輸送能力、減少輸電線路損耗。

2.1.2 拉停線路和出串運行

在實際電網(wǎng)運行中，經(jīng)常會出現(xiàn)電網(wǎng)整體輸電能力受限于某一主變或線路熱穩(wěn)的情況，該主變或線路即是通常說的電網(wǎng)中的“卡脖子”元件。

對電網(wǎng)中的”卡脖子”元件實施改造，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)整體能力，避免個別元件造成電網(wǎng)整體輸電能力受限，是最佳解決方案。但是由于某些客觀原因，如場地限制、造價限制、工期等，會出現(xiàn)元件的改造升級遠遠滯后于日益增長的供電需求。在這種情況下，可以考慮通過拉停線路和出串運行來暫時緩解矛盾。

例如電網(wǎng)中的電磁環(huán)網(wǎng)運行時，某些低電壓等級線路的熱穩(wěn)限額會限制高壓線路的輸電能力。在該電磁環(huán)網(wǎng)暫時無法進行解環(huán)的時候，通過拉停某一或某些“卡脖子”線路，可以大大提高電網(wǎng)的輸送能力。在大負荷時，主變?nèi)萘恳灿锌赡艹蔀榧s束整個電網(wǎng)的輸電能力的關(guān)鍵，需要新增主變來滿足需要，但由于場地、造價、工期等原因，新增主變只能采用通過1個開關(guān)直接運行于母線的方式接入，即出串運行。

通過拉停線路和出串運行的方式來增加電網(wǎng)輸電能力，都屬于“權(quán)宜之計”，其輸電能力的提高是以犧牲某一區(qū)域的供電可靠性來實現(xiàn)的，只能暫時緩解電網(wǎng)輸電能力不足與設(shè)備改造緩慢之間的矛盾，建議將其作為一種短期的過渡手段使用。

2.2 改變電網(wǎng)電氣特性

對于特高壓、大容量的系統(tǒng)，線路輸電容量不僅僅決定于自然功率，還決定于輸送的距離、兩側(cè)電源的強弱、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定條件。

2.2.1 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)

FACTS技術(shù)以大容量晶閘管為基礎(chǔ)，不僅可以增加輸電線路的輸電能力，還可以改善輸電系統(tǒng)的靈活性。在這種系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)潮流更易于控制，線路的輸電能力大幅度提高，各種故障得以及早隔離，以致系統(tǒng)更靈活、穩(wěn)定、可靠。先進串聯(lián)補償（ASC）是一種由晶閘管基本元件和高功率電子管（帶常規(guī)串聯(lián)電容器）組成的FACTS裝置。美國聯(lián)絡(luò)新墨西哥州的Shiprock和亞利桑那州的Glen Canyon的230 kV線路上裝設(shè)ASC后，輸電能力從300 MW增加到了400 MW。

潮流控制器（SPFC）是一個FACTS逆變器通過一個變壓器串聯(lián)接入系統(tǒng)而不是并聯(lián)接入系統(tǒng)。SPFC除了能提供容性串補外，還能提供感性的串補，它也可以插入串聯(lián)電壓改變潮流方向。如果SPFC被用于交換有功功率，插入電壓需正交于線路電流的限制將被取消，這就改變了裝置的特性。如果功率交換既可以送入系統(tǒng)又可從系統(tǒng)送出，SPFC就成為統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）了。裝設(shè)于線路的UPFC可以極大限度地輸送有功，極小限度地輸送無功，可應(yīng)用于那些需要獲得最大可能利用效率的線路上。

2.2.2 加裝串補

大功率遠距離送電，受端缺乏足夠的電源支撐，電壓和動態(tài)穩(wěn)定問題成為制約輸電能力的主要因素。通過加裝串聯(lián)電容補償器，降低輸電線路的等效電抗，可以提高特高壓遠距離輸電線路的輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性，且對輸電通道上的潮流分布具有一定的調(diào)節(jié)作用。串聯(lián)電容補償器直接與線路串聯(lián)，可裝設(shè)在線路首末兩端或線路中點，主要由電容構(gòu)成固定串補（FSC），也可由晶閘管控制電路構(gòu)成可控串補（TCSC）。TCSC通過晶閘管控制進行無功功率動態(tài)補償，其補償度可以根據(jù)系統(tǒng)運行方式調(diào)節(jié)，但造價比FSC高很多。系統(tǒng)中串聯(lián)補償總?cè)萘靠筛鶕?jù)工程實際情況，采用大部分FSC加小部分TCSC[11]。

目前利用串聯(lián)電容補償器提高輸電能力的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電網(wǎng)，瑞典、加拿大、巴西和美國曾都采用串聯(lián)補償技術(shù)來提高線路的輸電能力?，F(xiàn)有特高壓規(guī)劃中，在不增加輸電走廊的情況下，通過在長距離線路安裝串補，滿足功率輸送需求。試驗證明在蒙西、陜北、川西等特高壓通道加裝40%串補度后，各通道的特高壓線路平均輸送功率都在400萬kW以上。平均每回線路輸電能力提高100萬kW，提高比例約25%，效果非常明顯。

由于FSC和TCSC提高輸電能力的有效性在很大程度上取決于裝置的安裝地點和補償容量，因此國內(nèi)外已有很多學(xué)者從增大負荷裕度、提高輸電能力的角度研究FSC和TCSC的最優(yōu)配置問題。另外由于系統(tǒng)中增加的串聯(lián)電容補償設(shè)備改變了系統(tǒng)之間原有的電氣距離，尤其串補度較高時，可能引起過電壓、潛供電流、斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）及次同步諧振（SSR）等問題。

2.2.3 加裝可控高抗

特高壓輸電線路的充電功率很大，每100 km的1 000 kV線路的充電功率約達到530 Mvar。為限制工頻過電壓，1 000 kV線路安裝了大容量的高壓電抗器，這將導(dǎo)致線路廣義自然功率下降，輕載負荷運行情況下線路的電壓偏高，或者重載負荷運行情況下線路電壓偏低，為此，在變壓器的低壓側(cè)還需安裝低壓無功補償裝置。這樣一方面將增加無功補償設(shè)備的投資，另一方面由于受到變壓器低壓側(cè)繞組容量的限制，即使按最大可能配置低壓無功補償設(shè)備也無法適應(yīng)重載線路的無功需求?？煽馗呖故墙鉀Q限制過電壓和無功調(diào)相調(diào)壓之間矛盾的有效手段之一，其容量可根據(jù)線路輸送功率的大小實現(xiàn)平滑或者分級調(diào)節(jié)，在一定程度上抑制電壓在小負荷方式下過高或大負荷方式下過低，同時能在故障瞬間將容量調(diào)節(jié)至最大，限制故障引起的過電壓[12]。

對特高壓典型網(wǎng)架分析后發(fā)現(xiàn)，在長距離、大容量特高壓輸電通道，如陜北、蒙西等送出線路以及進出線較多的樞紐變電站，如豫北、駐馬店、長沙等變電站加裝可控電抗器對提高系統(tǒng)輸送能力的作用較為明顯。

最后，昂昂溪文化原始美術(shù)整體上美術(shù)特征的形成在于先民逐漸由流動的狩獵經(jīng)濟向相對穩(wěn)定的漁獵文化過度，最終發(fā)展成為穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展走勢。

2.2.4 加裝動態(tài)無功補償裝置

動態(tài)無功補償技術(shù)可根據(jù)系統(tǒng)需要快速調(diào)節(jié)無功、維持母線電壓在額定值附近。對于長距離輸電線，在中間變電站采用動態(tài)無功補償技術(shù)可以提高線路輸電能力、改善線路兩端的電壓水平。動態(tài)無功補償技術(shù)廣泛采用的是無功靜止補償裝置（SVC），在長距離輸電線路的中間安裝一定容量的SVC能夠提高線路的輸電能力。SVC的基本功能就是從電網(wǎng)中吸收或向電網(wǎng)輸送可連續(xù)調(diào)節(jié)的無功，以維持裝設(shè)地點電壓的恒定，進而緩解無功電壓問題。在電能送出的關(guān)鍵節(jié)點裝設(shè)SVC，通常還可提高電網(wǎng)的輸電能力，并有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。SVC主要應(yīng)用領(lǐng)域包括[13，14]：（1）抑制重要變電站負荷的電壓波動和閃變；（2）配置在系統(tǒng)交流傳輸通道，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，進而提高傳輸能力；（3）配置在薄弱區(qū)域，保證電網(wǎng)電壓安全穩(wěn)定等。在特高壓長距離輸電線路的電壓支持薄弱點裝設(shè)SVC，可充分發(fā)揮其對電壓變化的快速控制能力，調(diào)整節(jié)點電壓，增強系統(tǒng)阻尼，抑制功率振蕩，從而提升輸電線路的輸送功率。

由上述分析可知，采用柔性輸電裝置、串補、可控高抗以及動態(tài)無功補償裝置等技術(shù)，可降低輸電線路的電抗，縮短等效距離，改善線路兩端的電壓水平，使系統(tǒng)穩(wěn)定極限大幅度提高，從而提高線路的輸電能力。因此，柔性輸電裝置、串補、可控高抗以及動態(tài)無功補償裝置等技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于特高壓電網(wǎng)，并取得了良好的經(jīng)濟效益。

2.3 加裝安控裝置

在電網(wǎng)薄弱點加裝安控裝置，利用安控措施增加系統(tǒng)暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定極限，以適應(yīng)電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的短期電源開機分布不合理的運行要求，是提高電網(wǎng)輸電能力的有效方法之一。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)中的電源開機分布也在不斷變化，一次電網(wǎng)要適應(yīng)所有可能的變化必然要使電網(wǎng)的投資大大增加，否則電網(wǎng)穩(wěn)定水平將降低。如采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定控制裝置，增加的投資不多，但提高了電網(wǎng)運行的靈活性、適應(yīng)性。

隨著特高壓直流系統(tǒng)的建設(shè)，直流容量在整個電力系統(tǒng)輸送容量中的比例進一步提高，高壓直流輸電將在優(yōu)化能源配置方面發(fā)揮重要的作用。根據(jù)規(guī)劃，在未來20年中，華東電網(wǎng)將出現(xiàn)7條或更多直流輸電線路，華中電網(wǎng)也將出現(xiàn)10條或更多直流輸電線路。相比交流輸電，直流輸電有著其特有的顯著優(yōu)點：線路造價低、損耗小、能限制系統(tǒng)的短路電流，調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)容量大，實現(xiàn)交流系統(tǒng)的異步聯(lián)接等。大容量直流外送工程的集中投運對電網(wǎng)運行是一個新的挑戰(zhàn)，同時也為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供了新的控制手段，即通過直流調(diào)制改善電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性[15-18]。

傳統(tǒng)安穩(wěn)控制措施一般為通過切機、切負荷來保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，代價較大。而直流輸電系統(tǒng)在換流電壓一定的前提下，換流器的觸發(fā)角一旦改變，傳輸功率立即發(fā)生相應(yīng)的變化，且變化量可按預(yù)期量自由調(diào)節(jié)，不像切機切負荷只能做到固定功率的變化。在保證電網(wǎng)安全的前提下，考慮直流調(diào)制與傳統(tǒng)安控協(xié)調(diào)配合的安控措施，既可降低維持系統(tǒng)穩(wěn)定所需的安控措施的繁瑣程度，又可大大減輕調(diào)度人員的工作負擔(dān)。

直流系統(tǒng)能夠快速控制傳輸功率，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障和擾動后，直流系統(tǒng)通過直流調(diào)制（緊急功率提升、速降）對系統(tǒng)的有功和無功功率進行調(diào)節(jié)，減輕擾動對交流系統(tǒng)的暫態(tài)沖擊，提高交流系統(tǒng)阻尼，有效地抑制電網(wǎng)間的功率振蕩，減少受擾系統(tǒng)的切機切負荷量，改善交流系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的輸電極限。目前，國內(nèi)外已有多個直流工程采用了直流調(diào)制技術(shù)，如美國、巴西、日本、新西蘭和印度的直流工程，以及國內(nèi)的天廣和高肇直流等。

由于直流調(diào)制的基本原理是通過采取交流系統(tǒng)的信號（可能是頻率、電壓幅值、相位以及潮流）來調(diào)節(jié)的，且受到實際系統(tǒng)中換流閥過負荷能力、冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)、送受端系統(tǒng)的無功補償能力等因素的影響，因此在直流調(diào)制時需要采集大量的送、受端交流信號量，以廣域測量技術(shù)（WAMS）為代表的通信與計算機技術(shù)為交流信號的準(zhǔn)確和快速傳輸帶來了質(zhì)的飛躍，SCADA和PMU系統(tǒng)都已得到了廣泛應(yīng)用，解決了直流調(diào)制參與電力系統(tǒng)調(diào)度的主要問題[19，20]。

3 結(jié)束語

我國經(jīng)濟的發(fā)展需要電網(wǎng)的堅強支持，建設(shè)遠距離大容量的特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)是未來的發(fā)展方向，結(jié)合我國特高壓電網(wǎng)的特點，分析了影響電網(wǎng)輸電能力的主要因素，給出了現(xiàn)階段國內(nèi)外常用的提升電網(wǎng)輸送能力的措施和方法，比較了它們各自的特點、應(yīng)用條件及在特高壓電網(wǎng)中的適應(yīng)性：（1）改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的方法，多用于網(wǎng)架較為薄弱的區(qū)域電網(wǎng)，而特高壓電網(wǎng)的電壓等級已經(jīng)是目前電網(wǎng)中最高的，線路輸電能力強，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也較為堅強，因此通過改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的方法提高輸電能力對特高壓電網(wǎng)而言，意義不大。（2）改變電網(wǎng)電氣結(jié)構(gòu)的方法，在已建成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上通過加裝FACTS、TCSC、SVC及可控高抗等控制裝置來改變電網(wǎng)的電壓、阻抗等電氣特性，以提高其輸電能力。具有安裝地點可選性多，控制方式靈活多變等特點，也是目前特高壓電網(wǎng)中應(yīng)用較多的方法。但該類控制裝置一般造價昂貴，經(jīng)濟效益稍差；（3）加裝安控裝置的方法，是根據(jù)電網(wǎng)存在的安全穩(wěn)定問題，通過安控裝置切機、切負荷及直流調(diào)制等控制手段，來提高電網(wǎng)的輸電能力。與切機、切負荷等傳統(tǒng)控制措施相比，直流調(diào)制的控制代價幾乎可以忽略不計，因此將直流調(diào)制與傳統(tǒng)安控協(xié)調(diào)配合的方法，在特高壓電網(wǎng)中具有很好的應(yīng)用前景。實際工程項目中，應(yīng)根據(jù)具體情況分析，將各種措施優(yōu)化組合，以達到最佳效果。

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