柔性交流輸電技術(shù)在江蘇電網(wǎng)中的應(yīng)用

王 旭，祁萬春，黃俊輝，謝珍建，吳 晨

(1．國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京市210008;2． 國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京市210008)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化程度的不斷提高，土地、環(huán)保等外部條件對電力建設(shè)的制約也越來越大。對于江蘇這樣經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的省份，依靠建設(shè)新輸電通道來增加輸電能力，以滿足負(fù)荷增長需求的傳統(tǒng)途徑在某些場合下(例如過江通道、大城市中心區(qū)域等)不僅投資巨大，而且將越來越困難，甚至變?yōu)椴豢赡堋４送猓馗邏航?、直流落點(diǎn)江蘇后，江蘇乃至華東電網(wǎng)將出現(xiàn)直流多饋入、交直流混聯(lián)的格局。直流多饋入及交直流混聯(lián)給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的問題，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖或交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，可能造成系統(tǒng)電壓嚴(yán)重跌落，影響到多回直流線路，誘發(fā)多回直流線路換相失敗，從而對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定乃至頻率穩(wěn)定造成影響［1-5］。此外，隨著特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，江蘇電網(wǎng)將出現(xiàn)1 000 kV/500 kV、500 kV/220 kV 的多電壓層級電磁環(huán)網(wǎng)。多電壓層級電磁環(huán)網(wǎng)的存在，使得電網(wǎng)潮流難以控制，一方面導(dǎo)致輸電通道潮流不均，輸電線路輸電能力得不到發(fā)揮;另一方面，上級電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)大量潮流可能向下級電網(wǎng)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。

柔性交流輸電技術(shù)(flexible alternating current transmission system，F(xiàn)ACTS)是近年來發(fā)展的通過電力電子設(shè)備和其他靜態(tài)控制器來提高系統(tǒng)可控性和功率輸送能力的交流輸電技術(shù)，能夠起到均衡電網(wǎng)潮流、提高電網(wǎng)暫態(tài)及熱穩(wěn)定輸送極限，為電網(wǎng)提供動態(tài)無功支撐等作用［6-10］。

FACTS 技術(shù)作為電網(wǎng)新技術(shù)，由于其先進(jìn)的控制原理、可充分利用和提高現(xiàn)有電網(wǎng)資源利用率、改善電網(wǎng)靜動態(tài)運(yùn)行特性、很好地適應(yīng)電力市場運(yùn)營及新能源接入等方面的優(yōu)點(diǎn)引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和重視。在江蘇電網(wǎng)的規(guī)劃發(fā)展中研究采用FACTS 作為常規(guī)電網(wǎng)技術(shù)的必要補(bǔ)充對江蘇電網(wǎng)這樣一個(gè)規(guī)模大、區(qū)外來電比重高、輸電走廊新建代價(jià)大且困難、電網(wǎng)運(yùn)行特性復(fù)雜的電網(wǎng)來講尤其必要。需要指出的是:FACTS 技術(shù)的應(yīng)用需要結(jié)合電網(wǎng)的規(guī)劃發(fā)展，并和常規(guī)的電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)方案相結(jié)合，保證電網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)的社會效益。

1 FACTS 技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

FACTS 技術(shù)是隨著大功率電力電子開關(guān)器件的研制成功和現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來，它將電力電子開關(guān)器件的制造技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)有機(jī)融合，旨在提高交流電網(wǎng)的可控性，實(shí)現(xiàn)靈活控制系統(tǒng)潮流和最大化電網(wǎng)傳輸能力［11-15］。

FACTS 裝置按照其功能通?？梢苑譃? 類:并聯(lián)型，包括如靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)，靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)等，該類FACTS 裝置以控制線路電壓或控制裝置吸收/發(fā)送無功功率為目標(biāo);串聯(lián)型，包括晶閘管控制串聯(lián)補(bǔ)償器(thyristor controlled series compensation，TCSC)，晶閘管控制串聯(lián)電抗器(thyristor controlled series reactor，TCSR)、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator，SSSC)等，該類FACTS 裝置以控制線路電抗為目標(biāo)，進(jìn)而控制線路傳輸?shù)碾娏?，有?綜合型，主要是統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)，可以綜合控制線路電壓，線路傳輸?shù)挠泄?無功功率等)。

從發(fā)展進(jìn)程和技術(shù)進(jìn)步角度而言，F(xiàn)ACTS 設(shè)備可以分為3 代:第一代以晶閘管作為開關(guān)器件，響應(yīng)較慢，包括SVC 和TCSC;第二代以全控型器件構(gòu)成的電壓源逆變器為核心，通過電子回路模擬電抗或電容的作用，體積減小，同時(shí)性能得到提升，包括STATCOM、SSSC;第三代主要指復(fù)合型的FACTS 設(shè)備，例如UPFC 等，具有最全面、最靈活的控制功能。目前，第一代、第二代FACTS 設(shè)備SVC、STATCOM、TCSC 已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，并在實(shí)際電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。第三代復(fù)合型FACTS 設(shè)備(UPFC)目前世界上已有3 套投入實(shí)際運(yùn)行［16-18］，分別在美國Inez 地區(qū)(138 kV/320 MVA)、美國紐約Marcy 地區(qū)(345 kV/200 MVA)、韓國kangjin 地區(qū)(154 kV/80 MVA)。

2 江蘇電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展中存在的問題

根據(jù)江蘇電網(wǎng)的實(shí)際以及發(fā)展規(guī)劃，江蘇電網(wǎng)目前及發(fā)展過程中存在下述問題:由于蘇北地區(qū)電源、負(fù)荷分布的不均衡，江蘇電網(wǎng)“北電南送”部分輸電通道成為瓶頸，2017年左右需要增加過江通道;特高壓交、直流落點(diǎn)江蘇后，在交直流系統(tǒng)發(fā)生直流雙極閉鎖、多重故障等嚴(yán)重故障時(shí)會引起交流系統(tǒng)中樞點(diǎn)電壓的嚴(yán)重降低，可能誘發(fā)多條直流換相失敗甚至發(fā)生閉鎖，使得電網(wǎng)出現(xiàn)電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等系統(tǒng)問題;特高壓交、直流落點(diǎn)江蘇后，多電壓層級電磁環(huán)網(wǎng)的存在使得電網(wǎng)潮流難以控制，往往出現(xiàn)輸電通道潮流不均，現(xiàn)有輸電線路輸電能力得不到充分發(fā)揮的現(xiàn)象，例如南京主城西環(huán)網(wǎng)就存在上述問題。本文針對上述3 類典型問題，初步研究了在江蘇電網(wǎng)應(yīng)用FACTS 技術(shù)的可行性。

3 應(yīng)用FACTS 技術(shù)提高江蘇500 kV 主網(wǎng)架輸電能力

3.1 江蘇500 kV 主網(wǎng)架潮流分布情況

根據(jù)規(guī)劃，2013—2017年，江蘇500 kV 主網(wǎng)架“北電南送”潮流將逐年增加。2017年，在風(fēng)電達(dá)到80% 出力時(shí)，江蘇過江斷面最大潮流將達(dá)約9 000 MW，其中過江中通道(江都—晉陵雙線)潮流較重(3 568 MW)，不滿足N－1 校核。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，2017年過江斷面上輸送能力較小的江都—晉陵雙線(導(dǎo)線4 ×LGJ －400)潮流最重，而輸送能力較大的泰興—斗山雙線、三汊灣—龍?zhí)峨p線(導(dǎo)線均為4 ×LGJ －630)潮流較輕。潮流分布的不均衡使得該斷面在部分輸電線路輸送能力仍存在較大裕度的情況下出現(xiàn)了輸電能力不足的問題。因此，考慮在過江中通道上裝設(shè)串聯(lián)型FACTS 裝置來均衡過江斷面上各輸電通道的潮流分布，以提高該斷面的整體輸電能力，避免新增輸電通道。根據(jù)近、遠(yuǎn)期電網(wǎng)規(guī)劃，過江中通道一直是整個(gè)過江斷面的瓶頸，其需要的潮流調(diào)整需求較為固定(即減少潮流)，因此考慮在過江通道上裝設(shè)晶閘管控制的串聯(lián)電抗器(thyristor controlled series reactor，TCSR)(簡稱可控串抗)。

3.2 應(yīng)用TCSR 提高江蘇500 kV 過江斷面輸電能力

在江都—晉陵雙線上裝設(shè)14 Ω 及28 Ω TCSR后，正常及N－1 方式下過江斷面各通道的潮流分布見表1。

表1 過江通道潮流分布Tab．1 Power flow distribution in across-river transmission channels MW

潮流計(jì)算的結(jié)果表明:在TCSR 的阻抗值取14 Ω時(shí)，N －1 故障方式下中通道線路潮流略超其熱穩(wěn)極限，可結(jié)合運(yùn)行方式調(diào)整(例如風(fēng)電出力較多時(shí)壓中通道附近機(jī)組出力)解決其線路N－1 問題;在TCSR的阻抗值取28 Ω時(shí)，N－1 故障方式下中通道潮流低于其熱穩(wěn)極限，且尚有一定裕度;無論TCSR 的阻抗值取14 Ω還是28 Ω，過江斷面其余通道潮流盡管有所增大，但在N －1 故障方式下，通道潮流距熱穩(wěn)極限仍有較大裕度?？梢姡ㄟ^在過江中通道上裝設(shè)TCSR，能夠?qū)⒅型ǖ赖某绷鬓D(zhuǎn)移到裕度較大的其他過江通道上，從而顯著提高過江斷面輸送能力，避免建設(shè)過江輸電通道。

考慮到規(guī)劃遠(yuǎn)景年份蘇北區(qū)外來電及區(qū)內(nèi)裝機(jī)還將有較大規(guī)模的增長，江蘇過江斷面的輸送功率可能進(jìn)一步增長，為保證方案的遠(yuǎn)景適應(yīng)性，本文建議中通道上裝設(shè)的TCSR 的阻抗值取28 Ω。此外，為減少線路的無功損耗和電壓跌落，建議優(yōu)化TCSR 的控制策略，根據(jù)線路潮流的情況動態(tài)調(diào)整TCSR 的輸出阻抗，從而在線路潮流不越限的前提下盡可能減少TCSR 的輸出阻抗。

4 應(yīng)用FACTS 技術(shù)解決江蘇電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題

特高壓交、直流落點(diǎn)江蘇后，在發(fā)生特高壓直流雙極閉鎖或交流系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)電網(wǎng)可能出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題。當(dāng)多回直流饋入后，這個(gè)問題將更加嚴(yán)重，有可能引發(fā)多個(gè)直流連鎖閉鎖，從而導(dǎo)致大停電事故的發(fā)生。

為解決該問題，本報(bào)告考慮在特高壓直流站附近的500 kV 變電站裝設(shè)并聯(lián)型的FACTS 裝置(如SVC、STATCOM 等)，以提高直流落點(diǎn)區(qū)域的無功電壓支撐水平，從而有效降低直流雙極閉鎖時(shí)系統(tǒng)電壓跌落的幅度。

以2015年為例，仿真計(jì)算的結(jié)果表明:在錦蘇直流發(fā)生雙極閉鎖故障后，吳江、木瀆、車坊等近區(qū)的500 kV 變電站母線電壓跌落幅度較大，其中跌幅最大的吳江站500 kV 母線電壓由506.1 kV 跌落至483.1 kV，下降幅度約為23 kV，如果進(jìn)一步考慮感應(yīng)電動機(jī)特性及固定電容器的無功輸出特性，系統(tǒng)電壓下降幅度將更大，可能危及電壓穩(wěn)定。

為了解決上述問題，本文考慮在錦蘇直流鄰近的吳江、木瀆、車坊站安裝一定容量的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC 或STATCOM)。表2 顯示了在上述500 kV變電站安裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的效果。

表2 500 kV 變電站安裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的效果Tab．2 Effects of dynamic reactive power compensation device installed in 500 kV substation kV

從表2 可以看到，在特高壓直流落點(diǎn)附近的變電站安裝一定容量的動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，可以有效地緩解特高壓直流閉鎖后的電壓跌落問題，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。初步分析的結(jié)果表明:在車坊站安裝3 ×180 Mvar 的動態(tài)無功補(bǔ)償、吳江站安裝3 ×180 Mvar的動態(tài)無功補(bǔ)償、木瀆站安裝2 ×180 Mvar 的動態(tài)無功補(bǔ)償，可以使得錦蘇直流雙極閉鎖后，鄰近的500 kV變電站母線電壓恢復(fù)至500 kV 以上。此外，在特高壓直流落點(diǎn)近區(qū)變電站安裝一定容量的動態(tài)無功補(bǔ)償后，有利于交流電網(wǎng)故障后系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，可以有效降低交流系統(tǒng)故障誘發(fā)多回直流同時(shí)發(fā)生閉鎖的可能性，提高電網(wǎng)應(yīng)對嚴(yán)重故障的能力。

5 應(yīng)用FACTS 技術(shù)解決電磁環(huán)網(wǎng)潮流控制問題

本文以南京主城西環(huán)網(wǎng)為例，研究了應(yīng)用FACTS 技術(shù)解決電磁環(huán)網(wǎng)潮流控制問題，提高電網(wǎng)輸電能力的可行性。

5.1 南京主城西環(huán)網(wǎng)應(yīng)用FACTS 技術(shù)提高輸電能力的必要性

由于電源和負(fù)荷分布的原因，自2014年起南京西環(huán)網(wǎng)曉莊南送斷面(由曉莊—下關(guān)、曉莊—中央線路組成)的輸送功率長期超過穩(wěn)定限額(約500 MW)，不滿足N －1 校核，需要依賴安全自動裝置在N－1 后切除華能南京機(jī)組來避免剩下的1回線路過載，但隨著西環(huán)網(wǎng)負(fù)荷的進(jìn)一步增長，2016年正常方式下曉莊—下關(guān)線路潮流達(dá)528 MW，已超過線路的載流量(500 MW)。為解決上述問題，江蘇省電力公司提出了建設(shè)將華能南京電廠—曉莊雙線南側(cè)線路開斷環(huán)入碼頭變的線路工程，但該工程需新建2 ×10 km 的電纜線路，不僅投資巨大(約10 億元)，而且工程實(shí)施難度極大(需建設(shè)約10 km 的電纜隧道穿越城區(qū))。

考慮到此時(shí)500 kV 東善橋變電站向西環(huán)網(wǎng)送電的線路通道潮流尚有較大裕度。本文對在南京西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)FACTS 裝置調(diào)整西環(huán)網(wǎng)潮流，解決曉莊南送通道不滿足N －1 校核的可行性進(jìn)行了分析?？紤]規(guī)劃遠(yuǎn)景年份到南京西環(huán)網(wǎng)的潮流分布可能隨500 kV變電容量建設(shè)、220 kV 電源退役等發(fā)生較大變化，對潮流的控制要求也可能隨之變化，為保證方案的遠(yuǎn)景適應(yīng)性，本文考慮在南京西環(huán)網(wǎng)裝設(shè)具有潮流雙向調(diào)節(jié)能力的統(tǒng)一潮流控制器。

5.2 UPFC 提高南京西環(huán)網(wǎng)輸電能力的可行性

5.2.1 UPFC 安裝地點(diǎn)及相應(yīng)系統(tǒng)方案

考慮到工程實(shí)施可行性，UPFC 的安裝地點(diǎn)建議裝設(shè)在已規(guī)劃建設(shè)的鐵北開關(guān)站，系統(tǒng)初步方案(見圖1)如下:將經(jīng)港—曉莊雙線開斷環(huán)入鐵北開關(guān)站，形成經(jīng)港—鐵北雙線、鐵北—曉莊雙線;將UPFC 裝設(shè)在開環(huán)形成的鐵北—曉莊雙線上(導(dǎo)線2 ×LGJ－630，輸送能力為700 MW);為避免影響UPFC 的控制效果，將原有的輸送能力較小的鐵北—曉莊雙線(導(dǎo)線LGJ－400，輸送能力為250 MW)開斷運(yùn)行。

圖1 南京主城西環(huán)網(wǎng)安裝UPFC 的系統(tǒng)方案Fig.1 System scheme of UPFC installed in western-Nanjing inter-city circle grid

5.2.2 UPFC 控制效果分析

結(jié)合西環(huán)網(wǎng)潮流分布情況及相關(guān)線路的輸送能力限額，對UPFC 的潮流控制能力提出如下需求:(1)保證曉莊—下關(guān)、曉莊—中央線路正常方式下潮流不超過450 MW，N －1 故障方式下潮流不超過500 MW;(2)保證堯化門—鐵北線路在堯化門—經(jīng)港線路N－1 故障方式下潮流不超過400 MW。

為節(jié)省投資，本文考慮接入鐵北—曉莊雙線的UPFC 采用公用并聯(lián)側(cè)的結(jié)構(gòu)(見圖2)，其中串聯(lián)側(cè)的2個(gè)換流變?nèi)萘咳?0 MVA(額定電流為1.5 kA、額定電壓為27 kV)，并聯(lián)側(cè)換流變?nèi)萘咳?0 MVA。

圖2 南京西環(huán)網(wǎng)UPFC 方案設(shè)想圖Fig.2 Structure of proposed UPFC installed in western-Nanjing inter-city circle grid

在該配置容量下，正常運(yùn)行時(shí)通過UPFC 控制鐵北—曉莊斷面的功率，可以使得曉莊—下關(guān)功率在450 MW 以下(潮流見圖3，此時(shí)UPFC 輸出電壓約為9 kV)。該方式下曉莊南送斷面的潮流約為800 MW，此時(shí)南京西環(huán)網(wǎng)除曉莊—下關(guān)、曉莊—中央線路外，其余線路潮流均滿足N－1 校核。

該方式下，若曉莊—下關(guān)或曉莊—中央線路發(fā)生N－1 故障，為避免剩下的另一回線過載，需將UPFC的輸出電壓增大至約26 kV(仍低于27 kV 的額定電壓)?？梢?，推薦的UPFC 裝設(shè)容量能夠滿足2016年南京西環(huán)網(wǎng)的潮流控制需求，并可將曉莊南送斷面正常方式下的輸電能力提高到800 MW。

根據(jù)近遠(yuǎn)期電網(wǎng)規(guī)劃，2017、2018年500 kV 秦淮變電站、秋藤變電站投運(yùn)后，曉莊南送斷面輸送功率將有明顯下降;2018—2020年，盡管隨著負(fù)荷增長，曉莊南送斷面輸送功率將逐年增長，但不會增長到2016年的水平。因此，推薦的UPFC 裝設(shè)容量也能夠滿足2020年前南京西環(huán)網(wǎng)的潮流控制需求。

5.3 UPFC 經(jīng)濟(jì)性分析

圖3 2016年南京主城西環(huán)網(wǎng)北部地區(qū)潮流(裝設(shè)UPFC，正常方式)Fig.3 Power flows in western-Nanjing inter-city circle grid (with UPFC installed under the normal operation)

UPFC 工程包括換流閥、變壓器、控制保護(hù)和水冷等主要設(shè)備，初步估算的費(fèi)用約為2.2 億元。通過UPFC 工程的實(shí)施，可省去華能南京—曉莊南側(cè)線路開斷環(huán)入碼頭變的電纜線路的建設(shè)(投資約10 億元)。因此，通過裝設(shè)UPFC 來提高南京西環(huán)網(wǎng)的輸電能力可節(jié)省投資約7.8 億元。

6 結(jié) 論

(1)通過在合適的線路通道上裝設(shè)TCSR、UPFC等FACTS 裝置，能夠有效控制電網(wǎng)潮流，提高現(xiàn)有電網(wǎng)的輸電能力，從而避免了投資巨大、實(shí)施難度極大的過江通道及城市電纜輸電通道的建設(shè)。

(2)在特高壓直流落點(diǎn)鄰近的500 kV 變電站裝設(shè)SVC、STATCOM 等FACTS 裝置，能夠在故障后提供動態(tài)無功支撐，顯著降低特高壓直流雙極閉鎖后的電壓跌落，從而避免了電壓穩(wěn)定問題的出現(xiàn)，也避免了由于電壓跌落誘發(fā)其他直流出現(xiàn)換相失敗。

(3)可見，在江蘇電網(wǎng)應(yīng)用FACTS 技術(shù)不僅可行，而且可以提高電網(wǎng)的效率及安全性，能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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