馬騫，劉洪濤，孫嘉彌，杜翠，鄧卓明

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東廣州 510663；2.國家能源局，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時變化的，尤其大規(guī)模新能源投運(yùn)后，受新能源多時空、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合進(jìn)行合理的潮流控制，有待更深入的研究。近年來，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)行得到驗證，但整體高昂的造價以及占地較大兩類問題成為其難以大規(guī)模推廣的主要因素。鑒于此，本文提出將多級快速投切電抗器應(yīng)用于交流電網(wǎng)，通過對多級快速投切電抗器的控制來滿足潮流靈活調(diào)節(jié)需求。該方案在整體造價和占地方面均有較大優(yōu)勢。

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。通常來說，線路兩端的電壓在一定范圍內(nèi)運(yùn)行，通過改變首末端電壓對線路傳輸?shù)挠泄β视绊懖⒉淮螅?-8］。而通過改變線路的相角差以及線路的阻抗則可以實現(xiàn)有功的快速改變［7-8］。下面分別分析幾類柔性潮流控制技術(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 是由兩個通過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，采取兩個串聯(lián)換流閥共用一個并聯(lián)換流閥的拓樸結(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實現(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，實現(xiàn)電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。

早在2004 年，美國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，一種方法是通過串入電壓的方法改變相角，另外一種是直接通過改變線路的阻抗值，即通過在線路上串入電容或者電抗的方式來進(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)相角差來改變線路的有功功率，可以實現(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快速投切電抗器的潮流控制器，主要通過靈活改變串入線路的阻抗大小的方式來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，本文提出通過多級快速投切電抗器實現(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，多級快速投切的電抗器為3 級投切電抗器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為電抗器與快速開關(guān)并聯(lián)后，再與其他的電抗器及快速開關(guān)串聯(lián)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單清晰，通過對多級快速開關(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，則通過開關(guān)的投退可以串入的阻抗值為xΩ、2xΩ、3xΩ。如選擇三個阻抗值為xΩ、2xΩ、4xΩ 的電抗串聯(lián)，則通過對快速開關(guān)的投退可以實現(xiàn)x～7xΩ 阻抗值7個階梯度的變化。

3.2 安裝位置和容量優(yōu)化方案

在選擇多級快速投切電抗器的每一級電抗值的大小時，需要考慮系統(tǒng)的需求，即需要計算各種運(yùn)行方式下電網(wǎng)需要串入的阻抗大小，同時電抗器投退過程中不應(yīng)該對系統(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)線路實現(xiàn)潮流控制時，應(yīng)將其重點(diǎn)安裝在重載線路上，通過對重載線路的潮流限制，實現(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)生故障時需要采取經(jīng)濟(jì)性潮流限制措施的時候。

在容量選擇時，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：識別確定關(guān)鍵斷面，對輸電斷面進(jìn)行N-1掃描，對N-1后過載的線路進(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后均不過載。

步驟3：校核在計算的最大電抗值串入后，各類故障下是否會引發(fā)新的穩(wěn)定問題。如無影響則進(jìn)入下一步，如可能存在穩(wěn)定問題，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，評估調(diào)節(jié)的頻繁程度和電網(wǎng)對潮流的精細(xì)化要求，選擇所需的多級投切電抗器的級數(shù)，如對潮流控制要求較低，則選擇2 級電抗值，如對潮流控制精度要求搞，則選擇3級或者4級投切電抗器。

3.3 控制策略

正常運(yùn)行時，當(dāng)安裝線路的潮流未達(dá)到預(yù)警值，快速開關(guān)均處于合位，將電抗器置于旁路，系統(tǒng)運(yùn)行在無損耗的狀態(tài)。當(dāng)檢測到安裝點(diǎn)的潮流超過預(yù)警值時，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)行時因負(fù)荷和開機(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，潮流轉(zhuǎn)移到另外一回線路導(dǎo)致線路過載的問題時，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，多級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，將快速開關(guān)合上，對所有的電抗器進(jìn)行旁路。當(dāng)安裝線路的功率達(dá)到預(yù)警值時，考慮投入電抗器。由于正常運(yùn)行時潮流越門檻值屬于較輕的問題，因此電抗器投入時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)檢測到線路功率在預(yù)警值以下并維持一段時間T后，再依次合上快速開關(guān)退出電抗器。

當(dāng)發(fā)生緊急事故時，需要對潮流進(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)過一段時間的延時后，再依次合上快速開關(guān)，退出電抗器。

4 幾類潮流控制裝置基本性能比較

如表1 所示，在控制性能、造價等指標(biāo)方面對統(tǒng)一潮流控制器、分布式潮流控制器以及本文提出的多級快速投切電抗器進(jìn)行比較?？梢钥闯?，本文提出的多級快速投切電抗器在設(shè)備價格、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，但在潮流控制性能上，主要是對線路有功功率的控制，無法兼顧到無功電壓的調(diào)節(jié)。

表1 幾類潮流控制裝置基本性能對比Tab.1 Comparison of basic performance of several kinds of power flow control devices

5 案例分析

某省級電網(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，A-B 線路重載。通過計算，當(dāng)雙回線潮流達(dá)到3.5 GW 時，N-1 后另外一回線路剛好滿載，此時另外一個通道的潮流為2.6 GW。但該區(qū)域間聯(lián)絡(luò)斷面限額為5.5 GW，一旦超過該限額，則區(qū)域電網(wǎng)1 需要采取棄風(fēng)棄光的措施來限制斷面潮流。其實在通道A-B達(dá)到N-1 熱穩(wěn)限額時，C-D 仍然有較大的裕度，因此考慮在通道A-B上安裝多級快速投切電抗器。

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，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，且對潮流控制的精度較高，考慮采用3 級的投切電抗器，各級電抗器的電抗值分別設(shè)置為2 Ω、4 Ω、8 Ω。通過對快速開關(guān)的控制，可實現(xiàn)2～14 Ω 之間7 個檔位的潮流調(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，超過熱穩(wěn)限額約420 MW，考慮通過多級快速投切電抗器投入不同的電抗器來限制潮流。

表2 多級快速投切電抗器不同的電抗值對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，通過對電抗器的投切控制，串入的電抗值可以表現(xiàn)為7 個遞增的數(shù)值，對電網(wǎng)的潮流可以控制到相對精細(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，通過對多快速投切電抗器的控制可以實現(xiàn)潮流相對精確的控制，當(dāng)投切開關(guān)的級數(shù)達(dá)到4 級甚至更多時，其潮流控制的精度也將會進(jìn)一步提高。

6 結(jié)論

本文提出的基于多級快速投切電抗器的潮流控制技術(shù)，具備占地面積小、造價相對低廉、可靈活投退等優(yōu)勢。通過對基于多級快速投切對區(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）基于多級快速投切電抗器的技術(shù)可實現(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)定門檻值時，將電抗器旁路后不產(chǎn)生運(yùn)行損耗。只有在聯(lián)絡(luò)線潮流超過啟動門檻值時，才將其投入運(yùn)行，通過對多級開關(guān)的投退可控制投入的電抗值大小，實現(xiàn)潮流的靈活調(diào)節(jié)。

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