可控電抗器應用于內蒙古500 kV電網中的可行性分析

徐征宇，白志強，王瑞

(1.內蒙古工業大學，呼和浩特市，010080;2.內蒙古超高壓供電局，呼和浩特市，010080)

0 引言

可控電抗器是一種先進的智能型無功補償設備，它的特點在于其無功容量可以隨著安裝地點無功功率的變化而變化，做到無功功率的動態補償［1-2］。由于這種動態補償性，可以穩定其安裝地點的電壓，另外由于減少了線路上的無功功率，降低了系統的電壓損耗和有功損耗［3］。內蒙古500 kV電網調壓方式主要是固定容量低抗、低容的投切，需要人為操作，補償速度慢且補償效果不佳。本文從運行方式入手，利用潮流仿真軟件分析將可控電抗器應用到內蒙古500 kV電網后的調壓效果及降損效果等方面的問題。同時，對配置方案進行了電壓調整效果分析、經濟性分析和N-1開斷模擬分析，討論了配置方案的可行性。

1 現有調壓方式存在的問題

目前，內蒙古500 kV電網的調壓措施主要包括投切35 kV低壓電抗器組、35 kV低壓電容器組、發電機進相運行、并聯固定容量高抗等幾種方式，但它們都存在一定的局限性。低壓電抗器組、低壓電容器組調壓需要人工投切，無功補償速度慢，影響電壓合格率;發電機進相運行雖然可以有效地保證電網充足的無功功率，但是無功功率的大范圍流動會產生不必要的有功損耗;并聯固定容量高抗調壓只能限制長線路容升效應，而且容量不可調，會造成線路重負載時電壓下降、增大網損的后果。為解決上述問題，本文研究將可控電抗器應用于內蒙古500 kV電網中，豐富調壓手段，降低系統損耗。

2 潮流計算

本文所采用的潮流計算方法主要是牛頓法和PQ分解法［4］，內蒙古電網共有1 000多個節點，為保證計算的收斂性和快速性，在編寫潮流計算控制語句時，設定先采用P-Q分解法計算，保證快速性，再采用牛頓計算法，保證收斂性。在潮流計算程序中，將內蒙古電網的所有節點參數通過填寫相應數據卡錄入計算機中，形成內蒙古電網的潮流計算初始數據，將控制語句寫入計算機，這里設定牛頓法使用20次，PQ分解法使用10次，并設定輸出各節點的潮流及系統的總損耗數據，進行潮流計算時計算機自動進行迭代并輸出結果。

3 可控電抗器配置方案

3.1 電壓現狀

2011年夏季運行方式下，利用潮流分析軟件對內蒙古電網進行潮流仿真計算，得到內蒙古500 kV電網的潮流分布，如圖1所示。圖中每個節點及線路上的潮流以復功率的形式表示，并標注出每個節點的電壓值。內蒙古電網500 kV各變電站電壓及系統損耗匯總于表1。

圖1 潮流分布Fig.1 Electric power flow distribution

表1 500 kV變電站電壓及系統損耗Tab.1 Voltage of 500 kV Substation and system loss

對比表1所列數據及內蒙古電力調度通信中心2011年季度電壓合格曲線發現，內蒙古500 kV電網整體的運行電壓偏低，其中500 kV汗海站、500 kV豐泉站、500 kV永圣域站的情況最為嚴重。面對這種電壓偏低的情況，研究利用可控電抗器將表1所列變電站電壓調整到合格范圍內，潮流仿真程序中通過更改現有相應固定容量并聯高抗的電抗標幺值并進行仿真潮流計算，模擬可控電抗器提升其安裝地點電壓的情形。

3.2 配置方案

根據表1數據，內蒙古500 kV電網在2011年的運行方式下，汗海站、豐泉站、永圣域站越電壓曲線下限情況最為嚴重。其中，豐泉站、汗海站是重要出口變電站，也是出線較多、調壓較為困難的變電站。故將此3個變電站及對應線路上的并聯高抗作為重點研究對象。下面針對這3個變電站，將其安裝固定容量并聯高抗的線路做統計如表2所示。

3.2.1 配置方案調壓分析

根據表2，永豐Ⅰ線豐泉側裝有150 Mvar的高抗、永圣域側裝有120 Mvar的高抗，結合這2個500 kV站的電壓都偏低的情況，將兩側高抗容量都調整為50 Mvar，仿真結果見表3。

與表1相比，豐泉、永圣域、汗海站電壓上升較明顯，但仍不滿足電壓曲線的要求，將豐汗Ⅰ線豐泉站側線路高抗加入調整的范圍內，容量調整為25 Mvar，仿真結果見表4。

?

?

?

通過調整豐汗Ⅰ線豐泉站側高抗容量，表4中所列500 kV變電站的電壓繼續上升，但仍存在電壓不合格的情況。因此將豐泉站豐萬Ⅰ線、豐萬Ⅱ線的線路高抗加入調整范圍，將其容量由原來的150 Mvar調整到25 Mvar，利用潮流仿真軟件計算后出現了結果不收斂的情況，這是因區域無功不平衡所致，故豐泉站手動切除一組120 Mvar，35 kV低壓電容器組，再進行潮流仿真，計算收斂，見表5。

表5 計算結果3Tab.5 Calculation results 3

表3～5的數據表明:通過調整豐泉站500 kV出線的并聯高抗值，其電壓逐漸上升，網損逐漸減小，這是一個良好的趨勢;但由于豐泉站高抗容量值已經調到較低的水平，為了達到電壓合格的要求而再次調低這幾處的線路并聯高抗值會導致潮流計算無法收斂，所以此時要調整汗海站線路并聯高抗容量。

將汗旗Ⅰ線汗側、汗旗Ⅱ線旗側的線路高抗值調整為50 Mvar，進行模擬仿真后出現了全網網損增加、500 kV電網電壓再次下降并降到很低的情況，如表6所示。調整汗騰線兩側線路高抗時也存在同樣的問題。

表6 計算結果4Tab.6 Calculation results 4

這種情況的出現并不符合減少感性無功會提升電壓的一般規律，究其原因是汗海站的東送無功潮流過大所致，雖然潮流計算趨收斂，但汗海站區域無功不足，難以維持在高電壓水平下運行。因此，從2011年運行方式上，應把汗旗Ⅰ線、汗旗Ⅱ線、汗騰線線路高抗排除在調整范圍外。考慮從汗沽Ⅰ線、汗沽Ⅱ線線路高抗入手調整，將汗沽Ⅰ線、汗沽Ⅱ線線路高抗調整為50 Mvar，仿真計算結果收斂，如表7所示。

表7 計算結果5Tab.7 Calculation results 5

表7中各站的電壓都能符合電壓曲線的要求，而且內蒙古電網的其他500 kV變電站的電壓也均符合了電壓曲線的要求。可見，通過調整重點變電站及相應線路的并聯高抗值，可以有效地提升500 kV電網的運行電壓水平。另外對比表7及表1中的系統損耗，可以發現，在仿真模擬可控電抗器調整內蒙古500 kV電網運行電壓后，系統有功損耗由288.467 MW減小到282.169 MW，這對電網的節能減排是非常有利的。為進一步體現可控電抗器在降損方面的優勢，在上述調整之后，將242 km(線路越長，充電功率越大，調整效果越明顯)的布烏Ⅰ線、布烏Ⅱ線的固定容量并聯高抗由150 Mvar調整為50 Mvar，然后進行仿真分析，計算結果收斂，并且內蒙古電網500 kV變電站電壓仍然滿足電壓曲線的要求，如表8所示。

表8 2011年夏季運行方式下內蒙古電網500 kV變電站電壓及系統損耗Tab.8 Voltage of substation and system loss in summer operation mode of 2011 for 500 kV Inner Mongolia power grid

對比表8和表1數據，可以發現，經過調整后，內蒙古500 kV電網的電壓合格率達到了100%，并且由于減少了線路上的無功流動，全網系統損耗降低了8.515 MW。

3.2.2 配置方案效果及經濟性

將可控電抗器在內蒙古500 kV電網中的布置方案匯總，見表9。

在2011年夏季運行方式下，通過表9的配置方案可使500 kV變電站電壓均滿足電壓曲線要求。為了更直觀地體現可控電抗器的調壓效果，作出500 kV豐泉變電站、500 kV汗海變電站2個重要東送出口站的日電壓曲線圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，可控電抗器可使安裝地點的電壓在每日低谷、平峰、高峰期都滿足電壓曲線的要求，而且可以保持在較高電壓水平上運行，這主要得益于可控電抗器的快速調節和自動調節性能，這相比于投切低抗、低容操作速度慢、不可動態調整具有明顯的優勢。

?

另據有關資料500 kV超高壓磁控式可控電抗器價為160～200元/kvar，內蒙古普通工業用電價格0.631元/(kW·h)，由此可得出可控電抗器配置方案的經濟性、潮流計算收斂性、最大提升電壓程度的分析表，如表10所示。

表10 配置方案分析Tab.10 Analysis of configuration scheme

按表9中的配置方案，雖然一次投資較大，但收回成本的時間僅為4年左右，另外，由于可控電抗器的可控性及節能性，它的應用對于內蒙古電網的節能減排建設和智能電網建設都會起到積極的促進作用和示范作用。

3.2.3 配置方案的N-1開斷模擬

在利用軟件對表9配置方案進行潮流計算后，編寫N-1開斷模擬語句，仿真分析配置方案下內蒙古500 kV電網線路輪流開斷后的過電壓及過負荷情況，如圖3、4所示。

由圖4可知，對內蒙古500 kV電網部分線路進行開斷時會造成系統的解列等故障，但對比圖3、4可知，這些可能出現的故障并不是因為可控電抗器調整導致的，而是因為內蒙古電網自身結構、容量等因素所致。進一步分析后發現，可控電抗器調整之后汗沽Ⅱ線斷開將不會導致系統解列，這反映了500 kV汗海站安裝可控電抗器后使得汗沽線路傳輸能力增強，不必考慮架設新線路。總之，通過對內蒙古500 kV電網進行N-1開斷模擬后，不會出現內蒙古500 kV電網變電站電壓越限的情況，并且可以提高汗沽線的輸送能力，這也證明了表9方案是可行的。

4 結論

(1)通過潮流計算、N-1開斷計算等仿真計算、可控電抗器調壓效果分析及經濟性分析表明，可控電抗器在內蒙古500 kV電網上的應用是可行的。

(2)以2011年度夏季運行方式為例，最高提升電壓12.7 kV，發生在500 kV豐泉變電站，全網系統有功損耗減少8.515 MW。

(3)在500 kV汗海站、豐泉站中，可控電抗器的調壓效果可使電壓滿足電壓曲線的要求，而且維持在高電壓水平上運行;另外，可控電抗器使得汗沽線的傳輸能力增強明顯，不必再架設新線路。

(4)可控電抗器的應用會加快內蒙古電網“建設堅強智能電網”的步伐，促進內蒙古電網節能減排的進程，應加大建設的力度和研究的深度。

［1］程浩忠，吳浩.電力系統無功與電壓穩定性［M］.北京:中國電力出版社，2004:10-11.

［2］周勤勇，郭強，卜廣全，等.可控電抗器在我國超/特高壓電網中的應用［J］.中國電機工程學報，2007，27(2):1-6.

［3］周蠟吾.新型特高壓可控電抗器的理論及應用［D］.湖南:湖南大學，2008.

［4］劉天琪.現代電力系統分析理論與方法［M］.北京:中國電力出版社，2007:21-23.

［5］Christl N，Lutzelberger P，Sadek K.System studies and basic design for an advanced series compensation scheme［C］//Proceedings of the IEE International Conference on Advances in Pow er System Contro，Operation and Management(APSCOM-91)，APSCOM，1991(5):123-128.

［6］特變電工沈陽變壓器有限責任公司.超高壓、特高壓可控電抗器［R］.特變電工沈陽變壓器有限責任公司，2005.

［7］西安變壓器有限責任公司.超高壓、特高壓可控電抗器［R］.西安變壓器有限責任公司，2005.

［8］中國電力科學研究院.500 kV可控并聯電抗器關鍵技術及工程應用技術［R］.中國電力科學研究院，2008.

［9］Zaporozh Transformator.Magnetically Controlled Shunt Reactor［R］.Zaporozh Transformator，2008.

［10］雷宇，肖漢，黎嵐.1 000 kV萬縣變電站可控高抗配置問題分析［J］. 電力建設，2010，31(3):17-20.