提升特高壓電網輸電能力的方法

董 宸，周 霞，李 威，薛 峰，李 暉，王智冬

(1.中國電力科學研究院，江蘇南京210003；2.國網北京經濟技術研究院，北京100761)

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

1 影響電網輸電能力的主要因素和受限原因

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

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

（2）暫態穩定水平限制。遠距離送出線路及跨省聯絡線的電氣聯系相對薄弱，使得暫態穩定問題比較突出，是導致系統暫態穩定水平受限的關鍵因素。此外，電磁環網也容易引發暫態穩定破壞。

（3）動態穩定水平限制。電力的送出會因系統阻尼差而受到約束，通常區域電網之間靠周邊單點弱聯、形成長鏈式結構，或者電網屬于大型水電強送系統的，動態穩定問題會比較突出。此外，遠距離重負荷送電的發電機及其快速勵磁調節系統也容易產生負阻尼。

2 提高特高壓電網輸電能力的方法

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

2.1 改變電網網架結構

國內外的經驗表明，堅強的網架是提高輸電能力的基礎，因此通過改變電網網架結構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（提高單位走廊的輸電能力）、采用大截面導線和耐熱導線技術（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等常規方法外，還可以考慮電磁環網解環、拉停線路和線路出串運行等方法。

2.1.1 電磁環網解環

高低壓電磁環網是指2組不同電壓等級運行的線路通過變壓器或電磁耦合構成的環形電網，是電網發展初期必然要經歷的一個過程。在電網建設初期，網架結構比較薄弱，電磁環網運行可增加供電可靠性。但隨著電網的發展和網架結構的加強，電磁環網對電網供電可靠性的影響降低，反而由于潮流轉移、短路電流超標等問題，會制約電網的輸電能力。實施電磁環網解環后，高壓線路的輸送能力能夠得到更好地發揮，可以提高電網輸送能力、減少輸電線路損耗。

2.1.2 拉停線路和出串運行

在實際電網運行中，經常會出現電網整體輸電能力受限于某一主變或線路熱穩的情況，該主變或線路即是通常說的電網中的“卡脖子”元件。

對電網中的”卡脖子”元件實施改造，發揮網絡整體能力，避免個別元件造成電網整體輸電能力受限，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。

例如電網中的電磁環網運行時，某些低電壓等級線路的熱穩限額會限制高壓線路的輸電能力。在該電磁環網暫時無法進行解環的時候，通過拉停某一或某些“卡脖子”線路，可以大大提高電網的輸送能力。在大負荷時，主變容量也有可能成為約束整個電網的輸電能力的關鍵，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輸電能力，都屬于“權宜之計”，其輸電能力的提高是以犧牲某一區域的供電可靠性來實現的，只能暫時緩解電網輸電能力不足與設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 改變電網電氣特性

對于特高壓、大容量的系統，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、兩側電源的強弱、系統結構和穩定條件。

2.2.1 柔性交流輸電（FACTS）技術

FACTS技術以大容量晶閘管為基礎，不僅可以增加輸電線路的輸電能力，還可以改善輸電系統的靈活性。在這種系統中，網絡潮流更易于控制，線路的輸電能力大幅度提高，各種故障得以及早隔離，以致系統更靈活、穩定、可靠。先進串聯補償（ASC）是一種由晶閘管基本元件和高功率電子管（帶常規串聯電容器）組成的FACTS裝置。美國聯絡新墨西哥州的Shiprock和亞利桑那州的Glen Canyon的230 kV線路上裝設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接入系統而不是并聯接入系統。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又可從系統送出，SPFC就成為統一潮流控制器（UPFC）了。裝設于線路的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，電壓和動態穩定問題成為制約輸電能力的主要因素。通過加裝串聯電容補償器，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穩定性，且對輸電通道上的潮流分布具有一定的調節作用。串聯電容補償器直接與線路串聯，可裝設在線路首末兩端或線路中點，主要由電容構成固定串補（FSC），也可由晶閘管控制電路構成可控串補（TCSC）。TCSC通過晶閘管控制進行無功功率動態補償，其補償度可以根據系統運行方式調節，但造價比FSC高很多。系統中串聯補償總容量可根據工程實際情況，采用大部分FSC加小部分TCSC[11]。

目前利用串聯電容補償器提高輸電能力的技術已廣泛應用于國內外電網，瑞典、加拿大、巴西和美國曾都采用串聯補償技術來提高線路的輸電能力。現有特高壓規劃中，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，因此國內外已有很多學者從增大負荷裕度、提高輸電能力的角度研究FSC和TCSC的最優配置問題。另外由于系統中增加的串聯電容補償設備改變了系統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、斷路器暫態恢復電壓（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備的投資，另一方面由于受到變壓器低壓側繞組容量的限制，即使按最大可能配置低壓無功補償設備也無法適應重載線路的無功需求。可控高抗是解決限制過電壓和無功調相調壓之間矛盾的有效手段之一，其容量可根據線路輸送功率的大小實現平滑或者分級調節，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節至最大，限制故障引起的過電壓[12]。

對特高壓典型網架分析后發現，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輸送能力的作用較為明顯。

最后，昂昂溪文化原始美術整體上美術特征的形成在于先民逐漸由流動的狩獵經濟向相對穩定的漁獵文化過度，最終發展成為穩定的農業經濟的發展走勢。

2.2.4 加裝動態無功補償裝置

動態無功補償技術可根據系統需要快速調節無功、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無功補償技術可以提高線路輸電能力、改善線路兩端的電壓水平。動態無功補償技術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中吸收或向電網輸送可連續調節的無功，以維持裝設地點電壓的恒定，進而緩解無功電壓問題。在電能送出的關鍵節點裝設SVC，通常還可提高電網的輸電能力，并有利于電網的安全穩定運行。SVC主要應用領域包括[13，14]：（1）抑制重要變電站負荷的電壓波動和閃變；（2）配置在系統交流傳輸通道，改善系統穩定性，進而提高傳輸能力；（3）配置在薄弱區域，保證電網電壓安全穩定等。在特高壓長距離輸電線路的電壓支持薄弱點裝設SVC，可充分發揮其對電壓變化的快速控制能力，調整節點電壓，增強系統阻尼，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、可控高抗以及動態無功補償裝置等技術，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，使系統穩定極限大幅度提高，從而提高線路的輸電能力。因此，柔性輸電裝置、串補、可控高抗以及動態無功補償裝置等技術目前已廣泛應用于特高壓電網，并取得了良好的經濟效益。

2.3 加裝安控裝置

在電網薄弱點加裝安控裝置，利用安控措施增加系統暫態和動態穩定極限，以適應電網中可能出現的短期電源開機分布不合理的運行要求，是提高電網輸電能力的有效方法之一。隨著電網的發展，電網中的電源開機分布也在不斷變化，一次電網要適應所有可能的變化必然要使電網的投資大大增加，否則電網穩定水平將降低。如采用適當的穩定控制裝置，增加的投資不多，但提高了電網運行的靈活性、適應性。

隨著特高壓直流系統的建設，直流容量在整個電力系統輸送容量中的比例進一步提高，高壓直流輸電將在優化能源配置方面發揮重要的作用。根據規劃，在未來20年中，華東電網將出現7條或更多直流輸電線路，華中電網也將出現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點：線路造價低、損耗小、能限制系統的短路電流，調節速度快、調節容量大，實現交流系統的異步聯接等。大容量直流外送工程的集中投運對電網運行是一個新的挑戰，同時也為電網安全穩定運行提供了新的控制手段，即通過直流調制改善電網運行的穩定性[15-18]。

傳統安穩控制措施一般為通過切機、切負荷來保持系統的穩定，代價較大。而直流輸電系統在換流電壓一定的前提下，換流器的觸發角一旦改變，傳輸功率立即發生相應的變化，且變化量可按預期量自由調節，不像切機切負荷只能做到固定功率的變化。在保證電網安全的前提下，考慮直流調制與傳統安控協調配合的安控措施，既可降低維持系統穩定所需的安控措施的繁瑣程度，又可大大減輕調度人員的工作負擔。

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

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

3 結束語

我國經濟的發展需要電網的堅強支持，建設遠距離大容量的特高壓輸電網絡是未來的發展方向，結合我國特高壓電網的特點，分析了影響電網輸電能力的主要因素，給出了現階段國內外常用的提升電網輸送能力的措施和方法，比較了它們各自的特點、應用條件及在特高壓電網中的適應性：（1）改變電網網架結構的方法，多用于網架較為薄弱的區域電網，而特高壓電網的電壓等級已經是目前電網中最高的，線路輸電能力強，網架結構也較為堅強，因此通過改變電網網架結構的方法提高輸電能力對特高壓電網而言，意義不大。（2）改變電網電氣結構的方法，在已建成的網絡架構上通過加裝FACTS、TCSC、SVC及可控高抗等控制裝置來改變電網的電壓、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中應用較多的方法。但該類控制裝置一般造價昂貴，經濟效益稍差；（3）加裝安控裝置的方法，是根據電網存在的安全穩定問題，通過安控裝置切機、切負荷及直流調制等控制手段，來提高電網的輸電能力。與切機、切負荷等傳統控制措施相比，直流調制的控制代價幾乎可以忽略不計，因此將直流調制與傳統安控協調配合的方法，在特高壓電網中具有很好的應用前景。實際工程項目中，應根據具體情況分析，將各種措施優化組合，以達到最佳效果。

[1]郭劍波，武守遠，荊 平.提高電網輸送能力的技術措施[J].電力設備，2005，6(10)：4-7.

[2]劉肇旭，童建中.暫態穩定約束的電網供電能力的計算方法[J].中國電機工程學報，1987，7(3)：18-23.

[3]王成山，魏 煒，徐德儒，等.考慮發電機調度的電力系統輸電能力的計算[J].電網技術，2001，25(9)：21-23.

[4]奕 軍，張智剛，寇惠珍，等.提高500 kV電網輸電能力的技術研究[J].電網技術，2005，29(19)：15-17.

[5]周孝信，郭劍波，胡學浩.提高交流500 kV線路輸電能力的實用化技術和措施[J].電網技術，2001，25(3)：1-5.

[6]中國電力顧問集團公司.國家電網特高壓骨干網架總體規劃設計[R].2005.

[7]張立志，趙冬梅.考慮FACTS配置的電網輸電能力計算[J].電網技術，2007，31(7)：26-31.

[8]占 勇，李光熹，劉志超，等.計及FACTS裝置的最大輸電能力研究[J].電力系統自動化，2001，25(5)：23-26.

[9]張立志，趙冬梅.FACTS優化配置提高電網最大輸電能力[J].電網技術，2006，30(l)：58-62.

[10]RAMEY D G,NELSON R J,BIAN J,et al.Use of FACTSPower Flow Controller to Enhance Transmission Transfer Limit[C],Paper Presented at American Power Conference，1994.

[11]張 健，冀瑞芳，李國慶.TCSC優化配置提高可用輸電能力的研究[J].電力系統保護與控制，2012，40(1)：23-28.

[12]周勤勇，李 晶，秦曉輝.串補和可控電抗器在特高壓電網的應用[J].中國電力，2010，43(2)：36-38.

[13]CANIZARESCA,FAURZT.Analysisof SVCand TCSCControllersin Voltage Collapse[J].IEEETransactionson Power Systems，1999,14（1）：158-165.

[14]王云潔，胡 弢.SVC電壓穩定控制和抑制低頻振蕩交互影響[J].江蘇電機工程，2013，32(1)：23-25.

[15]楊 鏑，張 焰，宋 平.特高壓直流對交直流并聯電網供電可靠性影響[J].華東電力，2011，39(6)：0915-0918.

[16]張步涵，陳 龍，李 皇.利用直流功率調制增強特高壓交流互聯系統穩定性[J].高電壓技術，2010，36(1)：116-121.

[17]李國慶，張 健.含VSC-HVDC的交直流系統可用輸電能力計算[J].電力系統保護與控制，2011，39(1)：46-51.

[18]李 剛，劉曉瑞，趙 強.直流調制技術在西北電網應用的可行性研究[J].電網與清潔能源，2010，26(5)：39-44.

[19]李大虎，曹一家.基于SCADA/PMU混合量測的廣域動態實時狀態估計方法[J].電網技術，2007，31(6)：72-77.

[20]薛禹勝.時空協調的大停電防御框架：（二）廣域信息、在線量化分析和自適應優化控制[J].電力系統自動化，2006，30(2)：1-10.