提升臺遠-塔中-且末通道輸送能力的綜合方案

宋曉通，戴擁民，武守遠，劉慧文，汪揚

（1.北京石油化工學院信息工程學院，北京102617；2.新疆電力公司，烏魯木齊830002；3.國網智能電網研究院，北京102200）

提升臺遠-塔中-且末通道輸送能力的綜合方案

宋曉通1，戴擁民2，武守遠3，劉慧文3，汪揚3

（1.北京石油化工學院信息工程學院，北京102617；2.新疆電力公司，烏魯木齊830002；3.國網智能電網研究院，北京102200）

為提升新疆電網臺遠-塔中-且末通道的輸送能力，改善受端電網的運行穩定性和電壓水平，首先計算了當前與遠期網架結構下該通道的輸送能力，確定了限制該通道電能送出的約束性因素；再結合電網遠期負荷需求和系統的動態特性，系統研究了加裝固定串補、可控串補與SVC的可行性和接入效果；最后基于臺遠-塔中-且末輸送通道的電壓穩定和功角穩定分析，給出了包括固定串補、可控串補和SVC的裝置的綜合解決方案，并確定了裝置的布點方案與控制策略等關鍵技術參數和方案。

固定串補；可控串補；靜止無功補償器；功角穩定；電壓穩定；輸送能力

固定串聯電容器補償裝置即固定串補FSC（fixed series capacitor installation）在遠距離大容量輸電系統中得到大量應用，用以補償交流輸電線路的電抗，縮短電力系統送斷和受端的電氣距離，提高電力系統的輸送能力。晶閘管控制串聯電容器補償裝置即可控串補TCSC（thyristor controlled series capacitor installation）可在一定范圍內可控調節串補裝置對外呈現的等效電抗（可實現容性模式和感性模式的切換），實現提高線路傳輸能力、優化系統潮流分布、提高電力系統的暫態穩定性、阻尼系統低頻功率振蕩、抑制SSR等控制目標[1-3]。靜止無功補償器SVC（static var compensator）在電力系統應用中，主要用于容量限定范圍內的電壓動態控制，同時在機組“第一擺”過程中增強系統的暫態穩定性，在系統功率振蕩的情況下兼可用于提升電網的小干擾穩定性、改善阻尼特性[4-5]。FSC/TCSC、SVC分別從輸電系統的串聯側和并聯側發揮“補償”作用，能夠顯著改善系統的網架結構，優化系統的運行狀態。在特定場合下，較之通過假設輸電線路來達成相同目標，在經濟性、可控性和工程實施的復雜性方面具有一定的優勢。因此，單獨配置或綜合配置FSC/TCSC、SVC等裝置道的輸送能力。考慮到塔中-且末沿線地區自然條件、輸電距離等因素，新架設線路難度較大、成本較高、工程周期也較長。為盡快消除輸電瓶頸，基于現有網架結構綜合優化配置FSC/TCSC和SVC的綜合解決方案，達到提升輸電通道的輸送能力，改善受端電網的運行穩定性和電壓水平，滿足負荷增長和電力送出需要的目的。成為提升電力系統的輸送能力及安全穩定水平的一個可行的解決方案，得到了業內的重視。

新疆電網是西北電網的重要組成部分，目前正處于快速發展的時期。隨著新疆-西北主網聯網750 kV第二通道于2013-06-27投運建成投運、哈密南-鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程的實施，顯著增強了新疆電網的網架結構，有力提升了“疆電外送”的能力；但新疆當地電網特別是南疆三地州的電網構架仍然比較薄弱，電網的輸送能力受到諸如電壓穩定、暫態穩定等因素的制約。本文所研究的臺遠-塔中-且末輸電通道集中體現了以上特點，電力送出需求與實際送出能力的矛盾十分顯著。根據遠景規劃，塔中地區“十二五”期間負荷較為平穩，但且末地區負荷在“十二五”期間將有顯著增長，預計2015年最大負荷將超出了目前的主要送出通道，即臺遠-塔中-且末220 kV輸電通

1 臺遠-塔中-且末送出通道的穩定特性研究

臺遠-塔中-且末送出通道的基本網架結構如圖1所示。其中，220 kV臺遠-塔中和塔中-且末的線路長度均在200 km以上，負荷與電源中心距離遠，在末端負荷增加的情況下，系統的穩定性水平將急劇下降。

圖1 臺遠-塔中-且末送出通道系統接線（局部）Fig.1System connection of taiyuan-tazhong-qiemo transmission channel（partial diagram）

基于PSASP綜合程序，研究了臺遠-塔中-且末通道的穩定特性，確定了極限功率下的失穩模式，以此提出提升該通道輸送能力的綜合解決方案。本文對發電機采用了考慮次暫態過程的E″變化模型，對負荷采用了恒阻抗和感應電動機的組合模型，計及了發電機勵磁系統和原動機調速系統的作用，研究對象主要是大擾動后的功角搖擺特性、電壓穩定特性、功率振蕩特性等穩定特性。重點分析的輸電斷面包括臺遠-塔中220 kV單回、塔中-且末220 kV單回、巴州-庫爾勒220 kV雙回、庫爾勒-臺遠220 kV雙回等。

分析表明，在目前網架結構下，臺塔和塔且線的極限送出能力分別為64.6 MW和43.3 MW，不能滿足未來的負荷增長需求。通過仿真計算確定，在當前電網結構下，約束性故障為塔中～臺遠線路塔中側單瞬故障，故障的主要失穩模式為庫爾勒地區的串珠電廠和塔中四電廠對新疆主網的振蕩失穩。圖2給出了臨界穩定狀態下串珠電廠、塔中四電廠對新疆主網的功角搖擺曲線（阻尼比為0.042）。

圖2 臨界穩定功角搖擺曲線Fig.2Power angle swing curves of critical stability

除了功角穩定性的因素外，由于且末地區作為遠方的受端系統，缺乏足夠容量的電源支撐，因而電壓穩定的問題也十分突出。當前系統的電壓穩定裕度較低，發生電壓失穩造成110 kV及以下系統失去負荷的風險較大，在發生故障等大擾動的情況下，上述問題顯得更為突出。極限潮流下3個關鍵母線的動態電壓穩定特性如圖3所示。

圖3 動態電壓穩定特性Fig.3Dynamic stability characteristic of bus voltage

2 FSC/TCSC工作原理與控制策略

在功能上，TCSC可以看作是容值可調的FSC。單機無窮大系統如圖4所示，發電機G通過升壓變壓器T1、雙回裝設TCSC線路、降壓變壓器T2接到受端系統，受端系統可視為無窮大母線。

當線路沒有裝設TCSC時，發電機輸出的電磁功率Pe為

式中：Eq為機組內電勢；V為系統電壓；δ為二者的相角差；Xd∑為機組到受端系統之間的阻抗，由發電機內電抗Xd，變壓器電抗XT1、XT2，線路電抗XL組成，即

圖4 裝設TCSC的單機無窮大系統及其電路模型Fig.4Single machine infinite bus system with TCSC and related analysis model

當雙回輸電線裝設TCSC時，從發電機到無窮大系統的等值電抗為

式中，XTCSC為TCSC容抗。則發電機輸出的電磁功率方程變為

從穩定極限上來看，加裝TCSC和FSC可以提升系統的穩定裕度和輸送能力。根據控制目標的不同，TCSC的動態調節功能主要有暫態穩定控制[6-7]、低頻振蕩阻尼控制[8]、次同步諧振抑制控制等，上述控制策略最終都是通過對TCSC的阻抗控制實現。

基于PSASP分析軟件，采用基于bang-bang控制的“強補”策略結合PID控制阻尼控制策略示意如圖5所示，圖中：X0、P0分別為TCSC阻抗、線路有功潮流的參考值；X1、P1分別為TCSC阻抗、線路有功潮流的測量值。“強補”策略在線路故障清除后的系統“第一擺”期間投入并持續一段時間，用以提升暫態穩定水平；阻尼功率振蕩環節在“強補”過程之后投入，采用了PID調節的相移控制環節[8]，抑制潮流低頻振蕩，防止動態失穩。

圖5 TCSC控制框圖Fig.5Control diagram of TCSC

3 SVC工作原理與控制策略

SVC通過動態調節等效電納的輸出可為系統提供穩態和動態的無功補償，起到提升系統小干擾（靜態）和暫態電壓穩定水平的作用，同時也可實現對功率振蕩的抑制[9-10]。對SVC的控制目標進行綜合評估，首先考慮在電壓控制和阻尼控制之間控制效果的相互影響[10]，在控制參數的選擇上優先考慮電壓控制效果。巴州地區電網乃至新疆南部電網屬于典型的遠距離輸電受端電網，與主網聯系較弱，動態無功儲備不足，電壓穩定問題突出[11]，系統的低頻振蕩問題由TCSC阻尼控制來解決，可同時兼顧系統的電壓穩定與系統阻尼的問題；其次，在研究電壓穩定對輸送能力的影響時，重點考慮了電壓的暫態穩定性問題。一方面，由靜態電壓穩定極限所限定的潮流水平在電網結構較為薄弱的情況下往往偏于樂觀，不能代表真實的輸送能力；另一方面，靜態電壓問題一般可通過靜態的無功儲備得到解決，而以SVC為代表的動態無功補償裝置更適用于抑制電網的暫態失穩[12-13]。

本文所采用的SVC電壓控制策略框圖如圖6所示。圖中：VT、VREF分別為控制點電壓的測量值和參考值；VEMAX、VEMIN分別為由SVC容量所決定的電壓信號限幅值；T1、T2、T3、T4均為移相環節的時間常數；TS1為量測回路時間常數；KSVS為電壓控制增益；BR為SVC的導納輸出。電壓偏差環節采用經過移相和電壓控制增益環節來計算輸出導納，移相環節也可用PID環節來代替。

圖6 SVC控制策略框圖Fig.6Control scheme diagram of SVC

4 提升輸送能力的綜合方案研究

4.1FSC/TCSC配置方案研究

臺遠-塔中-且末輸電通道的送出能力較低，電網結構過于薄弱，電源中心與負荷中心距離遙遠，受端系統又缺乏足夠容量的電源支撐，導致以低頻功角振蕩和功率振蕩為主要失穩模式。

為滿足電力送出的需求，首先，在臺遠-塔中、塔中-且末線路上裝設FSC。表1中給出了兩段線路中各配置50%FSC（均配置在塔中側）前后，極限潮流的變化情況。

表1 FSC的應用效果Tab.1Application effect of FSC MW

由表1可以看出，加裝FSC后，塔中-且末的輸送能力有了顯著的提升。但由于新疆電網結構較為薄弱，在長距離送電通道的末端發生短路故障等擾動后，弱阻尼的低頻振蕩問題較為突出，限制了送出能力的進一步提升。仿真研究表明，該振蕩主要發生在臺遠-塔中220 kV線路、塔中-中心110 kV線路上，振蕩波形如圖7所示。

圖7 低頻功率振蕩波形Fig.7Low-frequency power oscillation curves

圖中的主導振蕩分量幅值為0.153 8 p.u，振蕩頻率為1.89 Hz，振蕩中心位于臺遠-塔中線路，其阻尼比僅為0.010 3。該弱阻尼的振蕩模式是導致系統故障后長期處于振蕩過程的主要原因，對系統的安全穩定運行和電力的可靠送出十分不利。

其次，在塔中-且末線路上裝設50%的FSC，在塔中-臺遠線路上裝設40%FSC+10%TCSC，這個方案對電力送出能力和穩定水平具有提升作用。FSC主要用于縮短輸電通道的等效電氣距離，提升系統的靜態和暫態穩定水平；TCSC主要用于對系統中的低頻振蕩提供附加阻尼，確保系統擾動后動態過程的穩定性。為充分發揮TCSC部分的運行效益，同時考慮系統故障后“強補”控制對暫態穩定性的支撐作用。

TCSC的基本容抗為10.526 Ω，長期工作容抗為12.631 Ω。選取額定電流時，考慮了負荷電流的增長、區外故障時串補承受搖擺電流的能力等因素并考慮一定裕度后取額定電流650 A，額定容量16.01 Mvar（額定提升系數1.2），控制過程中的最大提升系數取3.0，容性調節范圍為每相10.526～31.578 Ω。

TCSC的控制特性及對系統低頻振蕩的抑制效果如圖8所示。由圖可見，TCSC的阻尼控制對系統功率振蕩起到了良好的抑制作用。功率低頻振蕩和系統動態穩定水平得以提升，臺遠-塔中-且末通道的送出能力進一步提高，當限制故障為塔中-臺遠線路塔中側單瞬故障時其應用效果如表2所示。

圖8 TCSC的阻尼控制及其抑制效果Fig.8Damping control output of TCSC and its inhibiting effect

表2 FSC/TCSC的應用效果Tab.2Application effect of FSC/TCSCMW

仿真研究表明，配置TCSC后，制約系統輸送能力的失穩模式已經變為受端的電壓暫態穩定問題。這就需要進一步采用動態電壓支撐裝置，提升系統的電壓暫態穩定水平。

4.2 計及SVC動態電壓支撐策略的綜合方案研究

塔中、且末等廠站位于輸電通道的末端，在負荷較重的情況下，面臨較大的電壓失穩的風險。研究表明，在極限潮流下，臺遠、塔中、且末等地區的穩態電壓水平可以維持在0.95～1.05 p.u.水平內。但當塔中-且末線路送出功率超過極限且塔中-臺遠線塔中側發生單相故障擾動時，且末、棗園等站的電壓暫態穩定性將受到破壞，其電壓暫態及動態特性如圖9所示。

圖9 相關母線電壓的暫態穩定特性Fig.9Transient stability performance of buses voltage

由圖9可看出，臺遠、塔中站的電壓穩定性水平優于且末、城南、棗園等站，其原因一方面是后者位于輸電系統的“末梢”；另一方面和臺遠站裝設了RSVC裝置有很大關系[14]，RSVC動態電壓調節能力較強，對于臨近的塔中站的電壓穩定性也產生了積極的支撐作用；再則，且末、城南、棗園位于系統受端，距離電源較遠。

綜合分析電網結構，本文研究了在且末站37kV母線側裝設SVC，對輸電通道負荷側的電壓支撐作用及對臺遠-塔中-且末輸送能力的提升作用。通過比選研究，取SVC的三相容量為100 Mvar。且末、棗園等母線在極限潮流的限制性故障下，電壓暫態穩定水平得到顯著提高，電壓暫態恢復特性及SVC的控制輸出分別如圖10和圖11所示。

圖10 大擾動后母線電壓暫態特性Fig.10Post-disturbance transient stability of buses voltage

圖11 SVC的控制輸出Fig.11Control output of SVC

在綜合考慮了FSC、TCSC、SVC的配置方案的情況下，臺遠-塔中-且末的輸送能力可滿足“十二五”期間的負荷增長需求，且兼具較好的系統阻尼、功角穩定性和電壓穩定特性。限制故障為塔中-臺遠線路塔中側單瞬故障時各解決方案的應用效果如表3所示。

表3 各技術方案的應用效果Tab.3Comparison on the effect of ttechnical schemes MW

表3中，方案0為原始系統，方案1為“且塔50%FSC+塔臺50%FSC”的方案，方案2為“且塔50%FSC+塔臺40%FSC+塔臺10%TCSC”的方案，方案3為在方案2的基礎上配置了且末SVC。從表中可以看出，方案1～方案3分別增加了臺塔線的輸送能力達32.5%，47.2%和94.3%，增加了塔且線的輸送能力達47.3%，71.4%和141.6%。綜合解決方案3完全可以滿足未來的送出要求。作為綜合解決方案研究的一部分，本文還評估了各方案的經濟成本。考慮到設備容量優化的可能性，方案3的經濟性仍遠優于線路建設等基建投資。限于篇幅，不再贅述。

5 結語

臺遠-塔中-且末輸電通道屬于典型的長距離受端系統，末端的擾動極易引發暫態失穩、低頻振蕩和電壓穩定性問題。文中根據該系統的特性，結合FSC、TCSC和SVC的功能特性，研究了解決送出能力與未來負荷需求矛盾的綜合解決方案。仿真計算的結果也表明，在正確布點、合理確定容量、科學制定控制策略的情況下，通過加裝FSC/ TCSC和SVC等裝置能夠顯著提升系統的輸送能力，穩定系統電壓，抑制低頻振蕩。該方案相對于新架線路，具有基建投資小，可控性好，工程周期短等優點。

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Integrated Solution for Transfer Capability Enhancement of Taiyuan-Tazhong-Qiemo Channel

SONG Xiao-tong1，DAI Yong-min2，WU Shou-yuan3，LIU Hui-wen3，WANG Yang3
（1.Information Engineering College，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.Electric Power of Xinjiang，Urümqi 830002，China；3.State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102200，China）

The restrictive factors of transfer capability of Taiyuan-Tazhong-Qiemo channel in Xinjiang grid are determined by comprehensive study to the grid.Especially the transmission limit of this channel is calculated and compared based on different scenarios.The feasibility of installing FSC，TSCS and SVC is systematically studied with considering the demand of forward load plan in different years of the gird.Based on the analysis of voltage stability，transient stability and dynamic stability for Taiyuan-Tazhong-Qiemo channel，the integrated solution of installing FSC，TSCS and SVC is proposed，as well as the parameters and programs about the mounting point of devices，and control strategies.

fixed series capacitor installation（FSC）；thyristor controlled series capacitor installation（TCSC）；static var compensator（SVC）；angle stability；voltage stability；transmission capacity

TM73

A

1003-8930（2014）09-0085-06

宋曉通（1982—），男，通信作者，博士，高級工程師，從事電力系統分析、FACTS技術理論研究與工程應用等方面的研究和教學工作。Email：mail_songxt@126.com

2013-12-24；

2014-04-02

戴擁民（1964—），男，本科，高級工程師，從事電力系統規劃及管理工作。Email：daiyongmin@xj.sgcc.com.cn

武守遠（1964—），男，博士，教授級高級工程師，從事電力系統分析與控制、FACTS技術及電力電子裝置應用等方面工作。Email：pr_wooshy@sgri.sgcc.com.cn