交直流區外來電背景下上海電網無功問題

陳博，殷婷，黃一超，曹敏敏，張凱

（1.國網上海電力公司電力經濟技術研究院，上海 200002；2.華東電力設計院，上海 200063）

交直流區外來電背景下上海電網無功問題

陳博1，殷婷2，黃一超1，曹敏敏2，張凱2

（1.國網上海電力公司電力經濟技術研究院，上海 200002；2.華東電力設計院，上海 200063）

上海電網處于華東電網的受端，是華東乃至全國負荷密度最高的地區。2012年入滬直流近區的500 kV電網在輕負荷時段電壓運行水平總體偏高，無功平衡困難，尤其是春秋季低谷時段上海500 kV電網高電壓問題十分突出。另一方面，隨著上海電網受入區外來電容量的增加，為保障大容量直流閉鎖以及特高壓交流通道故障后的電壓穩定性，需要保證足夠的動態無功儲備。無功補償是電網電壓穩定的基本控制手段，無論是穩態運行或是故障后的動態響應階段，都需要通過合理的無功控制策略來協調電網內的無功負荷、無功補償及無功電源。因此，有必要深入分析上海電網無功電壓的運行特點及存在的問題，進而提出實現電壓穩定的上海電網無功配置和控制措施。

1 上海電網運行電壓現狀及無功補償特點

隨著上海500 kV直流落點的不斷增加，500 kV直流站濾波器會大量倒送無功。在直流小方式下復奉、林楓、宜華直流站交流濾波器注入上海電網的無功功率高達1 208 Mvar，嚴重影響上海電網低谷時段的無功平衡，使得上海500 kV電網運行電壓整體提高10～20 kV，影響上海電網的電壓質量。特高壓復奉直流投運以來，盡管采取了一系列調壓措施比如機組進相運行、電抗器投運等，但在春、秋季低谷時上海電網電壓偏高的問題仍較突出［1］。

上海500 kV電網感性無功補償度嚴重不足，特別是影響低谷和節假日時的電壓質量。2013年，上海500 kV電網電抗器感性補償度為103.5%，而直流小方式下交流濾波器注入無功1 208 Mvar，感性無功補償度僅為64.2%。若考慮電抗器的實際運行情況，補償度嚴重不足，需加裝感性無功補償裝置。若考慮濾波器無功倒送的影響，電抗器補償度嚴重偏低。此外，新余站投運時未配置感性無功補償裝置，新余分區運行電壓的偏高問題尤為明顯。

受升壓變高阻抗及廠用電電壓等的限制，目前上海全網發電機組進相能力略顯不足，僅為1 000 Mvar左右，這也是導致上海500 kV電網電壓偏高的原因之一。

電氣化鐵路牽引站、地鐵站等大用戶普遍存在無功倒送現象。隨著電纜電壓的高度集中，低谷時段用戶電纜進出線的充電無功倒送現象嚴重，影響地區電網的電壓質量［2］。

作為華東地區較大的受端電網，上海整體動態無功補償不足。隨著區外受電比例的變化以及直流輸電功率的增加，主網可向負荷提供的無功功率相對減少，無法承受由多直流系統同時閉鎖等復故障給電網無功電壓帶來的大幅波動，電網可能會出現電壓穩定問題。

2 上海電網靜態無功電壓控制

2.1 2015年上海500 kV電網容性無功平衡

在上海電網500 kV主變220 kV側負荷2種功率因數的條件下進行2015年上海電網各分區的容性無功平衡計算，容性無功平衡結果如表1所示。

表1 2015年上海500 kV電網容性無功平衡計算Tab.1 The capacitive reactive power balance calculation of Shanghai 500 kV power grid in 2015

由表1可以分析2015年上海電網各分區存在容性無功不平衡的情況。由于上海電網西部地區沒有電源接入，直流落點比較集中，容性無功存在很大的缺額。因交直流受電比例較大，上海區內500 kV裝機又相對較少，為維持500 kV電網的無功平衡并留有一定的裕度，建議將上海500 kV主變220 kV側的負荷功率因數控制在0.98以上。

2.2 2015年正常方式及直流小方式下的感性無功平衡

DL 755-2001《電力系統安全穩定導則》中要求，“500 kV及以上等級線路的充電無功應基本予以補償”，即補償度不宜低于100%。

根據上海500 kV電網的感性無功配置500 kV線路長度以及充電功率的情況，可計算得出2015年上海500 kV電網正常低谷方式下的感性無功補償度，見表2所示。

表2 2015年上海500 kV電網正常低谷方式下的感性無功補償度Tab.2 The reactive power compensation degree of Shanghai 500 kV power grid in the normal mode in 2015

2015年直流小方式情況下上海感性無功平衡如表3所示，奉賢、華新、楓涇3個500 kV站交流濾波器的無功注入達到1 208 Mvar，根據直流落點的位置，將嚴重影響上海東部電網與西部電網低谷時段的無功平衡。2015年，若僅考慮確定的高、低電抗，上海電網正常方式下的電抗補償度達到了100%以上，在直流小方式下電抗補償度僅為82.7%，低于規程要求。在考慮了2014年泗涇、新余、楊高等站共480 Mvar低抗后，直流小方式下電抗補償度將達到97.1%，因此，考慮新增低抗后上海電網在直流小方式下的感性補償度可以滿足規程要求，但各分區存在不平衡的情況，其中西部地區由于沒有電源接入，直流落點又相對密集，容性和感性無功均存在較大的缺口；東部地區容性和感性無功基本可以平衡；北部和南部地區的容性與感性無功均存在一定盈余，保證了西部和東部地區的無功缺口需求。

表3 2015年直流小方式下上海感性無功平衡Tab.3 The inductive reactive power balance in the DC small mode in Shanghai in 2015

3 上海電網動態無功電壓控制

3.1 電壓穩定極限及裕度計算

電壓穩定極限及裕度計算為大規模電力系統的電壓在線評估以及相應電壓控制措施的研究提供了重要的參考依據。在電壓穩定的深入分析中求解靜態電壓穩定極限是關鍵的一步，靜態電壓穩定性主要用來分析給定的運行點處電壓是如何接近失穩的以及距離電壓失穩有多遠的問題。

在U-Q曲線中，當前運行點與電壓崩潰點之間的距離可作為度量電力系統電壓穩定水平的一個評價指標，簡稱為裕度指標。指標的大小可直接反映當前系統承受負荷波動及故障擾動、維持電壓穩定能力的大小。在規定的節點上配置可變的無功電源，通過將節點電壓控制在一定范圍內，便可獲得節點電壓對無功注入的U-Q曲線，并選用U-Q曲線作為動態無功裕度的判定依據，如圖1所示。

圖1 U-Q曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of U-Q curves

U-Q曲線表達了一個節點上的電壓與同一節點上注入的無功功率之間的關系。U-Q曲線底部dQ/ dU=0，是電壓穩定的極限點（電壓崩潰點）；右側dQ/ dU＞0，電壓穩定；左側dQ/dU＜0，是不穩定的；運行點到底部的距離為無功穩定裕度；曲線斜率代表節點的剛性，dQ/dU大，剛性較好；底部的無功值為最小的無功需求。

如果U-Q曲線的最低點在橫軸的上方，則系統無功是不足的。要避免電壓崩潰，則需要附加無功注入。為了保證足夠的無功裕度（橫軸和臨界點之間的距離所表示的量），需要注入更多的無功。提供合適的無功裕度能夠保證系統的安全性和可靠性。如果U-Q曲線的最低點在橫軸的下方，那么系統有一定的無功裕度。這時無功仍然可能是不足的，主要取決于希望的無功裕度和可接受的暫態電壓。如果希望有較大的無功裕度，則需要附加無功功率注入。電壓崩潰通常是從最弱節點開始，然后再擴展到其他較弱節點，因此運用U-Q曲線分析電壓崩潰中的最弱節點是十分重要的［3］。

U-Q曲線的優勢主要有：

1）可以深入了解電壓穩定特性和無功補償的要求。

2）計算收斂性好，即使在曲線左邊的不穩定區域也能收斂。

3）可以直接得到運行點到臨界點的無功裕度。由于電壓穩定性和無功功率密切相關，這個裕度可作為電壓穩定性的指標和判據［4］。

3.2 500kV站電壓裕度計算分析

上海電網各500 kV變電站無功裕度大小的計算結果見表4和圖2。可以得出，上海電網500 kV站點的U-Q曲線最低點在橫軸的下方，系統運行點到崩潰點之間均有一定距離，各站點留有一定的無功裕度。同時，上海電網內直流較為集中的西南部電網，500 kV母線樞紐站的無功裕度普遍較小，如黃渡、泗涇、南橋地區的無功裕度在500 Mvar左右，為系統的最薄弱點。上海電網內發電機組相對較多的東北部電網，無功相對較為充沛，各500 kV站點的無功裕度在1 000 Mvar以上。因此，上海電網的最弱節點在西南部電網，應加大對這些薄弱地區的電壓監控和無功補償，尤其是盡量預留足夠的動態無功備用容量。

表4 上海電網各500 kV變電站無功裕度和電壓極限表Tab.4 The reactive power margin and voltage limit of each 500 kV substation of Shanghai power grid

3.3 暫態電壓穩定計算分析

對2015年上海電網進行500 kV及以上交流線路N-1和N-2暫態故障電壓穩定計算，系統的暫態穩定水平較高，在交流線路N-1和N-2故障方式下，系統不存在電壓不穩定問題。

圖2 上海電網各500 kV變電站無功裕度分布圖Fig.2 The reactive power margin distribution map of the 500 kV substations of Shanghai power grid

對上海電網各直流進行單雙極直流閉鎖故障計算，直流發生雙極閉鎖后換流站母線上會引起較高的過電壓，因此在直流閉鎖時，直流系統將自動切除交流母線上的濾波器及無功補償裝置。上海電網的系統暫態穩定水平較高，各種直流閉鎖方式下系統均不存在電壓穩定問題。以奉賢直流雙極閉鎖為例，受端電網失去一個大直流后全網發電機有功旋轉備用啟動，通過受端電網的區外聯絡通道送入；直流閉鎖后大部分無功缺額由本地發電機提供，如果本地無功補償不足，易造成電壓降低，嚴重情況下有可能導致電壓失穩。

若系統發生交直流復故障，正常運行的交流聯絡線路承擔了由故障引起的缺額功率，受端無功需求急劇增加，而受端電網電容器所提供的無功功率卻以電壓的平方速度迅速減少，導致電壓進一步降低，這使得大負荷中心很容易出現電壓穩定問題。電網中發生的大面積停電事故均由連鎖反應型復雜故障引起，對最嚴重的交直流復故障進行校核，杜絕存在的安全隱患是十分必要的。

4 無功電壓控制方案

4.1 電源有功儲備

在受端電網直流或交流通道失卻后，潮流大范圍轉移，極易造成受端電網輸送通道的潮流過重，無功損耗大幅增加，容易引起受端電網電壓失穩問題。此時可考慮將受端失卻的部分發電功率優先由本區發電機旋轉備用承擔，避免有功遠距離的輸送和無功損耗的增加，減輕通道的送電壓力。因此，在受端電網無功薄弱地區配置一定規模的常規電源，給系統留足旋轉備用，有利于避免事故后的有功遠距離傳輸，減輕通道送電壓力，提供電壓支撐，保證系統具有適度的穩定裕度。此外，合理安排電源接入系統的方式，實現分層分區布置，也有利于打開受端電磁環網，控制短路電流。

4.2 電源無功儲備

在正常運行方式下，提高負荷及電廠的運行功率因數；在系統發生故障后，利用發電機無功儲備提高受端電網的電壓穩定水平，以此來保證系統的安全穩定性。為加強受端電網的電壓運行可靠性，首先應配備足夠容量的電廠，并保證必要的有功旋轉備用。其次，可考慮在正常運行時適當投入部分并聯電容器，同時將機組正常運行時的功率因數提高至0.95左右，為電網留有合適的動態無功備用。

4.3 動態無功補償方案

為提高受端電網無功薄弱地區的電壓穩定性，可考慮在負荷中心附近的樞紐變電站上裝設SVC等動態無功補償裝置，提高系統的電壓穩定水平［5-8］。

經上海電網各500 kV變電站無功裕度大小的計算可得出，黃渡、泗涇、南橋地區的無功裕度在500 Mvar左右，為系統的最薄弱點。同時考慮到500 kV黃渡變、練塘變、南橋變的容量分別為750 MV·A、1 000 MV·A、1 000 MV·A，而并聯電容器組合低壓并聯電抗器組的補償容量宜為主變壓器容量的30%以下。因此，如果在500 kV黃渡變、練塘變、南橋變分別加裝240 Mvar、300 Mvar、300 Mvar的動態無功補償裝置，基于其在故障瞬時對網絡的無功支援作用，當電網發生嚴重故障后，該地區的500 kV電壓比不安裝無功補償裝置時明顯提高，且電壓波動有所減小，發電機無功增量有所降低，無功損耗也相應較小，有助于提高上海電網的暫態電壓恢復能力和安全穩定性，如圖3所示。研究表明，對于受端電網的無功相對薄弱地區，由于其負荷密集、有功和無功電源缺乏，電壓穩定性相對其他區域較差，在該區域500 kV變電所內裝設快速響應的新型動態無功補償裝置，對滿足電網負荷的快速變化要求、防止電壓崩潰、提高系統供電可靠性均能起到重要的作用［9］。

圖3 加裝SVC裝置前后500 kV站的電壓變化曲線Fig.3 The voltage change curve of the 500 kV substations before and after the installation of SVC device

4.4 無功電壓控制新技術

在受端電網發生部分嚴重故障的情況下，如果考慮能充分利用電壓無功自動控制，在故障清除5～10 s后，系統能夠自動投入一些常規無功補償設備或采取低壓減負荷措施，緩解機組輸出功率的壓力，提高電網電壓水平，并保證受端電網的安全穩定運行。

4.5 多直流協調控制作用

由于直流系統能夠快速改變輸電功率并具有很強的過負荷能力，因此可以根據直流系統之間的電氣關系，制定各直流系統功率控制策略，實現多回直流系統的相互支援與協調。同時，為了提高直流逆變站雙極閉鎖后受端電網的恢復電壓，可考慮適當留下幾組電容補償設備，作為受端電網的無功補償。比如改變低壓限流（VDCOL）環節恢復速率的策略可以避免大量無功需求進而引發交流電壓降低的問題（見圖4），使得各直流輸電子系統間的相互作用得到緩解并改善系統的整體性能［10］。如圖5所示，留下的部分電容可提高受端電網的恢復電壓，利用直流站內500 kV母線上的電容補償設備來提高受端電網的無功調節能力，同時不增加投資，是直流閉鎖后一種較好的電網無功補償手段［11-13］。圖4與圖5中藍色曲線代表采取協調控制措施后的電壓曲線。

圖4 采用漸變的恢復策略前后黃渡站電壓曲線Fig.4 The voltage curve of Huangdu Substation before and after the use of the gradual recovery strategy

圖5 留下部分逆變站電容的黃渡站電壓曲線Fig.5 The voltage curve of Huangdu Substation with part of the inverter capacitance left

5 結語

本文分析了交直流區外來電背景下上海電網的無功補償問題，具體研究了靜態無功電壓控制、上海電網容性無功平衡以及正常方式與直流小方式下的感性無功平衡，并結合電壓穩定極限和裕度指標分析動態無功電壓控制，指出上海電網最薄弱的節點在西南部。進而提出若干改善電網動態無功調節能力的措施，如電源有功儲備、電源無功儲備、動態無功補償方案、無功電壓控制新技術以及多直流協調控制作用等，為改善系統的整體性能提供參考。

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（編輯 董小兵）

Reactive Power Issues of Shanghai Power Grid under the Background of AC-DC Electric Power from External Regions

CHEN Bo1，YIN Ting2，HUANG Yichao1，CAO Minmin2，ZHANG Kai2
（1.Economic and Technical Research Institute of State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200002，China；2.East China Electric Power Design Institute，Shanghai 200063，China）

在交直流區外來電背景下研究上海電網無功問題并重點分析靜態無功電壓控制、容性無功平衡、正常方式及直流小方式下的系統感性無功平衡。利用電壓穩定極限和裕度指標來研究上海電網的動態無功電壓控制，并給出提高上海電網動態無功儲備能力以及利用直流本身特性實現直流系統相互協調控制的措施。為上海電網動態無功及電壓控制研究提供參考。

動態無功；容性平衡；感性平衡；電壓控制

This paper presents a study on the reactive power issues of Shanghai power grid under the background of the AC-DC electric power input from external regions，and in particular，it analyzes the static reactive power and control of the voltage，the capacitive reactive power balance，and the system inductive reactive power balance in both the small DC and normal modes.The dynamic reactive power and voltage control of Shanghai power grid are studied with the theory of voltage stability limitation and margin index.And measures are given to improve the capacity reserve performance of the dynamic reactive power of Shanghai power grid and achieve the coordinated control of the DC system by means of the characteristics of the DC system.The study in the paper can provide valuable reference for the research of the dynamic reactive power and voltage control of Shanghai power grid.

dynamic reactive power；capacitive balance；inductive balance；voltage control

1674-3814（2015）04-0066-06

TM712

A

2014-10-23。

陳博（1979—），男，本科，工程師，從事電力系統規劃設計工作；

殷婷（1989—），女，助理工程師，從事電力系統規劃設計工作。