藏區孤網QV特性與過電壓風險防控

, , , , (.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 6004; .國網昌都供電公司, 西藏 昌都 854000; .中國三峽新能源有限公司西南分公司, 四川 成都 600)

0 引 言

四川偏遠山區的電網通過長距離交流線路連接，這些地區水電資源豐富，但當地的負荷水平較低。正常情況下，偏遠地區電網向主網提供電能。但在某些特殊情況下，例如線路檢修、新站投運，或者突發性自然災害的條件下，地區電網需要保持孤網運行。由于孤網的運行特性存在一些特殊性，且這些地區的電網往往存在設備老舊、備用不足等等問題，若運行方式、風險防控措施安排不當，極易造成較大事故。因此，研究偏遠山區電網孤網的運行特性及風險防控措施是很有必要的。

傳統對于孤立電網運行的研究主要側重于電網的頻率穩定問題[1-2]。對于藏區孤網而言，這些地區的發電機容量和負荷相比比較充裕，頻率穩定問題并不突出。然而，由于偏遠山區電網通過長距離交流線路相連，線路充電無功較大，導致孤網中易出現工頻過電壓，機組超出進相能力運行。因此，偏遠山區孤網的無功電壓特性及過電壓風險防控問題應該受到關注。文獻[3]研究了偏遠地區孤網解列過程中高頻、高壓的相互影響以及發電機低勵限制對過電壓的影響。但是，某些偏遠山區電網的主要矛盾并非是頻率穩定或者高頻高壓相互作用，而是以電壓穩定為主，且勵磁控制在這類過電壓問題當中也起到了非常關鍵的作用。此外，在線路檢修、新站投運等情況下，偏遠山區孤網持續運行時間較長，可以到一個月甚至數月。這種情況下，原則上應按照主網架的N-1原則進行校核。但是偏遠山區的電力系統網架薄弱，傳統的N-1校核標準過于嚴苛，如何合理考慮電網運行風險也是亟待研究的問題。因此針對以過電壓問題為主的孤網進行QV特性以及過電壓風險的研究對電網的安全運行有重要的意義。

下面首先分析了偏遠山區孤網高電壓風險的機理，提出適用于偏遠山區孤網運行的N-1校核原則以及過電壓的形成機理。然后以四川某偏遠山區孤立電網為例，研究了該系統孤網運行情況下的穩態QV特性以及考慮發電機AVR與附加低勵限制環節特性的動態電壓特性。最后根據理論分析及仿真結果，給出了抑制偏遠山區孤立電網過電壓風險的可行措施。

1 偏遠山區孤網的高電壓風險分析

1.1 N-1故障后的工頻過電壓問題

偏遠山區孤網系統聯系薄弱，備用不足，按照傳統的N-1標準進行校核很難滿足要求。這些孤網系統在發生N-1故障后丟失負荷甚至垮網都難以避免。在這種情況下，應該退而求其次，針對N-1故障后可能導致的設備因過電壓損壞的情況進行重點防范，以確保孤網系統在發生故障以后能夠短期內恢復供電，減少停電損失。

偏遠山區線路輸電距離較長，充電無功大，因此在負荷輕的時候往往需要投入低壓電抗器以應對系統的無功過剩，防止系統工頻過電壓以及發電機超出進相能力運行。

1.2 AVR作用

AVR的調節控制見圖1。在孤網高峰負荷下，若發生B站電網下網的110 kV線路N-1的故障，系統當中同時出現有功過剩和無功過剩的情況。此時由于文獻[3]中的分析，高頻對高壓有一定促進作用，會造成過電壓水平高于單純的無功過剩導致的過電壓。并且，由于該過程中過電壓和頻率產生聯系，使得過電壓和發電機的機電暫態過程耦合，增加了分析的復雜度。

圖1 11型AVR控制框圖

1.3 低勵限制環節不能起到正確的作用

低勵限制的基本邏輯是通過抬升電壓，達到減少機組進相無功的目的。由于無功總是從電壓高處向電壓低處流動，不同支路的無功分配又取決于電壓差和支路電抗。因此在大電網中，抬升機端電壓會使得發電機機端和系統的電壓差減小，無功潮流重新分配，流入發電機的感性無功減少，從而降低發電機的進相。但是在所研究的電網當中(如圖2所示)，A電廠機組的容量比其余小水電機組的容量大很多，即使抬升A電廠機組的機端電壓，對改變無功潮流的作用也有限，反而使得系統電壓水平上升，充電無功增大，進一步增加了A電廠機組的進相水平。因此，A電廠機組的低勵限制不僅不會降低機組的進相，反而會使進相持續增加，直到AVR的某個限幅環節起作用為止(低勵輸出限幅或Efd限幅)。進一步可以推知，在單個電廠占主導的孤網系統當中，由于無功電壓特性和聯網方式有較大區別，機組的低勵限制環節是沒有發揮應有的作用的。

圖2 某偏遠山區電網結構

2 孤網無功電壓特性分析

算例電網(見圖2)較長時間的孤網運行，需考慮N-1風險。由于該電網內聯絡線路長、充電無功較大，工頻過電壓問題將成為影響該電網安全穩定的關鍵因素。因此，合理設置孤網的運行點，包括機組的機端電壓和投退的低抗數量，才能使得該孤網的電壓運行在安全范圍內。

2.1 算例電網結構

該偏遠山區孤網由A電廠經220 kV雙回交流線連接到220 kV變電站B，再經110 kV雙回線連接至110 kV變電站G。整個孤網呈樹形結構，在變電站G下有少數35 kV上網的小水電，但小水電容量和電廠A相比顯著較小，這些機組的進相能力對抑制主網架的過電壓幾乎沒有幫助。因此，在考慮過電壓的問題時，該地區電網可以近似看做一個單機系統。

2.2 小方式下的電壓特性

A電廠開一臺機組，B-C線路投運，小水電全部退出。A電廠機組機端電壓設定為最低值9.975 kV。該方式下，A電廠機組由于容量較大，進相能力足夠，因此無需退出B-C線路。調節此電網電壓的手段主要有投切B變電站35 kV低壓電抗器(每組6 Mvar)，以及調節A電廠機端電壓。下面研究這兩種調節手段的效果。

投切低壓電抗器對A電廠機組進相以及重要節點電壓的影響如表1所示。投入低壓電抗器的情況下，系統中的無功消耗增加，因此需要A電廠進相減少以平衡無功。同時無功富余也導致了系統的電壓下降。

考慮B變電站投入兩組低壓電抗器情況下，A電廠機組的機端電壓對孤網中重要母線及A電廠機組進相的影響如表2所示。

可以看出，抬高A電廠的機端電壓，導致系統電壓也隨之升高。由于系統呈容性，電壓升高導致了網絡中無功產生增加。由于孤網系統中其余發電機容量遠小于A電廠發電機容量，其最終結果是多產生的無功幾乎都流向了A電廠的機組，增加了A電廠機組的進相水平。

可見，對于所研究的這種以單臺發電機進相為主的系統，調高機端電壓反而加重了發電機進相水平。這和大電網中的無功電壓特性有區別。

表1 低壓電抗器投切對重要母線電壓及機組進相的影響

表2 機組機端電壓對重要母線電壓及機組進相的影響

2.3 孤網運行下AVR和低勵限制動態特性分析

根據1.2節的發電機低勵限制模型，搭建電磁暫態仿真模型，并進行B變電站35 kV母線故障切低壓電抗器的仿真。分成有低勵限制環節和無低勵限制環節兩種情況對切除低壓電抗器后的暫態過電壓進行了仿真分析，結果如圖3所示。

圖3 機組低勵限制對孤網過電壓的影響

低壓電抗器切除后損失無功負荷18 Mvar，系統無功富余較多，A電廠發電機超出最大進相深度運行，觸發低勵限制環節動作。如圖3所示，低勵限制環節動作后，勵磁電壓Ef抬升導致機端電壓抬升。由于外部電網呈容性，反而導致發電機進相深度增加。

因此，可以看出在孤網運行時，如果退出機組的低勵限制環節，反而可以使得系統獲得更好的動態特性，防止過電壓損壞設備。

3 抑制高電壓風險的技術措施

針對上節所分析的偏遠地區孤網電壓特性，綜合考慮已有條件，針對該孤立電網，可行的過電壓抑制方法如下：

1)合理安排運行方式

選擇充電無功少的路徑為全網供電，減小孤網中長線路的充電無功，使得投入的低壓電抗器也相應減小。此時，在N-1損失低壓電抗器后，系統富余的無功總量就會減小，從而降低系統的運行風險。

2)低勵限制退出運行

由前面理論分析和仿真分析可知，低勵限制在某些孤網中不但不會降低發電機進相水平，反而還會加深進相水平，且帶來系統的過電壓問題。因此，退出低勵限制可以使得發電機在孤網運行時獲得更好的控制性能和安全性。

3)緊急控制措施

條件允許情況下，考慮35 kV母線故障后的長線路解列措施，可以在發生N-1后降低充電無功，將系統電壓維持在安全的水平。

4 結 論

前面提出適用于偏遠山區電網長期運行的N-1準則，即發生N-1故障后的設備安全準則。對于這類有功備用充足的系統，其長期孤網運行最大風險在于N-1故障后的過電壓問題。在穩態特性上，偏遠山區電網的QV特性與大電網有明顯區別，抬升機端電壓會導致機組進相水平加深；在動態特性上，低勵限制的投入對過電壓和機組進相均起到惡化的作用。為了有效應對該電網的過電壓風險，可以采取合理安排運行方式、退出低勵限制以及緊急解列等措施。

[1] 葉健忠, 鄒俊雄, 龍霏,等. 地區電網火電機組孤網運行頻率控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制. 2012, 40(7): 123-128.

[2] 張培高, 李興源, 李政. 孤網頻率穩定與控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制，2012, 40(15)：143-149.

[3] 滕予非, 張華, 湯凡, 等. 偏遠地區小電網與主網解列后高頻高壓風險及抑制策略[J]. 電力系統保護與控制，2015, 43(1): 129-136.