陳博，殷婷，黃一超，曹敏敏，張凱

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

交直流區(qū)外來電背景下上海電網(wǎng)無功問題

陳博1，殷婷2，黃一超1，曹敏敏2，張凱2

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

上海電網(wǎng)處于華東電網(wǎng)的受端，是華東乃至全國負荷密度最高的地區(qū)。2012年入滬直流近區(qū)的500 kV電網(wǎng)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(wǎng)高電壓問題十分突出。另一方面，隨著上海電網(wǎng)受入?yún)^(qū)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(wěn)定性，需要保證足夠的動態(tài)無功儲備。無功補償是電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的基本控制手段，無論是穩(wěn)態(tài)運行或是故障后的動態(tài)響應階段，都需要通過合理的無功控制策略來協(xié)調(diào)電網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)無功電壓的運行特點及存在的問題，進而提出實現(xiàn)電壓穩(wěn)定的上海電網(wǎng)無功配置和控制措施。

1 上海電網(wǎng)運行電壓現(xiàn)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(wǎng)的無功功率高達1 208 Mvar，嚴重影響上海電網(wǎng)低谷時段的無功平衡，使得上海500 kV電網(wǎng)運行電壓整體提高10～20 kV，影響上海電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。特高壓復奉直流投運以來，盡管采取了一系列調(diào)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(wǎng)電壓偏高的問題仍較突出［1］。

上海500 kV電網(wǎng)感性無功補償度嚴重不足，特別是影響低谷和節(jié)假日時的電壓質(zhì)量。2013年，上海500 kV電網(wǎng)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(qū)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(wǎng)發(fā)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(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)象嚴重，影響地區(qū)電網(wǎng)的電壓質(zhì)量［2］。

作為華東地區(qū)較大的受端電網(wǎng)，上海整體動態(tài)無功補償不足。隨著區(qū)外受電比例的變化以及直流輸電功率的增加，主網(wǎng)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(tǒng)同時閉鎖等復故障給電網(wǎng)無功電壓帶來的大幅波動，電網(wǎng)可能會出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題。

2 上海電網(wǎng)靜態(tài)無功電壓控制

2.1 2015年上海500 kV電網(wǎng)容性無功平衡

在上海電網(wǎng)500 kV主變220 kV側(cè)負荷2種功率因數(shù)的條件下進行2015年上海電網(wǎng)各分區(qū)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(wǎng)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(wǎng)各分區(qū)存在容性無功不平衡的情況。由于上海電網(wǎng)西部地區(qū)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(qū)內(nèi)500 kV裝機又相對較少，為維持500 kV電網(wǎng)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(cè)的負荷功率因數(shù)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(tǒng)安全穩(wěn)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(jù)上海500 kV電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jù)直流落點的位置，將嚴重影響上海東部電網(wǎng)與西部電網(wǎng)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(wǎng)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(guī)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(wǎng)在直流小方式下的感性補償度可以滿足規(guī)程要求，但各分區(qū)存在不平衡的情況，其中西部地區(qū)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(qū)容性和感性無功基本可以平衡；北部和南部地區(qū)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(qū)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(wǎng)動態(tài)無功電壓控制

3.1 電壓穩(wěn)定極限及裕度計算

電壓穩(wěn)定極限及裕度計算為大規(guī)模電力系統(tǒng)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(jù)。在電壓穩(wěn)定的深入分析中求解靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限是關鍵的一步，靜態(tài)電壓穩(wěn)定性主要用來分析給定的運行點處電壓是如何接近失穩(wěn)的以及距離電壓失穩(wěn)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(tǒng)電壓穩(wěn)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(tǒng)承受負荷波動及故障擾動、維持電壓穩(wěn)定能力的大小。在規(guī)定的節(jié)點上配置可變的無功電源，通過將節(jié)點電壓控制在一定范圍內(nèi)，便可獲得節(jié)點電壓對無功注入的U-Q曲線，并選用U-Q曲線作為動態(tài)無功裕度的判定依據(jù)，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(jié)點上的電壓與同一節(jié)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(wěn)定的極限點（電壓崩潰點）；右側(cè)dQ/ dU＞0，電壓穩(wěn)定；左側(cè)dQ/dU＜0，是不穩(wěn)定的；運行點到底部的距離為無功穩(wěn)定裕度；曲線斜率代表節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(jié)點開始，然后再擴展到其他較弱節(jié)點，因此運用U-Q曲線分析電壓崩潰中的最弱節(jié)點是十分重要的［3］。

U-Q曲線的優(yōu)勢主要有：

1）可以深入了解電壓穩(wěn)定特性和無功補償?shù)囊蟆?/p>

2）計算收斂性好，即使在曲線左邊的不穩(wěn)定區(qū)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(wěn)定性和無功功率密切相關，這個裕度可作為電壓穩(wěn)定性的指標和判據(jù)［4］。

3.2 500kV站電壓裕度計算分析

上海電網(wǎng)各500 kV變電站無功裕度大小的計算結果見表4和圖2?？梢缘贸觯虾ｋ娋W(wǎng)500 kV站點的U-Q曲線最低點在橫軸的下方，系統(tǒng)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(wǎng)內(nèi)直流較為集中的西南部電網(wǎng)，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(qū)的無功裕度在500 Mvar左右，為系統(tǒng)的最薄弱點。上海電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機組相對較多的東北部電網(wǎng)，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(wǎng)的最弱節(jié)點在西南部電網(wǎng)，應加大對這些薄弱地區(qū)的電壓監(jiān)控和無功補償，尤其是盡量預留足夠的動態(tài)無功備用容量。

表4 上海電網(wǎng)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(tài)電壓穩(wěn)定計算分析

對2015年上海電網(wǎng)進行500 kV及以上交流線路N-1和N-2暫態(tài)故障電壓穩(wěn)定計算，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平較高，在交流線路N-1和N-2故障方式下，系統(tǒng)不存在電壓不穩(wěn)定問題。

圖2 上海電網(wǎng)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(wǎng)各直流進行單雙極直流閉鎖故障計算，直流發(fā)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(tǒng)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(wǎng)的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平較高，各種直流閉鎖方式下系統(tǒng)均不存在電壓穩(wěn)定問題。以奉賢直流雙極閉鎖為例，受端電網(wǎng)失去一個大直流后全網(wǎng)發(fā)電機有功旋轉(zhuǎn)備用啟動，通過受端電網(wǎng)的區(qū)外聯(lián)絡通道送入；直流閉鎖后大部分無功缺額由本地發(fā)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(wěn)。

若系統(tǒng)發(fā)生交直流復故障，正常運行的交流聯(lián)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(wǎng)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(xiàn)電壓穩(wěn)定問題。電網(wǎng)中發(fā)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(wǎng)直流或交流通道失卻后，潮流大范圍轉(zhuǎn)移，極易造成受端電網(wǎng)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(wǎng)電壓失穩(wěn)問題。此時可考慮將受端失卻的部分發(fā)電功率優(yōu)先由本區(qū)發(fā)電機旋轉(zhuǎn)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(wǎng)無功薄弱地區(qū)配置一定規(guī)模的常規(guī)電源，給系統(tǒng)留足旋轉(zhuǎn)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(tǒng)具有適度的穩(wěn)定裕度。此外，合理安排電源接入系統(tǒng)的方式，實現(xiàn)分層分區(qū)布置，也有利于打開受端電磁環(huán)網(wǎng)，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(shù)；在系統(tǒng)發(fā)生故障后，利用發(fā)電機無功儲備提高受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定水平，以此來保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。為加強受端電網(wǎng)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(zhuǎn)備用。其次，可考慮在正常運行時適當投入部分并聯(lián)電容器，同時將機組正常運行時的功率因數(shù)提高至0.95左右，為電網(wǎng)留有合適的動態(tài)無功備用。

4.3 動態(tài)無功補償方案

為提高受端電網(wǎng)無功薄弱地區(qū)的電壓穩(wěn)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(tài)無功補償裝置，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平［5-8］。

經(jīng)上海電網(wǎng)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(qū)的無功裕度在500 Mvar左右，為系統(tǒng)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(lián)電容器組合低壓并聯(lián)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(tài)無功補償裝置，基于其在故障瞬時對網(wǎng)絡的無功支援作用，當電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障后，該地區(qū)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(fā)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(wǎng)的暫態(tài)電壓恢復能力和安全穩(wěn)定性，如圖3所示。研究表明，對于受端電網(wǎng)的無功相對薄弱地區(qū)，由于其負荷密集、有功和無功電源缺乏，電壓穩(wěn)定性相對其他區(qū)域較差，在該區(qū)域500 kV變電所內(nèi)裝設快速響應的新型動態(tài)無功補償裝置，對滿足電網(wǎng)負荷的快速變化要求、防止電壓崩潰、提高系統(tǒng)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(wǎng)發(fā)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(tǒng)能夠自動投入一些常規(guī)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(wǎng)電壓水平，并保證受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4.5 多直流協(xié)調(diào)控制作用

由于直流系統(tǒng)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(jù)直流系統(tǒng)之間的電氣關系，制定各直流系統(tǒng)功率控制策略，實現(xiàn)多回直流系統(tǒng)的相互支援與協(xié)調(diào)。同時，為了提高直流逆變站雙極閉鎖后受端電網(wǎng)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(wǎng)的無功補償。比如改變低壓限流（VDCOL）環(huán)節(jié)恢復速率的策略可以避免大量無功需求進而引發(fā)交流電壓降低的問題（見圖4），使得各直流輸電子系統(tǒng)間的相互作用得到緩解并改善系統(tǒng)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(wǎng)的恢復電壓，利用直流站內(nèi)500 kV母線上的電容補償設備來提高受端電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)能力，同時不增加投資，是直流閉鎖后一種較好的電網(wǎng)無功補償手段［11-13］。圖4與圖5中藍色曲線代表采取協(xié)調(diào)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(qū)外來電背景下上海電網(wǎng)的無功補償問題，具體研究了靜態(tài)無功電壓控制、上海電網(wǎng)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(wěn)定極限和裕度指標分析動態(tài)無功電壓控制，指出上海電網(wǎng)最薄弱的節(jié)點在西南部。進而提出若干改善電網(wǎng)動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力的措施，如電源有功儲備、電源無功儲備、動態(tài)無功補償方案、無功電壓控制新技術以及多直流協(xié)調(diào)控制作用等，為改善系統(tǒng)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(qū)外來電背景下研究上海電網(wǎng)無功問題并重點分析靜態(tài)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(tǒng)感性無功平衡。利用電壓穩(wěn)定極限和裕度指標來研究上海電網(wǎng)的動態(tài)無功電壓控制，并給出提高上海電網(wǎng)動態(tài)無功儲備能力以及利用直流本身特性實現(xiàn)直流系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)控制的措施。為上海電網(wǎng)動態(tài)無功及電壓控制研究提供參考。

動態(tài)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(tǒng)規(guī)劃設計工作；

殷婷（1989—），女，助理工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計工作。