李小君 王 驍

（1.云南電網(wǎng)楚雄供電局 2.國(guó)網(wǎng)浙江安吉縣供電有限公司）

0 引言

為了確保電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全運(yùn)行的目標(biāo)，需要采取有效措施使其電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。其中，電壓穩(wěn)定是當(dāng)外界因素對(duì)電力系統(tǒng)造成干擾后，系統(tǒng)電壓依然可以維持或快速恢復(fù)至原先的情況，不會(huì)引起電壓崩潰的結(jié)果。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料可知，我國(guó)有許多大范圍停電現(xiàn)象是由于電網(wǎng)發(fā)生電壓崩潰所導(dǎo)致的。由此可見(jiàn)，電壓穩(wěn)定問(wèn)題已經(jīng)變成當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展需重點(diǎn)解決的一項(xiàng)問(wèn)題。

1 電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題分析

1.1 電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的電壓故障情況，可以把系統(tǒng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)分成如下三種類型：第一種屬于短暫穩(wěn)定，在發(fā)生系統(tǒng)故障問(wèn)題時(shí)電壓可以較快恢復(fù)到正常狀態(tài)的狀況，主要包括 N－1故障、交流N－2故障和直流單極閉鎖故障。第二種是能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，而長(zhǎng)期運(yùn)行電壓保持在0.9p.u以下，電壓質(zhì)量無(wú)法良好恢復(fù)的狀況。包括直流雙極閉鎖和某些線路檢修過(guò)程發(fā)生交流N－2故障的狀況。第三種屬于暫態(tài)失穩(wěn)的狀況，通常表現(xiàn)為電壓長(zhǎng)期在0.7p.u.以下運(yùn)行，并出現(xiàn)系統(tǒng)失穩(wěn)的現(xiàn)象，例如進(jìn)行某些線路檢修過(guò)程時(shí)發(fā)生的N－2故障。

1.2 電壓失穩(wěn)機(jī)理分析

1.2.1 直流故障

當(dāng)直流電網(wǎng)出現(xiàn)單級(jí)閉鎖、雙極閉鎖或者是在檢修線路時(shí)出現(xiàn)直流雙極閉鎖的現(xiàn)象時(shí)，都不會(huì)使系統(tǒng)電壓出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。通過(guò)重新分配電網(wǎng)有功功率與無(wú)功功率，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)將形成一個(gè)新平衡狀態(tài)，但需注意此時(shí)可能會(huì)存在出現(xiàn)某些故障問(wèn)題時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際可以恢復(fù)的電壓不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，可將其歸為第二種狀況，即處于暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，而且長(zhǎng)期電壓保持在0.9p.u.以下，電壓無(wú)法恢復(fù)到較高的質(zhì)量。

當(dāng)出現(xiàn)直流閉鎖的情況時(shí)，電網(wǎng)電壓將發(fā)生最大程度的下降，表現(xiàn)為缺少無(wú)功補(bǔ)償，需要通過(guò)本地發(fā)電機(jī)來(lái)彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)缺額，為了能夠保持恒定的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，隨著勵(lì)磁電壓的升高，發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率也會(huì)隨之增大?？紤]到某些地區(qū)實(shí)際接入的電源數(shù)量很少，因此會(huì)快速喪失大量有功功率，這就需要剩下的交流聯(lián)絡(luò)通道來(lái)?yè)?dān)負(fù)額外的潮流，從而引起電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓降低現(xiàn)象。

1.2.2 交流故障

在電網(wǎng)出現(xiàn)交流系統(tǒng)故障時(shí)，直流系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生換相失敗的現(xiàn)象；同時(shí)還要考慮遇到換相失敗的情況，電網(wǎng)系統(tǒng)能否繼續(xù)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)遇到交流線路與直流線路，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙極閉鎖現(xiàn)象，將會(huì)在瞬間產(chǎn)生大量有功與無(wú)功功率，而無(wú)法在故障通道中完成電能的輸送過(guò)程，此時(shí)需要重新分配系統(tǒng)潮流。之后，交流聯(lián)絡(luò)線路將獲得更高的輸送功率，從而可以通過(guò)此線路為受端電網(wǎng)輸入更大的電流，使受端電網(wǎng)在正常狀態(tài)下獲得更高的無(wú)功需求。如果不對(duì)原先網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，便會(huì)引起受端電壓的降低，甚至還會(huì)引起受端電壓出現(xiàn)明顯波動(dòng)的現(xiàn)象。

對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷中心而言，其中有一個(gè)重要特征是有很大比例的負(fù)荷需通過(guò)來(lái)自遠(yuǎn)距離區(qū)域的特超高壓直流或交流線路進(jìn)行接入。因此，負(fù)荷中心需合理配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施才能確保電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。通常是以電容器作為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，一旦當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)因素影響導(dǎo)致受端電網(wǎng)無(wú)法及時(shí)獲得無(wú)功時(shí)，便會(huì)引起電壓減小，此時(shí)來(lái)自電容器的無(wú)功功率將通過(guò)電壓平方的方式快速降低，使電壓繼續(xù)下降。

大部分受端電網(wǎng)都含有很多靜態(tài)容性并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，通常都以手動(dòng)模式進(jìn)行定時(shí)投切。當(dāng)遇到某些較為嚴(yán)重故障時(shí)，無(wú)法迅速提供無(wú)功支撐電壓，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)電壓下降后還會(huì)使無(wú)功電源容量繼續(xù)減小，導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)一步惡化。當(dāng)故障被消除后系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓保持低于0.9p.u.的狀態(tài)，必須采取有效處理措施，否則將會(huì)引起系統(tǒng)的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致電壓發(fā)生崩潰的情況。

1.3 解決策略分析

1.3.1 設(shè)置合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

為選定區(qū)域構(gòu)建更多的對(duì)外聯(lián)絡(luò)線路，降低單條線路需要承擔(dān)的負(fù)荷。通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，在2020年前完成此工程的投產(chǎn)使用，便不會(huì)出現(xiàn)第二種電壓不穩(wěn)定的狀況，從而有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性并提高電壓恢復(fù)的能力?？紤]到本研究所選地區(qū)的經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，因此采取更改網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的方式來(lái)重新建立500kV線路將會(huì)遇到許多難題。

1.3.2 增加新的電源

由于在該區(qū)域中只能通過(guò)水電廠與燃?xì)怆姀S的方式來(lái)為系統(tǒng)供應(yīng)無(wú)功補(bǔ)償?？紤]到煤炭的消耗量需要被控制在一個(gè)嚴(yán)格的范圍內(nèi)，因此在該地區(qū)繼續(xù)增加新燃煤電廠也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)在 “十三五”計(jì)劃階段其它各類電源計(jì)劃也面臨著很大的不確定性。

1.3.3 配備動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施

可以考慮為變電站配備專門的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施，并且實(shí)際工程建設(shè)的項(xiàng)目實(shí)施也比較簡(jiǎn)單。系統(tǒng)可以通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施迅速獲得電壓支撐，有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小直流閉鎖發(fā)生的概率。此項(xiàng)措施屬于當(dāng)前改善電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的最優(yōu)方案。

2 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償配置方案研究

2.1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置原理

在電力系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)常被用到靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、同步調(diào)相機(jī)以及靜止補(bǔ)償器 （STATCOM）這三種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。見(jiàn)下表。

裝置種別 SVC 調(diào)相機(jī)STATCOM設(shè)備種別靜止設(shè)備，不會(huì)將短路電流與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提供給系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)設(shè)備，具備將短路電流與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提供給系統(tǒng)的功能。靜止設(shè)備，不會(huì)將短路電流與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提供給系統(tǒng)。占地面積 偏大 同等容量 SVC的三分之一同等容量SVC的三分之一調(diào)節(jié)速度40ms 1～2s 20ms經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行維護(hù)、靜態(tài)投資與損耗費(fèi)用都偏低。損耗與運(yùn)維的費(fèi)用偏高，靜態(tài)投資偏低。損耗與運(yùn)維費(fèi)用偏低，但靜態(tài)投資偏高。無(wú)功特性系統(tǒng)電壓對(duì)其產(chǎn)生的影響較大，和電壓平方呈正比例關(guān)系。系統(tǒng)電壓對(duì)無(wú)功輸出的影響比較小，存在短時(shí)強(qiáng)勵(lì)能力兩倍過(guò)載，實(shí)現(xiàn)進(jìn)相運(yùn)行。系統(tǒng)電壓對(duì)其產(chǎn)生的影響較大，與系統(tǒng)電壓呈正比例關(guān)系。0.8% 1.5% 1%使用壽命 15年 30年 15年有功損耗

2.2 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置類型選擇

考慮到變電站的布點(diǎn)非常密集，整體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要承擔(dān)很高的負(fù)荷，在500kV電網(wǎng)中產(chǎn)生的短路電流裕度非常有限。在這種情況下，調(diào)相機(jī)已經(jīng)不適合對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)比較SVC與STATCOM可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镾VC通過(guò)晶閘管來(lái)調(diào)控電抗器的時(shí)候使用的是不能關(guān)斷的晶閘管；當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，需要等電流變至零時(shí)才可以完成自然關(guān)斷的過(guò)程。綜上所述，從SVC發(fā)送指令直至晶閘管到達(dá)10ms的最大響應(yīng)延時(shí)，再加上TCR所占的過(guò)渡時(shí)間，使整個(gè)SVC裝置約需消耗60ms或更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。STATCOM是一個(gè)可控電流源，發(fā)生延時(shí)的原因是該裝置存在自身的固有時(shí)間。根據(jù)以上分析，可以通過(guò)STATCOM來(lái)有效處理動(dòng)態(tài)無(wú)功的問(wèn)題。

2.3 配置容量分析

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的配置容量除了會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響以外，還會(huì)改變工程經(jīng)濟(jì)性，并決定最終選擇何種方案，因此必須對(duì)配置容量進(jìn)行精確分析。

（1）對(duì)于第二種系統(tǒng)電壓穩(wěn)定狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償研究。為了確保電壓能夠恢復(fù)到0.9p.u.，應(yīng)至少將無(wú)功補(bǔ)償容量設(shè)定為100Mvar。

（2）對(duì)第三種電壓穩(wěn)定狀況進(jìn)行研究后選擇相應(yīng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案。為保證系統(tǒng)遇到故障問(wèn)題時(shí)依然可以保持電壓穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)設(shè)置300Mvar的最低無(wú)功補(bǔ)償容量。

經(jīng)綜合考慮，為保證電網(wǎng)電壓能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，應(yīng)將動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量設(shè)定為300Mvar。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于電網(wǎng)系統(tǒng)的用電負(fù)荷較大，能夠獲得的無(wú)功支撐過(guò)少。同時(shí)該地區(qū)與外界的交流通道都具有較大的潮流，當(dāng)遇到故障情況時(shí)便會(huì)導(dǎo)致潮流發(fā)生大量轉(zhuǎn)移并引起直流線路無(wú)法進(jìn)行連續(xù)換相的問(wèn)題；此外，考慮到直流容量很大，當(dāng)遇到閉鎖問(wèn)題時(shí)，與外界相連的交流通道需承受很大的電力，進(jìn)一步引起無(wú)功電壓失穩(wěn)的問(wèn)題。通過(guò)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定情況分析可知，檢修方式下的N－2故障易造成系統(tǒng)無(wú)功電壓?jiǎn)栴}，有必要針對(duì)性的采取有效措施以改善系統(tǒng)穩(wěn)定情況。