賈 波，趙 軍，顏 俊，畢復(fù)明，顏 平，周良松

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430071；2.湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌443000；3.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引言

為優(yōu)化交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)運(yùn)行可控性，降低電網(wǎng)安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)充分發(fā)揮聯(lián)絡(luò)線外送四川季節(jié)性水電輸電能力以及降低三峽近區(qū)電網(wǎng)短路水平，國(guó)家電網(wǎng)有限公司開(kāi)展建設(shè)了渝鄂直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程［1-6］。工程包含2個(gè)背靠背換流站，分別落點(diǎn)在渝鄂（重慶-湖北）聯(lián)絡(luò)線的南、北兩個(gè)通道，總?cè)萘? 000 MW，北通道宜昌背靠背直流剖接入渝鄂聯(lián)絡(luò)線500 kV盤(pán)龍雙回線，南通道施州背靠背直流剖接入500 kV張恩雙線。

宜昌直流和施州直流各包含2個(gè)背靠背柔性換流單元，每個(gè)換流單元可獨(dú)立運(yùn)行，直流額定電壓±420 kV，額定功率1 250 MW，采用模塊化多電平柔性直流輸電MMC-HVDC（Modular Multilevel Converter High Voltage Direct Current）技術(shù)，換流器件采用全控型，與傳統(tǒng)常規(guī)直流輸電技術(shù)相比，具有不存在換相失敗風(fēng)險(xiǎn)、可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制、可提供無(wú)功支持、運(yùn)行范圍寬、運(yùn)行方式靈活和供電可靠性高等特點(diǎn)［7-12］。

工程投產(chǎn)前，川渝電網(wǎng)與華中電網(wǎng)南通道通過(guò)500 kV張家壩～恩施～漁峽長(zhǎng)線路聯(lián)系，線路充電功率大，枯水期谷負(fù)荷時(shí)段線路潮流較低，漁峽開(kāi)關(guān)站由于無(wú)功補(bǔ)償能力不足存在母線電壓偏高問(wèn)題，水布埡機(jī)組需長(zhǎng)期小出力進(jìn)相對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)、汽蝕，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋，不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行［13-14］。施州柔直投運(yùn)后，恩施和漁峽站由省間送電通道中間站點(diǎn)變?yōu)楹苯涣麟娋W(wǎng)末端廠站，近區(qū)電網(wǎng)無(wú)功電壓特性顯著改變，近區(qū)電網(wǎng)的電壓?jiǎn)栴}與工程投運(yùn)前不同，且近區(qū)電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置情況有所調(diào)整，如施州柔直具備大容量無(wú)功補(bǔ)償能力，恩施變感性無(wú)功補(bǔ)償裕度進(jìn)一步提升等，需對(duì)工程投運(yùn)后的調(diào)壓策略進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)。

目前針對(duì)渝鄂背靠背投運(yùn)后對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行特性影響的研究主要都是從安全穩(wěn)定特性角度進(jìn)行分析。文獻(xiàn)［15-16］從靜態(tài)潮流分布、短路電流、小干擾穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定等多個(gè)方面分析了渝鄂背靠背投運(yùn)華中電網(wǎng)和西南電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性的變化，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估并提出了相應(yīng)的對(duì)策。文獻(xiàn)［17］提出了工程投產(chǎn)對(duì)協(xié)調(diào)次同步振蕩特性的影響分析。而對(duì)于近區(qū)電網(wǎng)的無(wú)功電壓特性，系統(tǒng)的調(diào)壓策略則研究較少。

鑒于此，本文首先梳理了工程投運(yùn)前后南通道近區(qū)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備資源配置情況，對(duì)系統(tǒng)無(wú)功電壓特性進(jìn)行仿真分析，然后針對(duì)近區(qū)電網(wǎng)存在的調(diào)壓?jiǎn)栴}，提出了網(wǎng)源優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)壓方案，在保證電網(wǎng)電壓不越限的情況下，優(yōu)化水布埡機(jī)組的運(yùn)行工況。

1 概況

1.1 工程概況

南通道接入系統(tǒng)方案：施州背靠背換流站π開(kāi)張家壩～恩施雙回線路接入，500 kV交流出線4回，其中，重慶側(cè)出線2回至張家壩變；湖北側(cè)出線2回至恩施變。

北通道接入系統(tǒng)方案：宜昌背靠背換流站π 開(kāi)九盤(pán)～龍泉雙回線路接入，本期500 kV 交流出線4 回，其中，重慶側(cè)出線2回至九盤(pán)變，湖北側(cè)出線2回至龍泉換流站。保留原奉節(jié)串補(bǔ)站，將原九盤(pán)～龍泉線路龍泉側(cè)2×150 Mvar 高抗搬遷，搬遷至背靠背換流站重慶側(cè)。

渝鄂背靠背近區(qū)湖北電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 渝鄂背靠背近區(qū)湖北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of Hubei power grid near VSC-HVDC

1.2 水布埡電站近區(qū)電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置

恩施變配置6 臺(tái)60 Mvar 低抗，無(wú)低容；興隆變配置6 臺(tái)60 Mvar 低抗和6 臺(tái)60 Mvar 低容。恩漁三回線每回在恩施側(cè)配置1 臺(tái)136 Mvar 線路高抗，漁興三回線每回線路兩側(cè)各配置1臺(tái)136 Mvar線路高抗。施州換的無(wú)功能力與換流站交流電壓相關(guān)，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓范圍為500～550 kV，在最低、高兩種電壓下，施州換單個(gè)換流單元PQ曲線見(jiàn)圖2～圖3所示，由圖可知施州換單個(gè)換流單元從交流系統(tǒng)最小吸收無(wú)功365 Mvar，向交流系統(tǒng)最小注入無(wú)功765 Mvar［18-19］。水布埡電廠單臺(tái)機(jī)組最大進(jìn)相深度100 Mvar，最大遲相深度70 Mvar，4臺(tái)機(jī)組共計(jì)最大進(jìn)相400 Mvar，遲相280 Mvar。

圖2 交流電壓500 kV單個(gè)換流單元功率曲線Fig.2 500 kV signal converter unit power diagram

圖3 交流電壓550 kV單個(gè)換流單元PQ運(yùn)行區(qū)間Fig.3 550 kV signal converter unit power diagram

工程投運(yùn)前后，近區(qū)電網(wǎng)的感性無(wú)功不平衡量見(jiàn)表1。由表1 可知工程投運(yùn)后施州換和恩施變感性無(wú)功補(bǔ)償裕度相對(duì)較大。漁峽開(kāi)關(guān)站的感性無(wú)功缺口較大約500 Mvar。

2 電網(wǎng)存在的電壓?jiǎn)栴}及原因

水布埡近區(qū)站點(diǎn)500 kV 母線當(dāng)前電壓控制曲線如表2所示。

電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)電壓主要存在兩大類問(wèn)題，詳細(xì)說(shuō)明如下。

表1 近區(qū)各站點(diǎn)感性無(wú)功不平衡量Table 1 Amount of imbalance inductive reactive power near Shuibuya power grid

表2 近區(qū)站點(diǎn)500 kV母線電壓控制曲線Table 2 500 kV bus voltage control curve near Shuibuya power grid

1）線路輕載時(shí)，漁峽母線電壓偏高問(wèn)題。主要是由于漁峽開(kāi)關(guān)站感性無(wú)功補(bǔ)償缺口較大所導(dǎo)致，此時(shí)需要水布埡機(jī)組進(jìn)相對(duì)漁峽充電功率進(jìn)行就地平衡，達(dá)到降低漁峽母線電壓的效果，機(jī)組存在小出力進(jìn)相運(yùn)行工況。

2）華中大功率送西南時(shí)，恩施母線電壓偏低問(wèn)題。異步聯(lián)網(wǎng)后恩施作為交流系統(tǒng)受端末端站，且沒(méi)有配置低容，電壓支撐不足，而施州直流的電壓控制死區(qū)相對(duì)較大，目前為531±8 kV，大于恩施母線的電壓運(yùn)行區(qū)間526～536 kV，施州柔直的電壓調(diào)節(jié)能力也不能充分釋放，近區(qū)僅剩水布埡機(jī)組可以調(diào)壓，需要水布埡電廠強(qiáng)發(fā)無(wú)功對(duì)恩施電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，水布埡機(jī)組存在小出力遲相運(yùn)行工況。

以某典型日為例對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行說(shuō)明，近區(qū)電網(wǎng)母線電壓和潮流曲線如圖4所示。

由圖4 可知，在6：00～6：45 時(shí)段，施州直流功率近似零功率運(yùn)行，近區(qū)電網(wǎng)潮流輕載，漁峽母線電壓偏高，水布埡需開(kāi)1 機(jī)深度進(jìn)相對(duì)漁峽母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后漁峽電壓約為537 kV。在7：45～8：15時(shí)段，施州直流雙單元送西南功率由300 MW 快速提升至1 100 MW，恩施和施州柔直電壓急速跌落，施州柔直最低電壓跌至施州控制范圍523 kV，施州柔直對(duì)母線電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后施州柔直電壓提升至約524 kV，在其電壓控制范圍內(nèi)，但恩施電壓仍越限。為調(diào)節(jié)恩施電壓，在8：20～8：25 水布埡增開(kāi)1 機(jī)發(fā)出無(wú)功進(jìn)行調(diào)壓，調(diào)節(jié)后恩施電壓提升至528 kV。在2 個(gè)小時(shí)時(shí)段內(nèi)，水布埡機(jī)組由深度進(jìn)相變?yōu)樯疃冗t相，水布埡電壓調(diào)節(jié)壓力較大。

圖4 某典型日近區(qū)電網(wǎng)潮流電壓曲線Fig.4 Power flow near Shuibuya power grid of a typical day

3 無(wú)功電壓特性分析

3.1 線路輕載漁峽電壓偏高問(wèn)題

本次利用綜合穩(wěn)定程序PSASP，以線路輕載水布埡不進(jìn)相為基礎(chǔ)工況，對(duì)施州直流增大吸收無(wú)功、恩施投低抗和水布埡進(jìn)相3種獨(dú)立調(diào)壓手段以及多種調(diào)壓手段混合的調(diào)壓效果進(jìn)行仿真分析［20-26］，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3仿真計(jì)算結(jié)果可知：

1）3 種獨(dú)立調(diào)壓手段對(duì)漁峽調(diào)壓效果基本相同，電壓調(diào)節(jié)敏感度都約為0.04 kV/Mvar。

2）調(diào)節(jié)施州、恩施手段為通過(guò)調(diào)節(jié)相鄰站點(diǎn)的電壓進(jìn)而調(diào)整漁峽母線電壓，為系統(tǒng)調(diào)壓手段，在降低漁峽母線電壓時(shí)會(huì)同時(shí)調(diào)低恩施母線電壓，對(duì)恩施變電壓的影響約為0.07 kV/Mvar，水布埡進(jìn)相調(diào)壓則更為直接，對(duì)恩施變電壓影響相對(duì)較小，影響效果約為0.04 kV/Mvar。

3）多種調(diào)壓手段綜合使用時(shí)調(diào)壓效果近似為獨(dú)立調(diào)壓效果的疊加。

表3 漁峽調(diào)壓特性分析Table 3 Analysis of Yuxia voltage regulation characteristics

3.2 線路重載恩施電壓偏低問(wèn)題

結(jié)果表明施州直流對(duì)于恩施的調(diào)壓效果要明顯優(yōu)于水布埡對(duì)恩施的調(diào)壓效果，其中施州直流對(duì)恩施的調(diào)壓敏感度約為0.07 kV/Mvar，水布埡對(duì)恩施的調(diào)壓敏感度約為0.04 kV/Mvar。兩種調(diào)壓方案同時(shí)使用時(shí)，調(diào)壓效果可以疊加。

4 系統(tǒng)調(diào)壓策略優(yōu)化方案

無(wú)功電壓特性表明，對(duì)于線路輕載時(shí)漁峽電壓偏高問(wèn)題，通過(guò)調(diào)節(jié)施州換流站吸收無(wú)功、投恩施變低抗和利用水布埡電站進(jìn)相都可以有效調(diào)壓，且調(diào)壓敏感性基本相同。本次考慮到水布埡電站小出力進(jìn)相調(diào)壓時(shí)機(jī)組運(yùn)行工況較差，可能會(huì)帶來(lái)機(jī)組振動(dòng)、汽蝕，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于恩施變和施州換的感性無(wú)功補(bǔ)償補(bǔ)償裕度相對(duì)較大，本次提出兩種調(diào)壓方案［27-30］。

表4 恩施調(diào)壓特性分析Table 4 Analysis of Enshi voltage regulation characteristics

方案一：優(yōu)先由恩施變投低抗調(diào)節(jié)漁峽電壓，水布埡進(jìn)相作為補(bǔ)充。

方案二：優(yōu)先由施州柔直吸收無(wú)功調(diào)節(jié)漁峽電壓，水布埡進(jìn)相作為補(bǔ)充。

對(duì)上述兩種方案進(jìn)行仿真分析，在圖4 典型工作日的線路輕載時(shí)段，采用方案一在恩施變投1 組低抗后，將恩施電壓控制在532 kV 以內(nèi)，則水布埡不進(jìn)相時(shí)漁峽電壓可以控制在要求范圍內(nèi)。采用方案二在施州柔直增加吸收60 Mvar 無(wú)功將施州柔直母線電壓控制在530 kV以內(nèi)，則漁峽電壓不越限。兩種控制方案仿真案例見(jiàn)圖5～圖6所示。

圖5 漁峽調(diào)壓方案（方案一）Fig.5 Voltage regulation scheme of Yuxia(option 1)

圖6 漁峽調(diào)壓方案（方案二）Fig.6 Voltage regulation scheme of Yuxia(option 2)

對(duì)于恩施電壓偏低問(wèn)題，通過(guò)調(diào)節(jié)施州換流站吸收無(wú)功和水布埡電站遲相都可以有效調(diào)壓，但施州柔直調(diào)壓敏感度更高，故本次考慮優(yōu)先由施州柔直進(jìn)行調(diào)壓，水布埡調(diào)壓作為補(bǔ)充手段。

2）修改的后64卦卦序（圖8），揭示了64卦序數(shù)／陰陽(yáng)對(duì)稱規(guī)律，這也許是一個(gè)史無(wú)前例的、劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)！呈現(xiàn)出既陰陽(yáng)對(duì)稱又?jǐn)?shù)量平衡，陰中有陽(yáng)，陽(yáng)中有陰，陰陽(yáng)相抱，自然天成。這豈不是精美的“陰陽(yáng)／數(shù)量太極圖”嗎？64卦若采用比干八宮卦序，那么乾為首卦就要改變了，即坤為1，乾為2。

對(duì)此方案進(jìn)行仿真分析，在圖4 典型工作日的華中大規(guī)模送西南時(shí)段，在施州柔直增發(fā)無(wú)功120 Mvar后，將施州柔直電壓控制在526 kV 以上，則在水布埡不遲相的情況下，恩施電壓不會(huì)低于527 kV，滿足電網(wǎng)控制要求。控制方案仿真案例見(jiàn)圖7所示。

綜上，若漁峽電壓偏高問(wèn)題和恩施電壓偏低問(wèn)題都利用施州柔直進(jìn)行解決，則需將柔直母線電壓控制在528±2 kV，柔直死區(qū)范圍偏小，可能會(huì)導(dǎo)致柔直頻繁調(diào)節(jié)，不利用柔直安全穩(wěn)定運(yùn)行，因而考慮采用施州柔直解決恩施電壓偏低問(wèn)題，采用恩施變解決漁峽電壓偏高問(wèn)題，即將施州柔直電壓控制在526 kV 以上，恩施電壓控制在530 kV以下。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)存在的電壓?jiǎn)栴}，本文通過(guò)梳理渝鄂背靠背工程投產(chǎn)后水布埡近區(qū)電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置情況和近區(qū)電網(wǎng)無(wú)功電壓特性的研究，提出了近區(qū)電網(wǎng)的調(diào)壓優(yōu)化策略，主要結(jié)論如下：

圖7 恩施調(diào)壓方案Fig.7 Voltage regulation scheme of Enshi

1）工程投運(yùn)后，恩施變感性無(wú)功補(bǔ)償裕度進(jìn)一步增大，但容性無(wú)功補(bǔ)償能力仍相對(duì)不足，漁峽開(kāi)關(guān)站仍有較大的感性無(wú)功補(bǔ)償缺口。由于當(dāng)前施州柔直的無(wú)功調(diào)節(jié)能力沒(méi)有充分釋放，當(dāng)前電網(wǎng)存在線路輕載時(shí)漁峽電壓偏高問(wèn)題和華中大規(guī)模送西南時(shí)恩施電壓偏低問(wèn)題。

2）仿真研究表明，施州柔直、恩施變和水布埡電站對(duì)于降低漁峽電壓的效果基本相同，施州柔直對(duì)于提升恩施電壓的效果明顯優(yōu)于水布埡。

3）綜合考慮柔直安全穩(wěn)定運(yùn)行因素和水布埡電站機(jī)組工況，可調(diào)整恩施低抗投切電壓定值，充分利用恩施站感性無(wú)功補(bǔ)償能力，緩解漁峽電壓偏高問(wèn)題。適當(dāng)提高施州柔直電壓控制下限，釋放柔直電壓支撐能力，緩解恩施電壓偏低問(wèn)題。減少水布埡機(jī)組小出力調(diào)壓工況。

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