可控电抗器应用于内蒙古500 kV电网中的可行性分析

徐征宇，白志强，王瑞

(1.内蒙古工业大学，呼和浩特市，010080;2.内蒙古超高压供电局，呼和浩特市，010080)

0 引言

可控电抗器是一种先进的智能型无功补偿设备，它的特点在于其无功容量可以随着安装地点无功功率的变化而变化，做到无功功率的动态补偿［1-2］。由于这种动态补偿性，可以稳定其安装地点的电压，另外由于减少了线路上的无功功率，降低了系统的电压损耗和有功损耗［3］。内蒙古500 kV电网调压方式主要是固定容量低抗、低容的投切，需要人为操作，补偿速度慢且补偿效果不佳。本文从运行方式入手，利用潮流仿真软件分析将可控电抗器应用到内蒙古500 kV电网后的调压效果及降损效果等方面的问题。同时，对配置方案进行了电压调整效果分析、经济性分析和N-1开断模拟分析，讨论了配置方案的可行性。

1 现有调压方式存在的问题

目前，内蒙古500 kV电网的调压措施主要包括投切35 kV低压电抗器组、35 kV低压电容器组、发电机进相运行、并联固定容量高抗等几种方式，但它们都存在一定的局限性。低压电抗器组、低压电容器组调压需要人工投切，无功补偿速度慢，影响电压合格率;发电机进相运行虽然可以有效地保证电网充足的无功功率，但是无功功率的大范围流动会产生不必要的有功损耗;并联固定容量高抗调压只能限制长线路容升效应，而且容量不可调，会造成线路重负载时电压下降、增大网损的后果。为解决上述问题，本文研究将可控电抗器应用于内蒙古500 kV电网中，丰富调压手段，降低系统损耗。

2 潮流计算

本文所采用的潮流计算方法主要是牛顿法和PQ分解法［4］，内蒙古电网共有1 000多个节点，为保证计算的收敛性和快速性，在编写潮流计算控制语句时，设定先采用P-Q分解法计算，保证快速性，再采用牛顿计算法，保证收敛性。在潮流计算程序中，将内蒙古电网的所有节点参数通过填写相应数据卡录入计算机中，形成内蒙古电网的潮流计算初始数据，将控制语句写入计算机，这里设定牛顿法使用20次，PQ分解法使用10次，并设定输出各节点的潮流及系统的总损耗数据，进行潮流计算时计算机自动进行迭代并输出结果。

3 可控电抗器配置方案

3.1 电压现状

2011年夏季运行方式下，利用潮流分析软件对内蒙古电网进行潮流仿真计算，得到内蒙古500 kV电网的潮流分布，如图1所示。图中每个节点及线路上的潮流以复功率的形式表示，并标注出每个节点的电压值。内蒙古电网500 kV各变电站电压及系统损耗汇总于表1。

图1 潮流分布Fig.1 Electric power flow distribution

表1 500 kV变电站电压及系统损耗Tab.1 Voltage of 500 kV Substation and system loss

对比表1所列数据及内蒙古电力调度通信中心2011年季度电压合格曲线发现，内蒙古500 kV电网整体的运行电压偏低，其中500 kV汗海站、500 kV丰泉站、500 kV永圣域站的情况最为严重。面对这种电压偏低的情况，研究利用可控电抗器将表1所列变电站电压调整到合格范围内，潮流仿真程序中通过更改现有相应固定容量并联高抗的电抗标幺值并进行仿真潮流计算，模拟可控电抗器提升其安装地点电压的情形。

3.2 配置方案

根据表1数据，内蒙古500 kV电网在2011年的运行方式下，汗海站、丰泉站、永圣域站越电压曲线下限情况最为严重。其中，丰泉站、汗海站是重要出口变电站，也是出线较多、调压较为困难的变电站。故将此3个变电站及对应线路上的并联高抗作为重点研究对象。下面针对这3个变电站，将其安装固定容量并联高抗的线路做统计如表2所示。

3.2.1 配置方案调压分析

根据表2，永丰Ⅰ线丰泉侧装有150 Mvar的高抗、永圣域侧装有120 Mvar的高抗，结合这2个500 kV站的电压都偏低的情况，将两侧高抗容量都调整为50 Mvar，仿真结果见表3。

与表1相比，丰泉、永圣域、汗海站电压上升较明显，但仍不满足电压曲线的要求，将丰汗Ⅰ线丰泉站侧线路高抗加入调整的范围内，容量调整为25 Mvar，仿真结果见表4。

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通过调整丰汗Ⅰ线丰泉站侧高抗容量，表4中所列500 kV变电站的电压继续上升，但仍存在电压不合格的情况。因此将丰泉站丰万Ⅰ线、丰万Ⅱ线的线路高抗加入调整范围，将其容量由原来的150 Mvar调整到25 Mvar，利用潮流仿真软件计算后出现了结果不收敛的情况，这是因区域无功不平衡所致，故丰泉站手动切除一组120 Mvar，35 kV低压电容器组，再进行潮流仿真，计算收敛，见表5。

表5 计算结果3Tab.5 Calculation results 3

表3～5的数据表明:通过调整丰泉站500 kV出线的并联高抗值，其电压逐渐上升，网损逐渐减小，这是一个良好的趋势;但由于丰泉站高抗容量值已经调到较低的水平，为了达到电压合格的要求而再次调低这几处的线路并联高抗值会导致潮流计算无法收敛，所以此时要调整汗海站线路并联高抗容量。

将汗旗Ⅰ线汗侧、汗旗Ⅱ线旗侧的线路高抗值调整为50 Mvar，进行模拟仿真后出现了全网网损增加、500 kV电网电压再次下降并降到很低的情况，如表6所示。调整汗腾线两侧线路高抗时也存在同样的问题。

表6 计算结果4Tab.6 Calculation results 4

这种情况的出现并不符合减少感性无功会提升电压的一般规律，究其原因是汗海站的东送无功潮流过大所致，虽然潮流计算趋收敛，但汗海站区域无功不足，难以维持在高电压水平下运行。因此，从2011年运行方式上，应把汗旗Ⅰ线、汗旗Ⅱ线、汗腾线线路高抗排除在调整范围外。考虑从汗沽Ⅰ线、汗沽Ⅱ线线路高抗入手调整，将汗沽Ⅰ线、汗沽Ⅱ线线路高抗调整为50 Mvar，仿真计算结果收敛，如表7所示。

表7 计算结果5Tab.7 Calculation results 5

表7中各站的电压都能符合电压曲线的要求，而且内蒙古电网的其他500 kV变电站的电压也均符合了电压曲线的要求。可见，通过调整重点变电站及相应线路的并联高抗值，可以有效地提升500 kV电网的运行电压水平。另外对比表7及表1中的系统损耗，可以发现，在仿真模拟可控电抗器调整内蒙古500 kV电网运行电压后，系统有功损耗由288.467 MW减小到282.169 MW，这对电网的节能减排是非常有利的。为进一步体现可控电抗器在降损方面的优势，在上述调整之后，将242 km(线路越长，充电功率越大，调整效果越明显)的布乌Ⅰ线、布乌Ⅱ线的固定容量并联高抗由150 Mvar调整为50 Mvar，然后进行仿真分析，计算结果收敛，并且内蒙古电网500 kV变电站电压仍然满足电压曲线的要求，如表8所示。

表8 2011年夏季运行方式下内蒙古电网500 kV变电站电压及系统损耗Tab.8 Voltage of substation and system loss in summer operation mode of 2011 for 500 kV Inner Mongolia power grid

对比表8和表1数据，可以发现，经过调整后，内蒙古500 kV电网的电压合格率达到了100%，并且由于减少了线路上的无功流动，全网系统损耗降低了8.515 MW。

3.2.2 配置方案效果及经济性

将可控电抗器在内蒙古500 kV电网中的布置方案汇总，见表9。

在2011年夏季运行方式下，通过表9的配置方案可使500 kV变电站电压均满足电压曲线要求。为了更直观地体现可控电抗器的调压效果，作出500 kV丰泉变电站、500 kV汗海变电站2个重要东送出口站的日电压曲线图，如图2所示。

从图2可以看出，可控电抗器可使安装地点的电压在每日低谷、平峰、高峰期都满足电压曲线的要求，而且可以保持在较高电压水平上运行，这主要得益于可控电抗器的快速调节和自动调节性能，这相比于投切低抗、低容操作速度慢、不可动态调整具有明显的优势。

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另据有关资料500 kV超高压磁控式可控电抗器价为160～200元/kvar，内蒙古普通工业用电价格0.631元/(kW·h)，由此可得出可控电抗器配置方案的经济性、潮流计算收敛性、最大提升电压程度的分析表，如表10所示。

表10 配置方案分析Tab.10 Analysis of configuration scheme

按表9中的配置方案，虽然一次投资较大，但收回成本的时间仅为4年左右，另外，由于可控电抗器的可控性及节能性，它的应用对于内蒙古电网的节能减排建设和智能电网建设都会起到积极的促进作用和示范作用。

3.2.3 配置方案的N-1开断模拟

在利用软件对表9配置方案进行潮流计算后，编写N-1开断模拟语句，仿真分析配置方案下内蒙古500 kV电网线路轮流开断后的过电压及过负荷情况，如图3、4所示。

由图4可知，对内蒙古500 kV电网部分线路进行开断时会造成系统的解列等故障，但对比图3、4可知，这些可能出现的故障并不是因为可控电抗器调整导致的，而是因为内蒙古电网自身结构、容量等因素所致。进一步分析后发现，可控电抗器调整之后汗沽Ⅱ线断开将不会导致系统解列，这反映了500 kV汗海站安装可控电抗器后使得汗沽线路传输能力增强，不必考虑架设新线路。总之，通过对内蒙古500 kV电网进行N-1开断模拟后，不会出现内蒙古500 kV电网变电站电压越限的情况，并且可以提高汗沽线的输送能力，这也证明了表9方案是可行的。

4 结论

(1)通过潮流计算、N-1开断计算等仿真计算、可控电抗器调压效果分析及经济性分析表明，可控电抗器在内蒙古500 kV电网上的应用是可行的。

(2)以2011年度夏季运行方式为例，最高提升电压12.7 kV，发生在500 kV丰泉变电站，全网系统有功损耗减少8.515 MW。

(3)在500 kV汗海站、丰泉站中，可控电抗器的调压效果可使电压满足电压曲线的要求，而且维持在高电压水平上运行;另外，可控电抗器使得汗沽线的传输能力增强明显，不必再架设新线路。

(4)可控电抗器的应用会加快内蒙古电网“建设坚强智能电网”的步伐，促进内蒙古电网节能减排的进程，应加大建设的力度和研究的深度。

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