柔性交流输电技术在江苏电网中的应用

王 旭，祁万春，黄俊辉，谢珍建，吴 晨

(1．国网江苏省电力公司，南京市210008;2． 国网江苏省电力公司经济技术研究院，南京市210008)

0 引 言

随着社会经济的不断发展，城市化程度的不断提高，土地、环保等外部条件对电力建设的制约也越来越大。对于江苏这样经济较发达的省份，依靠建设新输电通道来增加输电能力，以满足负荷增长需求的传统途径在某些场合下(例如过江通道、大城市中心区域等)不仅投资巨大，而且将越来越困难，甚至变为不可能。此外，特高压交、直流落点江苏后，江苏乃至华东电网将出现直流多馈入、交直流混联的格局。直流多馈入及交直流混联给系统安全稳定运行带来了新的问题，当直流系统发生双极闭锁或交流系统发生严重故障时，可能造成系统电压严重跌落，影响到多回直流线路，诱发多回直流线路换相失败，从而对系统的电压稳定乃至频率稳定造成影响［1-5］。此外，随着特高压电网的建设，江苏电网将出现1 000 kV/500 kV、500 kV/220 kV 的多电压层级电磁环网。多电压层级电磁环网的存在，使得电网潮流难以控制，一方面导致输电通道潮流不均，输电线路输电能力得不到发挥;另一方面，上级电网严重故障时大量潮流可能向下级电网转移，导致事故范围扩大。

柔性交流输电技术(flexible alternating current transmission system，FACTS)是近年来发展的通过电力电子设备和其他静态控制器来提高系统可控性和功率输送能力的交流输电技术，能够起到均衡电网潮流、提高电网暂态及热稳定输送极限，为电网提供动态无功支撑等作用［6-10］。

FACTS 技术作为电网新技术，由于其先进的控制原理、可充分利用和提高现有电网资源利用率、改善电网静动态运行特性、很好地适应电力市场运营及新能源接入等方面的优点引起业内的广泛关注和重视。在江苏电网的规划发展中研究采用FACTS 作为常规电网技术的必要补充对江苏电网这样一个规模大、区外来电比重高、输电走廊新建代价大且困难、电网运行特性复杂的电网来讲尤其必要。需要指出的是:FACTS 技术的应用需要结合电网的规划发展，并和常规的电网规划建设方案相结合，保证电网新技术的应用有良好的技术经济性和可持续的社会效益。

1 FACTS 技术发展及应用现状

FACTS 技术是随着大功率电力电子开关器件的研制成功和现代控制技术的进步而迅速发展起来，它将电力电子开关器件的制造技术、现代控制技术和传统电网技术有机融合，旨在提高交流电网的可控性，实现灵活控制系统潮流和最大化电网传输能力［11-15］。

FACTS 装置按照其功能通常可以分为3 类:并联型，包括如静止无功补偿器(static var compensator，SVC)，静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)等，该类FACTS 装置以控制线路电压或控制装置吸收/发送无功功率为目标;串联型，包括晶闸管控制串联补偿器(thyristor controlled series compensation，TCSC)，晶闸管控制串联电抗器(thyristor controlled series reactor，TCSR)、静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator，SSSC)等，该类FACTS 装置以控制线路电抗为目标，进而控制线路传输的电流，有功;综合型，主要是统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)，可以综合控制线路电压，线路传输的有功/无功功率等)。

从发展进程和技术进步角度而言，FACTS 设备可以分为3 代:第一代以晶闸管作为开关器件，响应较慢，包括SVC 和TCSC;第二代以全控型器件构成的电压源逆变器为核心，通过电子回路模拟电抗或电容的作用，体积减小，同时性能得到提升，包括STATCOM、SSSC;第三代主要指复合型的FACTS 设备，例如UPFC 等，具有最全面、最灵活的控制功能。目前，第一代、第二代FACTS 设备SVC、STATCOM、TCSC 已经商业化生产，并在实际电网中得到广泛应用。第三代复合型FACTS 设备(UPFC)目前世界上已有3 套投入实际运行［16-18］，分别在美国Inez 地区(138 kV/320 MVA)、美国纽约Marcy 地区(345 kV/200 MVA)、韩国kangjin 地区(154 kV/80 MVA)。

2 江苏电网规划发展中存在的问题

根据江苏电网的实际以及发展规划，江苏电网目前及发展过程中存在下述问题:由于苏北地区电源、负荷分布的不均衡，江苏电网“北电南送”部分输电通道成为瓶颈，2017年左右需要增加过江通道;特高压交、直流落点江苏后，在交直流系统发生直流双极闭锁、多重故障等严重故障时会引起交流系统中枢点电压的严重降低，可能诱发多条直流换相失败甚至发生闭锁，使得电网出现电压稳定、频率稳定等系统问题;特高压交、直流落点江苏后，多电压层级电磁环网的存在使得电网潮流难以控制，往往出现输电通道潮流不均，现有输电线路输电能力得不到充分发挥的现象，例如南京主城西环网就存在上述问题。本文针对上述3 类典型问题，初步研究了在江苏电网应用FACTS 技术的可行性。

3 应用FACTS 技术提高江苏500 kV 主网架输电能力

3.1 江苏500 kV 主网架潮流分布情况

根据规划，2013—2017年，江苏500 kV 主网架“北电南送”潮流将逐年增加。2017年，在风电达到80% 出力时，江苏过江断面最大潮流将达约9 000 MW，其中过江中通道(江都—晋陵双线)潮流较重(3 568 MW)，不满足N－1 校核。

经分析发现，2017年过江断面上输送能力较小的江都—晋陵双线(导线4 ×LGJ －400)潮流最重，而输送能力较大的泰兴—斗山双线、三汊湾—龙潭双线(导线均为4 ×LGJ －630)潮流较轻。潮流分布的不均衡使得该断面在部分输电线路输送能力仍存在较大裕度的情况下出现了输电能力不足的问题。因此，考虑在过江中通道上装设串联型FACTS 装置来均衡过江断面上各输电通道的潮流分布，以提高该断面的整体输电能力，避免新增输电通道。根据近、远期电网规划，过江中通道一直是整个过江断面的瓶颈，其需要的潮流调整需求较为固定(即减少潮流)，因此考虑在过江通道上装设晶闸管控制的串联电抗器(thyristor controlled series reactor，TCSR)(简称可控串抗)。

3.2 应用TCSR 提高江苏500 kV 过江断面输电能力

在江都—晋陵双线上装设14 Ω 及28 Ω TCSR后，正常及N－1 方式下过江断面各通道的潮流分布见表1。

表1 过江通道潮流分布Tab．1 Power flow distribution in across-river transmission channels MW

潮流计算的结果表明:在TCSR 的阻抗值取14 Ω时，N －1 故障方式下中通道线路潮流略超其热稳极限，可结合运行方式调整(例如风电出力较多时压中通道附近机组出力)解决其线路N－1 问题;在TCSR的阻抗值取28 Ω时，N－1 故障方式下中通道潮流低于其热稳极限，且尚有一定裕度;无论TCSR 的阻抗值取14 Ω还是28 Ω，过江断面其余通道潮流尽管有所增大，但在N －1 故障方式下，通道潮流距热稳极限仍有较大裕度。可见，通过在过江中通道上装设TCSR，能够将中通道的潮流转移到裕度较大的其他过江通道上，从而显著提高过江断面输送能力，避免建设过江输电通道。

考虑到规划远景年份苏北区外来电及区内装机还将有较大规模的增长，江苏过江断面的输送功率可能进一步增长，为保证方案的远景适应性，本文建议中通道上装设的TCSR 的阻抗值取28 Ω。此外，为减少线路的无功损耗和电压跌落，建议优化TCSR 的控制策略，根据线路潮流的情况动态调整TCSR 的输出阻抗，从而在线路潮流不越限的前提下尽可能减少TCSR 的输出阻抗。

4 应用FACTS 技术解决江苏电网电压稳定问题

特高压交、直流落点江苏后，在发生特高压直流双极闭锁或交流系统严重故障时电网可能出现电压稳定问题。当多回直流馈入后，这个问题将更加严重，有可能引发多个直流连锁闭锁，从而导致大停电事故的发生。

为解决该问题，本报告考虑在特高压直流站附近的500 kV 变电站装设并联型的FACTS 装置(如SVC、STATCOM 等)，以提高直流落点区域的无功电压支撑水平，从而有效降低直流双极闭锁时系统电压跌落的幅度。

以2015年为例，仿真计算的结果表明:在锦苏直流发生双极闭锁故障后，吴江、木渎、车坊等近区的500 kV 变电站母线电压跌落幅度较大，其中跌幅最大的吴江站500 kV 母线电压由506.1 kV 跌落至483.1 kV，下降幅度约为23 kV，如果进一步考虑感应电动机特性及固定电容器的无功输出特性，系统电压下降幅度将更大，可能危及电压稳定。

为了解决上述问题，本文考虑在锦苏直流邻近的吴江、木渎、车坊站安装一定容量的动态无功补偿装置(SVC 或STATCOM)。表2 显示了在上述500 kV变电站安装动态无功补偿装置的效果。

表2 500 kV 变电站安装动态无功补偿装置的效果Tab．2 Effects of dynamic reactive power compensation device installed in 500 kV substation kV

从表2 可以看到，在特高压直流落点附近的变电站安装一定容量的动态无功补偿设备，可以有效地缓解特高压直流闭锁后的电压跌落问题，提高电网运行的稳定性。初步分析的结果表明:在车坊站安装3 ×180 Mvar 的动态无功补偿、吴江站安装3 ×180 Mvar的动态无功补偿、木渎站安装2 ×180 Mvar 的动态无功补偿，可以使得锦苏直流双极闭锁后，邻近的500 kV变电站母线电压恢复至500 kV 以上。此外，在特高压直流落点近区变电站安装一定容量的动态无功补偿后，有利于交流电网故障后系统电压的恢复，可以有效降低交流系统故障诱发多回直流同时发生闭锁的可能性，提高电网应对严重故障的能力。

5 应用FACTS 技术解决电磁环网潮流控制问题

本文以南京主城西环网为例，研究了应用FACTS 技术解决电磁环网潮流控制问题，提高电网输电能力的可行性。

5.1 南京主城西环网应用FACTS 技术提高输电能力的必要性

由于电源和负荷分布的原因，自2014年起南京西环网晓庄南送断面(由晓庄—下关、晓庄—中央线路组成)的输送功率长期超过稳定限额(约500 MW)，不满足N －1 校核，需要依赖安全自动装置在N－1 后切除华能南京机组来避免剩下的1回线路过载，但随着西环网负荷的进一步增长，2016年正常方式下晓庄—下关线路潮流达528 MW，已超过线路的载流量(500 MW)。为解决上述问题，江苏省电力公司提出了建设将华能南京电厂—晓庄双线南侧线路开断环入码头变的线路工程，但该工程需新建2 ×10 km 的电缆线路，不仅投资巨大(约10 亿元)，而且工程实施难度极大(需建设约10 km 的电缆隧道穿越城区)。

考虑到此时500 kV 东善桥变电站向西环网送电的线路通道潮流尚有较大裕度。本文对在南京西环网装设FACTS 装置调整西环网潮流，解决晓庄南送通道不满足N －1 校核的可行性进行了分析。考虑规划远景年份到南京西环网的潮流分布可能随500 kV变电容量建设、220 kV 电源退役等发生较大变化，对潮流的控制要求也可能随之变化，为保证方案的远景适应性，本文考虑在南京西环网装设具有潮流双向调节能力的统一潮流控制器。

5.2 UPFC 提高南京西环网输电能力的可行性

5.2.1 UPFC 安装地点及相应系统方案

考虑到工程实施可行性，UPFC 的安装地点建议装设在已规划建设的铁北开关站，系统初步方案(见图1)如下:将经港—晓庄双线开断环入铁北开关站，形成经港—铁北双线、铁北—晓庄双线;将UPFC 装设在开环形成的铁北—晓庄双线上(导线2 ×LGJ－630，输送能力为700 MW);为避免影响UPFC 的控制效果，将原有的输送能力较小的铁北—晓庄双线(导线LGJ－400，输送能力为250 MW)开断运行。

图1 南京主城西环网安装UPFC 的系统方案Fig.1 System scheme of UPFC installed in western-Nanjing inter-city circle grid

5.2.2 UPFC 控制效果分析

结合西环网潮流分布情况及相关线路的输送能力限额，对UPFC 的潮流控制能力提出如下需求:(1)保证晓庄—下关、晓庄—中央线路正常方式下潮流不超过450 MW，N －1 故障方式下潮流不超过500 MW;(2)保证尧化门—铁北线路在尧化门—经港线路N－1 故障方式下潮流不超过400 MW。

为节省投资，本文考虑接入铁北—晓庄双线的UPFC 采用公用并联侧的结构(见图2)，其中串联侧的2个换流变容量取70 MVA(额定电流为1.5 kA、额定电压为27 kV)，并联侧换流变容量取70 MVA。

图2 南京西环网UPFC 方案设想图Fig.2 Structure of proposed UPFC installed in western-Nanjing inter-city circle grid

在该配置容量下，正常运行时通过UPFC 控制铁北—晓庄断面的功率，可以使得晓庄—下关功率在450 MW 以下(潮流见图3，此时UPFC 输出电压约为9 kV)。该方式下晓庄南送断面的潮流约为800 MW，此时南京西环网除晓庄—下关、晓庄—中央线路外，其余线路潮流均满足N－1 校核。

该方式下，若晓庄—下关或晓庄—中央线路发生N－1 故障，为避免剩下的另一回线过载，需将UPFC的输出电压增大至约26 kV(仍低于27 kV 的额定电压)。可见，推荐的UPFC 装设容量能够满足2016年南京西环网的潮流控制需求，并可将晓庄南送断面正常方式下的输电能力提高到800 MW。

根据近远期电网规划，2017、2018年500 kV 秦淮变电站、秋藤变电站投运后，晓庄南送断面输送功率将有明显下降;2018—2020年，尽管随着负荷增长，晓庄南送断面输送功率将逐年增长，但不会增长到2016年的水平。因此，推荐的UPFC 装设容量也能够满足2020年前南京西环网的潮流控制需求。

5.3 UPFC 经济性分析

图3 2016年南京主城西环网北部地区潮流(装设UPFC，正常方式)Fig.3 Power flows in western-Nanjing inter-city circle grid (with UPFC installed under the normal operation)

UPFC 工程包括换流阀、变压器、控制保护和水冷等主要设备，初步估算的费用约为2.2 亿元。通过UPFC 工程的实施，可省去华能南京—晓庄南侧线路开断环入码头变的电缆线路的建设(投资约10 亿元)。因此，通过装设UPFC 来提高南京西环网的输电能力可节省投资约7.8 亿元。

6 结 论

(1)通过在合适的线路通道上装设TCSR、UPFC等FACTS 装置，能够有效控制电网潮流，提高现有电网的输电能力，从而避免了投资巨大、实施难度极大的过江通道及城市电缆输电通道的建设。

(2)在特高压直流落点邻近的500 kV 变电站装设SVC、STATCOM 等FACTS 装置，能够在故障后提供动态无功支撑，显著降低特高压直流双极闭锁后的电压跌落，从而避免了电压稳定问题的出现，也避免了由于电压跌落诱发其他直流出现换相失败。

(3)可见，在江苏电网应用FACTS 技术不仅可行，而且可以提高电网的效率及安全性，能够取得良好的经济效益和社会效益。

［1］杨卫东，徐政，韩祯祥． 多馈入交直流电力系统研究中的相关问题［J］．电网技术，2000，24(8):13-17．

［2］吴冲，李兴源，何朝荣． 多馈入直流交互作用因子在换相失败研究中的应用［J］．继电器，2007，35(9):26-31．

［3］邵瑶，汤涌． 多馈入交直流混合电力系统研究综述［J］． 电网技术，2009，33(17):24-30．

［4］林伟芳，汤涌，卜广全． 多馈入交直流系统电压稳定性研究［J］．电网技术，2008，32(11):7-12．

［5］汪娟娟，张尧，夏成军，等． 交直流电力系统暂态电压稳定性综述［J］． 电网技术，2008，32(12):30-34．

［6］李立，鲁宗相，邱阿瑞． FACTS 对电力系统静态安全性影响评价指标体系研究［J］． 电力系统保护与控制，2011，39(8):33-38，45．

［7］邢士辉．柔性交流输电技术的现状与未来［J］． 电力建设，2005，26(8):21-23．

［8］严伟佳，蒋平． 抑制区域间低频振荡的FACTS 阻尼控制［J］． 高电压技术，2007，33(1):189-192．

［9］孙元章，曹明． FACTS 对多极系统静态电压稳定性的影响［J］．电力自动化设备，2001，21(1):6-10．

［10］王野平，武志刚，张尧． FACTS 设备在粤港电力系统中的潮流控制作用研究［J］． 电力系统及其自动化学报，2002，14(4):76-79．

［11］吴国红，贺家李，余贻鑫，等． FACTS 装置最佳设置点的选择指标［J］． 电力系统自动化，1998，22(9):57-60．

［12］李建华，方万良，杜正春，等． 含HVDC 和FACTS 装置的混合电力系统潮流计算方法［J］． 电网技术，2005，29(5):31-36．

［13］徐琰，李乃湖，陈珩． FACTS 装置的潮流控制特性分析［J］． 电网技术，1997，21(12):4-7．

［14］林集明，陈珍珍．电力电子和FACTS 装置数字仿真软件包的研究与开发［J］．中国电力，2004，37(1):29-33．

［15］王强，姜齐荣，梁旭，等．FACTS 装置控制器设计中的关键技术问题［J］．中国电力，1999，32(2):29-33．

［16］李骈文．美国INEZ 变电站统一潮流控制器简介［J］． 电网技术，2002，26(8):84-87．

［17］苏玲，陈建业． 可转换式静止补偿器:一种新型FACTS 控制器［J］． 国际电力，2003，7(1):21-23．

［18］刘新．统一潮流控制器(UPFC)的建模与应用研究［D］． 北京:华北电力大学，2009．