提升台远-塔中-且末通道输送能力的综合方案

宋晓通，戴拥民，武守远，刘慧文，汪扬

（1.北京石油化工学院信息工程学院，北京102617；2.新疆电力公司，乌鲁木齐830002；3.国网智能电网研究院，北京102200）

提升台远-塔中-且末通道输送能力的综合方案

宋晓通1，戴拥民2，武守远3，刘慧文3，汪扬3

（1.北京石油化工学院信息工程学院，北京102617；2.新疆电力公司，乌鲁木齐830002；3.国网智能电网研究院，北京102200）

为提升新疆电网台远-塔中-且末通道的输送能力，改善受端电网的运行稳定性和电压水平，首先计算了当前与远期网架结构下该通道的输送能力，确定了限制该通道电能送出的约束性因素；再结合电网远期负荷需求和系统的动态特性，系统研究了加装固定串补、可控串补与SVC的可行性和接入效果；最后基于台远-塔中-且末输送通道的电压稳定和功角稳定分析，给出了包括固定串补、可控串补和SVC的装置的综合解决方案，并确定了装置的布点方案与控制策略等关键技术参数和方案。

固定串补；可控串补；静止无功补偿器；功角稳定；电压稳定；输送能力

固定串联电容器补偿装置即固定串补FSC（fixed series capacitor installation）在远距离大容量输电系统中得到大量应用，用以补偿交流输电线路的电抗，缩短电力系统送断和受端的电气距离，提高电力系统的输送能力。晶闸管控制串联电容器补偿装置即可控串补TCSC（thyristor controlled series capacitor installation）可在一定范围内可控调节串补装置对外呈现的等效电抗（可实现容性模式和感性模式的切换），实现提高线路传输能力、优化系统潮流分布、提高电力系统的暂态稳定性、阻尼系统低频功率振荡、抑制SSR等控制目标[1-3]。静止无功补偿器SVC（static var compensator）在电力系统应用中，主要用于容量限定范围内的电压动态控制，同时在机组“第一摆”过程中增强系统的暂态稳定性，在系统功率振荡的情况下兼可用于提升电网的小干扰稳定性、改善阻尼特性[4-5]。FSC/TCSC、SVC分别从输电系统的串联侧和并联侧发挥“补偿”作用，能够显著改善系统的网架结构，优化系统的运行状态。在特定场合下，较之通过假设输电线路来达成相同目标，在经济性、可控性和工程实施的复杂性方面具有一定的优势。因此，单独配置或综合配置FSC/TCSC、SVC等装置道的输送能力。考虑到塔中-且末沿线地区自然条件、输电距离等因素，新架设线路难度较大、成本较高、工程周期也较长。为尽快消除输电瓶颈，基于现有网架结构综合优化配置FSC/TCSC和SVC的综合解决方案，达到提升输电通道的输送能力，改善受端电网的运行稳定性和电压水平，满足负荷增长和电力送出需要的目的。成为提升电力系统的输送能力及安全稳定水平的一个可行的解决方案，得到了业内的重视。

新疆电网是西北电网的重要组成部分，目前正处于快速发展的时期。随着新疆-西北主网联网750 kV第二通道于2013-06-27投运建成投运、哈密南-郑州±800 kV特高压直流输电工程的实施，显著增强了新疆电网的网架结构，有力提升了“疆电外送”的能力；但新疆当地电网特别是南疆三地州的电网构架仍然比较薄弱，电网的输送能力受到诸如电压稳定、暂态稳定等因素的制约。本文所研究的台远-塔中-且末输电通道集中体现了以上特点，电力送出需求与实际送出能力的矛盾十分显著。根据远景规划，塔中地区“十二五”期间负荷较为平稳，但且末地区负荷在“十二五”期间将有显著增长，预计2015年最大负荷将超出了目前的主要送出通道，即台远-塔中-且末220 kV输电通

1 台远-塔中-且末送出通道的稳定特性研究

台远-塔中-且末送出通道的基本网架结构如图1所示。其中，220 kV台远-塔中和塔中-且末的线路长度均在200 km以上，负荷与电源中心距离远，在末端负荷增加的情况下，系统的稳定性水平将急剧下降。

图1 台远-塔中-且末送出通道系统接线（局部）Fig.1System connection of taiyuan-tazhong-qiemo transmission channel（partial diagram）

基于PSASP综合程序，研究了台远-塔中-且末通道的稳定特性，确定了极限功率下的失稳模式，以此提出提升该通道输送能力的综合解决方案。本文对发电机采用了考虑次暂态过程的E″变化模型，对负荷采用了恒阻抗和感应电动机的组合模型，计及了发电机励磁系统和原动机调速系统的作用，研究对象主要是大扰动后的功角摇摆特性、电压稳定特性、功率振荡特性等稳定特性。重点分析的输电断面包括台远-塔中220 kV单回、塔中-且末220 kV单回、巴州-库尔勒220 kV双回、库尔勒-台远220 kV双回等。

分析表明，在目前网架结构下，台塔和塔且线的极限送出能力分别为64.6 MW和43.3 MW，不能满足未来的负荷增长需求。通过仿真计算确定，在当前电网结构下，约束性故障为塔中～台远线路塔中侧单瞬故障，故障的主要失稳模式为库尔勒地区的串珠电厂和塔中四电厂对新疆主网的振荡失稳。图2给出了临界稳定状态下串珠电厂、塔中四电厂对新疆主网的功角摇摆曲线（阻尼比为0.042）。

图2 临界稳定功角摇摆曲线Fig.2Power angle swing curves of critical stability

除了功角稳定性的因素外，由于且末地区作为远方的受端系统，缺乏足够容量的电源支撑，因而电压稳定的问题也十分突出。当前系统的电压稳定裕度较低，发生电压失稳造成110 kV及以下系统失去负荷的风险较大，在发生故障等大扰动的情况下，上述问题显得更为突出。极限潮流下3个关键母线的动态电压稳定特性如图3所示。

图3 动态电压稳定特性Fig.3Dynamic stability characteristic of bus voltage

2 FSC/TCSC工作原理与控制策略

在功能上，TCSC可以看作是容值可调的FSC。单机无穷大系统如图4所示，发电机G通过升压变压器T1、双回装设TCSC线路、降压变压器T2接到受端系统，受端系统可视为无穷大母线。

当线路没有装设TCSC时，发电机输出的电磁功率Pe为

式中：Eq为机组内电势；V为系统电压；δ为二者的相角差；Xd∑为机组到受端系统之间的阻抗，由发电机内电抗Xd，变压器电抗XT1、XT2，线路电抗XL组成，即

图4 装设TCSC的单机无穷大系统及其电路模型Fig.4Single machine infinite bus system with TCSC and related analysis model

当双回输电线装设TCSC时，从发电机到无穷大系统的等值电抗为

式中，XTCSC为TCSC容抗。则发电机输出的电磁功率方程变为

从稳定极限上来看，加装TCSC和FSC可以提升系统的稳定裕度和输送能力。根据控制目标的不同，TCSC的动态调节功能主要有暂态稳定控制[6-7]、低频振荡阻尼控制[8]、次同步谐振抑制控制等，上述控制策略最终都是通过对TCSC的阻抗控制实现。

基于PSASP分析软件，采用基于bang-bang控制的“强补”策略结合PID控制阻尼控制策略示意如图5所示，图中：X0、P0分别为TCSC阻抗、线路有功潮流的参考值；X1、P1分别为TCSC阻抗、线路有功潮流的测量值。“强补”策略在线路故障清除后的系统“第一摆”期间投入并持续一段时间，用以提升暂态稳定水平；阻尼功率振荡环节在“强补”过程之后投入，采用了PID调节的相移控制环节[8]，抑制潮流低频振荡，防止动态失稳。

图5 TCSC控制框图Fig.5Control diagram of TCSC

3 SVC工作原理与控制策略

SVC通过动态调节等效电纳的输出可为系统提供稳态和动态的无功补偿，起到提升系统小干扰（静态）和暂态电压稳定水平的作用，同时也可实现对功率振荡的抑制[9-10]。对SVC的控制目标进行综合评估，首先考虑在电压控制和阻尼控制之间控制效果的相互影响[10]，在控制参数的选择上优先考虑电压控制效果。巴州地区电网乃至新疆南部电网属于典型的远距离输电受端电网，与主网联系较弱，动态无功储备不足，电压稳定问题突出[11]，系统的低频振荡问题由TCSC阻尼控制来解决，可同时兼顾系统的电压稳定与系统阻尼的问题；其次，在研究电压稳定对输送能力的影响时，重点考虑了电压的暂态稳定性问题。一方面，由静态电压稳定极限所限定的潮流水平在电网结构较为薄弱的情况下往往偏于乐观，不能代表真实的输送能力；另一方面，静态电压问题一般可通过静态的无功储备得到解决，而以SVC为代表的动态无功补偿装置更适用于抑制电网的暂态失稳[12-13]。

本文所采用的SVC电压控制策略框图如图6所示。图中：VT、VREF分别为控制点电压的测量值和参考值；VEMAX、VEMIN分别为由SVC容量所决定的电压信号限幅值；T1、T2、T3、T4均为移相环节的时间常数；TS1为量测回路时间常数；KSVS为电压控制增益；BR为SVC的导纳输出。电压偏差环节采用经过移相和电压控制增益环节来计算输出导纳，移相环节也可用PID环节来代替。

图6 SVC控制策略框图Fig.6Control scheme diagram of SVC

4 提升输送能力的综合方案研究

4.1FSC/TCSC配置方案研究

台远-塔中-且末输电通道的送出能力较低，电网结构过于薄弱，电源中心与负荷中心距离遥远，受端系统又缺乏足够容量的电源支撑，导致以低频功角振荡和功率振荡为主要失稳模式。

为满足电力送出的需求，首先，在台远-塔中、塔中-且末线路上装设FSC。表1中给出了两段线路中各配置50%FSC（均配置在塔中侧）前后，极限潮流的变化情况。

表1 FSC的应用效果Tab.1Application effect of FSC MW

由表1可以看出，加装FSC后，塔中-且末的输送能力有了显著的提升。但由于新疆电网结构较为薄弱，在长距离送电通道的末端发生短路故障等扰动后，弱阻尼的低频振荡问题较为突出，限制了送出能力的进一步提升。仿真研究表明，该振荡主要发生在台远-塔中220 kV线路、塔中-中心110 kV线路上，振荡波形如图7所示。

图7 低频功率振荡波形Fig.7Low-frequency power oscillation curves

图中的主导振荡分量幅值为0.153 8 p.u，振荡频率为1.89 Hz，振荡中心位于台远-塔中线路，其阻尼比仅为0.010 3。该弱阻尼的振荡模式是导致系统故障后长期处于振荡过程的主要原因，对系统的安全稳定运行和电力的可靠送出十分不利。

其次，在塔中-且末线路上装设50%的FSC，在塔中-台远线路上装设40%FSC+10%TCSC，这个方案对电力送出能力和稳定水平具有提升作用。FSC主要用于缩短输电通道的等效电气距离，提升系统的静态和暂态稳定水平；TCSC主要用于对系统中的低频振荡提供附加阻尼，确保系统扰动后动态过程的稳定性。为充分发挥TCSC部分的运行效益，同时考虑系统故障后“强补”控制对暂态稳定性的支撑作用。

TCSC的基本容抗为10.526 Ω，长期工作容抗为12.631 Ω。选取额定电流时，考虑了负荷电流的增长、区外故障时串补承受摇摆电流的能力等因素并考虑一定裕度后取额定电流650 A，额定容量16.01 Mvar（额定提升系数1.2），控制过程中的最大提升系数取3.0，容性调节范围为每相10.526～31.578 Ω。

TCSC的控制特性及对系统低频振荡的抑制效果如图8所示。由图可见，TCSC的阻尼控制对系统功率振荡起到了良好的抑制作用。功率低频振荡和系统动态稳定水平得以提升，台远-塔中-且末通道的送出能力进一步提高，当限制故障为塔中-台远线路塔中侧单瞬故障时其应用效果如表2所示。

图8 TCSC的阻尼控制及其抑制效果Fig.8Damping control output of TCSC and its inhibiting effect

表2 FSC/TCSC的应用效果Tab.2Application effect of FSC/TCSCMW

仿真研究表明，配置TCSC后，制约系统输送能力的失稳模式已经变为受端的电压暂态稳定问题。这就需要进一步采用动态电压支撑装置，提升系统的电压暂态稳定水平。

4.2 计及SVC动态电压支撑策略的综合方案研究

塔中、且末等厂站位于输电通道的末端，在负荷较重的情况下，面临较大的电压失稳的风险。研究表明，在极限潮流下，台远、塔中、且末等地区的稳态电压水平可以维持在0.95～1.05 p.u.水平内。但当塔中-且末线路送出功率超过极限且塔中-台远线塔中侧发生单相故障扰动时，且末、枣园等站的电压暂态稳定性将受到破坏，其电压暂态及动态特性如图9所示。

图9 相关母线电压的暂态稳定特性Fig.9Transient stability performance of buses voltage

由图9可看出，台远、塔中站的电压稳定性水平优于且末、城南、枣园等站，其原因一方面是后者位于输电系统的“末梢”；另一方面和台远站装设了RSVC装置有很大关系[14]，RSVC动态电压调节能力较强，对于临近的塔中站的电压稳定性也产生了积极的支撑作用；再则，且末、城南、枣园位于系统受端，距离电源较远。

综合分析电网结构，本文研究了在且末站37kV母线侧装设SVC，对输电通道负荷侧的电压支撑作用及对台远-塔中-且末输送能力的提升作用。通过比选研究，取SVC的三相容量为100 Mvar。且末、枣园等母线在极限潮流的限制性故障下，电压暂态稳定水平得到显著提高，电压暂态恢复特性及SVC的控制输出分别如图10和图11所示。

图10 大扰动后母线电压暂态特性Fig.10Post-disturbance transient stability of buses voltage

图11 SVC的控制输出Fig.11Control output of SVC

在综合考虑了FSC、TCSC、SVC的配置方案的情况下，台远-塔中-且末的输送能力可满足“十二五”期间的负荷增长需求，且兼具较好的系统阻尼、功角稳定性和电压稳定特性。限制故障为塔中-台远线路塔中侧单瞬故障时各解决方案的应用效果如表3所示。

表3 各技术方案的应用效果Tab.3Comparison on the effect of ttechnical schemes MW

表3中，方案0为原始系统，方案1为“且塔50%FSC+塔台50%FSC”的方案，方案2为“且塔50%FSC+塔台40%FSC+塔台10%TCSC”的方案，方案3为在方案2的基础上配置了且末SVC。从表中可以看出，方案1～方案3分别增加了台塔线的输送能力达32.5%，47.2%和94.3%，增加了塔且线的输送能力达47.3%，71.4%和141.6%。综合解决方案3完全可以满足未来的送出要求。作为综合解决方案研究的一部分，本文还评估了各方案的经济成本。考虑到设备容量优化的可能性，方案3的经济性仍远优于线路建设等基建投资。限于篇幅，不再赘述。

5 结语

台远-塔中-且末输电通道属于典型的长距离受端系统，末端的扰动极易引发暂态失稳、低频振荡和电压稳定性问题。文中根据该系统的特性，结合FSC、TCSC和SVC的功能特性，研究了解决送出能力与未来负荷需求矛盾的综合解决方案。仿真计算的结果也表明，在正确布点、合理确定容量、科学制定控制策略的情况下，通过加装FSC/ TCSC和SVC等装置能够显著提升系统的输送能力，稳定系统电压，抑制低频振荡。该方案相对于新架线路，具有基建投资小，可控性好，工程周期短等优点。

[1]DL/T 1219-2013，串联电容器补偿装置设计导则[S].

[2]周孝信，郭剑波，林集明，等．电力系统可控串联电容补偿[M]．北京：科学出版社，2009．

[3]张颖（Zhang Ying）.考虑暂稳约束下含TCSC联络线的传输能力（Transmission ability study of tie-line mounted TCSC considering transient ability constraint）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（3）：127-130，149.

[4]严伟佳，蒋平，顾伟（Yan Weijia，Jiang Ping，Gu Wei）. SVC阻尼控制附加信号选取的探讨（Discussion on additional signal selection of SVC damping control）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（2）：69-72.

[5]谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[6]柯宁，苏建设，陈陈（Ke Ning，Su Jianshe，Chen Chen）. TCSC与SVC用于提高输电系统暂态稳定性的仿真研究（Simulation study on TCSC and SVC to improve tran

sient stability of transmission system）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2004，28（1）：20-23，40.

[7]徐桂芝，李甲飞，武守远，等（Xu Guizhi，Li Jiafei，Wu Shouyuan，et al）.成碧线220 kV可控串补系统的控制策略和系统试验（Control strategy and system test of Cheng-Bi 220 kV thyristor controlled series compensation）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（20）：93-96.

[8]刘敏，周孝信，田芳（Liu Min，Zhou Xiaoxin，Tian Fang）．采用主备方式的TCSC次同步振荡附加阻尼控制策略（A main/standby mode based supplementary damping control strategy of TCSC for subsynchronous oscillation）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2011，35（11）：8-14.

[9]蒋平，栗楠，顾伟，等（Jiang Ping，Li Nan，Gu Wei，et al）. PSS和SVC联合抑制特高压网络低频振荡（Restraining low frequency oscillation of UHV power grid using PSS and SVC）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2009，29（7）：13-17.

[10]刘隽，李兴源，汤广福（Liu Jun，Li Xingyuan，Tang Guangfu）.SVC电压控制与阻尼调节间的相互作用机理（Interrelations between SVC voltage control and damping control）[J].中国电机工程学报（ProceedingsoftheCSEE），2008，28（1）：12-17.

[11]张玉琼，王新宝，程林，等（Zhang Yuqiong，Wang Xinbao，Cheng Lin，et al）.新疆-西北联网后新疆电网稳定特性及应对措施（Power system stability analysis and measurement of the Xinjiang grid after Xinjiang-Northwest power grid interconnection）[J].中国电力（Electric Power），2012，45（4）：1-4.

[12]袁志昌，刘文华，宋强（Yuan Zhichang，Liu Wenhua，Song Qiang）.基于暂态电压稳定指标的动态无功优化配置方法（Optimal allocation method of dynamic var compensation based on transient voltage stability index）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（14）：17-21.

[13]何中昌，宗伟，范婷霞（He Zhongchang，Zong Wei，Fan Tingxia）.SVC对河南电网电压稳定性影响的仿真分析（Simulation and analysis on the effect of SVC on the transient stability of Henan power grid）[J].现代电力（Modern Electric Power），2012，29（6）：23-26.

[14]张英杰，张龙，窦桑（Zhang Yingjie，Zhang Long，Dou Sang）.台远变电站35 kV RSVC对系统电能质量影响的仿真分析（Simulation and analysis on the impact of RSVC to system power quality）[J].新疆电力技术（Xinjiang Electric Power Technology），2010，（2）：5-8.

Integrated Solution for Transfer Capability Enhancement of Taiyuan-Tazhong-Qiemo Channel

SONG Xiao-tong1，DAI Yong-min2，WU Shou-yuan3，LIU Hui-wen3，WANG Yang3
（1.Information Engineering College，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.Electric Power of Xinjiang，Urümqi 830002，China；3.State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102200，China）

The restrictive factors of transfer capability of Taiyuan-Tazhong-Qiemo channel in Xinjiang grid are determined by comprehensive study to the grid.Especially the transmission limit of this channel is calculated and compared based on different scenarios.The feasibility of installing FSC，TSCS and SVC is systematically studied with considering the demand of forward load plan in different years of the gird.Based on the analysis of voltage stability，transient stability and dynamic stability for Taiyuan-Tazhong-Qiemo channel，the integrated solution of installing FSC，TSCS and SVC is proposed，as well as the parameters and programs about the mounting point of devices，and control strategies.

fixed series capacitor installation（FSC）；thyristor controlled series capacitor installation（TCSC）；static var compensator（SVC）；angle stability；voltage stability；transmission capacity

TM73

A

1003-8930（2014）09-0085-06

宋晓通（1982—），男，通信作者，博士，高级工程师，从事电力系统分析、FACTS技术理论研究与工程应用等方面的研究和教学工作。Email：mail_songxt@126.com

2013-12-24；

2014-04-02

戴拥民（1964—），男，本科，高级工程师，从事电力系统规划及管理工作。Email：daiyongmin@xj.sgcc.com.cn

武守远（1964—），男，博士，教授级高级工程师，从事电力系统分析与控制、FACTS技术及电力电子装置应用等方面工作。Email：pr_wooshy@sgri.sgcc.com.cn