复杂网络电磁环网环流分析及其控制

李春敏

（国网宁东供电公司 宁夏回族自治区灵武市 750411）

1 电磁环网的定义及环流的影响

高低压电磁环网是电磁环网在电力学范畴里的称呼，直白一点解释就是将两组电压等级等同的线路通过联接两端的变压器磁回路形成并联运行的电网。而产生环流的原因是因为现代电网的电压等级因等级越高电路系统就能以更小的损耗输送更大的功率而在持续的提高，但在实际要做的过程中，在向更高级电压的电网传递时，由于原本的电网结构不够坚固，一般情况下就会形成若干个电磁环网一起运行的现象,进而产生环流。而该过程中的负荷转移很有可能造成较大的安全事故，破坏电路系统的稳定，还会造成电力资源的不必要浪费。因为电磁环网功率环流的存在对电路系统的安全经济运行有着较为严重的影响：

（1）会影响电网系统稳定运行，进而破坏掉系统的热稳定，就会引起系统振荡等等一系列现象；

（2）会对工作人员设置的三道防线产生严重的影响，会对继电保护整定工作的难度产生很大的影响，同时也使电网工作人员设置电网安全稳定控制系统更加复杂，从而为系统带来故障隐患；

（3）会影响电网系统运行的经济性，由于特高压和超高压电磁环网中会产生功率环流，就会使得在运行系统的过程中产生额外的有功损耗，使得部分电力公司承担了本不该承担的费用，也造成了电力资源的不必要浪费。

所以如何加强对电磁环网环流的控制研究具有十分重要的现实意义，值得各大学者专家致力研究。

2 复杂网路电磁环网环流控制的现状分析

2.1 国内相关研究现状分析

研究表明，我国的电磁环网环流问题比较突出，为电网日常的运行管理工作带来了不必要的负担，也影响国家电网的进一步发展。而相关专家学者若能成功解决电磁环网的环流问题，可以方便调整潮流、快速处理电网事故、简化继电保护和安全自动装置工作、限制短路的容量等，所以解决电磁环网的环流问题也成了国内外众多专家学者的研究共识。在国内以东北电网作为解决电磁环网的环流问题的例子，在2007年的冬季，东北电网首次完成了电磁环网解环的工程，造福了整个东北，使得整个东北电网在日后的电磁环网解环工程有了一个良好的基础。国家电网公司在2007年这一年的时间内，就相继完成了15 个网络电磁环网解环的工程，且电压都在220kv 以上甚至更为复杂。随着科学技术的飞速发展，电磁环网解环工程也在不断进步，现如今，我国已经基本完成了220/110kV电网的电磁环网解环工作，由于电磁环网较多的存在于500/220kV电压的电网系统中，750/330kV 及1000/500kV 以上电压电网系统中电磁环网存在较少，而随着国家电压等级的不断提升，更高电压等级的电磁环网正在形成。在电网运行的初步阶段，由于电磁环网的出现，还可以在一定程度上提高电网供电的可靠性以及灵活性，但到了后期阶段，一般情况下还是会为电网系统的运行带来必不可少的麻烦。为满足日益增长的电能需求，因为新建输电线路需要国家巨大的投资，而近年来FACTS 技术又在迅猛发展，国内专家对FACTS 技术也做了不少的相关研究，经过研究可以得出，FACTS技术对现有电气设备的容量利用效率的提高有很大的帮助，在电力系统稳态、暂态和次暂态这三种工况下，都能起到相应的作用，这为输电系统的新建和改造升级提供了新思路。

2.2 国外相关研究现状深入分析

从调查数据中可以得出，国外将研究的重点放在了抑制电磁环网内出现功率环流上，针对重大的停电事故，相关专家学者只是把研究重点放在加强继电保护及改进电力自动安全装置等方面，没有重点研究电磁环网解环的工作，因为独立开放的电力市场缺乏统一的调度和规划，在电路建设完成后针对复杂的电路网路电磁环网解环的代价较大，因此国外对于电磁环网问题的研究重点大部分停留如何分布功率环流上，或者采用柔性交流输电技术使得电磁环网中的功率环流得以消除，进而确保电网系统的安全经济运行。相关研究已经证实移相变压器、旋转潮流控制器、晶闸管控制串联电容器、静止同步补偿器、线间潮流控制器等等，这些FACTS 控制器都可以在控制电磁环网的功率环流中进行工作，不同的控制器也会产生不同的控制效果，如何合理运算应用这些控制器，从而切实解决电磁环网中环流问题，还需众多学者专家的致力研究。

3 复杂网路电磁环网环流控制技术的探究

3.1 常规控制技术

3.1.1 常规的电力系统潮流控制方法

可以使用常规的电力系统潮流控制方法，比如使用发电机来控制、抽头切换变压器、并联无功补偿以及相位角调节器等等，其在电磁环网功率环流中的作用效果可以通过在动态响应和控制范围方面的缺陷来进行更好的制约，从而达到减缓电磁环网中功率环流的影响。

3.1.2 分布式串联阻抗（DSI）技术

分布式串联阻抗（DSI）技术作为目前最简单的技术手段，工作原理是通过将串联电抗或者串联电容嵌入到特定的输电线路中，使得线路的参数得到改变，进而可以更好的控制潮流分布的效果。

3.1.3 基于晶闸管阀的FACTS 装置

基于电压源变流器的新型FACTS 技术和基于电压源变流器的HVDC 技术近几年来发展迅速，在无功潮流、有功潮流和动态响应独立控制方面的缺陷以及谐波等问题可以制约其在电磁环网环流控制中的作用，为复杂电力网络系统的电磁环网环流问题的解决，提供了更加恰当的思路和途径。

3.2 基于VSC的HVDC技术

3.2.1 环网功率控制器（LPC）技术

国外有专家提出利用环网功率控制器即LPC 来调节电磁环网潮流，通过直流背靠背的方法在合环点实现潮流的双向控制，能够很好的减小分布式电源接入后引起的节点电压偏差量越限，在解决潮流流动管理以及短路电流增加等等问题时也发挥良好的作用。相关研究表明LPC技术能够应用到输电网的中去，但就目前情况来看，所需要的整体成本还比较高，一般用户难以负担该费用，通常在长距离输电时才考虑使用该技术。不过随着电力电子技术的飞速发展以及相关电子设备成本的下降，该技术早晚会在国内的电网系统中大面积普及应用，以解决复杂电网电磁环网的环流现象。

3.2.2 BTB-HVDC 技术

相关文献调查研究结果中显示，通过对VSC-HVDC 换流站和直流输电线中的损耗作量化分析，发现VSC-HVDC 能有效控制无功和有功功率、送端和受端电压，在电磁环网的环流控制工程中可带来诸多优势。还有文献针对含VSC-MTDC 的交直流环网系统计及N-1 准则，总结并提出了能够安全约束矫正电磁环网潮流的最有效解决方法。

3.3 基于VSC的FACTS技术

随着国家经济水平的飞速提升，国民对电力资源的需求也在日益增长，但如果不能很好地解决电磁环网环流问题，势必会影响输电走廊线路的新建工程。随着FACTS 技术研究越来越成熟，通过对诸多文献的探究，发现它们都提出了从现辐射型配电网到环形配电网的转变，可以使得在系统接入分布式电源有一个更好的适应过程，这就使得节点过低电压、短路电流以及功率环流等等这一系列问题有了更好的解决方案。常见的FACTS 技术具体有以下几种。

3.3.1 串联型背靠背功率调节器

相关研究提出，要想更好的解决电磁环网功率环流的问题，能够使用串联型背靠背功率调节器平衡功率的方法来解决，但由于需要安装在馈首端才可以使用串联型背靠背功率调节器，由不同变电站馈线所构成的环网中就不能很好的使用，需要进一步研究解决。

3.3.2 SSSC 和D-SSSC 技术

研究表明将SSSC 与储能装置联接，SSSC 能够提供容抗补偿和动态感抗，进而达到控制独立的有功和无功功率的作用，但目前SSSC 只能作为UPFC 的一部分考虑到其设备的成本经济性问题。另外有研究发现通过D-SSSC 将常规的辐射型配电网联接成环网，可以提高电网的运行可靠性，方便节点电压的管理，并促进分布式能源的利用，为解决电磁环网的环流问题提供了解决方法。另外还有研究发现，D-SSSC 相比于串联型背靠背功率调节器来说，能够在不同的变电站馈线构成环网的情况中运用。

3.3.3 IPFC 和GUPFC 技术

IPFC 是有效实现将SSSC 用于环流控制的技术手段，由多个串联于不同线路的SSSC 和公共直流电容组成。相关文献通过对IPFC进行了建模分析，分析结果表明IPFC 具有同时控制无功和有功功率的功效。

3.3.4 UPFC 技术

UPFC 是一种将STATCOM 和SSSC 技术组合应用的技术，对于优化现有的电网系统运行，阻尼系统的振荡、提高系统暂态稳定等具有显著的作用，能有效解决功率输送不平衡的问题，实现有功和无功功率独立控制，提升电网潮流输送的灵活性，应用前景广阔。相关文献研究将UPFC 直接装在中压网络能起到抑制电磁环网环流的效果，另外通过分析UPFC 的经济可行性，如何实现环形配电网系统损耗最小化的经济条件，可以推理得出两种关于环网损耗最小的UPFC 控制策略，其一是线路电压补偿控制，其二是线路电感补偿控制。

3.3.5 可控网络变压器技术(CNT)

CNT 具有变换器容量小、对低频变压器的要求低、成本低等优势，相关文献也对CNT 的运行做了解析表达式，得出CNT 可以在高压电网中得以应用解决环网环流问题。

3.3.6 其它技术

除了以上几种相关研究较多，趋于成熟化发展的控制技术，有专家提出了一种新颖的潮流控制器即电力路由器(PR)，该控制器可以保留VSC 和CNT 的优势，无需串联变压器，制造成本上也颇具有竞争力，能在现存的LTC变压器上进行改造以完成技术上的过渡。相关研究表明PR 还可应用于FACTS 装置上如BTB、CNT、UPFC和DSI 等装置的改造，具有很强的应用扩展性和市场价值。

综上所述，通过分析国内外专家学者对解决电磁环网环流的控制问题上做出的相关研究现状，对以上复杂电网系统电磁环网的环流控制技术的简单介绍。理论上的各种研究表明，在电磁环网环流控制中应用以上介绍的各种控制技术手段都会起一定的控制效果。其中一些常规技术已经在多年前应用于解决电磁环网的环流问题，现在技术较为成熟。FACTS 技术在电网综合智能控制方面及VSCHVDC 技术在电网间互联和城市电网供电等方面都表现较为突出，是未来更好解决电磁环网环流问题的研究重点。另外还有部分新兴控制技术手段如IPFC 等虽然已通过仿真计算机得以验证其功效，但因其成本、制造、安装等问题难以解决，至今未能应用到实际的工程中，需要科学家们进一步的努力研究，进而切实解决电磁环网环流控制问题，为国家电网的建设拓展迈向新阶段作出贡献。