特高压电网可控高血压的需求和布点分析

特高压电网可控高血压的需求和布点分析

0安装特高压可控犯罪目前，中国正在积极建设强大的智能电网，如特高压电网（uhv）。各级电网的协调发展将更加紧密。它具有自动化、自动化、互动功能、输电网的可见性和可控性。可控高抗作为输电网中重要的无功电压调节手段备受关注,成为构建坚强智能电网不可或缺的可控设备之一。在特高压电网中,特高压交流线路单位长度的电容充电功率大,是500kV线路的4~5倍。为了限制过电压,需要在长距离特高压线路上装设高补偿度的线路高抗,但是高补偿度的线路高抗也为系统重载运行带来了较大的无功负担,增加了系统的网损,影响了特高压线路的输电能力。简言之,特高压线路在长距离重载情况下限制过电压和容性无功补偿的矛盾较为突出。为解决这一矛盾,原则上需要在长距离重载线路及潮流变化大的外送线路上安装特高压可控高抗(controllableshuntreactor,CSR)(以下均指线路可控高抗)。随着我国特高压电网规划和建设的不断深入,亟需对可控高抗在特高压电网中的需求和布点作出更加定量和科学的研究和判断。这就需要快速合理的无功平衡分析方法以确定系统中容性无功的缺额和地点。目前常用的容性无功平衡分析方法一般只针对链状输电工程,以逐段线路为中心,由潮流软件计算逐段线路及其两侧变电站主变的无功需求,然后检查两侧变电站主变低压侧的低压电容(以下简称低容)是否可以提供这些无功需求。这种方法往往导致变电站低容补偿容量被重复计及,因此易得出偏乐观的结论;而且这种方法在处理网状结构时显得无力。针对上述情况,本文将提出一种以变电站为中心的电力系统无功平衡快速分析方法。该方法深入分析并充分利用无功需求和有功传输之间的定量关系,可仅基于有功电力流,非常适合于电网规划阶段。本文随之将这种方法应用到特高压电网可控高抗的需求和布点研究中,不仅可以对指定的规划方式进行快速定量分析,还可以给出变电站临界潮流和变压器负载率之间的关系曲线及其变化趋势,从而增强研究结论对不同负载水平和运行方式的适应性。1基于变量中心的快速补偿分析1.1特高压电网架构及容量的确定电力系统安全稳定导则及电力系统电压和无功技术导则都指出,电力系统的无功应以分层分区就地平衡为原则,避免经长距离线路或多级变压器传送无功功率。具体到特高压电网,分层平衡就是要控制特高压变电站的主变500kV侧开关处的无功交换,尽量使其为0。本文在此特别指出:特高压电网的无功分区平衡应以特高压变电站为中心,特高压站内的容性无功补偿容量应为该站所有特高压进出线的容性无功需求的一半与该站主变的容性无功需求之和;如果进出线的对端为开关站(开关站没有补偿能力),则该条线路的所有无功需求应全部由本站来承担。1.2基于容性无功补偿的一进一事型结构模型根据远景年全国特高压网架规划方案,大多数特高压变电站都有2个进线通道,2个出线通道,即“两进两出”型变电站。因此,本文主要以“两进两出”型特高压变电站为中心建立无功平衡的模型,计算无功缺额,从而确定是否有对额外无功补偿设备的需求。值得指出的是,这种方法也适用于其它电压等级。图1为远景年最常见的两进两出型特高压变电站,即有2个进线通道(不包括就近直接接入变电站特高压母线的大电源接入线)、2个出线通道的特高压变电站示意图。首先分析输电线路(含线路高抗)的无功需求,线路模型如图2所示。图2中各量为标幺值(以下如无特别说明,文中各量均为标幺值),当线路传输有功功率P时,其阻抗元件R+jX上损耗的无功为△Q,则由Ui≈1,cosφ≈1可得即阻抗元件传输有功时的无功损耗约为有功功率的平方乘以元件电抗,这样就建立了元件输送有功与其无功损耗之间的直观定量数学描述。所以,如图2所示线路的容性无功需求为式中:Qsh为线路并联电抗所发出的感性无功;Qc为线路分布电容所发出的容性无功,且有:还需说明,为保守起见,不考虑就近直接接入本站特高压层面的大电源的无功出力,即本站特高压层面直接接入的大电源只注入有功,不注入无功。值得指出的是,在规划阶段有功电力流相对确定,而无功潮流不确定性相对较大的情况下,为了把握问题的本质,作以上一系列的简化和处理是比较科学的,也是必须的。为了求得临界潮流,对于两进两出型、一进两出型、两进一出型、m(m<2)进n(n<2)出型变电站都需要经过必要的数学变换(详见2.2节),得到等效的一进一出型结构模型,以减少待求变量个数,便于列写无功平衡方程,求解临界潮流。等效一进一出型变电站示意图如图3所示。图3中,Pin为进线线路的有功潮流;Xin为进线线路的等效电抗;Qsh.in为进线线路并联电抗所发出的感性无功;Qc.in为进线线路分布电容所发出的容性无功;下标.out代表出线线路的对应量。图3特高压变电站的有功潮流平衡如图4所示。图4中,Pload为变电站主变潮流(下网为正);Pinject为就近直接接入特高压层面的电源注入潮流,如没有电源直接接入,则为0。至此,可以得到一进一出型特高压变电站的有功潮流平衡方程式:根据1.1节中所述无功平衡原则,线路无功需求的一半由本侧变电站来提供,另一半由对侧变电站提供(对侧为开关站则全线无功需求均由本站提供),则可得到特高压变电站的容性无功平衡方程式:式中:Qdemand.in为所有进线通道的容性无功需求之和;Qdemand.out为所有出线通道的容性无功需求之和,Qdemand.t为变压器的容性无功需求;Qlc为变电站的最大低压容性无功补偿容量。根据式(2)、(3),在工程上近似有将式(8)—(10)代入无功平衡式(7),并与有功平衡式(6)联立,即可整理得到关于Pin的二次方程:式中:即可求得临界进线潮流:解得临界进线潮流Pin.crt后,将其代入有功平衡式(6),即可解得临界出线潮流Pout.crt。1.3敏感性分析1.3.1容性无功补偿能力与进口无线网络线路系统的匹配关系上述方法中,进出线临界潮流是在给定主变负载为常数时而求取的,因此,必须研究主变负载率变化时的临界潮流变化情况,以把握临界潮流随主变负载率的变化趋势,扩大研究结论的适用范围。据式(7)—(11),特高压变电站的容性无功需求为则当Pload=Pload.cr时,变电站的容性无功需求Qdemand取得最小值。这实际上是求当进线潮流和特高压层面电源注入功率给定时,它们的和在主变负载和出线潮流之间如何分配才能使得无功损耗最优的问题。从式(15)可以看出,当主变负载和出线潮流按照主变电抗和出线通道等效电抗的一半进行反比例分流时,总体的无功损耗最小,即变电站的容性无功需求最小。反向推理可知,当变电站所能提供的容性无功补偿能力一定时,如果主变负载Pload=Pload.cr,则临界进出线潮流可取得最大值;如Pload<Pload.cr,则临界进线潮流随主变负载率增大而增大;如Pload>Pload.cr,则临界进线潮流随主变负载率增大而减小,即随着主变负载率的增加,临界进线潮流为一条先升后降的曲线,在Pload.cr处达到其最大值。1.3.2无功缺额的消除下面定性分析主变负载Pload和特高压层面注入潮流Pinject的变化对临界潮流解的性质的影响。1)特高压层面注入潮流不变,主变负载率变化。如为升压站,随着主变上网负载率的增加,当解得临界进线潮流为负时,则说明此时主变上网功率过大,以至于临界进线潮流只有反向变为出线潮流,才能满足无功平衡的需要,否则将出现无功缺额。如为降压站,随着主变下网负载率的增加,当解得临界出线潮流为负时,则说明此时主变下网负载过大,以至于临界出线潮流只有反向变为进线潮流,才能满足无功平衡的需要,否则将出现容性无功缺额。随着主变负载率的变化,当二次方程式(11)出现虚根时,则说明此时主变下网(或上网)的负载过大,以至于即使进线潮流的绝对值为0,也仍然不能满足无功平衡的需求,从而出现了容性无功缺额。2)主变负载率不变,特高压层面注入潮流变化。随着特高压层面注入潮流的增加,当解得临界进线潮流为负时,则说明此时特高压层面注入潮流过大,以至于临界进线潮流只有反向变为出线潮流,才能满足无功平衡的需要,否则将出现容性无功缺额。随着特高压层面注入潮流的增加,当二次方程式(11)出现虚根时,则说明此时特高压层面注入潮流过大,以至于即使进线潮流的绝对值为0,也仍然不能满足无功平衡的需求,从而出现了容性无功缺额。1.4进线通道等效电抗式(11)—(13)中,求取进(出)线路的等效电抗是关键,其难度最大之处是对不同长度的进(出)线通道进行合并,使得一定的有功在等效电抗上所产生的无功损耗可以综合反映相同有功在不同进(出)线通道之间分配时各通道的无功损耗总水平。下面就以两个通道的等效电抗为例,研究其求解方法。设进线由2个通道a、b组成,设其电抗分别为Xa、Xb,通过的有功潮流分别为Pa、Pb,且Pa+Pb=PT,即进线潮流为PT,则进线通道电抗的总无功损耗为以Pa为自变量,则一个函数在自变量某区间内的平均值等于这个函数在此区间的定积分值除以该区间的长度,所以,当Pa在0到PT之间变化时,进线电抗无功总损耗的平均值为所以,通道的等效电抗是(Xa+Xb)/3。如果线路规格参数一样,那么进线的等效长度是(la+lb)/3,la、lb分别为通道a、b的长度。采用类似方法,可推导2个以上通道的等效电抗。如果进线由3个通道a、b、c组成,设其电抗分别为Xa、Xb、Xc,则可先把其中2个通道等效合并成一个等效通道,再把此通道与第3个通道合并等效就得到这3个通道的等效电抗,这种组合方式有3种,即ab|c、a|bc、ac|b,根据以上分析可得等效电抗为5(Xa+Xb+Xc)/27。如果进线由4个通道a、b、c、d组成,设其电抗分别为Xa、Xb、Xc、Xd,通过的潮流分别为Pa、Pb、Pc、Pd且Pa+Pb+Pc+Pd=PT,则可先把其中任意2个通道两两合并成一个等效通道,再把其它2个通道两两合并成一个等效通道,最后再把这2个等效通道合并就得到这4个通道的等效电抗。这种组合方式共有3种,即ab|c、ac|bd、ad|bc,根据以上分析可得等效电抗为(Xa+Xb+Xc+Xd)/9。1.5双回线通道a+xb时达到最小值以最常见的双通道进线为例进行等效电抗分析的正确性验证。在这种情况下,式(16)对Pa求导,即通道电抗无功总损耗对Pa求导:分析式(19)并结合式(16)可知:进线电抗无功总损耗Qloss是一个关于Pa的开口向上二次函数,且当Pa=PTXb/(Xa+Xb)时达到最小值,为PT2XaXb/(Xa+Xb)。设特高压双回线通道a长125km,双回线通道b长196km,进线总潮流为50pu(SB=100MVA),则进线电抗无功总损耗和通道a潮流占进线总潮流百分比之间的关系图如图5所示。从图5中可以看出:当通道a潮流为60.5847%时,进线电抗总无功损耗最小,为2.1987pu,并且,进线电抗无功总损耗各点的算术平均值和经理论推导得出的计算值PT2(Xa+Xb)/3很好地吻合在一起,分别为3.1154pu和3.0846pu,说明理论推导正确。图5中还给出了另2种等效电抗方法的对比效果,即把2个通道电抗进行并联处理(XaXb/(Xa+Xb))和进行简单的算术平均((Xa+Xb)/2),结果可以看出前者过于乐观,后者过于保守,均不能正确反映通道无功总损耗的平均值。1.6临界潮流的稳定性上述分析是建立在等效基础上的,而对于一个实际的潮流方式,求得的临界潮流结果可能偏于乐观,也可能偏于保守。对于可控高抗需求分析而言,往往希望分析结果能够偏于保守,具体来说,就是当实际潮流小于临界潮流时,无功补偿是充分的,不需要安装可控高抗;而如果达到临界潮流,则可能存在可控高抗的需求,需要根据实际潮流进行分析。下面就以双通道为例,简单分析上述推导结果的适应性。实际无功损耗与等效无功损耗相等时的方程如下(左端为实际,右端为等效):解得:记其左右两根分别为Pa1、Pa2,对于1.5节中算例,可得Pa1=0.3015PT,Pa2=0.9197PT。所以,当Pa∈[Pa1,Pa2]时,实际损耗小于平均损耗,临界潮流是偏于保守的,即进线总潮流达到临界潮流时,可能仍不需要安装可控高抗;但是如果未达到临界潮流,就肯定不需要安装可控高抗,因此在用临界潮流进行筛选时不会出现漏站。这种偏于保守的情况,正是研究所需要的,说明临界潮流的数值留有一定的裕度,因此适应性较强。反之,当Pa∈[0,Pa1]uf055[Pa2,PT]时,实际损耗大于平均损耗,临界潮流是偏于乐观的,即达到临界潮流时,肯定需要安装可控高抗,但是如果尚未达到临界潮流时,就已经可能需要安装可控高抗,因此在用临界潮流进行筛选时就可能会出现漏站。这种偏于乐观的情况,是研究中所不希望看到的,说明临界潮流的数值没有留出一定的裕度,因此适应性较差。图6给出了随着m的变化,根据等效电抗求取的临界潮流的保守区范围变化图。从图6中可以看出:当m<1时,保守区范围约为[20%~40%,80%~100%];当1<m(27)2时,保守区范围约为[0%~20%,65%~80%];当m>2时,保守区范围约为[0%,60%~65%]。不管两通道电抗比m怎么变化,临界潮流的保守区范围总能维持大约60%的跨度,因此通道a潮流占进线总潮流的百分数很容易落入保守区范围,说明等效电抗的适应性是比较强的。2计算临界潮流,确定可控抗辩需求为了确保可控高抗需求分析的必要性和充分性,在实际分析时,采用理论临界潮流分析和实际无功平衡相结合的分析方法,具体方法流程图见图7。流程总体上可以分为两支:其中一支计算临界潮流,以确定目前潮流水平距离可控高抗需求临界点的裕度,并从总体上把握潮流水平与可控高抗需求之间的关系;另一支计算在指定方式下的特高压变电站的无功缺额,以校验是否存在正的容性无功缺额,若存在,则可能需要安装可控高抗。最后根据两支的计算结果,再综合考虑各种不确定因素,如低容是否能够全部投上,以及直接接入特高压站的电源的无功出力等,最终综合确定特高压变电站是否确有可控高抗需求。经过以上三方面的综合分析,得到的特高压可控高抗需求分析的结果是比较科学的,适应性较强。3边界潮流分析以锡盟—南京(东纵)特高压输电工程中的特高压可控高抗需求分析为例,验证本文提出方法的有效性。根据“由远及近”的需求分析原则,重点结合远景年基本方式说明东纵工程各站的需求分析情况,具体分析结果如表1所示。据表1,在远景年基本方式下,天津南和徐州站的进(出)线潮流分别超过其临界进(出)线潮流,济南站的进(出)线潮流大于其临界进(出)线潮流的90%,因此这3站可能存在可控高抗的需求。但是根据远景年基本方式下的容性无功平衡计算结果,只有徐州站的无功缺额为正数,说明在远景年基本方式下只有徐州站的确存在可控高抗需求。值得指出,天津南站的潮流水平虽然超过临界潮流,但是容性无功平衡能力校核的结果却是略有盈余32Mvar,这是因为天津站2个进线通道间的潮流分配关系(红点)落在保守区[26.99%,86.22%]内所致,所以临界潮流结果偏于保守,如图8所示。据表1,远景年基本方式下东纵工程各站临界潮流和实际潮流的直观柱状对比见图9、10所示。图9、10有助于直观比较变电站实际潮流距离临界潮流的裕度。对于下负荷的特高压降压站一般关注进线潮流对比图即可,而对于上网的特高压升压站则采用出线潮流对比图更为直观,但两图本质上是一致的,只不过是表现形式不同。考虑到远景年主变负载的不确定性,改变主变的负载率进行敏感性分析,得到各站的主变负载率和临界进出线潮流的关系如图11、12所示。图11、12中,每个站运行点括号内的数字分别代表该站在远景年基本方式下的主变负载率和临界潮流;正主变负载率代表下网负荷,而负主变负载率则代表上网功率(升压变),从两图中可以看出,临界进出线潮流先是随着主变负载率的增加而增加,然后开始随着主变负载率的继续增加而下降。当主变负载率达到约30%~70%(具体数值与出线通道等值阻抗和主变阻抗之比有关)时,临界进线潮流Pin.crt达到最大值,这与1.3节中敏感性分析一致。采用类似方法,综合考虑通道线路N-1情况分析、“十二五”末和东纵投产年情况分析、徐州站接入电源敏感性分析等因素,提出特高压可控高抗示范工程的推荐方案为:在徐州—南京一回出线上的徐州侧安装分级式可控高抗,总容量为600Mvar,共分3级,单级容量200Mvar,总可调容量为400Mvar。4uhvcsrs-roesrsso-scntifityssiceding本文提出了一种可仅基于有功电力流,以变电站为中心的电力系统无功平衡及其临界潮流快速分析方法,并将其应用到“东纵”工程特高压可控高抗的需求分析中,验证了方法的有效性。值得指出的是:本文方法在远景年特高压电网的可控高抗需求分析中已经被全面采用,2011年底投运的敦煌站750kV可控高抗也已采用基于本文方法的控制策略(详见另文),本文方法还可在提高大规模电网潮流计算收敛性、大电网动态无功备用优化技术研究中得到进一步应用。设Pload为自变量,Pin和其他参量为常数,则令并将此时Pload的值记为:WiththeplanningandconstructionofUHVstrongandsmartgridofChina,researchesonthecontrollableshuntreactor(CSR)asanimportantcontrolmeasureforvarandvoltagehaveattractedmoreandmoreattentions.Therefore,itisurgenttoanalyzeandstudythedeploymentofUHVCSRsscientifically.Inthepaper,firstly,thefeasiblevarbalanceprinciplesareproposed;secondly,thequantitiverelationshipbetweenthevardemandandtheactivepowerthroughthereactanceelementisanalyzedindepth.Furthermore,onlybasedonactivepowerflow,thefastanalysismethodofsubstation-centeredvarbalanceandcriticalpowerflowisproposedandappliedintothestudyofthedemandforandthedeploymentofUHVCSRs.Themethodcannotonlybeappliedintothefastquantitiveanalysisofthegivenpowerflowpattern,butalsobeusedtoobtaintherelationcurvebetweenthecriticalpowerflowandthetransformerloadrate,therefore,theadaptabilityofthestudyconclusionstovariousloadlevelsandpowerflowpatternsisincreased.ThefeasiblevarbalanceprinciplesintheUHVgirdlayerareproposedasbelow:Varthroughthe500kVcircuitbreakerofthetransformersintheUHVsubstationshouldbeaboutzero,andthevarcompensationinUHVgridshouldbesatisfiedwiththevardemandofthetransformerandhalfofthevardemandofalllinesconnectedtothesubstation.Thequantitiverelationshipbetweenthevardemandandtheactivepowerthroughthereactanceelementisanalyzedandobt