江西南部电网受入直流电压稳定问题及无功补偿策略研究

郑春，肖定垚，聂更生，李映雪，李泰军，余雅峰

（1.国网江西省电力有限公司经济技术研究院，南昌 330077；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071）

0 引言

江西电网是华中电网的重要组成部分，位于华中电网末端，是典型的受端电网[1-4]，为满足江西未来电力供应需求，未来将考虑受入第2回特高压直流。

伴随着特高压直流的落点，江西南部电网将面临交直流混联运行问题以及大容量直流系统运行与控制导致的电压稳定问题。交直流混联运行问题主要由于交流联络支援能力不足引起，需对网架进行针对性加强。电压失稳问题则主要由于系统无功功率不足引起，一方面，直流换相失败的电压恢复过程中需要大量动态无功支撑，另一方面，潮流转移过程中同样也需要吸收大量的无功[5-9]。因此，需针对江西南部电网受入直流的电压稳定问题，分析其电压失稳的根本原因，提出有效的应对措施和方案。

本文以解决江西南部电网电压稳定水平为目标，首先通过直流短路比提出加强江西南部网架，其次全面扫描、分析江西南部电网的电压稳定水平和失稳机理，提出了相应的解决措施和方案；最后对各方案进行仿真分析和经济比较论证，提出江西南部电网电压稳定问题的解决方案。

1 江西电力系统发展形势

1.1 系统概况

2019年，江西省全社会用电量153 600 GWh，同比增长7.5%，全社会最大负荷25 310 MW，与2018年基本持平。截至2019年底，江西省全口径电源装机37 820 MW，发电量140 338 GWh。

截止2019年底，江西省500 kV电网已形成了“1个中部核心双环网+4个末端环网”的网架结构，见图1。覆盖了全省主要负荷中心，与湖北维持了3回线路联络，分别为磁湖-永修单回、咸宁-梦山双回线路。

图1 江西省2019年500 k V电网地理接线图Fig.1 Geographic wiring diagram of 500 k V power grid in 2019 in Jiangxi province

1.2 江西受入第2回直流研判

江西能源资源呈现出“缺煤、少水（能）、无油、乏气，新能源潜力不足”的特点，但电力需求持续增长，供需不平衡矛盾突出。随着全国能源不均衡性问题逐步显现，中东部地区实施减（等）煤量控制，煤炭消费降低，“北煤南运”需求减少，清洁能源受入需求增加，能源流向将由“北煤南运”逐步转变为“输煤输电”并举的格局。中长期，为缓解江西供给侧供应能力提升乏力的困局，江西需继续争取受入外电、提高外电比例。

从需求侧角度，江西各分区基本维持均衡发展态势，但南昌主中心和赣州副中心地位逐步明确，逐渐形成南北主副中心的负荷分布格局，江西受入第2回直流宜落点负荷中心。

对于中部电网，网结构日益紧密，短路电流问题突出，雅中直流落点中部的南昌地区，局部电网发展将面临规模扩大与发展裕度矛盾的挑战。同时，江西未来电煤主要依靠蒙华铁路运入，因此，江西煤电电源将主要在蒙华铁路沿线建设，将有利于提高中部电网的电源支撑能力。

对于南部电网，主要为吉安、赣州两地，其中赣州电源建设条件受限、电力缺口相对较大，但网架结构相对薄弱，需进一步提高其接纳直流的能力。

总的来看，江西中长期需继续受入第2回直流，并可优先考虑落点电力缺口较大的南部赣州地区，但需提高南部网架接纳直流[10]的能力。参考雅中直流规模，江西受入第2回直流规模暂按8 000 MW考虑。

2 直流方案与南部电网发展

2.1 短路比

短路比的定义通常通过图2所示直流模型进行等效。对于交流系统，可等效成一个理想的电压源E∠0°串联等值阻抗 |Z|∠θ，Pac+jQac为直流系统向交流系统传输的有功、无功功率。对于直流系统，Udc、Idc为直流的电压、电流，U∠δ为直流换流母线电压，Pdc-jQdc为直流传输至受端系统的有功功率和消耗的无功功率；Bc、Qc为并联的补偿电容及其提供的无功功率[11]。

图2 单馈入交直流系统简化模型Fig.2 Simplified model of single-infeed AC and DCsystem

短路比的定义为直流落点处的交流侧系统短路容量与直流额定功率的比值为

式中：Sac为直流落点处交流母线的短路容量；Pd为直流的额定有功功率；、Uac分别为直流落点交流母线的短路电流和额定运行电压。

通常而言，我们需要通过直流最小短路比来判断交直流系统的强度，即需要通过调整电源开机运行方式，找到直流交流母线的最小短路容量。

随着交直流系统控制的改进，目前普遍认为，当有效短路比大于3时为强系统，2.0～3.0属中等强度系统，小于2为弱系统[12-13]。

2.2 南部网架构建

随着经济的增长，预计至2035年，江西南部电网负荷将增长至15 140 MW，其中，赣州9 340 MW、吉安4 800 MW。电源方面，考虑吉安、赣州分别投产2个、1个规模为2 000 MW的电源点。此时，南部地区呈现电源相对偏少、负荷相对较大的特点，通过落点8 000 MW的直流满足负荷供应需求。

直流电网需要有较强的交流电网支撑，南部赣州目前通过3回500 kV线路与中部主网相联，略显薄弱，难以满足直流闭锁故障时的功率转移，直流双极闭锁情况下，南北3回联络线路需承担8 000 MW的功率转移需求，系统将出现失稳，因此，需对交流网架进行优化加强[14-15]。此外，现有网架结构下，直流落点后的最小短路比为2.5，属于中等强度系统，电网具有加强网架结构的需求。因此，首先通过直流最小有效短路比，对赣州近区网架结构进行校核补强，得到初步的网架结构，形成特高压直流出线8回、南北断面形成5回500 kV线路的结构，直流短路比提升至3.0，属于中强度系统和强系统临界，解决了直流故障情况下的功率转移能力不足问题，加强了系统结构强度，见图3[16]。

图3 南部网架与最小有效短路比Fig.3 South grid and minimum effective short circuit ratio

3 南部电网电压稳定问题及其应对措施

3.1 电压稳定问题及其机理分析

以前述2035年的规划网架为基础，对江西南部电网各类故障进行扫描，系统主要出现了2个特点。

第1个特点为直流单极闭锁、双极闭锁故障下，系统均可以维持暂态问题，均不会导致系统电压失稳。直流单极闭锁或双极闭锁故障后，潮流通过江西南北联络线路实现中部向南部的转移，电网功率重新分配从而达到新的稳定状态，此状态下，直流近区恢复电压水平均达到合理水平。

第2个特点为直流近区线路N-1、N-2故障下，系统存在2类问题：第1类问题是暂态稳定但近区电压偏低，电压恢复质量较差，恢复电压约0.92 p.u.左右；第2类问题是暂态失稳，但存在小部分故障可以通过调整初始状态电源无功出力，以提高系统动态无功支撑能力，从而使系统维持暂态稳定。直流近区线路N-1、N-2故障后，系统电压快速跌落，直流电压恢复以及大规模潮流转移过程中均需要大量的动态无功功率支撑，但作为受端的南部电网，多装设静态并联电容器，其提供的无功功率与电压的平方成正比，在低电压状态下无法为系统提供足够的动态无功支撑，同时，南部电源装机不足、南北电网联络薄弱，电源侧、电网侧的相关元件亦无法提供足够的动态无功支撑，因此，导致系统形成恶性循环而发生电压崩溃，导致系统失稳。

通过江西南部电压稳定问题及其机理分析，对江西南部电压稳定问题有了较为清晰的认知，即南部网架与中部电网的联络通道可以满足直流闭锁故障时的功率转移需求，但由于动态无功支撑能力不足，无法满足直流近区线路故障下，直流换相失败后的电压恢复过程中以及大规模潮流转移过程的动态无功支撑需求，导致系统出现电压稳定问题。

3.2 电压稳定问题应对措施

改善江西南部电网的电压稳定问题还是需要从动态无功支撑能力不足这个根本原因去解决，可考虑3类应对措施：

1）改变网架结构、增加对外联络，提高电网动态无功支援能力。江西南部电网与中部电网的距离较远，规划网架中其联络已经有所加强，同时南部电网存在内部功率转移时的动态无功支撑问题，通过加强联系难以解决南部电网的电压稳定问题。对于江西南部网架，可以考虑建设赣州特高压站点来解决动态无功支撑能力不足问题，但本文主要考虑无特高压情景下的动态无功问题研究。

2）新增电源，提高电源侧动态无功支撑能力。江西南部电网的赣州地区离蒙华铁路相对较远，电源建设条件相对较差，前述已考虑新增1个煤电电源点，继续新增煤电电源点的难度较大，不确定性较高。

3）增加动态无功补偿设备，提高近区电网动态无功支撑能力。动态无功补偿装置响应速度快，可为系统提供动态无功支撑，改善系统的电压特性和稳定特性，目前广泛应用在直流输电工程中，技术较为成熟，是提高江西南部电网电压稳定性的较优选择。经过多年的实践，目前应用范围较广的动态无功补偿装置主要有同步调相机和静止同步补偿器，本文后续通过对比这2类动态无功补偿方案，以研究江西受入第2回直流对南部电压稳定影响，以及动态无功补偿设备的选择。

3.3 动态无功设备配置方案

3.3.1 调相机

同步调相机是一种特殊运行状态下的同步电机，没有原动机和调速器等控制环节，是在无动力也无机械负荷下运行的，能够连续地向系统提供或吸收无功功率的同步电机[17-20]。

同步调相机的无功功率控制与同步电动机一样，主要通过改变励磁电流大小实现功率控制，在电网发生故障瞬间可以释放大量的无功，迅速提高母线电压，减少直流同时或连续换相失败的概率。例如，调相机在直流故障后进行强励，为系统提供无功功率支撑；故障清除后，若电压未能恢复至稳态运行要求范围时，调相机则进入迟相运行，以提高系统稳态电压水平[22-23]。同时，其作为旋转设备同步调相机将向系统提供转动惯量和短路电流，提高系统短路比，增强系统强度。

3.3.2 静止无功发生器

静止无功发生器（static var generator，SVG）是属于静止同步无功补偿装置的一种。通过调节逆变器输出电压的幅值、相位或者直接控制交流侧电流幅值和相位，SVG可以快速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功功率因数的目的。SVG本身可以看作电流源，输出的电流可以改善原电压的特性且不受其影响，同时，其可以实现平滑连续控制，减少由于无源装置产生的高电压波动，有利于提高电力系统的稳定性。

3.3.3 配置方案

江西南部网架的电压稳定问题主要分为2个层面的问题：一是联络线路的动态无功支援能力不足，二是故障方式下潮流转移需要大规模的无功支撑能力。针对此类问题，调相机以及SVG均可以妥善解决，并取得较好的效果。

动态无功装置的选择需考虑技术和经济两个方面的影响，因此，配置规模是影响技术方案选择的重要影响因素，本文以“解决系统电压暂态稳定问题”为配置依据，即使系统暂态不失稳的最小动态无功补偿规模，可拟定2个方案。

经计算校核，系统暂态稳定的控制故障为“泰和-赣州北N-2故障”，在此故障下，系统配置的动态无功补偿装置方案为：

方案1-调相机方案：在图2的规划网架方案上需在近区装设3台300 Mvar的调相机，装设于直流换流站母线处。

方案2-SVG方案：在图2的规划网架方案上需在近区装设约1 200 Mvar的SVG，分别在赣州东、红都、雷公山、赣州西装设400 Mvar。

4 仿真分析及经济比较

4.1 仿真分析

以江西电网规划水平年的夏季高峰典型方式为例，对近区故障进行扫描，系统电压暂态稳定的控制故障为“泰和-赣州北N-2故障”。控制故障下，系统不采取任何措施时和装置不同动态无功补偿装置时的响应情况见图4-6。

图4 控制故障下直流换流站母线电压Fig.4 Bus voltage of DC converter station under control fault

1）直流换流站母线电压恢复。

图4所示为直流换流站母线电压，系统不采取措施时，控制故障下，系统电压失稳；系统采用方案1或方案2的动态无功补偿方案时，在近区装设3台300 Mvar的调相机或1 200 Mvar的SVG，系统暂态电压特性得到改善，系统稳态电压可以恢复至1.0 p.u.左右。

对直流换流站母线电压恢复曲线进行采样分析，结果见表1。从表1可以看出，在电压恢复过程中，100周波之前，两个方案的电压恢复水平基本一致，100周波之后，SVG方案的电压恢复更快，调相机方案的电压仍会有小幅波动，波动幅度逐渐变小。

图6 控制故障下SVG无功出力曲线Fig.6 Reactive output curve of SVG under control fault

表1 直流换流站母线电压恢复曲线采样结果Table 1 Sampling results of bus voltage recovery curve of DC converter station

2）动态无功设备出力。

图4和图5分别给出了调相机和SVG的动态无功出力曲线。调相机和SVG均在短时内响应，为系统提供了强有力的动态无功支撑，并在系统电压恢复后，逐步减小无功出力，稳态时，调相机和SVG的无功出力均相对较小。

图5 控制故障下调相机无功出力曲线Fig.5 Output curve of phase modifier under control fault

对控制故障下调相机和SVG无功出力曲线进行采样分析，结果见表2。调相机和SVG的无功出力均可以满足系统需求，无功出力随着电压的恢复而不断减小。对于装设在不同站点的SVG装置，其响应曲线基本一致，但响应的无功出力幅值有所区别，以满足不同地区的动态无功补偿需求。

表2 无功出力曲线采样结果Table 2 Sampling results of reactive power output curve

总的来看，调相机和SVG均可以解决江西南部电网受入2回直流后的电压暂态问题，响应速度和电压恢复水平均可以满足系统运行要求。

3）直流最小有效短路比。

调相机为旋转设备，将向系统提供转动惯量和短路电流，采取调相机方案将进一步提高江西南部直流的最小有效短路比至2.9。SVG为静止设备，基本不向系统提供或少量提供转动惯量和短路电流，因此系统最小有效短路比不变，仍为2.4。

江西南部电网短路电流水平相对较低，无短路电流问题，考虑调相机方案[24]可以提高直流有效短路比，增加系统强度。

4.2 经济比较

对上述2类技术方案进行经济性比较，结果见表3。按目前的装备制造水平，调相机和SVG的单位造价分别为70万元/Mvar、35万元/Mvar，相应的投资分别为6.3、4.2亿元。

表3 经济比较结果Table 3 Economic comparison results

在2个方案均可行的条件下，配置SVG的投资相对较低，经济性相对较优，可以优先考虑。

4.3 综合比较推荐

调相机和SVG均可有效解决江西南部电压稳定问题，取得较好的电压恢复效果。调相机将为系统提供短路容量，在江西南部短路电流不高的前提下，增加系统强度，有利于系统运行；SVG方案的经济性相对较优，布置灵活。

考虑到江西南部系统强度为中强度，仅存在受入直流后的电压稳定问题，且主要由动态无功不足引起，对系统结构强度的提高需求有限。因此，在调相机和SVG均可行的前提下，推荐优先考虑采用投资相对较少的SVG方案。

5 结语

江西南部电网是典型的负荷中心、末端电网，具有电源支撑能力不足、受电需求较大等特点，落点第2回直流后，南部电网将出现动态无功支撑能力不足而导致的电压暂态失稳问题。

为解决上述电压稳定问题，本文根据江西南部电网的实际需求，在规划目标网架基础上，提出调相机和SVG等2类解决措施，并进行了仿真分析和经济分析。仿真计算表明，调相机和SVG均可以有效解决江西南部网架的电压稳定问题，在各类故障下，电压均可恢复至正常水平。经济比较表明，SVG配置方案的规模相对较大，但投资单价相对较小，因此投资也相对较小。因此，可以在调相机和SVG均可行的前提下，可以优先考虑采用SVG方案。