徐兴伟，岳 涵，吕昌霖

（国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180）

试验与研究

绥中百万千瓦机组改接华北侧高岭近区无功策略优化研究

徐兴伟，岳 涵，吕昌霖

（国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180）

绥中电厂2台100万kW机组改接至华北电网后，高岭换流站东北侧近区无功储备减少，无功电压调控方案可能影响直流向华北的送电功率，亟需开展无功电压调控方案的适应性和优化研究工作。根据实际电网，开展了目标在于充分发挥无功设备运行能力的控制方案优化研究工作，优化方案经仿真验证能合理安排高岭换流站东北侧近区动态无功储备，提高无功电压安全运行水平，并能提高部分运行方式下东北向华北的直流送电功率。

无功优化；控制方案；动态无功储备；仿真；直流

近年来东北电网负荷增长较慢，最大供电负荷不足总装机容量的一半，电力严重供大于求。为缓解电力供需压力，促进清洁能源接纳，国家组织开展了将处于东北、华北电网交界处的绥中电厂2台100万kW机组切改至华北电网工作。

绥中电厂现有2台80万kW和2台100万kW机组，2台100万kW机组改接至华北电网后，东北华北间背靠背直流东北侧动态无功储备明显减少，短路容量也有所降低，绥中电厂机组跳闸、高岭换流站周围线路跳闸都将明显拉低高岭换流站东北侧电压，进而影响东北向华北的送电能力，因此亟需开展绥中电厂2台100万kW机组切改后高岭近区无功控制优化研究工作，充分利用高岭近区无功设备的运行能力。

无功的运行优化研究工作通常以有功网损最小、电压水平最好等作为目标函数，在已知系统有功负荷、电源以及有功潮流分布情况下，通过优化计算来确定系统中各控制变量的取值，以寻找在满足各约束条件的前提下，使系统的某1个或多个性能指标达到最优时的运行方式［1－2］。近年来，在无功优化研究方面取得了较多成果。文献［3］提出了一种大规模电网分层分区无功优化模型及算法，根据电网解环运行及分层分区管理的特点，采用节点分裂法将电网进行分层分区解耦，建立相应的分解协调模型，并通过分解协调内点法进行求解。文献［4］提出了一种在系统暂态过程中考虑暂态电压安全的无功备用概念，并给出其对暂态电压安全贡献的评价方法及相应的修正系数，通过轨迹灵敏度方法实现对修正后的无功源动态无功备用的计算，建立提高系统暂态电压安全水平的无功备用优化模型，利用原对偶内点法进行求解。文献［5－6］根据1天内各负荷变化的剧烈程度，将24 h划分成若干时段，将动态无功优化问题简化成静态无功优化模型。文献［7］也采用了分时段的控制策略，将24 h的负荷分成若干负荷水平段，并用遗传算法对各段中采样的几个典型负荷节点进行求解，得到1天内各控制变量的运行表，其负荷分段数为设备的最大调节次数。文献［8］采用启发式规则来确定各控制变量的动作序列，并将动态无功优化模型简化为静态无功优化模型来求解。无功优化算法，通常可分为经典优化算法和人工智能优化算法。经典优化算法主要包括梯度法、线性规划法、牛顿法、内点法、二次规划法、整数规划法及动态规划法等。人工智能优化算法中，具代表性的有模拟退火算法、禁忌搜索法、遗传算法、人工神经网络及粒子群算法等［9－11］。此外，许多学者还将多种算法相结合，提出了几种功能互补的混合优化算法。

与常规无功电压优化研究相比，本文所开展的无功优化研究，目的在于充分发挥高岭近区无功设备对电压的支撑能力，以最大限度提高东北向华北的送电能力。为此，本文针对高岭近区实际电网结构，首先分析了绥中2台100万kW机组切改后东北侧无功控制策略的适应性，发现了现行无功控制策略存在的不足，进而采用经典优化算法开展研究，提出了无功优化方案。仿真研究表明本文提出的无功优化方案，可以进一步提高部分运行方式下东北向华北的送电能力，具有较强的工程实用价值。

1 高岭换流站东北侧近区无功电压控制现状

绥中电厂2台100万kW机组改切前后高岭换流站东北侧近区电网结构如图1、图2所示。

图1 机组改切前高岭近区电网接线图

由图1、图2可知，绥中电厂2台100万kW机组改接到华北电网后，高岭换流站东北侧近区在缺少2台100万kW电源情况下，又减少了1回500 kV线路，短路容量明显减少，电压支撑能力减弱，并且绥中电厂对该地区的动态无功支撑能力明显降低。为提高东北侧无功支撑能力，在高岭换流站东北侧新增了2小组滤波器，这样高岭换流站内东北侧滤波器达到13组，每组容量126 Mvar。

目前，正常方式下高岭换流站电压控制目标范围为515～535 kV，国调中心稳定规程要求正常方式下高岭站东北侧母线运行电压不低于515 kV。为满足该电压控制目标，在交流母线电压处于510～550 kV时，高岭换流站东北侧采用定无功控制策略，与东北主网交换无功控制目标为零，死区±100 Mvar，超出该死区才在5 s后投入或切除滤波器组。

绥中电厂机组切改后，正常方式下绥中电厂机组跳闸高岭近区系统电压变化情况见表1。可知绥中电厂2台机组运行，1台机组跳闸，高岭近区系统电压满足运行要求，所以2台机组运行方式下直流可以满功率运行；绥中电厂1台机组运行，机组跳闸，直流功率较大时，电压低于475 kV，不满足事故后电压规定－0.95 p.u.标准要求，受此条件限制直流最大送电功率约2 900 MW。而在电源严重过剩的东北地区，具有2台机组的火电厂，最常见的运行方式是单机运行，这就意味着东北向华北送电的高岭背靠背直流将长期不能满功率运行。

表1 绥中机组跳闸高岭换流站东北近区电压变化情况

绥中1台机组运行，高岭换流站在不同直流功率下滤波器组投入情况见表2。由表2可知，按现行无功控制策略，直流运行3 000 MW、2 900 MW时，高岭换流站东北侧滤波器仅投入11组，还有2组备用。高岭近区周围的电压支撑，需由绥中电厂提供无功实现，静态无功设备没有得到充分利用。由于高岭换流站内的静态无功设备投切时间较长，在系统故障时，存在高岭换流站东北侧近区动态无功储备不足问题，进而将影响高岭直流输电能力。

表2 不同直流功率换流站滤波器投入情况

2 高岭近区无功控制策略优化研究

针对目前高岭近区无功控制策略存在的不足，本文以正常方式下优先调用静态无功设备、保证正常方式下电压水平最好、发生故障时最低电压满足事故后电压要求等作为目标函数，数学模型选取各节点电压值、发电机有功出力、无功出力、高岭直流输送功率作为状态变量，满足系统潮流等式、换流站与系统无功交换条件等约束的同时，考虑滤波器、周围低压电抗器等无功补偿装置的容量、发电机发出的无功容量等不等式的约束。在各运行约束条件下，以发电机机端电压、电容器组投切组数、低压电抗器投切组数、换流站与系统无功交换约束作为控制变量，来改善高岭换流站东北侧近区电压及无功分布，从而最大限度发挥无功电压支撑能力，进而提高东北向华北的背靠背直流输电能力。

目标函数：优先调用静态无功设备，充分发挥动态无功源对节点暂态电压的支撑作用，将系统动态无功备用作为优化目标，即：

式中：QRTG为总的发电机动态无功备用；QRTGj为第j台发电机动态无功备用；n为发电机个数。

等式约束：等式约束g（x）即为系统的潮流约束。

式中：U、θ分别为节点电压幅值和相角；PG和QG分别为发电机有功、无功出力；PL、QL分别为有功、无功负荷。

不等式约束：不等式h（x）包含状态变量和控制变量的上下限约束。式中：PGi为发电机有功功率；PDC为高岭直流功率；Ui为节点电压幅值；QGi为发电机无功功率；UC为高岭换流站东北侧与系统无功交换电压限值；Qdz为高岭换流站东北侧与系统无功交换的死区；Qdki为低压电抗器；Qci为高岭换流站东北侧交流滤波器。

本文采用经典优化算法中的牛顿法，求取优化控制方案，其中：发电机机端电压初值范围为500～550 kV，高岭换流站东北侧电容器组初值范围为7，换流站与系统无功交换初值范围为0～±300 Mvar，绥中电厂、沙河营变电站低电压电抗器组运行初值范围为0～6。

考虑高岭直流、绥中电厂多种可能出现的运行方式，本文经优化研究求得新的高岭近区无功电压控制方案，如表3所示。

由表3可知，与现行无功控制方案相比：

a.高岭换流站近区低压电抗器全部退出运行，可以最大限度缓解故障时低电压问题，同时没有对系统正常运行电压产生明显影响；

表3 原无功控制方案与优化后无功电压控制方案的主要差异

b.高岭换流站与系统无功交换约束提高了200 Mvar，可以保证正常方式下静态无功补偿设备全部投入，在维持高岭换流站内无功平衡的同时，向系统提供最大限度无功支撑，从而为绥中电厂预留更多的动态无功储备空间；

c.高岭换流站与系统无功交换下限提升了5 kV，可以通过高岭换流站静态无功补偿设备支撑系统正常运行电压，满足国调规程规定。

3 高岭近区无功控制策略优化方案效果研究

采用仿真研究方法，研究了正常方式下绥中电厂2台机组、1台机组、无机组运行以及高岭换流站东北侧近区500 kV线路检修等运行方式下，正常运行工况与典型故障工况时的动态无功储备、电压变化等情况。篇幅所限，以下仅将正常方式及2个典型故障工况的研究结果通过表4～表6展示。

由表4～表6可知，经过优化后的无功电压调控方案，除可以满足电网正常运行要求外，可以提高动态无功储备79～129 Mvar，可以提高高岭换流站母线电压3～6 kV。更重要的是，本文提出的无功电压调控方案，可以在正常方式下绥中电厂1台机组运行时，提高高岭直流向华北电网送电功率约100 MW，高岭直流输送功率可以不受电压运行条件限制，效益显著。

此外，对高岭直流换流站附近线路检修方式的研究表明，本文提出的无功电压调控方案既可以满足电网运行要求，又可以提高动态无功储备102～156 Mvar，提高高岭换流站母线电压5～9 kV，进而减少检修方式对高岭直流向华北送电功率的影响，最大限度发挥跨区输电能力，效益显著。

表4 正常运行工况不同无功控制方案运行效果仿真分析

表5 绥中电厂1台机组跳闸不同无功控制方案运行效果仿真分析（典型故障工况1）

4 结论

a.绥中电厂2台100万kW机组切改到华北电网后，高岭换流站东北近区无功电压控制方案会影响东北向华北的送电能力。

b.经优化后得到的高岭近区无功电压调控方案，主要在低压电抗器使用、高岭换流站内静态无功设备使用等方面更为合理，可为该地区预留更多的动态无功储备。

c.仿真研究表明，实施优化后的高岭近区无功电压调控方案，可以在确保电压安全的前提下，提升部分运行方式下东北向华北的送电能力，效益显著。

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Optimization Strategy Study on Reactive Power Control of 1 000 MW Units at Suizhong Rerouted to the Northeastern Side

XU Xing⁃wei，YUE Han，LÜ Chang⁃lin

（Northeast Branch of State Grid Corporation of China，Shenyang，Liaoning 110180，China）

After Suizhong two 1 000 MW units rerouted to North China power grid，reactive power reserve is reduced greatly in Gao⁃ling area.Reactive voltage control scheme would impact on HVDC transmission to North China power grid.It is urgent to study the a⁃daptability and optimization of reactive voltage control scheme.The study is based on actual power grid and it aims at fully developing operation capability of reactive devices.The optimization strategy is verified by simulation system.It is proved that the optimization strategy can arrange dynamic reactive power reserve reasonably at Northeast power grid side of Gaoling converter station，as well as im⁃prove the operation safety level of reactive voltage.It is also shown that under the partial operation mode，the optimization strategy can increase the HVDC transmission from Northeast China to North China power grid.

Reactive optimization；Control scheme；Dynamic reactive reserve；Simulation；HVDC

TM76

A

1004－7913（2015）12－0008－05

徐兴伟（1971—），男，博士，高级工程师，从事电网安全稳定运行及关键技术研究等工作。

2015－10－08）