陈博，殷婷，黄一超，曹敏敏，张凯

（1.国网上海电力公司电力经济技术研究院，上海 200002；2.华东电力设计院，上海 200063）

交直流区外来电背景下上海电网无功问题

陈博1，殷婷2，黄一超1，曹敏敏2，张凯2

（1.国网上海电力公司电力经济技术研究院，上海 200002；2.华东电力设计院，上海 200063）

上海电网处于华东电网的受端，是华东乃至全国负荷密度最高的地区。2012年入沪直流近区的500 kV电网在轻负荷时段电压运行水平总体偏高，无功平衡困难，尤其是春秋季低谷时段上海500 kV电网高电压问题十分突出。另一方面，随着上海电网受入区外来电容量的增加，为保障大容量直流闭锁以及特高压交流通道故障后的电压稳定性，需要保证足够的动态无功储备。无功补偿是电网电压稳定的基本控制手段，无论是稳态运行或是故障后的动态响应阶段，都需要通过合理的无功控制策略来协调电网内的无功负荷、无功补偿及无功电源。因此，有必要深入分析上海电网无功电压的运行特点及存在的问题，进而提出实现电压稳定的上海电网无功配置和控制措施。

1 上海电网运行电压现状及无功补偿特点

随着上海500 kV直流落点的不断增加，500 kV直流站滤波器会大量倒送无功。在直流小方式下复奉、林枫、宜华直流站交流滤波器注入上海电网的无功功率高达1 208 Mvar，严重影响上海电网低谷时段的无功平衡，使得上海500 kV电网运行电压整体提高10～20 kV，影响上海电网的电压质量。特高压复奉直流投运以来，尽管采取了一系列调压措施比如机组进相运行、电抗器投运等，但在春、秋季低谷时上海电网电压偏高的问题仍较突出［1］。

上海500 kV电网感性无功补偿度严重不足，特别是影响低谷和节假日时的电压质量。2013年，上海500 kV电网电抗器感性补偿度为103.5%，而直流小方式下交流滤波器注入无功1 208 Mvar，感性无功补偿度仅为64.2%。若考虑电抗器的实际运行情况，补偿度严重不足，需加装感性无功补偿装置。若考虑滤波器无功倒送的影响，电抗器补偿度严重偏低。此外，新余站投运时未配置感性无功补偿装置，新余分区运行电压的偏高问题尤为明显。

受升压变高阻抗及厂用电电压等的限制，目前上海全网发电机组进相能力略显不足，仅为1 000 Mvar左右，这也是导致上海500 kV电网电压偏高的原因之一。

电气化铁路牵引站、地铁站等大用户普遍存在无功倒送现象。随着电缆电压的高度集中，低谷时段用户电缆进出线的充电无功倒送现象严重，影响地区电网的电压质量［2］。

作为华东地区较大的受端电网，上海整体动态无功补偿不足。随着区外受电比例的变化以及直流输电功率的增加，主网可向负荷提供的无功功率相对减少，无法承受由多直流系统同时闭锁等复故障给电网无功电压带来的大幅波动，电网可能会出现电压稳定问题。

2 上海电网静态无功电压控制

2.1 2015年上海500 kV电网容性无功平衡

在上海电网500 kV主变220 kV侧负荷2种功率因数的条件下进行2015年上海电网各分区的容性无功平衡计算，容性无功平衡结果如表1所示。

表1 2015年上海500 kV电网容性无功平衡计算Tab.1 The capacitive reactive power balance calculation of Shanghai 500 kV power grid in 2015

由表1可以分析2015年上海电网各分区存在容性无功不平衡的情况。由于上海电网西部地区没有电源接入，直流落点比较集中，容性无功存在很大的缺额。因交直流受电比例较大，上海区内500 kV装机又相对较少，为维持500 kV电网的无功平衡并留有一定的裕度，建议将上海500 kV主变220 kV侧的负荷功率因数控制在0.98以上。

2.2 2015年正常方式及直流小方式下的感性无功平衡

DL 755-2001《电力系统安全稳定导则》中要求，“500 kV及以上等级线路的充电无功应基本予以补偿”，即补偿度不宜低于100%。

根据上海500 kV电网的感性无功配置500 kV线路长度以及充电功率的情况，可计算得出2015年上海500 kV电网正常低谷方式下的感性无功补偿度，见表2所示。

表2 2015年上海500 kV电网正常低谷方式下的感性无功补偿度Tab.2 The reactive power compensation degree of Shanghai 500 kV power grid in the normal mode in 2015

2015年直流小方式情况下上海感性无功平衡如表3所示，奉贤、华新、枫泾3个500 kV站交流滤波器的无功注入达到1 208 Mvar，根据直流落点的位置，将严重影响上海东部电网与西部电网低谷时段的无功平衡。2015年，若仅考虑确定的高、低电抗，上海电网正常方式下的电抗补偿度达到了100%以上，在直流小方式下电抗补偿度仅为82.7%，低于规程要求。在考虑了2014年泗泾、新余、杨高等站共480 Mvar低抗后，直流小方式下电抗补偿度将达到97.1%，因此，考虑新增低抗后上海电网在直流小方式下的感性补偿度可以满足规程要求，但各分区存在不平衡的情况，其中西部地区由于没有电源接入，直流落点又相对密集，容性和感性无功均存在较大的缺口；东部地区容性和感性无功基本可以平衡；北部和南部地区的容性与感性无功均存在一定盈余，保证了西部和东部地区的无功缺口需求。

表3 2015年直流小方式下上海感性无功平衡Tab.3 The inductive reactive power balance in the DC small mode in Shanghai in 2015

3 上海电网动态无功电压控制

3.1 电压稳定极限及裕度计算

电压稳定极限及裕度计算为大规模电力系统的电压在线评估以及相应电压控制措施的研究提供了重要的参考依据。在电压稳定的深入分析中求解静态电压稳定极限是关键的一步，静态电压稳定性主要用来分析给定的运行点处电压是如何接近失稳的以及距离电压失稳有多远的问题。

在U-Q曲线中，当前运行点与电压崩溃点之间的距离可作为度量电力系统电压稳定水平的一个评价指标，简称为裕度指标。指标的大小可直接反映当前系统承受负荷波动及故障扰动、维持电压稳定能力的大小。在规定的节点上配置可变的无功电源，通过将节点电压控制在一定范围内，便可获得节点电压对无功注入的U-Q曲线，并选用U-Q曲线作为动态无功裕度的判定依据，如图1所示。

图1 U-Q曲线示意图Fig.1 Schematic diagram of U-Q curves

U-Q曲线表达了一个节点上的电压与同一节点上注入的无功功率之间的关系。U-Q曲线底部dQ/ dU=0，是电压稳定的极限点（电压崩溃点）；右侧dQ/ dU＞0，电压稳定；左侧dQ/dU＜0，是不稳定的；运行点到底部的距离为无功稳定裕度；曲线斜率代表节点的刚性，dQ/dU大，刚性较好；底部的无功值为最小的无功需求。

如果U-Q曲线的最低点在横轴的上方，则系统无功是不足的。要避免电压崩溃，则需要附加无功注入。为了保证足够的无功裕度（横轴和临界点之间的距离所表示的量），需要注入更多的无功。提供合适的无功裕度能够保证系统的安全性和可靠性。如果U-Q曲线的最低点在横轴的下方，那么系统有一定的无功裕度。这时无功仍然可能是不足的，主要取决于希望的无功裕度和可接受的暂态电压。如果希望有较大的无功裕度，则需要附加无功功率注入。电压崩溃通常是从最弱节点开始，然后再扩展到其他较弱节点，因此运用U-Q曲线分析电压崩溃中的最弱节点是十分重要的［3］。

U-Q曲线的优势主要有：

1）可以深入了解电压稳定特性和无功补偿的要求。

2）计算收敛性好，即使在曲线左边的不稳定区域也能收敛。

3）可以直接得到运行点到临界点的无功裕度。由于电压稳定性和无功功率密切相关，这个裕度可作为电压稳定性的指标和判据［4］。

3.2 500kV站电压裕度计算分析

上海电网各500 kV变电站无功裕度大小的计算结果见表4和图2。可以得出，上海电网500 kV站点的U-Q曲线最低点在横轴的下方，系统运行点到崩溃点之间均有一定距离，各站点留有一定的无功裕度。同时，上海电网内直流较为集中的西南部电网，500 kV母线枢纽站的无功裕度普遍较小，如黄渡、泗泾、南桥地区的无功裕度在500 Mvar左右，为系统的最薄弱点。上海电网内发电机组相对较多的东北部电网，无功相对较为充沛，各500 kV站点的无功裕度在1 000 Mvar以上。因此，上海电网的最弱节点在西南部电网，应加大对这些薄弱地区的电压监控和无功补偿，尤其是尽量预留足够的动态无功备用容量。

表4 上海电网各500 kV变电站无功裕度和电压极限表Tab.4 The reactive power margin and voltage limit of each 500 kV substation of Shanghai power grid

3.3 暂态电压稳定计算分析

对2015年上海电网进行500 kV及以上交流线路N-1和N-2暂态故障电压稳定计算，系统的暂态稳定水平较高，在交流线路N-1和N-2故障方式下，系统不存在电压不稳定问题。

图2 上海电网各500 kV变电站无功裕度分布图Fig.2 The reactive power margin distribution map of the 500 kV substations of Shanghai power grid

对上海电网各直流进行单双极直流闭锁故障计算，直流发生双极闭锁后换流站母线上会引起较高的过电压，因此在直流闭锁时，直流系统将自动切除交流母线上的滤波器及无功补偿装置。上海电网的系统暂态稳定水平较高，各种直流闭锁方式下系统均不存在电压稳定问题。以奉贤直流双极闭锁为例，受端电网失去一个大直流后全网发电机有功旋转备用启动，通过受端电网的区外联络通道送入；直流闭锁后大部分无功缺额由本地发电机提供，如果本地无功补偿不足，易造成电压降低，严重情况下有可能导致电压失稳。

若系统发生交直流复故障，正常运行的交流联络线路承担了由故障引起的缺额功率，受端无功需求急剧增加，而受端电网电容器所提供的无功功率却以电压的平方速度迅速减少，导致电压进一步降低，这使得大负荷中心很容易出现电压稳定问题。电网中发生的大面积停电事故均由连锁反应型复杂故障引起，对最严重的交直流复故障进行校核，杜绝存在的安全隐患是十分必要的。

4 无功电压控制方案

4.1 电源有功储备

在受端电网直流或交流通道失却后，潮流大范围转移，极易造成受端电网输送通道的潮流过重，无功损耗大幅增加，容易引起受端电网电压失稳问题。此时可考虑将受端失却的部分发电功率优先由本区发电机旋转备用承担，避免有功远距离的输送和无功损耗的增加，减轻通道的送电压力。因此，在受端电网无功薄弱地区配置一定规模的常规电源，给系统留足旋转备用，有利于避免事故后的有功远距离传输，减轻通道送电压力，提供电压支撑，保证系统具有适度的稳定裕度。此外，合理安排电源接入系统的方式，实现分层分区布置，也有利于打开受端电磁环网，控制短路电流。

4.2 电源无功储备

在正常运行方式下，提高负荷及电厂的运行功率因数；在系统发生故障后，利用发电机无功储备提高受端电网的电压稳定水平，以此来保证系统的安全稳定性。为加强受端电网的电压运行可靠性，首先应配备足够容量的电厂，并保证必要的有功旋转备用。其次，可考虑在正常运行时适当投入部分并联电容器，同时将机组正常运行时的功率因数提高至0.95左右，为电网留有合适的动态无功备用。

4.3 动态无功补偿方案

为提高受端电网无功薄弱地区的电压稳定性，可考虑在负荷中心附近的枢纽变电站上装设SVC等动态无功补偿装置，提高系统的电压稳定水平［5-8］。

经上海电网各500 kV变电站无功裕度大小的计算可得出，黄渡、泗泾、南桥地区的无功裕度在500 Mvar左右，为系统的最薄弱点。同时考虑到500 kV黄渡变、练塘变、南桥变的容量分别为750 MV·A、1 000 MV·A、1 000 MV·A，而并联电容器组合低压并联电抗器组的补偿容量宜为主变压器容量的30%以下。因此，如果在500 kV黄渡变、练塘变、南桥变分别加装240 Mvar、300 Mvar、300 Mvar的动态无功补偿装置，基于其在故障瞬时对网络的无功支援作用，当电网发生严重故障后，该地区的500 kV电压比不安装无功补偿装置时明显提高，且电压波动有所减小，发电机无功增量有所降低，无功损耗也相应较小，有助于提高上海电网的暂态电压恢复能力和安全稳定性，如图3所示。研究表明，对于受端电网的无功相对薄弱地区，由于其负荷密集、有功和无功电源缺乏，电压稳定性相对其他区域较差，在该区域500 kV变电所内装设快速响应的新型动态无功补偿装置，对满足电网负荷的快速变化要求、防止电压崩溃、提高系统供电可靠性均能起到重要的作用［9］。

图3 加装SVC装置前后500 kV站的电压变化曲线Fig.3 The voltage change curve of the 500 kV substations before and after the installation of SVC device

4.4 无功电压控制新技术

在受端电网发生部分严重故障的情况下，如果考虑能充分利用电压无功自动控制，在故障清除5～10 s后，系统能够自动投入一些常规无功补偿设备或采取低压减负荷措施，缓解机组输出功率的压力，提高电网电压水平，并保证受端电网的安全稳定运行。

4.5 多直流协调控制作用

由于直流系统能够快速改变输电功率并具有很强的过负荷能力，因此可以根据直流系统之间的电气关系，制定各直流系统功率控制策略，实现多回直流系统的相互支援与协调。同时，为了提高直流逆变站双极闭锁后受端电网的恢复电压，可考虑适当留下几组电容补偿设备，作为受端电网的无功补偿。比如改变低压限流（VDCOL）环节恢复速率的策略可以避免大量无功需求进而引发交流电压降低的问题（见图4），使得各直流输电子系统间的相互作用得到缓解并改善系统的整体性能［10］。如图5所示，留下的部分电容可提高受端电网的恢复电压，利用直流站内500 kV母线上的电容补偿设备来提高受端电网的无功调节能力，同时不增加投资，是直流闭锁后一种较好的电网无功补偿手段［11-13］。图4与图5中蓝色曲线代表采取协调控制措施后的电压曲线。

图4 采用渐变的恢复策略前后黄渡站电压曲线Fig.4 The voltage curve of Huangdu Substation before and after the use of the gradual recovery strategy

图5 留下部分逆变站电容的黄渡站电压曲线Fig.5 The voltage curve of Huangdu Substation with part of the inverter capacitance left

5 结语

本文分析了交直流区外来电背景下上海电网的无功补偿问题，具体研究了静态无功电压控制、上海电网容性无功平衡以及正常方式与直流小方式下的感性无功平衡，并结合电压稳定极限和裕度指标分析动态无功电压控制，指出上海电网最薄弱的节点在西南部。进而提出若干改善电网动态无功调节能力的措施，如电源有功储备、电源无功储备、动态无功补偿方案、无功电压控制新技术以及多直流协调控制作用等，为改善系统的整体性能提供参考。

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（编辑 董小兵）

Reactive Power Issues of Shanghai Power Grid under the Background of AC-DC Electric Power from External Regions

CHEN Bo1，YIN Ting2，HUANG Yichao1，CAO Minmin2，ZHANG Kai2
（1.Economic and Technical Research Institute of State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200002，China；2.East China Electric Power Design Institute，Shanghai 200063，China）

在交直流区外来电背景下研究上海电网无功问题并重点分析静态无功电压控制、容性无功平衡、正常方式及直流小方式下的系统感性无功平衡。利用电压稳定极限和裕度指标来研究上海电网的动态无功电压控制，并给出提高上海电网动态无功储备能力以及利用直流本身特性实现直流系统相互协调控制的措施。为上海电网动态无功及电压控制研究提供参考。

动态无功；容性平衡；感性平衡；电压控制

This paper presents a study on the reactive power issues of Shanghai power grid under the background of the AC-DC electric power input from external regions，and in particular，it analyzes the static reactive power and control of the voltage，the capacitive reactive power balance，and the system inductive reactive power balance in both the small DC and normal modes.The dynamic reactive power and voltage control of Shanghai power grid are studied with the theory of voltage stability limitation and margin index.And measures are given to improve the capacity reserve performance of the dynamic reactive power of Shanghai power grid and achieve the coordinated control of the DC system by means of the characteristics of the DC system.The study in the paper can provide valuable reference for the research of the dynamic reactive power and voltage control of Shanghai power grid.

dynamic reactive power；capacitive balance；inductive balance；voltage control

1674-3814（2015）04-0066-06

TM712

A

2014-10-23。

陈博（1979—），男，本科，工程师，从事电力系统规划设计工作；

殷婷（1989—），女，助理工程师，从事电力系统规划设计工作。