復雜電網的電壓分層協調控制方法分析范文

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摘要：海南電網系統的運行背景較復雜，網架結構較薄弱，電網電壓控制手段較單一，電網電壓的運行質量無法滿足海南發展需要，因此迫切需要對海南電網的電壓運行現狀、控制難點和解決措施進行分析，并制定出適用于海南電網復雜形勢下的電壓分層協調控制策略，增強電網無功電壓控制能力，提高電壓的運行質量，解決海南電網長期存在的電壓控制方式不足的技術難題。

關鍵詞：海南電網；分層；協調控制；母線電壓

0引言

海南電網是典型的海島型電網，主網架由220kV變電站和雙環網線路組成。海南電網結構較薄弱，僅通過1回500kV海底電纜線路與南方電網的主網系統連接，存在孤網運行和大面積停電的風險；發電能源組成類型較復雜，火電、核電約占總裝機容量的60％，其它40％為水電、風電、光伏、氣電和抽水蓄能等清潔能源。由于大規模、多類型、小機組的清潔能源接入海南電網，增加了海南電網調峰、調頻和電壓等協調控制的難度，同時隨著海南社會經濟的發展，對供電可靠性和電能質量要求越來越高，因此迫切需要增強無功電壓控制能力，提高無功電壓的運行質量，解決海南電網長期以來存在的電網電壓控制不穩定的難題。

1海南電網電壓協調控制研究背景

1．1電源側無功支持能力有限

受海南島嶼地形的影響，海南電網存在電源分布不合理和分散的情況。海南電網核心電源（火電和核電）主要集中在海南北部和西部地區，清潔能源（風電、水電和光伏）則分布在海南中部和東部地區，但負荷中心則主要集中在海南南部的三亞和海口地區。由于負荷中心電壓波動范圍較大，主要電源點又遠離負荷中心，負荷中心近端多為新能源電廠、小型發電廠，因此無功調節能力有限，無力補償系統電壓，無法支撐負荷中心的用電需求。

1．2電網電壓控制手段不足

雖然海南電網220kV雙環主干網架的投運及海南電網與南方主網的聯網有效提高了海南電網系統的運行可靠性，但電壓控制方面仍受網架結構的約束。110kV線路仍存在單環運行、斷面、主變重載率較高、線路過載時段較長、無功補償裝置配備不足等問題，無法為區域電網提供無功電壓補償。同時在配網側網架薄弱情況下，輻射線路、單回線路較多，配電線路末端的電壓問題極為明顯。總而言之，海南電網主網、地區電網和配網的網架結構仍需進一步完善，無功補償設備和電壓調節裝置需合理配置。

1．3新能源無功調控水平有待提高

海南電網的規劃和建設滯后于電源側的發展，尤其是以光伏為主的新能源裝機容量急速增大，使得原有的變電站和線路的輸送能力嚴重不足，無法保證光伏等新能源電力的外送和就地消納。海南電網調度主站缺少對新能源場站的調控能力，無法實時調控新能源電場的出力和調節無功容量。同時，新能源具有波動性、間歇性及不能預測性的缺點，大規模新能源短時間內并入電網和階段性的無序脫網，都會對海南電網的系統電壓、頻率造成巨大沖擊。顯然，如何提高新能源的無功控制調節水平，已成為海南電網急需解決的技術難題。

1．4無功電壓調節方式有待改進

海南電網無功電壓調節能力有限，主要依靠220kV電壓等級以上變電站和常規發電廠實現無功電壓的調控，無法保證海南電網孤網和局部電網的電壓穩定運行要求。另外，海南電網各地調平臺未完全參與電網電壓協調控制，主要依靠省調有限的控制能力是無法滿足新形勢下海南電網電壓的控制需求。為此，有必要對無功電壓調節方式進行改進，增加電網電壓分層分級協調控制手段。

2多能源分層分級電壓協同控制模型及控制方法

基于海南電網系統的運行現狀和電壓控制方面的不足，結合海南電網的建設規劃、電源側的發展需要及海南省的社會經濟發展需求，本文提出了基于海南復雜電網背景的多能源分層分級協同電壓控制方法。

2．1大規模小水電集群電壓協調控制方法

海南地區小水電整體呈區域型、散點式分布和小裝機的特點，在海南中部區域又相對集中。汛期小水電集體滿負荷發電，造成中部地區電壓居高不下。若地區電網電壓、頻率等控制不當，則會導致整個地區小水電機組發生頻率保護或過壓保護等，造成集體脫網，嚴重破壞區域電網系統的穩定性。針對海南小水電的發電特點和運行現狀，本文提出大規模小水電集群協調控制的方法。首先，將海南中部地區電網視為一個獨立小網，并將該區域內的變電站劃分為若干單元。其次，對每個單元范圍內的小水電進行集群劃分，將小水電分為若干機組群。再次，將每個單元的變電站母線電壓換算成無功數值，并按照一定的分配策略將無功總量平均分配給每個機組群。各機組群根據無功指令進行無功控制，保證機組群組內的無功平衡，從而維持變電站單元的母線電壓穩定。另外，區域電網系統只需對各變電站單元的母線電壓進行實時跟蹤和控制，就能實現整個區域電網的無功總量平衡和系統電壓的穩定。小水電機組集群電壓協調控制方法最大的優點是將原有單一小容量的機組進行集群，間接擴大無功調節廣度和深度。從機組群到變電站單元，再從變電站單元上升到區域電網，從小到大、從低到高的分層分步實現區域電網電壓的穩定控制，從而提高區域電網的電壓控制質量，提升區域電網的系統防御性。

2．2多能源電壓協調控制方法

首先，挖掘風、光等新能源電站的無功可調容量和調節深度，從理論上使新能源電站具備類似于水電、火電、核電等常規能源的電壓調節能力，能參與電網的系統電壓控制。基于新能源場站現有的主變、風機、光伏逆變器和SVG等無功輸出設備，以升壓站母線電壓為基準，利用新能源場站的AVC系統自動控制站內無功設備，維持升壓站母線電壓的穩定，從而使新能源場站能實際參與電網電壓的控制。其次，將海南電網現有的火電、核電常規能源和風、光等新能源全部接入省調AVC系統平臺，實現常規能源與新能源電站的信息交互，為常規能源與新能源的協調控制創造條件。利用AVC調度主站的控制模塊全面分析電源側無功可調容量，計算電網的無功缺值，為常規能源與新能源的協調電壓控制提供理論依據。再次，針對新能源電站的波動性、間隙性特點，通過AVC主站實現常規能源與新能源的雙向互動。白天充分利用新能源的無功輸出并適當減少火電機組的無功輸出量；夜晚當新能源無功輸出減少時則增加火電機組的無功出力。最后，在調度主站中增加多能源協調控制程序和功能模塊，通過加強各能源之間的信息互動，合理分配不同能源的無功指令，實現電源側無功電壓的自律控制，抑制新能源電站對電網電壓的波動，減少場站側主變、無功裝置的投切次數。

2．3全局無功統調控制方法

全局無功統調控制方法是以變電站母線電壓的穩定運行為控制目標，在滿足送出線路安全性和斷面允許的條件下，實時滾動給出各變電站母線的電壓調節目標值。全網無功統調控制方法主要有兩種實現方式：第一種是傳統的省、地電壓協同控制；第二種是常規能源與新能源電場的電壓協調控制。第一種方式是以海南電網的調度管理模式和電網拓撲結構為基礎，將海南電網分為省、地、廠三層調度模式和220、110、35kV三級電壓控制方式，按照“先大網后小網”的原則，首先保證主干網架的變電站母線電壓的穩定，再實現區域電網的系統電壓穩定控制，從而保障海南整個電網系統的電壓穩定、可靠運行。第二種方式是以水電、風電、光伏、火電及核電等多能源為協調控制對象，基于新能源場站現有的主變、風電機組、光伏逆變器和SVG等無功設備，以升壓站母線電壓允許值為基準，利用新能源場站的AVC系統協調控制站內無功設備，維持升壓站母線電壓的穩定，并通過調度主站實現新能源場站與常規電廠的同步電壓協調控制，共同完成電網系統電壓的維穩控制。

2．4區域協調控制方法

基于海南電網的系統模型和運行特點，將整個電網系統分解成若干控制區域。每個分區首先自行維持無功的平衡，當某一區域無功過剩或不足時，與其相鄰的區域能自動對其進行無功補償。這種分區控制的思路符合海南電網無功分層分區控制的原則，同一個區域內的設備在無功電壓控制特性上具有強耦合性，區域間的設備則具備松耦合性。海南電網是特殊的海島型電網，主要采用220kV電網解環運行和110kV、35kV電網輻射運行的方式。在滿足電壓質量和安全要求的前提下，AVC主站系統先選出最關鍵的變電站，再根據變電站母線電壓偏差和發電機無功出力裕度，自動調整區域內各發電機勵磁系統或母線電壓的設定值，使變電站母線電壓維持在電壓運行范圍，進而保證整個區域電網的電壓水平。

3結語

電網電壓的穩定運行是保障海南社會經濟穩定發展的前提。本文針對海南電網復雜的運行背景和長期存在的電壓控制難題，提出了多能源分層分級電壓協同控制方法，以提高海南電網電壓的運行質量和控制能力。希望通過本文的介紹，能為其它電網解決類似的電壓控制問題提供技術參考。

參考文獻

［1］趙勇，胡劍琛，俞悅，等．海南電網與南方電網主網聯網的特性研究［J］．中國電力，2010，43（2）：7－10．

［2］方鴿飛，劉君華，呂巖巖．基于樹形分布的電壓控制分區［J］．電力系統及其自動化學報，2007，19（1）：83－86，127．

作者:何勇琪 吳明軒 莫若慧 吳鋒 謝磊 單位:海南電網有限責任公司