黑龙江电网电压综合治理对策和应用

　　1 引言

　　现代生产生活离不开电力。电力部门不仅要满足用户对电力数量日益增长的需要，更要满足对电能质量的要求。电压是电能质量的一项重要指标，电网的运行电压水平取决于无功功率的平衡。近些年，电力部门为改善电压质量采取了许多措施，如增装大量的无功设备、减小供电半径，加装有载调压变压器等，收到明显效果。但随着电网建设速度的加快和电网规模的不断扩大，夜间低谷时段电压偏高的问题仍然十分突出。

　　近几年，随着市场经济的不断发展，各级用户对电压质量的要求不断提高，国家对各电压等级要求的允许变动范围也更加严格。对220 kV电网来说，发电厂出口要求电压保持在额定值的0～10%范围内，对于与电厂直接相连的变电所（距离很近）要求电压在额定值的-3%～7%范围内，需要电厂进一步降低电压，以利于附近变电所电压的调整，这又给电网运行部门调压提出了更高的要求。

　　黑龙江省地域广阔，以前电网网架比较薄弱，在过去的几十年中，省网经历了从小到大的发展历程。在1990年以前，电网处于缺电局面，电网生产运行部门主要考虑增加容性无功来解决电压偏低问题。进入90年代后，电网规模逐渐发展壮大，截止到2000年底，省网500 kV和220 kV线路比1995年底共增加了43条，增加的线路长度共2809 km，并网运行的电厂增加了9座，总装机容量增加了2415 MW，而这5年期间省网供电负荷最大值仅增加了637 MW。由于电源和电网的建设速度远远大于负荷的增长速度，部分线路潮流较轻，而且过去电网设计和规划部门对电压问题重视程度不够，经常发生新设备投产即产生新的电压问题的现象，尤其是500 kV工程投产后，线路感性无功补偿容量不足，电网电源特别是无功电源的过剩更加突出，使得夜间低谷时段220 kV、500 kV电压经常超上限运行。近几年电压偏高的问题更是越来越严重，个别地点220kV电压曾达到或超过250 kV，1998年以前省网电压合格率仅为80%。这种状况不但难以保证用户的电能质量，同时也给电网运行设备的安全带来隐患。

　　为解决这一问题，我们经过计算研究，提出并采取了多种提高电压质量的措施和方法，使得省网220 kV电压合格率比以前有了显著的提高。

　　2 220 kV电压计算分析与研究

　　2.1 电力系统电压的计算方法

　　电力系统无功电压的计算与有功密切相关，但又比有功的计算分析更加复杂，因为无功电压的计算结果受系统模型、负荷特性、计算方式等因素的影响比较大，且对计算结果的准确度要求比较高，如果计算方法不当，极易产生与实际偏差较大的计算结论，从而影响设计或运行部门的决策，带来不必要的损失。目前，全国尚无统一的主要用于计算分析电网电压的软件，黑龙江省公司电力调度中心一直应用中国电科院研制的电力系统分析综合程序（PSASP）进行有功、无功、电压的潮流及暂态稳定计算分析。通过多年的计算，并将计算结果与实际发生值进行比较，总结出一套切实可行的计算方法，尤其是在计算分析电压方面，除线路、负荷、及发电机的计算模型尽可能与实际相符外，还充分考虑了发电机励磁系统的调节作用。在应用PSASP程序时，对各与电压有关参数的填写方法进行了认真的研究，如在填发电机母线节点类型时，对普通发电机、进相运行发电机及大、小容量的机组均进行了区别对待，对参数V0（发电机母线电压幅值）也在采取调压措施前后做了不同程度的调整，做到与实际情况相近，取得了较为贴近实际的计算结果。

　　2.2 220 kV及以上电网调压措施的研究

　　电网电压调整是个比较复杂的问题，因为整个系统每一节点的电压均不同，运行条件也有差别。通常电网的调压方式有如下几种：

　　① 利用发电机调压。发电机不仅可以发出有功功率，也能发出无功功率，有些发电机还能吸收无功功率，所以可用调整发电机端电压的方法进行调压。这是一种充分利用发电设备，不需要额外投资的调压方法。目前同步发电机普遍装有自动励磁调节设备，这种设备的主要功能是自动调整发电机的端电压、分配无功功率以及提高发电机同步运行的稳定性。

　　② 适当调节变压器变比。即通过改变分接头位置，从而改变变压器的变比实现调压。

　　③ 改变线路参数。通过在线路上串联静止电容器，利用串联电容器的容抗补偿线路的感抗，使得电压损耗中的QX/V分量减小，从而提高末端电压。

　　④ 通过改变无功功率的分布进行调压。即在电网中安装并联电容器或并联电抗器。其中高压电抗器本身损耗小，但造价较高；而接到低压侧的并联电抗器优点是造价较低，操作方便。

　　电力系统的调压措施还有装设调相机、静止无功补偿器等。

　　黑龙江电网的主要问题是电压偏高，在1998年以前220 kV电网调压手段匮乏，基本仅靠发电机自动励磁系统进行电网调压，并配合以调整220 kV变电所主变分接头位置，但这种调分接头的方法对调整110 kV及以下电压有效，对220 kV电网电压几乎没有影响。在当时的电网状况下，采用某种单一的调压方法已很难满足电网运行要求。我们将多种调压手段互相配合，根据具体情况因地制宜，并结合电网发展规划，在计算分析的基础上，提出了切实可行的技术措施。

　　（1）发电机进相运行

　　在各种调压措施中，我们根据黑龙江电网的具体特点，首先考虑了机组进相运行。进相运行是利用发电机调压的一种方式。电网低谷负荷时，大量无功过剩，利用发电机吸收无功，是一种经济且对降低电厂及附近电压较为有效的调压方法。《电力系统电压和无功电力技术导则（试行）》中也规定新装机组应具备在有功为额定值时，功率因数进相0.95的运行能力。

　　1998年初，黑龙江只有东部电网佳木斯电厂和牡丹江第二发电厂各一台100MW机组可以进相运行，且受电网启停调峰和机组检修情况的影响，多数时间只有一台100 MW机组进相运行调压。随着电网的发展，电网无功过剩、低谷电压偏高的问题越来越突出，当时的调压手段已远远不能满足调压的要求。为此，提出了增加进相运行机组数量与非进相运行机组高功率因数运行的措施，在1998年至2001年9月期间，经过计算研究，分析机组励磁系统状况，先后在试验的基础上，克服了厂用电压降低、发电机铁芯发热等不利因素，使省网共有21台机组具备了进相运行能力，进相机组的单机容量从50 MW至600 MW，且东部网可实现低谷时4台机同时进相运行，增加了电网调压的灵活性。西部北黑地区北安厂50MW机组进相运行后，不但缓解了电压偏高的问题，还解决了以前两台机不能同时运行的问题。

　　（2）控制机组无功出力和调整电厂主变压器分接头位置

　　在利用发电机进相运行调压的同时，对于由于励磁系统不具备条件或其它原因不能进相运行的机组，在低谷负荷时，我们采取了高功率因数运行的措施，减少向电网输送无功功率。黑龙江电网要求100 MW及以上的非进相运行机组低谷负荷时的功率因数应达到0.99，对于电压问题较突出地区的电厂机组，腰荷时段的功率因数也进行了规定。在电网实际运行中发现，利用机组进相运行调压时，经常发生同一电厂内部或附近电厂的非进相机组抢发无功的现象，削弱了进相运行的效果，而通过现场运行人员来调节控制又非常困难。这种情况在进相运行机组较多的东部网表现较为突出。为消除这一现象，在机组进相运行的同时，需合理调整电厂主变分接头位置，通过励磁系统作用，限制机组发出的无功，使其达到规定的功率因数值。我们对东部网电压情况进行了计算，并对各电厂机组实际所发无功情况进行了分析，根据计算分析结果确定并实施了将部分电厂主变分接头下调的措施，从而解决了机组抢发无功的问题。

　　（3）220kV变电所安装电抗器

　　黑龙江电网1998、1999年在北黑电网和鹤岗电网投产了几个220 kV末端变电所，由于地区低谷负荷轻，无功过剩情况严重，且输电线路较长，部分时间输送的功率小于自然功率，造成变电所电压偏高。而通过电网机组进相运行或调整分接头位置等调压方法已远远不能满足运行要求。根据实际情况，只有应用安装无功补偿装置即并联电抗器的方法，增加电压损耗，才能达到降低电压的目的。

　　在充分考虑发电机、变压器调压措施的基础上，对不同地点安装电抗器调压的效果、投资及电网运行的经济性和操作的灵活性进行了多种方案的综合分析，经过大量的多种方式的计算，确定在黑龙江省网六个220kV变电所中（或低）压侧安装共230Mvar容量的并联电抗器的措施。目前均已实施完毕，这六个变电所大部分为远距离轻负荷的终端变电所，还有个别出线较多的枢纽变电所。

　　（4）500kV系统配套电抗器的分析

　　近两年黑龙江电网500 kV系统建设较快，目前已形成以500 kV系统为主干线的大型电网，但由于在规划设计时对补偿电抗器的考虑不够充分，随着500 kV网架的不断加强，电压偏高的问题越来越突出。按原设计的黑龙江电网500 kV系统电抗器的补偿度不足85%，部分地区补偿度不足70%，全省约有300 Mvar以上剩余无功未补偿掉，而且配套安装的500 kV高抗的额定电压为525 kV或550 kV，随着电压的变化其运行容量经常达不到额定值。而且黑龙江电网负荷增长缓慢，500 kV线路投产后潮流很轻，线路损耗小，不但500 kV系统电压较高，也抬高了220 kV电压，曾多次出现为防止500 kV电压过高，被迫将部分500 kV线路停电的情况。

　　《电力系统电压和无功电力技术导则（试行）》中规定，330～500 kV电网并联电抗器的总容量不宜低于线路充电功率的90%。对于黑龙江电网来说，由于其220 kV电网本身就存在电压偏高的问题，即使500 kV系统已达到90%的补偿容量，仍有200 Mvar以上没有消耗的无功，且这部分无功会随着低谷时段电压的升高而增加，使系统电压更加恶化。针对这种情况，我们认为对于电压偏高的220 kV电网，在考虑500 kV系统配套电抗器时，在躲过线路谐振区的情况下，可以考虑采用全补偿或过补偿的方法，既可满足500 kV系统的要求，也有利于220 kV系统调压。依照这种思想，我们在研究黑龙江东部网电压问题时，结合500 kV系统的发展规划，在已应用机组进相运行和220 kV电网安装电抗器的基础上，经过多种方案的计算分析比较，确定了解决电压问题比较明显且无线路谐振问题的调压方案，即除原设计的配套电抗器外，在500 kV方正变电所的群方线加装120~150 Mvar高抗,在500 kV群林变电所补充60Mvar低抗，东部网500kV系统电抗器容量虽略为过补偿，却可使500 kV、220 kV系统电压均可保持在合格范围内，且大大增强了省网的调压手段。

　　2.3 发电机进相运行与电网稳定的关系

　　发电机进相运行易引起机组端部发热、厂用电压下降。通过采取一定的措施和现场试验证明，目前，这两个问题已经不是限制发电机进相运行的因素。发电机静态稳定和电网暂态稳定极限降低是必须考虑的主要问题。

　　以隐极机为例，在保持有功功率不变的条件下，调节励磁电流所引起的发电机的各个参数量

　　有功功率不变，不变，可以得出Eq sinδ=常数。同时由P = UI cos j不变可得，I cosj = 常数。由此可知，无论励磁电流如何变化，I在U上的投影即I cos j不变，Eq在U的垂线上的投影Eq sinδ不变。如图1所示，励磁电流变化时，I的端点轨迹是与U垂直的直线BB，Eq的端点轨迹是与U平行的直线AA。

　　自上面的分析以及相量图可知，当有功一定且，定子电流相对最小时，所对应的发电机的功率因数为1。这时无论增大或减小励磁电流，都会使定子电流增加。将发电机的定子电流I随励磁电流IL变化的关系绘成曲线，即得出U形曲线，如图2所示，可以看出，欠励磁即进相运行时，发电机靠近不稳定区。

　　从相量图中还可以分析出，随着机组进相运行深度的加大，功角逐渐增大，机组本身乃至整个电网的暂态稳定水平也将下降，尤其是在有多台机组进相运行的电网，暂态稳定问题已成为限制机组进相运行的主要因素。因此，对于进相运行的机组，其自动励磁调压系统必须投入，而且必须在合理的计算分析基础上对低励限制单元进行整定，通过试验后，才可以确定机组是否可以进相运行及进相运行的深度。

　　通常在低谷负荷时系统无功较多，电压偏高，电网的暂态稳定储备比高峰负荷时也略高，但随着进相运行机组数目和容量的增加，电网的暂态稳定水平将趋于下降。黑龙江东部电网是一送端电网，电源比较集中，暂稳计算分析表明，低谷负荷时两台100 MW机组同时进相运行，已基本将低谷时段电网暂稳的裕度消耗掉。继续增加进相运行机组的数目时，东部网外送联络线的稳定水平下降较为明显。进一步的计算分析结果是，若仅仅采用多台机组同时进相运行来降低电压，黑龙江省东部网需有7台机组同时进相运行，220kV电压才可满足要求，虽投资较小，但东部网外送联络线的稳定极限将下降约40%，难以满足线路送电的要求，电网的损失较大。而在综合考虑机组进相运行和500 kV系统加装电抗器等多种调压措施的情况下，既可以降低电压，也可使联络线的稳定水平控制在运行要求的范围内。

　　3 实际效果

　　通过对黑龙江电网220kV电压综合治理的研究,提出了以下技术措施：(1)1998年仅两台100MW发电机组具备进相运行的条件。目前,在实验的基础上有21台机组实施进相运行,其中包括两台600MW机组与两台300MW机组。(2)调整变压器分接头位置以更好地控制电厂无功，使非进相机组达到高功率因数运行（一般在0.995～0.998之内）,以更好地抑制电网电压偏高。(3)安装电抗器,按计算分析结论提出在220kV红兴隆变电所、西格木变电所、金山变电所、牡北变电所、嫩东变电所及北安变电所安装了230Mvar电抗器，在500kV群林变电所补充装设了低压电抗器60Mvar,在500kV群方线方正变侧安装120Mvar高抗,上述措施已全部实施。实践证明 ，采取这些措施后，省网500KV、220KV电压水平均有明显改善。2001年7月份已达到国电公司制定的“一流”电网标准，省网电压合格率已超过99%，较1998年提高了19个百分点。220KV电压最高值也从252KV下降到237KV左右，对电气设备的安全运行起到了良好的作用。在已有经验的基础上，黑龙江电网还将进行电容器、电抗器相结合，及ASVG等新产品的应用研究，进一步丰富省网的调压手段，提高管理水平，同时开展电网无功优化的新方法，以适应电网不断发展壮大的要求。目前，根据分析研究的结论，所提技术已在各厂、站全面

　　推广应用。

　　4 结束语

　　（1）多台进相运行时，调压效果较好，但对电网暂态稳定水平有一定影响，一般在夜间低谷时段，允许暂稳极限下降10%～20%。

　　（2）同一电厂内的其它机组或附近电厂机组的主变分接头就进行调整，使机组能够保持高功率因数运行。

　　（3）长距离轻负荷的末端变电所在中（或低）压侧安装电抗器，降低电压效果明显。

　　（4）对于无功过剩较多的电网央躲过系统谐振区的情况下，500KV系统感性补偿设备容量宜采用过补偿。

　　（5）在电网调压问题的研究中，应根据具体情况，经过多种方案的技术经济分析和调压效果的计算比较后，确定综合的调压措施。