用于特/超高壓電網電壓控制的分級投切式可控高抗控制策略

張琳，葉丹丹，胡葉舟，肖馳夫

（1.華北電力大學，北京102206；2.溫州電力局，浙江溫州325000；3.浙江省電力試驗研究院，浙江杭州310000）

隨著電力系統規模的不斷擴大，電壓等級不斷增加[1]。發展特/超高壓、建設堅強電網是電力事業發展的一個重要課題[2]。與現有電網相比，特/超高壓電網將實現更遠距離、更大容量、更低損耗的電力輸送[3]。特/超高壓電網既能促進跨地區、跨流域水火互補，實現資源在更大范圍內的優化配置，又能引導電力的合理布局與集約化發展，實現電源和電網的協調發展，為電力系統安全、穩定和可靠運行，以及提供優質的電力服務打下堅實的基礎。

1 特/超高壓電網的電壓特點

1.1 工程概況

本文結合國內某規劃建設的750 kV輸變電工程，擬新建300 km的750 kV送電線路，采用同塔雙回緊湊型輸電技術。由于線路充電功率大，加之送端電源主要為大容量風電廠，功率波動頻繁，無功平衡和電壓控制問題亟待解決。經相關專題[4-5]研究后認為，本工程需在其中一條母線上裝設1組210 MV·A的750 kV分級投切式可控高抗，圖1為經等值以后的輸電線路集中參數模型，其中Rl+jXl是線路阻抗；B/2是線路充電電容；XG是并聯高抗。PS+jQS、PR+jQR分別是送端和受端有功功率和無功功率，US、UR分別是送端和受端的電壓。

圖1 輸電線路等值模型Fig.1 Equivalent model of transmission line

1.2 特/超高壓電網的電壓特點

與普通線路不同，特/超高壓輸電導線的等效直徑增大、相對相以及相對地之間的分布電容增大，容易出現較大的過電壓[6-7]。過電壓是指電源電壓超過其額定值時的電壓，特/超高壓輸電線過電壓可分為外部過電壓和內部過電壓。外部過電壓是指由于大氣環境中的雷云放電而引起的電力系統電壓升高，所以也稱大氣過電壓或雷電過電壓。內部過電壓是指電力系統中由于斷路器操作、故障或其他原因使系統參數發生變化，引起電網內部電磁能量的轉化或傳遞而造成的電壓升高。對于包含特/超高壓電網的輸電網而言，系統的電壓穩定性對于系統的安全穩定運行非常重要，而無功的分布與電壓有著密不可分的聯系[8-9]。

特/超高壓輸電系統中，線路電壓降可表示為：

特/超高壓系統中，輸電線路X/R達到了35[10]，忽略線路電阻時，有

可見，電壓損耗與輸送無功功率成正比，與電壓等級成反比。因此，減少線路無功傳輸，有利于輸電系統電壓調節，提高受端電壓水平，提高輸電系統的電壓穩定性。

但是，特/超高壓輸電線路采用分裂導線，單位長度分布電容很大，加之線路長，導致輸電線路容性充電功率非常大[8]，利用高抗可以降低輸電系統與外部系統的無功功率交換。此時，若按限制過電壓的要求來配置特高壓固定電抗器，就會產生小方式運行電壓偏高，或大方式運行電壓偏低的情況。常規的解決辦法是通過在變壓器的低壓側安裝低壓電抗器組或低壓電容器組，但是受變壓器容量的限制，重載時低壓補償可能無法滿足要求[9]。配置固定高抗很難達到線路輕載時，高抗容量大；線路重載時，高抗容量小；線路開斷瞬間，快速達到最大值的要求。目前，可控高壓電抗器是解決限制過電壓和無功調相調壓之間矛盾的有效手段之一。如果使用可控高抗就能快速反應，獲得較好的效果。

可控高抗分為磁閥式和高阻抗變壓器式2種類型。磁閥式可控高抗通過調節直流勵磁的大小來調節電抗器的輸出容量，實現連續無功功率控制。高阻抗變壓器式可控高抗將變壓器和電抗器設計為一體，變壓器的阻抗設計為100%，在變壓器低壓側接入晶閘管，實現感性無功功率的連續或分級控制。本文結合的750 kV輸變電工程，需要配置的分級投切式可控高抗屬于高阻抗變壓器式。

2 分級投切式可控高抗的結構和工作原理

本工程中決定采用的分級投切式可控高抗，其電路原理如圖2所示[10]。分級投切式可控高抗的容量分為4級，在變壓器副邊繞組串聯接入3組電抗器，并引出3組抽頭，通過晶閘管和斷路器接入0~3組電抗器，可改變其與原邊繞組的并聯電感值，進而分級調節高抗整體容量，實現對感性無功功率的控制。

圖2 分級投切式可控高抗原理圖Fig.2 Principle of stepped controllable shunt reactor

圖2 中，Sa1~Sa3，Sb1~Sb3，Sc1~Sc3為晶閘管復合開關；Xk1~Xk3為電抗器。

式中，Qdx為可控高抗單相容量，MV·A；Qpu為可控高抗總容量，MV·A；Qunit為可控高抗單相每級容量，MV·A。容量為210 MV·A的4級投切式可控高抗控制情況如表1所示。

3 分級投切式可控高抗控制策略

3.1 原理分析

計算圖1所示系統的電壓降落時，可略去其橫分量，則設置補償設備前，

表1 210 MV·A分4級投切式可控高抗容量控制情況Tab.1 Control situation of stepped controllable shunt reactor(210 MV·A and 4 steps)

設置補償設備后，設送端電壓變為，則

UR保持不變，忽略特高壓輸電線路電阻時，得

可見，參考電壓、實際電壓與應該補償的無功功率密切相關。

Bang-Bang控制，也叫滯環控制或者開關控制，它的控制函數總是取在容許控制的邊界上，或者取最大，或者取最小，僅僅在這2個邊界值上進行切換，從而構成一種控制作用，其作用相當于一種繼電器。對電壓實現Bang-Bang控制，實際上是將輸出電壓維持在以參考電壓為中心的滯環寬度內。對分級投切式可控高抗實行Bang-Bang控制，先設置一個參考電壓Ujc，

即滯環帶為

其中，M為滯環寬度。

當實際電壓 Uj＞M時，結合式（7），用分級投切式可控高抗進行無功補償。

3.2 分級投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略

本工程中，擬新建的輸電線路電壓等級為750kV，工程要求750 kV輸電線路的運行電壓一般控制在750~792 kV，最高不超過800 kV。采用Bang-Bang控制策略實現分級投切式可控高抗對線路電壓的調節，選取滯環寬度為770 kV≤Uref≤780 kV，即電壓高于780 kV時，投入一級可控高抗容量，電壓低于770 kV時，退出一級可控高抗容量?？煽馗呖拱惭b于變電站750 kV側母線上，以該母線電壓為輸入量，根據設定的目標電壓上下限對可控高抗容量進行調節，達到將輸電線路電壓控制在穩定范圍內的目的。圖3為分級投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略。

圖3 分級投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略Fig.3 Bang-Bang control method for stepped controllable shunt reactor

1）如Rn未達到上下限，設Qn-1為已投切的可控高抗容量，ΔQ為本次判斷該投切的可控高抗容量，Qn為已投切的可控高抗容量與本次該投切的可控高抗容量之和，投切策略如下：

若電壓U在滯環寬度內，即700 kV＜U＜780 kV時，可控高抗不動作，R=0，Rn=Rn-1，Qn=Qn-1；

若電壓越過上限，即U≥780 kV時，投一級，R=1，Rn=R-1+R，Qn=Qn-1+ΔQ；

若電壓越過下限，即U≤770 kV時，切一級，R=-1，Rn=Rn-1+R，Qn=Qn-1+ΔQ。

2）如果Rn已達到上下限，當Rn=Rn-1+R≥Rmax時，Rn=Rmax；當Rn=Rn-1+R≤Rmin時，Rn=Rmin。式中，Rmax、Rmin分別為分級式可控高抗的最大可投/切級數。

4 仿真分析

本文結合的750 kV輸變電工程中，送端電源主要為風電，由于風電具有隨機性和間歇性，風機在向電網提供有功的同時，也要從電網吸收無功，加上750 kV輸電線路充電電容很大，必須配置相應的無功補償裝置，補償風機出力引起的無功損耗及750 kV輸電線路的無功功率，保證無功就地平衡。若采用低壓無功補償裝置，需經過變壓器與750 kV線路相連，削弱無功補償效果；若采用固定高抗，可能造成小功率方式下電壓過高、大功率方式下電壓過低；與固定高抗相比，采用分級投切式可控高抗后，系統變電站可根據線路潮流及系統電壓水平的變化自動分級調節可控高抗的投切容量，智能調節線路的電壓。下面以2個算例來分析分級投切式可控高抗優化調節特/超高壓線路電壓的作用。

1）算例分析一：模擬可控高抗逐級退出。假設初始上網功率為1 500 MW，母線初始電壓為775.7 kV，4級投切、3級可控的可控高抗全部投入，此時系統處于穩定狀態。輸送功率從1 500 MW上升到3 000 MW時，可控高抗動作情況如圖4所示，可控高抗動作與可控高抗未動作時母線電壓的波動情況如圖5所示。輸電功率超過1 912 MW時，可控高抗滿足判斷依據開始動作，退出一級可控高抗，最后一級動作時，輸送功率為2 675 MW。

圖4 輸送功率上升時可控高抗動作情況Fig.4 Switch of stepped controllable shunt reactor when transmission power increase

圖5 輸送功率上升時母線電壓的波動情況Fig.5 The bus voltage fluctuation when transmission power increase

由圖5可知，若可控高抗未動作，隨著輸送功率的增加，線路消耗的容性無功功率也會增加，系統無功功率不平衡，母線電壓急速下降，甚至越限；可控高抗動作可使系統的無功就地平衡，母線電壓有效控制在750~792 kV，達到智能調節的目的，適應智能電網的要求。

2）算例分析二：模擬可控高抗逐級投入。假設初始上網功率為1 500 MW，母線初始電壓為775.7 kV，4級投切、3級可調的可控高抗級全部退出，此時系統處于一個穩定狀態。輸送功率從1 500 MW下降到900 MW時，可控高抗動作情況如圖6所示，可控高抗動作與可控高抗未動作時母線電壓的波動情況如圖7所示。輸送功率下降到1 372 MW時，可控高抗滿足判斷依據開始動作，投入一級可控高抗，最后一級動作時，輸送功率為1 076 MW。

圖6 輸送功率下降時可控高抗動作情況Fig.6 Switch of stepped controllable shunt reactor when transmission power decrease

圖7 輸送功率下降時母線電壓的波動情況Fig.7 The bus voltage fluctuation when transmission power decrease

由圖7可知，若可控高抗未動作，隨著輸送功率下降，線路消耗的容性無功功率也隨之減少，系統無功功率不平衡，母線電壓上升，甚至越限，不滿足要求；投入可控高抗可改變電氣距離，抵消系統的部分容性無功，使系統的無功就地平衡，母線電壓有效控制在750~792 kV。

運用可控高抗可以提高系統運行的經濟性，上網功率較大時，輸電線路重載運行，容性無功損耗增加，系統容性無功功率減小，可控高抗根據線路的電壓水平自動調節容量至較小值，保持良好的電壓水平并降低網損；上網功率較小時，輸電線路輕載運行，系統無功損耗減小，線路電壓上升，可控高抗根據線路的電壓水平自動調節容量至較大值，提供更多的感性無功功率，以滿足系統安全穩定運行的要求。

5 結論

本文結合國內某規劃建設的750 kV輸變電工程，分析了特/超高壓電網輸電線路的無功特點和電壓波動情況，提出了分級投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略，運用分級投切式可控高抗可以智能補償輸電線路的無功功率，并有效控制其電壓，保持良好的電壓水平和降低網損，提高系統運行的經濟性。

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