綜合考慮自勵磁和工頻過電壓的小電網聯絡線無功補償優化策略

張 華，李 旻，丁理杰

(四川電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引言

隨著西部開發戰略的深入推進，西部地區電網發展也穩步前行。四川電網的主網架逐步向經濟發展滯后的偏遠地區延伸，如甘孜、阿壩、梁山地區等。在這些地區建設高電壓等級的聯絡線，把地方電網與四川主網連接起來，解決當地長期存在的缺電少電問題，有利于改善當地民生，促進經濟發展和民族團結。

然而由于當地人口分布稀疏，負荷需求有限，且由于自然條件惡劣，不具備建設密集電網的條件。這些地區聯網后將形成眾多弱聯系末端電網。同時為了利用當地資源，網內常常含有小型水電機組，其典型電網結構如圖1 所示。但網內的水電機組不足以支撐當地負荷，因此仍需要通過聯絡線獲得電力供應。

圖1 小電廠接入地方電網典型系統結構圖

這類電網的特點決定了其必然存在一些安全穩定問題，其中典型的問題有:小型發電機自勵磁、長線路工頻過電壓等。這兩個問題的根源都來自于長線路的充電無功。目前長線路充電無功補償策略的制定是將自勵磁和工頻過電壓分別考慮的，這里將闡述這種方法的缺陷，并提出一種綜合考慮自勵磁和工頻過電壓的弱聯系小電網聯絡線無功補償優化策略。

1 聯絡線無功補償的一般策略

按照補償對象的不同，高壓電抗器的結構有許多種，但實際應用最多的是如圖1 所示的結構［1］。其中Xa=Xb=Xc=Xp是高壓電抗器的值，N 為高壓電抗器中性點，XN為中性點小電抗的值。正常運行時，若三相絕對對稱，N 點電壓為零，XN上沒有電流流過。中性點小電抗只在暫態過程中發揮作用。

輸電線路上安裝并聯高壓電抗器通常有兩個目的:其一是根據系統無功就地補償的原則，對輸電線路充電無功進行補償，其目的是防止系統穩態電壓過高，以及防止線路操作過程中產生過高的工頻過電壓。其二是采用中性點小電抗與高壓電抗器配合，降低三相線路之間的耦合作用，從而降低單相重合閘操作過程中產生的潛供電流和恢復電壓，促進電弧的快速熄滅且不重燃弧，保證單相重合閘成功［2、3］。

圖2 線路高壓電抗器結構

表1 線路充電無功經驗值

上述兩個目的也同時成為確定高壓電抗器參數的約束。第一個目的將對高壓電抗器容量的大小，以及高壓電抗器安裝的位置構成約束。單位長度的某電壓等級輸電線路空載充電無功通常可以通過表1 中的經驗值計算。一般高壓電抗器的補償度約為60%～70%。而線路的工頻過電壓水平則需要采用系統仿真的方式獲得。按照標準要求，應該校核輸電線路無故障甩負荷、單相重合閘甩負荷兩種工況下的工頻過電壓水平，并采取措施保證其在規定數值以下。工頻過電壓的限定值如表2 所示［4，5］。通過仿真分析可以確定線路哪一側的工頻過電壓超標，從而確定高壓電抗器的安裝位置。

表2 線路工頻過電壓允許上限

第二個目的將對高壓電抗器中性點小電抗的數值構成約束。在高壓電抗器容量已定的前提下，采用仿真的方法可以優化中性點小電抗的數值［2、3］，使線路的潛供電流最小。對高壓電抗器中性點小電抗的優化不在這里討論范圍內。

2 一般補償策略帶來的問題

2.1 地方小電網聯絡線的特點

通常輸電線路單相接地甩負荷工頻過電壓高于無故障甩負荷，而單相接地甩負荷工頻過電壓的大小與該故障點X0/X1的大小有關［2］，其中X0、X1分別為該點的零序綜合電抗和正序綜合電抗。將比值定義為kX，其值越大，過電壓越大。

如圖3 所示，假設系統的零序電抗為Xs10，正序電抗為Xs11，地方小電網的零序電抗為Xs20，正序電抗為Xs21。聯絡線本身的零序電抗為Xl0，正序電抗為Xτ。則聯絡兩端發生接地故障，接地點的Kx值的大小如式(1)和式(2)。

圖3 地方電網聯絡線示意

通常，輸電線路的Xl0是Xl1的2.5～3 倍［6］，而由于發電機和變壓器的存在，系統的零序電抗和正序電抗的比值卻小得多。因此有式(3)。

其中，Xs0、Xs1分別為系統零序和正序電抗。也就是說系統阻抗會拉低故障點的kX值。系統越強，系統阻抗越小，拉低效果越弱，kX值越大，相應的工頻過電壓也越大。

圖3 所示系統最主要的特點就是線路兩端的兩個系統強弱程度差別巨大。主網系統的強度遠遠高于地方電網，因此線路的地方電網側發生單相故障甩負荷產生的工頻過電壓通常比另一端大。因此線路高壓電抗器應該安裝在地方電網一側。

2.2 抑制地方電網自勵磁對無功補償的要求

若地方電網內含有小型同步發電機，則為了避免發生自勵磁，需要對線路充電無功進行充分補償。根據普遍接受的自勵磁容量判據，系統不發生自勵磁需滿足式(4)的條件［7，8］。而考慮到地方電網內機組容量太小，對系統參數敏感度太高，以及系統頻率升高對自勵磁的影響，建議采用更為嚴格的判據，如式(5)。其含義是當系統頻率上升到1.1 p.u.時，仍能保證對線路充電無功的過補償，沒有富裕無功注入發電機。

其中，Sn是發電機容量;X*d是計及變壓器、線路電抗的發電機綜合同步電抗的標幺值;Ql是感性無功補償容量;Qc是線路充電無功。

2.3 系統的穩態調壓問題

如前所述，為了防范自勵磁，感性無功補償量應為聯絡線充電功率的1.21 倍，而線路高壓電抗器的補償度通常為60%～70%，剩余的部分將通過在地方電網變壓器低壓側配置低壓電抗器的方式實現。

圖4 地方電網感性無功集中配置圖

如圖4，若線路高壓電抗器也安裝在地方電網一側，將造成感性無功設備集中布置的局面。穩態運行時，由于地方小電網發電機容量太小，無功發電能力有限，發出的無功無法與上述感性無功相平衡，因此需要通過聯絡線從系統側引入大量無功。從而導致聯絡線兩端產生很大的電壓損耗。

根據電力系統基礎理論，輸電線路兩端的電壓損耗可以用式(6)描述［6］。

其中，P2、Q2、U2分別為線路同一側的功率和電壓，R、X 為線路阻抗。

為了使讀者有感性認識，給出范例如下:長度為250 km 的220 kV 線路，導線型號為單400 mm。X≈75，R≈9.5，QC＞＞48 Mvar，按照上述理論Ql需大于58 Mvar。當線路傳輸最大熱穩定允許功率(約為27 MW)時，線路的電壓損耗可達13 kV。當線路送端電壓為230 kV 時，受端電壓低至217 kV，不滿足220 kV 系統的最低運行電壓限制。且電壓等級越低，線路電壓損耗越嚴重。

3 聯絡線補償策略優化

首先研究抑制線路工頻過電壓需要投入的高壓電抗器的大小。構建如圖5 所示仿真系統，線路參數和傳輸功率大小同2.3 節范例。在聯絡線的地方小電網側設置單相接地故障，故障0.12 s 后斷路器B2 跳三相。故障持續0.2 s 消失。改變高壓電抗器的補償度，線路末端的工頻過電壓水平如圖6 所示。

由圖6 可見，沒有高壓電抗器時，工頻過電壓為1.38 p.u.。逐步增大高壓電抗器補償度至20%，線路的工頻過電壓即可被限制在1.3 p.u.以內。從圖中還可以看出，工頻過電壓和高壓電抗器補償度基本成線性關系。

圖5 仿真模型結構圖

圖6 不同高壓電抗器補償度時工頻過電壓的波形

因此從限制工頻過電壓的角度來看，根本不需要高壓電抗器容量達到線路充電功率的60%～70%。因此可采用線路兩端均配置高壓電抗器的做法使感性無功布置分散，如圖7。

圖7 線路兩端配置高壓電抗器的策略

需要說明的是，大量文獻均提出了線路兩端裝設高壓電抗器的補償方法。但是這些文獻的依據，仍然是線路的工頻過電壓水平。當線路兩側的工頻過電壓水平均超標時，才會在兩側都布置高壓電抗器。而方法是綜合考慮自勵磁和穩態調壓特性的需要提出來的，與線路另一側的工頻過電壓無關。

顯然，提出上述方法后的下一個任務就是確定這兩個高壓電抗器的容量配合。如上所述，高壓電抗器2 的容量需要通過系統仿真來確定。逐步增大高壓電抗器2 的補償度直至線路的工頻過電壓下降到1.3 p.u.以下即可。如圖6，建議取高壓電抗器2的補償度為20%，此時的工頻過電壓約為1.29 p.u.。高壓電抗器1 的大小由線路的總補償容量與高壓電抗器2 的容量之差決定。為了達到更好的分散無功的效果，建議將線路的總補償度設為70%。

4 仿真實例

本節給出一個仿真實例來證明上述優化配置的效果。仍采用上述典型系統結構和參數，即220 kV線路長250 km，導線型號為單400 mm，輸送潮流27 MW。優化前和優化后的系統結構和參數如圖8 所示。優化前后系統的穩態電壓如表3 所示。可見優化方案大幅提高了受端電網的電壓，使其可滿足電壓運行曲線的要求。

圖8 優化前后方案

表3 線路工頻過電壓允許上限

5 結論

針對一種普遍存在于西部地區的弱聯系地方受端電網，研究其聯絡線高壓電抗器補償策略。揭示了常規補償方法分別以抑制線路工頻過電壓為目的配置聯絡線高壓電抗器，以防范自勵磁為目的決定總無功補償容量的做法帶來的系統運行電壓不滿足運行要求的問題。針對此問題提出了一種綜合考慮自勵磁、工頻過電壓和系統穩態調壓特性的感性無功優化配置方法，該方法可大幅提高受端電網的電壓，使其滿足運行要求。對于西部偏遠地區受端電網的聯網工程規劃和設計具有重要的借鑒意義。

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