長距離輸電線路改善電能質量方法

廣東電網有限責任公司梅州供電局 廣東省梅州市 514021

摘要：輸電線路在我國城鄉和工業電網中有廣泛的應用。提高電網綜合供電水平是促進我國電力事業發展的一個重要指標。輸電線路設計的重要性顯著提高。輸電線路作為從發電廠或變電站向用戶輸送電能的橋梁，在電力系統中起著重要的作用。

關鍵詞：輸電線路；電能質量

引言

隨著國民經濟的發展，科學技術的進步和生產過程的高度自動化，電網中各種非線性負荷及用戶不斷增長；各種復雜的、精密的，對電能質量敏感的用電設備越來越多。上述兩方面的矛盾越來越突出，用戶對電能質量的要求也更高，在這樣的環境下，探討電能質量領域的相關理論及其控制技術，分析我國電能質量管理和控制的發展趨勢，具有很強的現實意義。

1.背景及意義

在一般情況下，線路的供電臂距小于50km。而線路空載或輕載情況下，線路顯容性，末端電壓升高；當負載增加時，線路有可能從容性變化到感性，末端電壓又會降低，根據理論計算結果，長距離供電線路在無補償的情況下，末端電壓波動在10%以上。如某供電系統許多線路顯然超過該范圍。一旦其中變電所出現故障，就需要兩邊的變電所進行越區（長距離或超長距離）輸電，如果不進行合理補償的話，由于末端電壓偏移過大，嚴重時會使供電系統電壓崩潰。對于長距離（超長距離）供電線路可能出現下列問題：

長距離線路中的電容效應使線路空載或輕載時產生工頻電壓升高。空載時電壓升高最為嚴重，若不加以防治，將對設備和線路產生危害；

負載較大時，線路電壓損失較大，必須對線路進行補償；

分、合長線時供電線路產生過電壓；

負載大時，導線的發熱嚴重；

超長距離供電時，消耗在線路電阻的功率增大，影響供電的經濟性；

目前，國內供電系統使用的大多是固定不可調和手動分級可調無功功率補償裝置，這些方式部分自動跟隨供電系統電壓等參數進行補償，響應速度慢，吸收無功不連續，對電網電壓調節有限，對過電壓抑制能力差，經濟性不高，而且容易過補償或欠補償。根據上述情況，本文分析了各種靜止型無功功率補償方式的可用性，結合油田供電系統的特點，采用具有動態性的混合型補償方式，通過控制電力電子裝置來自動跟隨系統電壓以實現無功功率補償，使功率因數符合電力部門的要求。

2.電能質量問題的產生

2.1電能質量問題的定義和分類

電能質量問題是眾多單一類型電力系統干擾問題的總稱，其實質是電壓質量問題。電能質量問題按產生和持續時間可分為穩態電能質量問題和動態電能質量問題。

2.2電能質量問題產生原因分析

隨著電力系統規模的不斷擴大，電力系統電能質量問題的產生主要有以下幾個原因。

2.2.1電力系統元件存在的非線性問題

電力系統元件的非線性問題主要包括：發電機產生的諧波、變壓器產生的諧波、直流輸電產生的諧波以及輸電線路（特別是超高壓輸電線路）對諧波的放大作用等等。此外，還有變電站并聯電容器補償裝置等因素對諧波的影響，其中，直流輸電是目前電力系統最大的諧波源。

2.2.2非線性負載

在工業和生活用電負載中，非線性負載占很大比例，這是電力系統諧波問題的主要來源。電弧爐（包括交流電弧爐和直流電弧爐）是主要的非線性負載，它的諧波主要是由起弧的時延和電弧的嚴重非線性引起的。居民生活負荷中，熒光燈的伏安特性是嚴重非線性的，也會引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波的含量最高，大功率整流或變頻裝置也會產生嚴重的諧波電流，對電網運行環境造成嚴重污染，同時也使功率因數降低。

2.2.3電力系統故障

電力系統運行的內外故障也會造成電能質量問題，如各種短路故障、自然現象災害、人為誤操作、電網故障時發電機及勵磁系統的工作狀態的改變、故障保護裝置中的電力電子設備的啟動等都將造成各種電能質量問題。

3.電能質量分析方法

3.1時域仿真法

時域仿真方法在電能質量分析中的應用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時域仿真程序對電能質量問題中的各種暫態現象進行研究。采用時域仿真計算的缺點是仿真步長的選取決定了可模仿的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開關的開合過程時，還會引起數值振蕩。

3.2頻域分析法

頻域分析方法主要包括頻率掃描、諧波潮流計算和混合諧波潮流計算等，該方法多用于電能質量中諧波問題的分析。

頻率掃描和諧波潮流計算在反映非線性負載動態特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計算法在近些年中發展起來。其優點是可詳細考慮非線性負載控制系統的作用，因此可精確描述其動態特性。缺點是計算量大，求解過程復雜。

4.無功補償技術的發展和應用

4.1 無功補償的必要性

無功補償是維持現代電力系統穩定與經濟運行所必需的。

無功的存在對電網的影響主要有幾個方面：無功功率的增加會使輸電線路總電流增大，視在功率增大，從而使發電機、變壓器等電氣設備總容量增大，同時也使設備及線路的損耗相應增大，線路電壓降增大，尤其是長距離供電。另外，會使功率因數降低，設備的利用率變小。

4.2 國內外各種補償方式的介紹

傳統的無功調節設備有并聯電容器或電抗器和調相機。并聯電容器或電抗器是電網中用的最多的一種主要的無功功率補償設備。它的特點是價格便宜，易于安裝維護。缺點是當電壓降低時，特別是由于故障而電壓降低時，系統需要電壓支持，而并聯電容、電抗器輸出無功功率卻急劇下降，不能滿足系統需要。調相機實質上是一種不帶機械負載的同步電動機，調節其勵磁，既可以發出無功功率，又可以吸收無功功率，是最早采用的一種無功補償設備，在并聯電容、電抗器得到大量采用后，它退到次要地位。調相機的優點是：在系統發生故障引起電壓降低時，同步調相機可提供電壓支持，還可以在短時間進行強行勵磁，對提高電力系統的穩定性有很大好處。它的主要缺點是投資大，運行維護復雜，機械損耗大，噪音大等。

20世紀70年代以來，隨著電力電子技術的不斷發展，出現了靜止無功補償技術。從此，將使用晶閘管的靜止無功補償裝置（SVC）推上了電力系統無功功率控制的舞臺。1997年美國GE公司首次在實際電力系統中演示了晶閘管的靜止無功補償裝置。1978年，在美國電力研究院的支持下，西屋電氣公司制造的使用晶閘管的靜止無功補償裝置投入實際運用。隨后各大公司都推出了自己的系列產品。

隨著高壓大容量可關斷器件，如IGBT、GTO、IGCT器件的發展，20世紀80年代出現了基于可關斷器件的電壓源或電流源的并聯補償裝置，即靜止無功發生器，國外稱為STATCOM。20世紀90年代以來，基于逆變器的有源補償裝置在輸電系統和配電系統中獲得了越來越廣泛的應用。

無功發生器補償裝置的特性，成為完全可控的電壓源或電流源，使得無功功率補償裝置的性能得到了很大的提升。無功發生器是由逆變器構成，并由一并聯電容器上的電壓進行激發啟動，其輸出的三相交流電壓與所接電網的三相電壓同步。無功發生器通過的電流等于零或呈容性或呈感性取決于連接變壓器一、二次電壓的幅值，無功發生器裝置輸出無功功率的大小和極性都由其通過的電流來調整，從而調整輸電線路的無功功率，靜態或動態的使電壓保持在一定范圍之內，以利于提高電力系統穩定性。無功發生器不僅可以矯正穩態運行電壓，還可以抑制一定范圍的暫態電壓，因此對電網電壓的控制能力很強。直流側的電容器只是用來維持直流電壓，而且這些電容由直流電容器組構成，容量、體積小且價格低。

4.3 幾種補償方式的比較

無功發生器與SVC相比，響應速度快、吸收無功連續、高次諧波含量少，而且可提供放大的無功支持，且有抑制施工瞬態過電流、過電壓的能力。此外，無功發生器省去了大量的電容器、電感器以及與之配套的開關