特高壓交流系統(tǒng)運行控制概述與展望

摘 要：隨著特高壓輸電線路工程建設及投運，特高壓電網已成為現代電網的重要組成部分，并對電網的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。本文概述了特高壓交流系統(tǒng)運行控制關鍵技術，在特高壓交流系統(tǒng)功率控制、特高壓交流系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制等方面，對特高壓電網輸電能力、無功功率優(yōu)化與控制、穩(wěn)定性與控制、特高壓交流系統(tǒng)保護與控制進行了分析總結，提出了需要進一步研究和解決的技術問題，為后續(xù)特高壓電網規(guī)劃、調度、運行和控制提供參考。

關鍵詞：輸電能力；無功功率優(yōu)化；穩(wěn)定性與控制；保護與控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.139

0 引言

特高壓交流輸電具有輸送容量大、距離遠、損耗低、占地省等顯著優(yōu)勢，隨著大容量輸電需求的增加，發(fā)電技術和輸電技術日新月異，作為資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的先進輸電技術，發(fā)展特高壓也成為電力工業(yè)發(fā)展的必由之路。世界上很多國家的電網公司都進行了特高壓工程和技術的研究，如美國的美國電力公司、美國邦納維爾電力局、日本東京電力公司、前蘇聯(lián)、意大利和巴西等國的電力公司分別建設了開展了特高壓工程、技術和設備方面的研究[1]。中國能源資源和負荷需求的逆向分布及能源結構的戰(zhàn)略性調整，決定了中國未來的輸電網架結構必須在送、受端系統(tǒng)以及1000-3000km的輸電系統(tǒng)上有根本性的突破[2]。國家電網正在推進“一特四大”發(fā)展戰(zhàn)略建設由特高壓交流系統(tǒng)和直流構成的大規(guī)模特高壓電網，以期解決電源與負荷中心之間大規(guī)模、遠距離、大容量的電力輸送難題，實現資源優(yōu)化配置[3]。特高壓電網結構復雜，加之特高壓工程建設和電源核準中存在的不確定性，一些薄弱環(huán)節(jié)將會給復雜電網的穩(wěn)定分析、控制和運行帶來了一系列挑戰(zhàn)。

本文概述了特高壓交流系統(tǒng)運行控制關鍵技術，在特高壓交流系統(tǒng)功率控制、特高壓交流系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制等方面，對特高壓電網輸電能力、無功功率優(yōu)化與控制、穩(wěn)定性與控制、特高壓交流系統(tǒng)保護與控制進行了分析總結，提出了需要進一步研究和解決的技術問題，為后續(xù)特高壓電網規(guī)劃、調度、運行和控制提供參考。

1 特高壓交流系統(tǒng)功率控制研究

特高壓工程的投運以及大規(guī)模間歇性可再生能源的接入使原有電網的結構更加復雜化，對各區(qū)域電網負荷帶來波動，可能造成整個電網系統(tǒng)暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)平衡被打破，各區(qū)域電網發(fā)電機結構各有不同，機組的調節(jié)能力各異，極易出現潮流的協(xié)調控制出現一定的困難，加之輸電線路運行越來越接近其安全穩(wěn)定運行的極限。因此，從輸電能力、無功優(yōu)化與控制等方面研究特高壓電網的功率控制與優(yōu)化，對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經濟、高效運行有著重要的意義。

1.1 特高壓交流電網輸電能力與控制的研究

特高壓交流輸電技術可以提電網的高安全性以及經濟性，其輸送能力和輸送通道的輸送效率一直備受關注。其輸送能力也受熱穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、功率穩(wěn)定的限制。特高壓交流輸電系統(tǒng)的輸電能力是指在保持經濟合理和系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，一定距離的輸電線路所具有的最大輸送功率。特高壓的輸電能力受多種因素的影響，文獻[4]分析高壓并聯(lián)電抗、發(fā)電機-變壓器高壓側電壓調節(jié)、1000kV升降壓變壓器的短路比、中間開關站加SVC和串聯(lián)電容補償等各電氣量對1000kV輸電系統(tǒng)輸電能力影響，研究了能進一步提高1000kV輸電系統(tǒng)遠距離輸電能力的技術。文獻[5]研究了省際電網輸電極限問題，給出了考慮特高壓接入后穩(wěn)定性的輸電能力分析方法與流程，并對電網的穩(wěn)定性進行了校驗。文獻[6]結合電網新技術、新材料、新方法闡述了影響電網輸電能力的因素，從改變電網網架結構、電氣特性和加裝穩(wěn)控裝置等方面提出了對特高壓電網具有適用性的輸電網絡方案和提高電網輸送能力的方法。關于輸電能力的問題，已經得到了國內外學者較高程度的的研究與關注，隨著新型電力電子器件的發(fā)展與應用，利用補償裝置間的協(xié)調配合來提特高壓電網的輸送自然功率的技術有待進一步研究。隨著電力市場的開放，從經濟角度對提高特高壓輸電能力以及接收新能源的能力有待進一步研究。

1.2 特高壓交流電網無功優(yōu)化與控制的研究

隨著輸電系統(tǒng)電壓等級的升高和輸電距離的增加，輸電系統(tǒng)的無功特性發(fā)生了根本變化。在特高壓交流輸電系統(tǒng)中，合理配置電抗器和低壓無功補償設備維持特高壓交流輸電系統(tǒng)的電壓水平，通過系統(tǒng)無功電壓控制實現電力系統(tǒng)安全經濟運行具有重要意義。特高壓輸電線路的無功損耗隨電能輸送有很大的有功變動，同時電容效應產生很大的充電功率，特高壓輸電線路給變電站無功補償、電壓控制帶來困難。

針對特高壓交流輸電線路電容效應給無功補償和電壓控制帶來的問題，文獻[7]通過控制線路電壓不越限的方法研究了變電站的無功控制方式及補償容量，文獻[8]提出了一種基于經濟壓差的特高壓電網無功補償運行與控制方法。文獻[9]提出了一種改進的采用65%的固定高壓電抗器加30%的可調節(jié)高壓電抗器的特高壓輸電系統(tǒng)的無功補償改進方法，提高了特高壓輸電系統(tǒng)的輸電能力和電壓穩(wěn)定性。文獻[10]分析了無功補償設備投切策略、穩(wěn)態(tài)過電壓措施、應用可控高抗調壓等電壓控制需要考慮的技術問題，提出了高抗和低壓無功補償配置原則及方法，并結合實際系統(tǒng)進行了仿真驗證。針對特高壓接入系統(tǒng)使系統(tǒng)的穩(wěn)定控制更加復雜，對電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化要求越來越高，尋求最佳的無功補償方法稱為亟待解決的重要問題。在以后的研究中，應更加側重于無功補償控制策略方面的研究，提高無功補償裝置的響應速度，增強無功補償的有效性。

2 特高壓交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和區(qū)域性負荷的增長，遠距離大容量輸電日益普遍，隨之而來的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性問題越來越突出。國內外對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題做了大量研究，甚至在某些方面實現了在線安全穩(wěn)定評估及決策分析，同時能對電網中存在的潛在問題提出安全性措施，有效指導了電力系統(tǒng)的調度決策和安全穩(wěn)定運行。雖然解決了很多技術上的難題，但是隨著特高壓電網的接入、電力電子器件以及新的控制技術的應用，仍有大量的工作要做，必須要考慮特高壓接入后各種控制措施良好配合等方面的研究。

特高壓交流系統(tǒng)的功角、頻率、電壓穩(wěn)定性研究：

電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機保持同步運行的能力，可以細分為靜態(tài)穩(wěn)定、小干擾動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、大干擾動態(tài)穩(wěn)定。隨著電能需求的增加和電力系統(tǒng)的規(guī)模擴大，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題越來越突出，在典型故障下面臨暫態(tài)功角失穩(wěn)的風險。文獻[11]針對暫態(tài)功角失穩(wěn)風險問題提出了基于典型故障集的電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定近似判別方法，設計了風險評估流程并且為提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性提出了新的研究思路。文獻[12]提出了一種用于暫態(tài)功角穩(wěn)定的切機控制策略計算方法。目前，所有研究都集中在交直流混合系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性與控制策略研究上，針對特高壓交流電網的功角穩(wěn)定性與控制策略仍需進一步研究。

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動后，系統(tǒng)頻率能夠保持或恢復到允許的范圍內，不發(fā)生頻率崩潰的能力[13]?；趦蓹C系統(tǒng)模型及WAMS實測數據，，文獻[14]提出了大受端電網頻率安全穩(wěn)定評估采用的模型和分析方法，總結了受端電網頻率安全穩(wěn)定分析中應注意的問題。基于目前頻率穩(wěn)定研究中存在的不足，文獻[15]提出一種電力系統(tǒng)頻率失穩(wěn)風險評估方法，推導了計及旋轉備用的頻率動態(tài)特性，建立了考慮低頻減載作用的頻率穩(wěn)定分析模型和考慮發(fā)電方式、網絡拓撲和負荷水平的隨機模型。國內外研究人員對功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定關注較多，其中某些領域已經實現在線分析控制，而電網頻率動態(tài)特性及其控制一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中的一個薄弱環(huán)節(jié)，特高壓交流系統(tǒng)中頻率穩(wěn)定性及控制策略有待深入研究。

電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復到允許的范圍內，不發(fā)生電壓失穩(wěn)的能力[16]。電力系統(tǒng)越來越朝極限運行方式發(fā)展，其中電源競價上網機制和網架結構薄弱等因素給系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性帶來巨大挑戰(zhàn)，文獻[17]闡述了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究現狀、理論和研究方法，分析了電壓穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)和薄弱區(qū)域，研究了防止系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的控制策略和電力系統(tǒng)優(yōu)化理論。由于大干擾電壓失穩(wěn)機理的理論和研究方法不完善以及電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)與功角特性存在聯(lián)系，如何快速準確判斷電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)是電力系統(tǒng)需要解決的一個難題，也有相關論文通過分析特高壓聯(lián)絡線潮流和電壓大幅波動的影響因素，總結了特高壓系統(tǒng)無功和電壓控制策略。

3 特高壓交流系統(tǒng)保護與控制

繼電保護作為維護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要防線，在電力系統(tǒng)中時刻發(fā)揮著重要作用。與超高壓輸電線路相比，特高壓輸電線路參數發(fā)生較大變化，1000kV輸電系統(tǒng)對保護的影響主要是由分布電容引起的，因此對特高壓交流輸電線路的保護提出了更高的要求。

文獻[18]介紹了在1000kV輸電線路保護中所關注的一些重要問題，重點分析了特高壓系統(tǒng)暫態(tài)過程及特高壓保護中的關鍵技術問題。文獻[19]根據特高壓系統(tǒng)結構和運行特點，結合我國繼電保護發(fā)展的具體情況，提出我國特高壓系統(tǒng)保護的配置方案。文獻[20]充分考慮特高壓電網的特點，給出了特高壓線路分布參數模型，介紹了近年來我國特高壓線路保護的研究成果以及國內特高壓主設備保護方面的進展。隨著電力電子技術的發(fā)展以及新型電子式互感器的研究及應用，特高壓系統(tǒng)保護技術的研究有待進一步發(fā)展。

4 總結與展望

隨著特高壓輸電線路工程建設及投運，特高壓電網已成為現代電網的重要組成部分，并對電網的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。本文概述了特高壓交流系統(tǒng)運行控制關鍵技術，在特高壓交流系統(tǒng)功率控制、特高壓交流系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制等方面，對特高壓電網輸電能力、無功功率優(yōu)化與控制、穩(wěn)定性與控制高壓交流系統(tǒng)保護與控制進行了分析總結，提出了需要進一步研究和解決的技術問題，為后續(xù)特高壓電網規(guī)劃、調度、運行和控制提供參考。

為了提高電網輸送能力、新能源并網和消納能力，提高電網運行的安全性、穩(wěn)定性和經濟性，在特高壓電網建設、運行和控制上需進一步深入研究。

（1）規(guī)劃中的特高壓直流直流輸電和多端直流輸電相關技術需要特高壓交流電網提供堅強的網架支撐，含交、直流特高壓的復雜電網的動態(tài)特性，運行方式，穩(wěn)定性分析、預測及控制策略等方面需進一步研究。

（2）針對特高壓交直流互聯(lián)電網交直流互濟過程中的動態(tài)無功優(yōu)化與無功配置問題需進行深入研究，并提出合理的控制策略和手段。

（3）大規(guī)模交直流互聯(lián)給系統(tǒng)特性帶來深刻變化，對電力系統(tǒng)的仿真提出了更高的要求。利用全新的仿真技術，建立特高壓交直流互聯(lián)系統(tǒng)機電-電磁暫態(tài)仿真平臺，準確把握交直流互聯(lián)系統(tǒng)機理以及特性，跟蹤特高壓交、直流工程建設進度以及新的設備和技術的應用，提高建模精度、擴大仿真規(guī)模、提高仿真效率需進一步研究。

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