串聯(lián)補償裝置接入后超特高壓交流線路輸送功率修正方法

劉佳鈺

(西安交通大學，陜西 西安 710049)

P2=-3U1I2cosδ=1 711.98 MW

P2=-1 734 Mvar

Q2=-3U1I2sinδ=-251.86 Mvar

Q2=-489.92 Mvar

串聯(lián)補償裝置接入后超特高壓交流線路輸送功率修正方法

劉佳鈺

(西安交通大學，陜西 西安 710049)

超特高壓交流輸電系統(tǒng)是中國遠距離、大容量輸送電能的重要方式。為了提升超特高壓輸電線路的輸送能力，在交流長線路兩側常會加裝串聯(lián)補償裝置等補償設備。然而，實際工程中卻發(fā)現(xiàn)，在裝設補償設備后，由于線路的電流互感器和電壓互感器安裝點分別布置在補償裝置兩側，傳統(tǒng)的線路輸送功率計算方法無法準確獲取線路傳輸?shù)墓β剩M而導致變電站監(jiān)控系統(tǒng)判定母線功率不平衡的狀況時有發(fā)生。為了解決上述問題，基于線路潮流計算方法，定量分析了補償裝置的引入引發(fā)交流線路功率計算不準的原因，推導了功率修正算法。簡單算例及西部某變電站的500 kV輸電線路算例驗證了算法的準確可靠。該方法簡單易行，易于在超特高壓變電站中實施應用。

輸送功率；線路串聯(lián)補償；潮流計算；修正計算；超特高壓交流輸電

0 引 言

超特高壓交流輸電是中國實施電能遠距離、大容量傳輸?shù)闹匾绞剑菍嵤拔麟姈|送”戰(zhàn)略的核心技術。因此，采用新技術來提升超特高壓交流輸電的輸送容量、減小遠距離輸送帶來的電容效應等問題一直都是工業(yè)界和學術界關注的重點。目前國內外采取的主要技術有輸電線路安裝串聯(lián)電容補償裝置和高壓并聯(lián)電抗器等。

現(xiàn)有的運行經驗表明，串聯(lián)補償(以下簡稱串補)技術是提高遠距離輸電系統(tǒng)傳輸容量、改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種經濟且有效的方法。通過在輸電線中間加入串聯(lián)電容器能減小線路電抗，縮小線路兩端的相角差，從而獲得較高的穩(wěn)定裕度及傳輸較大的功率[1]。目前將晶閘管技術引入串聯(lián)補償裝置中，諸如TCSC、SSSC等新型裝置性能更優(yōu)，可以實現(xiàn)平滑調節(jié)，進一步提高傳輸容量和暫態(tài)穩(wěn)定極限；此外在穩(wěn)態(tài)潮流控制、改善電壓質量、降低網損、限制短路電流、抑制次同步振蕩、阻尼低頻振蕩、提高電力系統(tǒng)與電壓穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用[2-5]。

并聯(lián)電抗器在電力系統(tǒng)中廣泛地應用于限制工頻過電壓、消除發(fā)電機自勵磁、限制操作過電壓、線路容性充電功率、潛供電流抑制、限制短路電流和平波等[6-8]。然而在超特高壓線路充電功率大，限制過電壓和無功補償矛盾突出，可控高壓并聯(lián)電抗器能有效解決這個問題，通過動態(tài)補償輸電線路過剩的容性無功功率，有效地抑制超特高壓輸電線路的容升效應、操作過電壓、潛供電流等現(xiàn)象，降低線路損耗，提高了系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，提高電壓穩(wěn)定水平及線路傳輸功率，提高電網運行效益[7，9-11]。

串補裝置和高壓并聯(lián)電抗器在超特高壓輸電中發(fā)揮了重要作用，然而在實際工程中卻給測量方面帶來了許多問題。由于線路增加了串聯(lián)補償裝置后，在串補裝置母線側加裝電壓互感器會引發(fā)諧振并燒毀電壓互感器，故含串補線路的電壓互感器往往裝設在串補的線路側。但由于線路的電流互感器依然裝設在串補母線側，因此傳統(tǒng)功率計算方法難以準確獲得線路上傳輸?shù)臒o功功率[12]。特別地，當輸電線路同時裝設串補及高壓并聯(lián)電抗器后，甚至導致有功的計算結果發(fā)生明顯偏差，對電網的在線監(jiān)測提出了重大的挑戰(zhàn)。

針對上述問題，基于基爾霍夫定律，提出一種針對含串聯(lián)補償線路的輸送功率校正算法；通過簡單的潮流計算實現(xiàn)有功功率和無功功率的修正，得到準確的功率計算值。計算方法通過簡單算例及西部某實際超高壓線路加以驗證。

1 功率測量誤差產生原因

1.1 僅含串補裝置線路的功率計算誤差分析

超特高壓線路由于輸送距離較長，為了提升線路的傳輸能力，通常會在變電站加裝串聯(lián)補償裝置。對于僅含串補裝置的線路，其線路末端等效電路如圖1。

圖1 僅含串補裝置線路末端等效電路圖

(1)

而實際線路的有功功率和無功功率計算應該為

(2)

由圖1可知電流電壓關系滿足：

(3)

根據電流電壓關系可得到視在功率計算公式，將實虛部分別展開即可得到有功功率和無功功率為

(4)

由式(4)不難看出，當線路中僅接入串補裝置時，測量裝置獲得的有功功率數(shù)據是準確的；誤差體現(xiàn)在無功功率上。無功功率的誤差是由串補電容發(fā)出的無功引起的，且負荷越重誤差越大；另一方面，誤差也與串補裝置的等效電容值Cc有關，電容越大，誤差越小。

1.2 串補裝置與高壓電抗器同時引入后線路的功率計算誤差分析

此外，為了抑制由長距離線路充電無功導致的工頻過電壓問題，變電站內可能還裝設了高壓電抗器。此時線路末端等效電路如圖2所示。

圖2 串補裝置與高壓電抗器同時引入后線路末端等效電路圖

(5)

(6)

又由復功率公式得

(7)

由式(1)和式(2)可以得到線路末端的有功功率P2為

(8)

同樣，可以算得線路末端的無功功率Q2為

(9)

由式(8)和式(9)可以得到如下結論：同時裝設了串補裝置和高壓電抗器的線路末端功率測量，有功和無功都存在誤差。真實有功功率和測量值之間存在一個固定的比例系數(shù)，該系數(shù)由裝置參數(shù)即串聯(lián)補償裝置電容Cc和高壓電抗器電感Lk決定，且Lk·Cc值越大，這個比例系數(shù)越接近于1，有功功率測量誤差越小。而真實無功功率與測量值之間的誤差較大，無功功率也存在真實值與測量值的比例系數(shù)，該比例系數(shù)與有功功率的比例系數(shù)完全相同；無功功率的誤差，與上面分析的僅含串補裝置的情況相同，主要是由于串補電容發(fā)出的無功功率并未計入測量而引起的，同樣的，誤差與負荷大小以及串補裝置的等效電容大小有關，負荷越重，無功誤差越大；串補裝置的等效電容值Cc越大，誤差越小。

2 功率修正算法

2.1 僅含串補裝置線路的功率修正算法

為解決上述問題，提出一種基于原測量裝置的測量數(shù)據，經修正得到線路真實功率的計算方法。根據上述分析可以得到相應的修正算法。

根據1.1節(jié)中的分析，僅含串補裝置的線路有功功率測量準確，無需修正，而無功功率可以根據式(5)的結果獲得：

(10)

修正公式需要用到測量的無功功率Q2cl、電流幅值I2和串聯(lián)補償裝置的電容Cc。理論上式(10)求得的無功功率是沒有誤差的，但由于測量和參數(shù)的誤差是必然存在的，計算值仍會存在微小的誤差。

2.2 串補裝置與高壓電抗器同時引入后線路的功率修正算法

串補裝置和高壓電抗器同時引入后，線路功率算法相對復雜一點，根據1.2節(jié)中的分析，整理式(8)和式(9)可得母線流出功率為

(11)

修正算法中需要用到有功功率測量值P2cl、無功功率測量值Q2cl、電流幅值I2、串聯(lián)補償裝置電容Cc和高壓電抗器電感Lk，由式(11)可以準確計算線路功率。

由上述計算可以看出，有功功率測量誤差主要受串聯(lián)補償裝置的容抗和高壓電抗器的感抗影響，功率測量的百分誤差是固定值，與負荷的大小無關；而無功功率測量誤差主要是由串聯(lián)補償裝置產生的無功造成的，其數(shù)值不僅受串聯(lián)補償裝置的容抗和高壓電抗器的感抗影響，還與線路末端的電流有關，即與負荷大小有關，負荷越大誤差越大。

需要注意的是，串聯(lián)補償設備并非一直投入運行，該設備消缺時線路也可運行，為保證修正結果的正確性，應對串聯(lián)補償設備投入運行情況進行判別后，再進行功率修正。串聯(lián)補償投入判別條件：旁路開關=“0”& 旁路刀閘=“0”& 線路有壓=“1”。此時功率修正計算為

(12)

3 算例驗證

由于所提兩種情況的修正算法理論上方法是一樣的，僅是公式表達式不同，且僅含串補裝置的情況較串補裝置和高壓電抗器同時接入的情況簡單，故本節(jié)中僅驗證后者。

3.1 小型算例驗證

利用如圖3所示的算例，驗證算法的有效性。

圖3 PSCAD仿真電路圖

如圖3所示，算例中串補及高壓電抗器采用了與某500 kV變電站一致的參數(shù)。串補設備和高壓電抗器的參數(shù)分別為：ωCc=0.046 S;ωLk=1 669 Ω。電路首端施加530 kV的理想電壓源，末端布置了恒阻抗負荷，負荷大小如圖3所示。

根據PSCAD電磁暫態(tài)仿真結果，電路末端的有功達到1 734 MW，而無功達到-487.8 Mvar。同時根據測量結果，串補首端相電壓的幅值U1為305.996 kV，串補、高壓電抗器后的電流幅值I2為1.885 kA，U1超前I2的相角δ為8.369°。

利用傳統(tǒng)不當算法進行有功計算，也可以得到

P2=-3U1I2cosδ=1 711.98 MW

(13)

誤差約為1.3%。

而利用式(11)所列的算式可得

P2=-1 734 Mvar

(14)

與真實值一致。

同樣，根據傳統(tǒng)不當?shù)挠嬎惴椒ǎ?/p>

Q2=-3U1I2sinδ=-251.86 Mvar

(15)

與真實值-487.8 Mvar差距極大，誤差達到48%。

而利用式(11)所列的方程，可得

Q2=-489.92 Mvar

(16)

與真實值-487.8 Mvar僅0.43%的誤差。

PSCAD仿真算例可得結論：所提算法可以準確計算出線路末端實際有功功率和無功功率。

3.2 某500 kV變電站功率平衡結果

仿真軟件中得到了算法可靠的結論，那么再將所提算法在實際運行情況中進行驗證。

某500 kV變電站串聯(lián)補償設備和高壓電抗器的參數(shù)分別為：ωCc=0.046 S，ωLk=1 669 Ω。圖4所示是某500 kV變電站500 kV側的接線圖。表1給出了2016年3月16日11:27:09 SCADA顯示的該變電站500 kV各出線的有功功率、無功功率和電流幅值以及采用所提算法修正后的有功功率、無功功率。

由表1可知，SCADA測量的結果顯示此時該變電站500 kV的有功不平衡達到了19.9 MW，無功不平衡達到了57.1 Mvar。而利用修正算法公式對線路一、線路二、線路三進行修正后，該變電站的有功不平衡降低至0.3 MW左右，而無功不平衡情況也降低至3.08 Mvar。此結果證明了所提算法的正確性。

4 結 論

對變電站中出現(xiàn)母線功率不平衡這一現(xiàn)象的原因進行了分析，這一現(xiàn)象通常發(fā)生在帶有同時裝設了串補裝置和高壓電抗器的超特高壓線路的變電站中。由于串補線路的測量TV安裝位置遠離測量TA，功率計算時忽略了串聯(lián)補償裝置和高壓電抗器產生的無功功率，無功功率誤差很大。基于基爾霍夫定律提出了利用現(xiàn)有測量值對功率測量進行修正的計算方法，理論上應用所提算法計算母線功率是沒有誤差的，應用算法后仍然存在的微小的母線功率不平衡量，這來源于參數(shù)誤差和測量誤差。將修正算法在PSCAD中進行了算例仿真驗證，并用某500 kV變電站的實時數(shù)據進行了驗證，在實際應用中證明應用修正算法后母線不平衡量大大減小，達到可接受誤差范圍內。

表1 2016年3月16日11:27:09 SCADA顯示的各出線的有功、無功、電流結果與修正后的結果

圖4 某變電站500 kV側的接線圖

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國家電網公司面向社會各界征集新技術

國家電網公司貫徹落實國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，致力于推動電力新技術在電網建設、生產、運營中的推廣應用工作。現(xiàn)誠邀社會各界通過新技術征集平臺(國家電網公司電子商務平臺http://ecp.sgcc.com.cn)開展新技術申報工作。

Ultra high voltage(UHV)/extra high voltage(EHV) AC transmission system is an essential approach for the power transmission with long distance and large capacity in China. In order to improve the transmission capacity of UHV/EHV transmission lines, both sides of AC long lines will be equipped with series compensation devices or other compensation equipment. However, it is found in actual engineering projects that after the installation of compensation equipment the probability of identifying the bus power imbalances by the substation monitoring system rises up, which is caused by the fact that the line current transformers and voltage transformers are respectively arranged on the different sides of compensation devices. In order to solve these problems, the reasons for the miscalculation of transmission line power are analyzed and a modified calculation method is deduced based on power flow calculation method. A simple calculation example and an actual example of 500 kV transmission lines of a substation in the west area prove that the proposed algorithm is accurate and reliable. This method is simple and easy to be applied in UHV/EHV substations.

transmission power; line series compensation; power flow calculation; modified calculation method; EHV/UHV AC transmission

TM761

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1003-6954(2017)01-0042-05

2016-08-16)