基于特高壓交流電網的無功電壓控制分析

王維

【摘 要】特高壓交流電網是長距離大范圍平衡能源供需、建設堅強智能電網和全球能源互聯網的關鍵。特高壓交流電網正在穩步發展中，無功電壓控制是保證特高壓交流電網安全可靠經濟運行的重要手段。基于此，本文針對特高壓交流電網的無功電壓控制進行了簡要分析與探討，僅供參考。

【關鍵詞】特高壓；交流電網；無功電壓；控制

特高壓交流輸電作為大容量遠距離輸電的重要橋梁，其穩定可靠運行至關重要。特高壓交流的關鍵技術包括電壓控制、絕緣配合、電磁環境研究、特高壓設備制造等。無功電壓控制是保障電網安全、可靠、經濟運行的重要手段，在特高壓交流電網中顯得尤其重要：一方面，特高壓交流電網因為遠距離輸送大功率，有功損耗很大，合理的無功電壓控制可以大大減少有功損耗，為特高壓交流電網的運行帶來巨大的經濟效益；另一方面，特高壓交流電網的安全穩定運行十分重要，如果缺乏有效的無功電壓控制方法，很可能使設備受到破壞，甚至會引發電壓失穩現象，從而導致大范圍停電事故。特高壓交流線路具有容量大、距離遠、充電功率大等特性，負荷波動大帶來的電壓波動和穩定性問題突出，其無功電壓控制需要根據這些特性進行研究。

1特高壓交流線路的無功、電壓特性

特高壓交流電網的無功電壓控制方法特高壓電網是近幾年發展的，采用了新的電壓等級，無功電壓控制技術并不成熟。需要對現有自動電壓控制（automaticvoltagecontrol，AVC）系統進行調整；而超高壓電網發展較為成熟，對應的AVC系統也在理論和實踐中形成成熟的分層分區協調控制技術。

理論上，全局無功優化是進行無功電壓控制的好方法，可以靈活考慮多種目標和約束。但無功優化在數學上是一個多變量多約束的混合整數規劃問題。初始值的選取、問題的維數、控制參數的設置等條件都可能對算法的求解效率和尋優質量造成很大的影響。因此，全局無功優化方法大多處于理論上的研究階段。在實用中，基于二級電壓控制或三級電壓控制的AVC系統得到了廣泛的應用。

2特高壓交流電網的無功電壓控制方法

2.1基于電壓合格和無功平衡的獨立控制

電壓合格是無功電壓控制的基本要求。無功功率分層分區平衡是長久以來電力系統運行的認識和原則。基于電壓合格和無功平衡的獨立控制，是比較直接的控制方法，也符合國內分層分區的調度體系。

2.2考慮近區電網的協調控制

特高壓電網無功電壓問題突出，現階段在特高壓電壓層的調節手段相對缺乏，因此有必要利用近區超高壓電網進行協調配合。經濟壓差的實現要求特高壓電網有足夠、連續可調的無功補償設備，但目前特高壓電網只裝有離散的低容低抗。基于經濟壓差的方法能實現特高壓線路無功功率在兩側的均攤，有利于減小特高壓線路的有功損耗和電壓降落。這種方法對于輻射狀的線路而言計算簡單，但在環網中則難以適應，而且該方法只考慮了特高壓自身的無功平衡，沒有討論特高壓電網與超高壓電網之間的相互影響。

3特高壓交流電網無功電壓控制發展分析

3.1特高壓連接成網的無功電壓控制

特高壓輸電線路連接成網是特高壓交流電網發展的趨勢，國家區域電網問互聯、洲內各國電網互聯，乃至洲際電網互聯，在全球能源互聯網的構想下，特高壓交流電網的規模越來越大，電網的耦合越來越緊密，無功電壓控制的對象是前所未有的大范圍、多主體、差異化的大規模能源互聯網。形成網絡后，一方面，特高壓交流電網的無功、電壓特性與簡單的特高壓交流輸電通道不同；另一方面，電網的耦合更加密切，而各層/區的無功電壓控制目標和能力可能存在較大差異，分層分區控制需要做出適應性調整。如果建立統一的優化模型，問題的規模將會十分龐大，求解模型需要處理大量的數據，對算法的求解效率和尋優質量提出更高的要求，數據的共享在現實中也不一定可行，這會嚴重限制全局優化算法在實際工程中的應用。

如果將特高壓電網與各區域電網一同納入統一的AVC系統中，則在這一垂直體系中，最高層的主站需要對跨區域甚至跨洲多級電壓的特大型電網負責，其重要性被放在前所未有的位置，一旦高層主站出現故障、失效，其影響范圍將會很大，這對系統的可靠運行提出了嚴格的要求。從AVC系統的建設現狀來看，特高壓電網是近幾年才發展起來的，現有的AVC系統已較成熟且相對固化，AVC系統建設前期并未考慮到特高壓電網的接人。特高壓電網的無功電壓控制應當考慮如何與現有的AVC框架進行協調配合，并對現有AVC系統的改造方法和成本進行分析。

3.2特高壓交直流混合電網協調控制

交、直流輸電各有其特征和定位，建設交直流混合輸電骨干網架，有利于形成更加合理的電網結構。特高壓交直流混合電網是中國電網的發展趨勢。特高壓直流輸電的無功需求由其運行方式和換流站的控制方式決定，一般而言，在滿載運行時，換流站的無功損耗高達有功功率的40%-60%。特高壓直流輸電的安全穩定運行需要堅強的受端交流電網支撐。在特高壓交直流混合電網中，特高壓直流輸電的發展不可避免地對特高壓交流電網的無功電壓調節能力提出新的要求。如何處理特高壓直流輸電的運行約束，協調交直流電網的無功電壓控制，是發展特高壓交直流混合電網需要解決的現實問題。

由于特高壓直流電網的無功需求，需要提出特高壓交直流混合電網的協調無功電壓控制方法，研究特高壓直流電網在不同接入方式、運行方式、控制方法下的無功需求和補償策略，研究特高壓交流電網與特高壓直流電網的無功電壓耦合特性，研究特高壓交流電網與特高壓直流電網的協調無功電壓控制策略。

3.3適應大規模間歇性可再生能源發電并網的特高壓電網無功電壓控制

隨著間歇性可再生能源發電的快速發展和大規模上網，特高壓輸電線路傳輸功率的隨機性、波動性將大大加強。到2015年為止，中國風電累計并網裝機容量129GW，光伏發電累計裝機容量43.18GW，可再生能源（不含水電）的裝機容量在全球排名第一。在可再生能源發電大規模并網和電力市場機制不斷深化的背景下，特高壓輸電線路的功率大范圍波動將有可能成為一種常態，而不僅存在于發生了故障的特殊場景。

結語

特高壓交流電網由于充電功率大、輸送容量大、輸送距離遠等特性，無功電壓問題突出，而在特高壓層級調節手段缺乏、調節效果粗略，因此，特高壓交流電網的無功電壓控制需要針對其特性進行研究。

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（作者單位：國網山西省電力公司檢修分公司）