基于MCR的特高壓交流輸電系統(tǒng)的無功電壓控制

劉彥聰

摘要：特高壓交流電網(wǎng)是長距離大范圍平衡能源供需、建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。特高壓交流電網(wǎng)正在穩(wěn)步發(fā)展中，無功電壓控制是保證特高壓交流電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。文中總結(jié)了特高壓交流線路的無功、電壓特性，指出了特高壓交流電網(wǎng)在無功電壓控制方面存在的困難;從獨(dú)立控制、與近區(qū)電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制、大電網(wǎng)全局優(yōu)化三個方面綜述了特高壓交流電網(wǎng)的無功電壓控制方法。

關(guān)鍵詞：特高壓交流;無功特性;電壓特性;無功電壓控制

我國一次能源蘊(yùn)藏和電力負(fù)荷分布不平衡：火電能源主要集中在西北地區(qū)，水電能源主要集中在西南地區(qū)，而能源負(fù)荷中心則集中在華東和華南地區(qū)。這樣的能源分布狀況決定了我國要實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)電力資源的優(yōu)化配置，必須建設(shè)特高壓輸電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量輸電。

文章詳細(xì)闡述了我國特高壓交流輸電技術(shù)在無功補(bǔ)償方面遇到的新問題，提出了無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)原則，對比分析了特高壓交流輸電中常用的無功補(bǔ)償技術(shù)，提出了一種便于工程應(yīng)用和推廣的無功補(bǔ)償策略。

1特高壓交流輸電技術(shù)在無功補(bǔ)償方面遇到的新問題

特高壓輸電線路無功功率的一個突出特點(diǎn)就是線路電容產(chǎn)生的無功功率很大，在額定電壓為1000kV以及最高運(yùn)行電壓為1100kV的條件下，平均每百公里線路的充電功率約為550Mvar，約為500kV線路的5-6倍。

特高壓輸電的受端電網(wǎng)受輸電系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響更大，因而用于電壓支撐的無功電源是否合理配置更加重要。否則受端電網(wǎng)在特高壓輸電系統(tǒng)故障所形成的大擾動下，容易發(fā)生電壓失穩(wěn)事故。所以在受端電網(wǎng)側(cè)必須要有相應(yīng)的無功補(bǔ)償措施與整個電網(wǎng)的無功相配合。

另一方面，在特高壓電網(wǎng)發(fā)展的不同的時期，特高壓輸電線路的無功功率隨傳輸?shù)挠泄β首兓休^大區(qū)別。特高壓電網(wǎng)在建設(shè)初期，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對簡單，主要是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的電能輸送，受系統(tǒng)阻抗特性及穩(wěn)定極限的限制，傳輸功率小于線路的自然功率，線路的電容特性使無功功率過剩;隨著特高壓電網(wǎng)的不斷加強(qiáng)建設(shè)，將通過各區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)和水火電能源互濟(jì)，來實(shí)施更大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化戰(zhàn)略。特高壓電網(wǎng)的輸送能力將大大提高，輸送功率將隨時變化，輸電線路的無功功率也將頻繁變化。依據(jù)特高壓線路傳輸功率的變化設(shè)計(jì)特高壓變電站無功補(bǔ)償設(shè)備及其投切策略將日益復(fù)雜，而且難以實(shí)施。

2無功補(bǔ)償方案確定原則

配置無功補(bǔ)償方案時，首先分析輸電系統(tǒng)的無功特性，包括根據(jù)線路參數(shù)和高抗方案計(jì)算輸電線路無功特性和根據(jù)變壓器參數(shù)計(jì)算主變無功特性;在此基礎(chǔ)上結(jié)合系統(tǒng)條件，按照遠(yuǎn)近結(jié)合的原則，計(jì)算系統(tǒng)重載和輕載情況下系統(tǒng)無功功率需求，確定無功補(bǔ)償總量;然后計(jì)算無功補(bǔ)償設(shè)備投切引起的電壓波動，確定單組容量;最后對無功補(bǔ)償方案進(jìn)行校核計(jì)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出無功補(bǔ)償推薦方案。

3特高壓交流輸電無功補(bǔ)償技術(shù)分析

3.1固定電抗器的高壓補(bǔ)償技術(shù)

特高壓線路采用安裝高壓電抗器來限制工頻過電壓。滿足線路工頻過電壓要求的高抗補(bǔ)償度與線路兩端系統(tǒng)的強(qiáng)度有關(guān)。一般情況下，在特高壓電網(wǎng)建設(shè)初期，線路高抗補(bǔ)償度可以考慮為80%～90%或以上，輸電系統(tǒng)工頻過電壓和潛供電流能夠滿足要求;在建設(shè)階段，高抗容量需結(jié)合具體實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)電磁暫態(tài)計(jì)算分析來確定。

3.2固定電抗器和電容器的低壓補(bǔ)償技術(shù)

低壓無功補(bǔ)償設(shè)備，包括固定電抗器和電容器是目前最常用的無功補(bǔ)償方法。低壓無功補(bǔ)償設(shè)備容量大小便于調(diào)節(jié)，設(shè)置地點(diǎn)靈活，可將其分散安裝在各變電所內(nèi)及負(fù)荷端用電設(shè)備側(cè)，符合無功就地平衡、分級補(bǔ)償和便于調(diào)整的原則，主要用于穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整和功率因數(shù)校正，需滿足使1 000 kV系統(tǒng)與500 kV系統(tǒng)無功交換盡可能小，使特高壓節(jié)點(diǎn)電壓控制在1 000～1 100 kV之間。對特高壓輸電線路而言，不存在技術(shù)上的障礙，例如特高壓試驗(yàn)示范工程中采用的就是這種無功平衡方法。

但低壓無功補(bǔ)償需經(jīng)過變壓器與特高壓線路相連，會削弱無功補(bǔ)償效果，同時，受變壓器低壓繞組容量制約，補(bǔ)償量有限制。目前國內(nèi)500 kV以下電力變壓器低壓繞組容量一般不超過總?cè)萘康?0%，但特高壓變壓器對低壓無功容量需求較大，應(yīng)適當(dāng)增加低壓繞組容量，我國特高壓交流試驗(yàn)示范工程主變第三繞組容量為額定容量的三分之一。

無功補(bǔ)償設(shè)備投切方案主要有按功率因數(shù)控制、按母線電壓控制、按負(fù)荷電流控制、按晝夜時間控制等幾種方式。目前，我國500 kV系統(tǒng)的低壓無功補(bǔ)償設(shè)備投切主要是按照不同時段母線電壓控制。1 000 kV輸電系統(tǒng)無功補(bǔ)償既補(bǔ)償變壓器的損耗也補(bǔ)償輸電線路的無功損耗，1 000 kV系統(tǒng)功率波動時與低一級電壓等級系統(tǒng)無功交換較大，僅按照電壓控制，可能存在電壓變化不大而無功交換較大的情況，此時因無功傳輸較多導(dǎo)致網(wǎng)損增加，因而需要考慮按有功功率和電壓綜合控制方式。

3.3可控電抗器動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)

為解決限制過電壓和無功調(diào)相調(diào)壓之間矛盾的有效措施是采用可控高壓電抗器——磁閥式可控電抗器（MCR），一般安裝于長距離大容量輸電線路，大型電源送出線路，潮流變化較大的聯(lián)絡(luò)線等?？煽馗呖菇鉀Q的問題包括：一、無功補(bǔ)償能力不足時通過調(diào)節(jié)其容量保持無功平衡;二、在潮流頻繁波動時通過調(diào)節(jié)可控高抗容量避免低壓無功補(bǔ)償設(shè)備的頻繁投切。

MCR具有動態(tài)連續(xù)可調(diào)的優(yōu)勢，主要通過晶閘管的開關(guān)改變其電流，從而改變鐵心的飽和度，達(dá)到改變電抗值的目的。其主要特點(diǎn)是電抗值能夠平滑調(diào)節(jié)，給電網(wǎng)帶來的諧波小，另外它采用變壓器的結(jié)構(gòu)使得晶閘管的耐壓值不用很高。在特高壓交流輸電系統(tǒng)中，采用MCR和固定電容器配合使用的方式可以很好地補(bǔ)償電網(wǎng)的無功，還可以避免輸送功率較大時高壓電抗器帶來的嚴(yán)重不足的問題。但是MCR的響應(yīng)速度較慢，一般為100ms左右。至今，俄羅斯已經(jīng)有500kV的MCR在試運(yùn)行，在1000kV的特高壓交流輸電系統(tǒng)有著很好的應(yīng)用前景。

3.4晶閘管控制變壓器無功補(bǔ)償技術(shù)

晶閘管控制變壓器（TCT）是常見動態(tài)無功補(bǔ)償晶閘管控制電抗器（TCR）技術(shù)的一種變形。主要區(qū)別在于TCR是采用6脈波接法（即三角形接法），而TCT采用了一個三繞組的變壓器，原邊采用Y形接法接電網(wǎng)側(cè)，副邊是一個Y形接法一個△形接法接兩組TCR，從而構(gòu)成了12脈波。

TCT也等效于一個可調(diào)的電抗器，它的特點(diǎn)與MCR相似，動態(tài)連續(xù)可調(diào)，諧波注入少，晶閘管不用耐高壓。它最主要的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)節(jié)速度快，能夠快速跟蹤電網(wǎng)的無功變化，在10-20ms的時間內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。

TCT只吸收感性無功，常常與固定電容器配合使用。在1000kV的特高壓交流輸電系統(tǒng)中采用TCT+固定電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償效果將會比MCR更好。由于它采用的晶閘管數(shù)量較多，需要更好的散熱技術(shù)作為保證。在印度已有400kV的TCT在電網(wǎng)中投入運(yùn)行，國內(nèi)也正在研制用1000kV的特高壓TCT。

3.5便于工程應(yīng)用和推廣的無功補(bǔ)償方案

結(jié)合目前設(shè)備技術(shù)上的研發(fā)現(xiàn)狀，對于特高壓長距離大容量輸電線路，采用MCR連續(xù)平滑調(diào)節(jié)其容量，維持無功補(bǔ)償能力不足時的無功平衡及在潮流頻繁波動時避免低壓無功補(bǔ)償設(shè)備的頻繁投切。低壓側(cè)與高壓側(cè)配合使用固定電抗器和電容器來穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整和功率因數(shù)校正。在無功補(bǔ)償電壓控制上，為避免電壓變化不大而無功交換較大，從而導(dǎo)致無功傳輸較多使網(wǎng)損增加的情況，考慮采用有功功率和電壓綜合控制方式。

4結(jié)論

本文深入分析了我國特高壓交流輸電技術(shù)在無功補(bǔ)償方面遇到的新問題，提出了無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)原則，對比分析了特高壓交流輸電中常用的無功補(bǔ)償技術(shù)，并提出了一種便于工程應(yīng)用和推廣的無功補(bǔ)償方案——高壓側(cè)采用MCR，低壓側(cè)采用固定電抗器和電容器，并按有功功率和電壓綜合控制。

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