用于特/超高壓電網(wǎng)電壓控制的分級(jí)投切式可控高抗控制策略

張琳，葉丹丹，胡葉舟，肖馳夫

（1.華北電力大學(xué)，北京102206；2.溫州電力局，浙江溫州325000；3.浙江省電力試驗(yàn)研究院，浙江杭州310000）

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)不斷增加[1]。發(fā)展特/超高壓、建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)是電力事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要課題[2]。與現(xiàn)有電網(wǎng)相比，特/超高壓電網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更大容量、更低損耗的電力輸送[3]。特/超高壓電網(wǎng)既能促進(jìn)跨地區(qū)、跨流域水火互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，又能引導(dǎo)電力的合理布局與集約化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電源和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，為電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，以及提供優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 特/超高壓電網(wǎng)的電壓特點(diǎn)

1.1 工程概況

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某規(guī)劃建設(shè)的750 kV輸變電工程，擬新建300 km的750 kV送電線路，采用同塔雙回緊湊型輸電技術(shù)。由于線路充電功率大，加之送端電源主要為大容量風(fēng)電廠，功率波動(dòng)頻繁，無(wú)功平衡和電壓控制問(wèn)題亟待解決。經(jīng)相關(guān)專題[4-5]研究后認(rèn)為，本工程需在其中一條母線上裝設(shè)1組210 MV·A的750 kV分級(jí)投切式可控高抗，圖1為經(jīng)等值以后的輸電線路集中參數(shù)模型，其中Rl+jXl是線路阻抗；B/2是線路充電電容；XG是并聯(lián)高抗。PS+jQS、PR+jQR分別是送端和受端有功功率和無(wú)功功率，US、UR分別是送端和受端的電壓。

圖1 輸電線路等值模型Fig.1 Equivalent model of transmission line

1.2 特/超高壓電網(wǎng)的電壓特點(diǎn)

與普通線路不同，特/超高壓輸電導(dǎo)線的等效直徑增大、相對(duì)相以及相對(duì)地之間的分布電容增大，容易出現(xiàn)較大的過(guò)電壓[6-7]。過(guò)電壓是指電源電壓超過(guò)其額定值時(shí)的電壓，特/超高壓輸電線過(guò)電壓可分為外部過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓。外部過(guò)電壓是指由于大氣環(huán)境中的雷云放電而引起的電力系統(tǒng)電壓升高，所以也稱大氣過(guò)電壓或雷電過(guò)電壓。內(nèi)部過(guò)電壓是指電力系統(tǒng)中由于斷路器操作、故障或其他原因使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)內(nèi)部電磁能量的轉(zhuǎn)化或傳遞而造成的電壓升高。對(duì)于包含特/超高壓電網(wǎng)的輸電網(wǎng)而言，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性對(duì)于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，而無(wú)功的分布與電壓有著密不可分的聯(lián)系[8-9]。

特/超高壓輸電系統(tǒng)中，線路電壓降可表示為：

特/超高壓系統(tǒng)中，輸電線路X/R達(dá)到了35[10]，忽略線路電阻時(shí)，有

可見(jiàn)，電壓損耗與輸送無(wú)功功率成正比，與電壓等級(jí)成反比。因此，減少線路無(wú)功傳輸，有利于輸電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)，提高受端電壓水平，提高輸電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

但是，特/超高壓輸電線路采用分裂導(dǎo)線，單位長(zhǎng)度分布電容很大，加之線路長(zhǎng)，導(dǎo)致輸電線路容性充電功率非常大[8]，利用高抗可以降低輸電系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的無(wú)功功率交換。此時(shí)，若按限制過(guò)電壓的要求來(lái)配置特高壓固定電抗器，就會(huì)產(chǎn)生小方式運(yùn)行電壓偏高，或大方式運(yùn)行電壓偏低的情況。常規(guī)的解決辦法是通過(guò)在變壓器的低壓側(cè)安裝低壓電抗器組或低壓電容器組，但是受變壓器容量的限制，重載時(shí)低壓補(bǔ)償可能無(wú)法滿足要求[9]。配置固定高抗很難達(dá)到線路輕載時(shí)，高抗容量大；線路重載時(shí)，高抗容量??；線路開(kāi)斷瞬間，快速達(dá)到最大值的要求。目前，可控高壓電抗器是解決限制過(guò)電壓和無(wú)功調(diào)相調(diào)壓之間矛盾的有效手段之一。如果使用可控高抗就能快速反應(yīng)，獲得較好的效果。

可控高抗分為磁閥式和高阻抗變壓器式2種類型。磁閥式可控高抗通過(guò)調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁的大小來(lái)調(diào)節(jié)電抗器的輸出容量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)功功率控制。高阻抗變壓器式可控高抗將變壓器和電抗器設(shè)計(jì)為一體，變壓器的阻抗設(shè)計(jì)為100%，在變壓器低壓側(cè)接入晶閘管，實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功功率的連續(xù)或分級(jí)控制。本文結(jié)合的750 kV輸變電工程，需要配置的分級(jí)投切式可控高抗屬于高阻抗變壓器式。

2 分級(jí)投切式可控高抗的結(jié)構(gòu)和工作原理

本工程中決定采用的分級(jí)投切式可控高抗，其電路原理如圖2所示[10]。分級(jí)投切式可控高抗的容量分為4級(jí)，在變壓器副邊繞組串聯(lián)接入3組電抗器，并引出3組抽頭，通過(guò)晶閘管和斷路器接入0~3組電抗器，可改變其與原邊繞組的并聯(lián)電感值，進(jìn)而分級(jí)調(diào)節(jié)高抗整體容量，實(shí)現(xiàn)對(duì)感性無(wú)功功率的控制。

圖2 分級(jí)投切式可控高抗原理圖Fig.2 Principle of stepped controllable shunt reactor

圖2 中，Sa1~Sa3，Sb1~Sb3，Sc1~Sc3為晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)；Xk1~Xk3為電抗器。

式中，Qdx為可控高抗單相容量，MV·A；Qpu為可控高抗總?cè)萘?，MV·A；Qunit為可控高抗單相每級(jí)容量，MV·A。容量為210 MV·A的4級(jí)投切式可控高抗控制情況如表1所示。

3 分級(jí)投切式可控高抗控制策略

3.1 原理分析

計(jì)算圖1所示系統(tǒng)的電壓降落時(shí)，可略去其橫分量，則設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備前，

表1 210 MV·A分4級(jí)投切式可控高抗容量控制情況Tab.1 Control situation of stepped controllable shunt reactor(210 MV·A and 4 steps)

設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備后，設(shè)送端電壓變?yōu)?，則

UR保持不變，忽略特高壓輸電線路電阻時(shí)，得

可見(jiàn)，參考電壓、實(shí)際電壓與應(yīng)該補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率密切相關(guān)。

Bang-Bang控制，也叫滯環(huán)控制或者開(kāi)關(guān)控制，它的控制函數(shù)總是取在容許控制的邊界上，或者取最大，或者取最小，僅僅在這2個(gè)邊界值上進(jìn)行切換，從而構(gòu)成一種控制作用，其作用相當(dāng)于一種繼電器。對(duì)電壓實(shí)現(xiàn)Bang-Bang控制，實(shí)際上是將輸出電壓維持在以參考電壓為中心的滯環(huán)寬度內(nèi)。對(duì)分級(jí)投切式可控高抗實(shí)行Bang-Bang控制，先設(shè)置一個(gè)參考電壓Ujc，

即滯環(huán)帶為

其中，M為滯環(huán)寬度。

當(dāng)實(shí)際電壓 Uj＞M時(shí)，結(jié)合式（7），用分級(jí)投切式可控高抗進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

3.2 分級(jí)投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略

本工程中，擬新建的輸電線路電壓等級(jí)為750kV，工程要求750 kV輸電線路的運(yùn)行電壓一般控制在750~792 kV，最高不超過(guò)800 kV。采用Bang-Bang控制策略實(shí)現(xiàn)分級(jí)投切式可控高抗對(duì)線路電壓的調(diào)節(jié)，選取滯環(huán)寬度為770 kV≤Uref≤780 kV，即電壓高于780 kV時(shí)，投入一級(jí)可控高抗容量，電壓低于770 kV時(shí)，退出一級(jí)可控高抗容量?？煽馗呖拱惭b于變電站750 kV側(cè)母線上，以該母線電壓為輸入量，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)電壓上下限對(duì)可控高抗容量進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到將輸電線路電壓控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)的目的。圖3為分級(jí)投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略。

圖3 分級(jí)投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略Fig.3 Bang-Bang control method for stepped controllable shunt reactor

1）如Rn未達(dá)到上下限，設(shè)Qn-1為已投切的可控高抗容量，ΔQ為本次判斷該投切的可控高抗容量，Qn為已投切的可控高抗容量與本次該投切的可控高抗容量之和，投切策略如下：

若電壓U在滯環(huán)寬度內(nèi)，即700 kV＜U＜780 kV時(shí)，可控高抗不動(dòng)作，R=0，Rn=Rn-1，Qn=Qn-1；

若電壓越過(guò)上限，即U≥780 kV時(shí)，投一級(jí)，R=1，Rn=R-1+R，Qn=Qn-1+ΔQ；

若電壓越過(guò)下限，即U≤770 kV時(shí)，切一級(jí)，R=-1，Rn=Rn-1+R，Qn=Qn-1+ΔQ。

2）如果Rn已達(dá)到上下限，當(dāng)Rn=Rn-1+R≥Rmax時(shí)，Rn=Rmax；當(dāng)Rn=Rn-1+R≤Rmin時(shí)，Rn=Rmin。式中，Rmax、Rmin分別為分級(jí)式可控高抗的最大可投/切級(jí)數(shù)。

4 仿真分析

本文結(jié)合的750 kV輸變電工程中，送端電源主要為風(fēng)電，由于風(fēng)電具有隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)機(jī)在向電網(wǎng)提供有功的同時(shí)，也要從電網(wǎng)吸收無(wú)功，加上750 kV輸電線路充電電容很大，必須配置相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償風(fēng)機(jī)出力引起的無(wú)功損耗及750 kV輸電線路的無(wú)功功率，保證無(wú)功就地平衡。若采用低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，需經(jīng)過(guò)變壓器與750 kV線路相連，削弱無(wú)功補(bǔ)償效果；若采用固定高抗，可能造成小功率方式下電壓過(guò)高、大功率方式下電壓過(guò)低；與固定高抗相比，采用分級(jí)投切式可控高抗后，系統(tǒng)變電站可根據(jù)線路潮流及系統(tǒng)電壓水平的變化自動(dòng)分級(jí)調(diào)節(jié)可控高抗的投切容量，智能調(diào)節(jié)線路的電壓。下面以2個(gè)算例來(lái)分析分級(jí)投切式可控高抗優(yōu)化調(diào)節(jié)特/超高壓線路電壓的作用。

1）算例分析一：模擬可控高抗逐級(jí)退出。假設(shè)初始上網(wǎng)功率為1 500 MW，母線初始電壓為775.7 kV，4級(jí)投切、3級(jí)可控的可控高抗全部投入，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。輸送功率從1 500 MW上升到3 000 MW時(shí)，可控高抗動(dòng)作情況如圖4所示，可控高抗動(dòng)作與可控高抗未動(dòng)作時(shí)母線電壓的波動(dòng)情況如圖5所示。輸電功率超過(guò)1 912 MW時(shí)，可控高抗?jié)M足判斷依據(jù)開(kāi)始動(dòng)作，退出一級(jí)可控高抗，最后一級(jí)動(dòng)作時(shí)，輸送功率為2 675 MW。

圖4 輸送功率上升時(shí)可控高抗動(dòng)作情況Fig.4 Switch of stepped controllable shunt reactor when transmission power increase

圖5 輸送功率上升時(shí)母線電壓的波動(dòng)情況Fig.5 The bus voltage fluctuation when transmission power increase

由圖5可知，若可控高抗未動(dòng)作，隨著輸送功率的增加，線路消耗的容性無(wú)功功率也會(huì)增加，系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡，母線電壓急速下降，甚至越限；可控高抗動(dòng)作可使系統(tǒng)的無(wú)功就地平衡，母線電壓有效控制在750~792 kV，達(dá)到智能調(diào)節(jié)的目的，適應(yīng)智能電網(wǎng)的要求。

2）算例分析二：模擬可控高抗逐級(jí)投入。假設(shè)初始上網(wǎng)功率為1 500 MW，母線初始電壓為775.7 kV，4級(jí)投切、3級(jí)可調(diào)的可控高抗級(jí)全部退出，此時(shí)系統(tǒng)處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。輸送功率從1 500 MW下降到900 MW時(shí)，可控高抗動(dòng)作情況如圖6所示，可控高抗動(dòng)作與可控高抗未動(dòng)作時(shí)母線電壓的波動(dòng)情況如圖7所示。輸送功率下降到1 372 MW時(shí)，可控高抗?jié)M足判斷依據(jù)開(kāi)始動(dòng)作，投入一級(jí)可控高抗，最后一級(jí)動(dòng)作時(shí)，輸送功率為1 076 MW。

圖6 輸送功率下降時(shí)可控高抗動(dòng)作情況Fig.6 Switch of stepped controllable shunt reactor when transmission power decrease

圖7 輸送功率下降時(shí)母線電壓的波動(dòng)情況Fig.7 The bus voltage fluctuation when transmission power decrease

由圖7可知，若可控高抗未動(dòng)作，隨著輸送功率下降，線路消耗的容性無(wú)功功率也隨之減少，系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡，母線電壓上升，甚至越限，不滿足要求；投入可控高抗可改變電氣距離，抵消系統(tǒng)的部分容性無(wú)功，使系統(tǒng)的無(wú)功就地平衡，母線電壓有效控制在750~792 kV。

運(yùn)用可控高抗可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，上網(wǎng)功率較大時(shí)，輸電線路重載運(yùn)行，容性無(wú)功損耗增加，系統(tǒng)容性無(wú)功功率減小，可控高抗根據(jù)線路的電壓水平自動(dòng)調(diào)節(jié)容量至較小值，保持良好的電壓水平并降低網(wǎng)損；上網(wǎng)功率較小時(shí)，輸電線路輕載運(yùn)行，系統(tǒng)無(wú)功損耗減小，線路電壓上升，可控高抗根據(jù)線路的電壓水平自動(dòng)調(diào)節(jié)容量至較大值，提供更多的感性無(wú)功功率，以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某規(guī)劃建設(shè)的750 kV輸變電工程，分析了特/超高壓電網(wǎng)輸電線路的無(wú)功特點(diǎn)和電壓波動(dòng)情況，提出了分級(jí)投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略，運(yùn)用分級(jí)投切式可控高抗可以智能補(bǔ)償輸電線路的無(wú)功功率，并有效控制其電壓，保持良好的電壓水平和降低網(wǎng)損，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

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