特高压交流输变电系统无功补偿和电压控制研究论文_黄翔

(湖北工业大学)

摘要:随着社会经济和科学技术不断发展,我国电力事业发展迅速,交流特高压输电技术在我国输电领域得到了越来越广泛的重视和应用,极大地提高了我国电力系统的输电效率和输电能力。但同时,交流特高压输电技术作为一种现代高新技术,其技术应用体系尚不成熟和完善,加强对特高压交流输变电系统无功补偿和电压控制研究,对确保特高压系统安全稳定运行、保障大范围优质可靠供电具有重要的现实意义。笔者从1000千伏特高压交流特高压输电线路的无功特性分析入手,提出了几点无功补偿措施,以供读者参考。

关键词:特高压交流输变电系统;无功补偿;电压控制

并联电容器和电抗器是电力系统无功补偿的重要装置。我国500千伏及以下电力系统依照无功电力分层就地平衡原则,配置无功补偿装置,一般采用变压器低压侧安装电容器组和电抗器的方式,在输电线路有功功率波动时,通过投切电容器组和电抗器调节输电系统电压。1000千伏特高压交流输变电系统一般用于远距离大容量送电,输电线路长,充电功率是500千伏超高压输电线路无功充电功率的4~5倍,线路有功功率波动时,无功功率变化幅度较大,其无功补偿和电压控制问题突出。远期为了更充分发挥1000千伏交流系统输电能力,其无功补偿和电压控制将有更高要求,技术难度进一步加大。

一、特高压交流输变电系统的无功特性

1、特高压交流输变电系统的充电功率

输电线路的电抗、电阻和对地电容值由分导线数、分导线直径、分裂导线直径和相间导线距离决定,而这些参数又与输电线路的环境要求、绝缘水平和输电成本相关。同一电压等级的输电线路,单位长度电抗和电阻会有一定差别。表1-1列出了超高压和特高压输电线路的典型参数,包括电阻、电抗和电纳的有名值和折算到500千伏的标幺值。

表1-1

由表1-1可见,1000千伏特高压交流输电线路的充电功率很大,大约是500千伏输电线路的5.8倍。

2、特高压交流输变电系统的自然功率

自然功率又称波阻抗负荷,指的是输电线路的受端每相接入一个波阻抗时的负荷。输送自然功率可用于比较不同电压等级输电线路输电能力和分析电压、无功调节。

表1-2 所示为超高压和特高压输电线路的波阻抗参数

当输电线路受端接入波阻抗负荷时,线路的自然功率可表示为

根据表1-2中的波阻抗参数,则特高压输电线路的自然功率为

特高压线路输送自然功率时,线路电抗的无功损耗基本等于线路的充电功率,线路与外部系统没有无功交换。因而,线路在传输自然功率时,线路上无功传输最小,损耗也最小。

3、特高压交流输变电系统的无功损耗

特高压交流输电线路功率小于广义自然功率时,线路电容器和高抗产生的无功功率之和大于线路传输有功功率产生的无功损耗,输电线路将向外部系统提供无功功率;特高压交流输电线路功率大于广义自然功率时,线路电容器和高抗产生的无功功率之和小于线路传输有功功率产生的无功损耗,输电线路需要从外部吸收无功功率;特高压交流输电线路功率等于广义自然功率时,输电线路与外部系统没有无功功率交换。

表1-3列出了某特高压输电线路在不同高抗补偿度下传输不同有功功率时与外部系统之间的无功交换情况。计算中设定送端功率因数为1,受端电压为1000千伏。

表1-3

表1-3可用曲线形式描述,如图1-1所示。

图1-1

由表1-3和图1-1可见,当线路传输功率增加时,线路与外部系统的无功功率交换也逐渐增加,有功功率越大,输电线路与外部系统的无功功率交换对有功功率的灵敏性越高。如在高抗补偿度为85%时,一回1000千伏线路传输2000MW有功功率需要吸收无功功率51.4Mvar,两回线路传输4000MW有功功率需要吸收无功功率102.8Mvar,而一回线路传输4000MW有功功率时需要吸收无功功率929.3 Mvar。如果双回线路发生N-1故障,功率转移至一回线路上,线路无功需求将从102.8Mvar升至929.3 Mvar,对外部系统造成很大的无功压力,对系统稳定性产生不利影响。同时,外部系统大容量的无功流动,将增加系统网损,降低输电的经济性。

4、特高压交流输变电系统的电压降

在特高压输电系统中,电压损耗与输送无功功率成正比,与电压成反比。因此,减少线路无功传输,有利于输电系统电压调节,提高受端电压水平,提高输电系统的电压稳定性。

同时,同一特高压输变电系统在不同高抗补偿度下传输不同有功功率时产生的电压降,还有以下几个特征:第一,高抗补偿度越大,电压降幅越大。第二,不同高抗补偿度下电压降对传输功率灵敏度基本相同。第三,特高压输电线路功率越大,电压降变化越大。第四,广义自然功率值越高,线路重载时电压降幅越小。第五,当线路功率变化时,电压降波动较大。

二、特高压交流输变电系统的无功补偿措施

1、发电机调节端电压

调整发电机端电压对系统电压控制有一定的作用,通过提高发电机端电压,可以提高特高压线路电压水平,从而提高广义自然功率。另外,低压无功补偿装置容量与电压平方成正比关系,电压越高,低压无功补偿装置的作用越大。因而,特高压输电系统在重载情况下,应提高发电机端电压,以提高系统电压水平;轻载情况下,应降低发电机端电压,从而降低特高压线路的电压水平。

2、调节变压器分接头

调节变压器分接头是最直接的调压方式,但变压器不是无功功率电源,既不能产生无功功率,也不能吸收无功功率,其主要功能是调整无功分布和系统电压水平。特高压输电系统传输有功功率变化较大时,电压降波动很大。在长线路重载情况下,可能会引起电压越限,这时需要考虑通过调整变压器分接头来调整特高压线路的电压。

3、安装低压无功补偿装置

低压无功补偿装置包括并联电容器、并联电抗器、静止无功补偿器和调相机等。低压无功补偿装置一般安装在特高压变压器低压侧,最常用的是低压电容器和低压电抗器,根据线路传输功率的变化分组投切,实现对高压侧无功和电压的控制。线路轻载时,减少低压电容器补偿容量,不能满足要求时投入低压电抗器;线路重载时,增加低压电容器补偿容量。低压无功补偿装置容量大小便于调节,设置地点灵活,可将其分散安装在各变电站内及负荷端用电设备侧,符合无功就地平衡、分级补偿和便于调节的原则,主要用于稳态电压调整和功率因数校正。

4、采用可控高抗

采用可控高抗是解决限制过电压和无功调相调压之间矛盾的有效手段之一。可控高抗在运行期间,无功可在一定的范围内调节,在一定程度抑制电压在小负荷方式下过高或大负荷方式下过低,同时它能在故障瞬间将容量调节至最大值,限制故障引起的工频过电压。此外,可控高抗的投入运行,使得双回或者多回线发生“N-1”故障时,可按其最大的调节范围实现动态无功补偿,改善系统电压特性。同时,对于系统在各种扰动下出现的电压振荡或功率振荡也能起到一定的抑制作用,提高系统的动态稳定性。

三、结语

本文从充电功率、自然功率、无功损耗、电压降等4个方面研究了特高压交流输变电系统的无功特性,定量分析了500千伏超高压和1000千伏特高压之间不同的运行特性,针对性地提出了调节发电机端电压、调节变压器分接头、安装低压无功补偿装置、采用可控高抗等措施进行无功补偿,给出了特高压交流输变电系统无功补偿和电压控制可行性方案。

参考文献

[1]郭欣.1000kV交流特高压输电线路运行特性分析[J].电子制作,2016(02).

[2]孙岗,凌云,李中全等.交流特高压变电设备积污特性研究及外绝缘配置评估[C].//第三届(2012)全国架空输电线路技术研讨会论文集.2012.

论文作者:黄翔

论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期

论文发表时间:2019/1/8

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