改进的1000kV级输电系统无功补偿措施

 

 

      摘要:对现有的各种特高压输电系统无功补偿措施进行了 综述和评价, 发现特高压输电系统采用可控高压电抗器所取 得无功补偿效果最为理想。提出了采用65 %的固定高压电 抗器(可投切) 加30%的可调节高压电抗器的改进方法, 并对几种补偿措施进行了比较, 仿真结果验证了该方法的有效性。

 

      由于特高压输电系统充电功率大、线路比较长, 因此无功平衡问题比较突出, 而且随线路长度的增加问题变得更加显著。为了解决上述不断变化的无功需求, 应合理配置高压电抗器、低压电抗器、低压电容器, 甚至可以通过配置可控电抗器等设备来实现系统的无功平衡[2] 。另外对于特高压长距离送电, 还可以通过装设串联补偿装置来提高广义自然功率幅值, 来减少在大潮流情况下对系统无功的冲击[3] 。

特高压输电线路充电功率大, 传输功率变化时无功波动很大, 因而无功电压控制比较困难[4] , 国外超高压和特高压输电系统运行经验验证了这一点, 如美国AEP 公司765kV 输电系统和俄罗斯 1 150kV输电系统, 为减轻系统无功压力, 采取了减小线路输送功率的措施[5] 。

无功控制的目的是通过调节无功补偿设备, 减少输电线路无功传输, 降低网损, 并保证电压运行于合理水平[ 6 ] 。1 000kV 级特高压输电线路充电功率大约是500kV 线路的4～5 倍, 为限制工频过电压, 以及降低线路轻载时电压水平, 1 000kV 级输电线路需要安装一定比例的高压电抗器[7 ] , 但在重载时, 如果补偿度过高, 高压电抗器对无功平衡产生不利影响, 同时还会引起电压水平降低[ 8 ] 。合理配置线路高压电抗器和低压无功补偿设备, 在线路传输功率变化时通过投切低压无功补偿设备使无功保持平衡, 同时满足运行电压要求, 是特高压输电系统无功控制研究的主要内容[1 ,9 ] 。

 

1 　特高压输电系统无功补偿目标及原则

1.1 　特高压输电系统无功补偿目标

为了保证电力系统有效和可靠运行, 电压和无功功率的控制应满足以下目标:

①系统中所有装置的端电压应在可接受的限值内。电力公司和用户的设备都是为在一定额定电压下运行而设计, 这些装置如果运行在所允许的范围以外将影响它们的性能, 并有可能毁坏。

②为保证最大限度利用输电系统, 应加强系统稳定性。

③应使无功功率传输最小, 能确保传输系统有效地运行, 即主要用于有功功率传输。

 

1.2　特高压输电系统无功补偿原则

①低压无功补偿设备用于平衡传输不同有功功率时输电线路上的无功功率, 使特高压输电线路端电压在合理的范围内[10 ] 。无功配置应满足分层分区平衡原则, 特高压节点电压控制在1 000 ～100kV之间。

②特高压输电线路充电功率大, 空载时线路电压高, 低压无功补偿配置应能满足投切空载线路的要求, 保证线路两端电压低于1 100kV。

③低压无功补偿设备分组容量应满足电压波动要求, 投切时引起的中压侧电压波动应不超过额定电压的215 %。

④低压无功补偿容量应不超过第三绕组容量。

⑤低压无功补偿设备的配置应结合变压器分接关位置调整进行, 以保证满足无功要求时, 节点电压不越限。

 

2 　特高压输电系统无功补偿措施概述

2.1 　发电机

发电机在发出有功功率的同时也提供无功功率, 但输电系统中传输无功功率会增加网损, 所以发电机的无功功率只用来调整机端电压或满足发电厂附近的无功平衡需要。

 

2.2 　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。但通过变压器分接头只能调整无功分布和系统电压水平。

 

2.3 　安装低压无功补偿设备

低压无功补偿设备一般安装在特高压变压器低压侧, 分为容性补偿设备和感性补偿设备, 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, 减少低压电容补偿容量, 不能满足要求时投入低压电抗; 线路重载时, 增加低压电容补偿容量。低压无功补偿设备是目前最常用的无功补偿方法, 对特高压输电线路而言, 不存在技术上的障碍, 是可以应用的成熟技术。

 

2.4 　串联补偿设备

串联补偿设备对提高输电能力作用最明显, 串联补偿设备对输电系统的无功功率特性有一定的作用, 可以减少系统的无功功率损耗, 减少线路两端电压降。特高压电网规划方案中, 为提高输电系统的输电能力, 大型电源基地送出线路和重要的联络线需要安装串联补偿设备。

 

2.5 　固定补偿高压电抗器

为限制工频过电压, 特高压输电线路上安装大容量高压电抗器, 会产生一些负面影响:

①小负荷方式运行电压偏高或大负荷方式下运行电压偏低。常规的解决办法是通过在变压器的低压侧安装低压电抗器组或低压电容器组, 一方面增加了无功补偿的投资, 另一方面, 由于受变压器容量的限制, 低压补偿可能无法满足要求。

②线路输送能力下降。高压电抗器补偿度越高, 其广义自然功率下降越多。

 

2.6 　可控高压电抗器

可控高压电抗器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。可控电抗器在运行期间, 无功在一定的范围内可实现平滑调节, 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调节容量至最大值, 限制故障引起的工频过电压。

目前对可控电抗器的研究主要集中在以下几个方面:

①为降低成本, 提高效率和扩大容量, 可控电抗器将向结构简单、控制可靠的方向发展。

②为提高可控电抗器的响应速度, 一些先进的控制策略将在可控电抗器的调节中得到真正的应用。

③为降低系统的谐波, 可控电抗器除了在降低自身的谐波产生方面将有更好的发展外, 能够主动地抑制系统谐波, 使可控电抗器功能更加丰富、实用。