特高压交流电网的无功电压控制

石红杰施杰张小刚

摘要：特高压交流电网是长距离大范围平衡能源供需、建设坚强智能电网和全球能源互联网的关键。特高压交流电网正在稳步发展中，无功电压控制是保证特高压交流电网安全可靠经济运行的重要手段。文中总结了特高压交流线路的无功、电压特性，指出了特高压交流电网在无功电压控制方面存在的困难；从独立控制、与近区电网协调控制、大电网全局优化三个方面综述了特高压交流电网的无功电压控制方法。

关键词：特高压交流；无功特性；电压特性；无功电压控制

引言

特高压交流输电作为大容量远距离输电的重要桥梁，其稳定可靠运行至关重要。特高压交流的关键技术包括电压控制、绝缘配合、电磁环境研究、特高压设备制造等。无功电压控制是保障电网安全、可靠、经济运行的重要手段，在特高压交流电网中显得尤其重要：一方面，特高压交流电网因为远距离输送大功率，有功损耗很大，合理的无功电压控制可以大大减少有功损耗，为特高压交流电网的运行带来巨大的经济效益；另一方面，特高压交流电网的安全稳定运行十分重要，如果缺乏有效的无功电压控制方法，很可能使设备受到破坏，甚至会引发电压失稳现象，从而导致大范围停电事故。特高压交流线路具有容量大、距离远、充电功率大等特性，负荷波动大带来的电压波动和稳定性问题突出，其无功电压控制需要根据这些特性进行研究。

1特高压交流线路的无功、电压特性

1.1充电功率大

表1给出了1000KV输电线路的主要参数，其中RO为单位长度电阻，LO为单位长度电感，CO为单位长度电容。在1000KV线路中，在最高运行电压1100KV下每100km的充电功率约为30Mvar，是500KV线路充电功率的5-6倍。在长距离空载线路中，容升效应显著。

1.2并联高抗在调压和无功补偿上存在矛盾

为抑制特高压线路的容升效应、操作过电压、潜供电流等，中国使用大容量的高压并联电抗器，从避免谐振的角度分析了高抗补偿度的上限，则从限制潜供电流和空载线路电压控制的角度分析了高抗补偿度的下限。以长治—南阳—荆门特高压工程的高抗为例，长治—南阳线两侧各装设960Mvar和720Mvar，南阳—荆门线两侧各装设720Mvar和600Mvar。固定安装的特高压并联电抗器在线路轻载时起到有利的调压作用，然而，在线路重载时，大容量的高抗则成为线路无功平衡的负担。以一条特高压线路（长度为500km）为例，投入并联高抗前后受端电压和线路无功损耗随输送的有功负荷变化的曲线分别如图1和图2所示。可以看出，并联高抗对空载线路的容升效应起到了很好的抑制作用，但随着有功负荷增加，线路无功损耗快速增加，并联高抗加重了线路无功损耗，使受端电压偏低。可控高抗可以根据需求离散或连续地调节容量，在一定程度上缓解并联高抗在轻载电压调节和重载无功补偿方面的矛盾，但目前在特高压输电线路上，可控高抗还没有实际的工程应用。

1.3输送功率大且短路容量小

电压波动与线路输送的功率和功率波动成正比，与线路两侧短路容量成反比。特高压线路输送功率大，功率波动也较大；在特高压网架较为简单的阶段，短路容量也较小。这是特高压线路电压调节的难点之一。

1.4调压手段缺乏且调节效果粗略

特高压变压器采用无载调压方式，并联高抗采

用固定安装方式，因此在特高压电网层面，可供运行时无功电压调节的只有装设在特高压变电站中的低压电容器和低压电抗器。长治和荆门特高压变电站各安装了4组210Mvar电容器和2组240Mvar电抗器。低压电容器和低压电抗器单组容量很大，电压无功的精细控制需近区电网电厂的协调。综上所述，在无功、电压特性方面，特高压交流电网的无功调节需求大，而自身无功调节能力相对不足，不同时段要做到无功分层平衡难度特别大，难以做到电压的灵活控制，需要超高压电网协助；相比而言，超高压交流线路的无功需求没有特高压线路显著，而且超高压交流电网除了装设低容低抗之外，还有直接接入的大电厂及静止同步补偿器等连续调节设备，其电压无功需求除了极端运行方式外，基本上可以由本电压层的调节能力来满足。

2特高压交流电网的无功电压控制方法

2.1基于电压合格和无功平衡的独立控制

电压合格是无功电压控制的基本要求。无功功率分层分区平衡是长久以来电力系统运行的认识和原则。基于电压合格和无功平衡的独立控制，是比较直接的控制方法，也符合国内分层分区的调度体系。指出为了使长治—南阳—荆门特高压输电线路的电压和特高压变电站500KV母线电压运行在合格区间中，长治和荆门特高压变电站的500KV母线电压需控制在一个电压控制域中，并给出考虑功率波动的电压控制域。进一步考虑低容低抗投切对电压控制域边界带来的影响，提出由线路功率和两端母线电压形成的三维控制域。针对传输大功率时南阳站母线电压偏低的问题，指出了发电机机端电压、变压器分接头和变电站低压母线无功补偿等调节手段对1000KV母线和500KV母线电压的影响。但文中没有给出具体的调节策略。

2.2考虑近区电网的协调控制

特高压电网无功电压问题突出，现阶段在特高压电压层的调节手段相对缺乏，因此有必要利用近区超高压电网进行协调配合。经济压差的实现要求特高压电网有足够、连续可调的无功补偿设备，但目前特高压电网只装有离散的低容低抗，在这一背景下，提出一种改进的经济压差无功控制策略，综合特高压变电站低压侧的无功补偿设备投切和近区电网500KV发电机无功出力，实现特高压线路无功平衡。基于经济压差的方法能实现特高压线路无功功率在两侧的均摊，有利于减小特高压线路的有功损耗和电压降落。这种方法对于辐射状的线路而言计算简单，但在环网中则难以适应，而且该方法只考虑了特高压自身的无功平衡，没有讨论特高压电网与超高压电网之间的相互影响。根据经济压差，按照潮流输送方向设定了各特高压母线电压的控制范围。特高压电网所需无功补偿容量由特高压变电站无功补偿设备和500KV电网发电机共同提供。因为500KV电网发电机需要为特高压AVC预留容量，在省调AVC进行500KV电网无功电压控制时，可调用的发电机无功功率相应减少。这种方法同样只适用于辐射型的特高压电网，一旦特高压线路形成环网，就难以有效应用。另外，文中所述方法也没有对特高压电网与超高压电网的耦合做深入的探讨。

2.3采用优化模型求解的全局控制

在含特高压电网的无功电压控制中，也有学者通过建立全局优化模型，采用优化算法进行求解。考虑静态电压稳定性和全网有功损耗，建立了含特高压电网的无功优化数学模型，采用协同进化算法寻优，并使用割线灵敏度法删减灵敏度较低的控制变量，降低搜索空间维数。协同进化算法和割线灵敏度法提高了寻优的效率，但仍无法避免面临大量数据处理和分区等难题。提出一种减小无功穿越量和提高电压稳定性的含特高压电网的无功优化模型，并采用差分进化算法求解，但所述方法仍存在大规模无功优化计算的困难。

结语

特高压交流电网由于充电功率大、输送容量大、输送距离远等特性，无功电压问题突出，而在特高压层级调节手段缺乏、调节效果粗略，因此，特高压交流电网的无功电压控制需要针对其特性进行研究。本文综述了特高压交流电网无功电压控制的研究现状，并展望了未来特高压交流电网无功电压控制的发展方向。加强特高压交流电网的无功电压控制理论研究和技术实现，为建设坚强智能电网提供有力的支撑。

参考文献：

［1］刘振亚．中国特高压交流输电技术创新［J］．电网技术，2014，37（4）：567-568.

［2］舒印彪．1000KV交流特高压输电技术的研究与应用［J］．电网技术，2016.1234-1235.