劉佳鈺

(西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

P2=-3U1I2cosδ=1 711.98 MW

P2=-1 734 Mvar

Q2=-3U1I2sinδ=-251.86 Mvar

Q2=-489.92 Mvar

串聯(lián)補(bǔ)償裝置接入后超特高壓交流線路輸送功率修正方法

劉佳鈺

(西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

超特高壓交流輸電系統(tǒng)是中國(guó)遠(yuǎn)距離、大容量輸送電能的重要方式。為了提升超特高壓輸電線路的輸送能力，在交流長(zhǎng)線路兩側(cè)常會(huì)加裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置等補(bǔ)償設(shè)備。然而，實(shí)際工程中卻發(fā)現(xiàn)，在裝設(shè)補(bǔ)償設(shè)備后，由于線路的電流互感器和電壓互感器安裝點(diǎn)分別布置在補(bǔ)償裝置兩側(cè)，傳統(tǒng)的線路輸送功率計(jì)算方法無(wú)法準(zhǔn)確獲取線路傳輸?shù)墓β?，進(jìn)而導(dǎo)致變電站監(jiān)控系統(tǒng)判定母線功率不平衡的狀況時(shí)有發(fā)生。為了解決上述問(wèn)題，基于線路潮流計(jì)算方法，定量分析了補(bǔ)償裝置的引入引發(fā)交流線路功率計(jì)算不準(zhǔn)的原因，推導(dǎo)了功率修正算法。簡(jiǎn)單算例及西部某變電站的500 kV輸電線路算例驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確可靠。該方法簡(jiǎn)單易行，易于在超特高壓變電站中實(shí)施應(yīng)用。

輸送功率；線路串聯(lián)補(bǔ)償；潮流計(jì)算；修正計(jì)算；超特高壓交流輸電

0 引 言

超特高壓交流輸電是中國(guó)實(shí)施電能遠(yuǎn)距離、大容量傳輸?shù)闹匾绞?，是?shí)施“西電東送”戰(zhàn)略的核心技術(shù)。因此，采用新技術(shù)來(lái)提升超特高壓交流輸電的輸送容量、減小遠(yuǎn)距離輸送帶來(lái)的電容效應(yīng)等問(wèn)題一直都是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外采取的主要技術(shù)有輸電線路安裝串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置和高壓并聯(lián)電抗器等。

現(xiàn)有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，串聯(lián)補(bǔ)償(以下簡(jiǎn)稱串補(bǔ))技術(shù)是提高遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)傳輸容量、改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種經(jīng)濟(jì)且有效的方法。通過(guò)在輸電線中間加入串聯(lián)電容器能減小線路電抗，縮小線路兩端的相角差，從而獲得較高的穩(wěn)定裕度及傳輸較大的功率[1]。目前將晶閘管技術(shù)引入串聯(lián)補(bǔ)償裝置中，諸如TCSC、SSSC等新型裝置性能更優(yōu)，可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高傳輸容量和暫態(tài)穩(wěn)定極限；此外在穩(wěn)態(tài)潮流控制、改善電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損、限制短路電流、抑制次同步振蕩、阻尼低頻振蕩、提高電力系統(tǒng)與電壓穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用[2-5]。

并聯(lián)電抗器在電力系統(tǒng)中廣泛地應(yīng)用于限制工頻過(guò)電壓、消除發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁、限制操作過(guò)電壓、線路容性充電功率、潛供電流抑制、限制短路電流和平波等[6-8]。然而在超特高壓線路充電功率大，限制過(guò)電壓和無(wú)功補(bǔ)償矛盾突出，可控高壓并聯(lián)電抗器能有效解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償輸電線路過(guò)剩的容性無(wú)功功率，有效地抑制超特高壓輸電線路的容升效應(yīng)、操作過(guò)電壓、潛供電流等現(xiàn)象，降低線路損耗，提高了系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，提高電壓穩(wěn)定水平及線路傳輸功率，提高電網(wǎng)運(yùn)行效益[7，9-11]。

串補(bǔ)裝置和高壓并聯(lián)電抗器在超特高壓輸電中發(fā)揮了重要作用，然而在實(shí)際工程中卻給測(cè)量方面帶來(lái)了許多問(wèn)題。由于線路增加了串聯(lián)補(bǔ)償裝置后，在串補(bǔ)裝置母線側(cè)加裝電壓互感器會(huì)引發(fā)諧振并燒毀電壓互感器，故含串補(bǔ)線路的電壓互感器往往裝設(shè)在串補(bǔ)的線路側(cè)。但由于線路的電流互感器依然裝設(shè)在串補(bǔ)母線側(cè)，因此傳統(tǒng)功率計(jì)算方法難以準(zhǔn)確獲得線路上傳輸?shù)臒o(wú)功功率[12]。特別地，當(dāng)輸電線路同時(shí)裝設(shè)串補(bǔ)及高壓并聯(lián)電抗器后，甚至導(dǎo)致有功的計(jì)算結(jié)果發(fā)生明顯偏差，對(duì)電網(wǎng)的在線監(jiān)測(cè)提出了重大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于基爾霍夫定律，提出一種針對(duì)含串聯(lián)補(bǔ)償線路的輸送功率校正算法；通過(guò)簡(jiǎn)單的潮流計(jì)算實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的修正，得到準(zhǔn)確的功率計(jì)算值。計(jì)算方法通過(guò)簡(jiǎn)單算例及西部某實(shí)際超高壓線路加以驗(yàn)證。

1 功率測(cè)量誤差產(chǎn)生原因

1.1 僅含串補(bǔ)裝置線路的功率計(jì)算誤差分析

超特高壓線路由于輸送距離較長(zhǎng)，為了提升線路的傳輸能力，通常會(huì)在變電站加裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置。對(duì)于僅含串補(bǔ)裝置的線路，其線路末端等效電路如圖1。

圖1 僅含串補(bǔ)裝置線路末端等效電路圖

(1)

而實(shí)際線路的有功功率和無(wú)功功率計(jì)算應(yīng)該為

(2)

由圖1可知電流電壓關(guān)系滿足：

(3)

根據(jù)電流電壓關(guān)系可得到視在功率計(jì)算公式，將實(shí)虛部分別展開(kāi)即可得到有功功率和無(wú)功功率為

(4)

由式(4)不難看出，當(dāng)線路中僅接入串補(bǔ)裝置時(shí)，測(cè)量裝置獲得的有功功率數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的；誤差體現(xiàn)在無(wú)功功率上。無(wú)功功率的誤差是由串補(bǔ)電容發(fā)出的無(wú)功引起的，且負(fù)荷越重誤差越大；另一方面，誤差也與串補(bǔ)裝置的等效電容值Cc有關(guān)，電容越大，誤差越小。

1.2 串補(bǔ)裝置與高壓電抗器同時(shí)引入后線路的功率計(jì)算誤差分析

此外，為了抑制由長(zhǎng)距離線路充電無(wú)功導(dǎo)致的工頻過(guò)電壓?jiǎn)栴}，變電站內(nèi)可能還裝設(shè)了高壓電抗器。此時(shí)線路末端等效電路如圖2所示。

圖2 串補(bǔ)裝置與高壓電抗器同時(shí)引入后線路末端等效電路圖

(5)

(6)

又由復(fù)功率公式得

(7)

由式(1)和式(2)可以得到線路末端的有功功率P2為

(8)

同樣，可以算得線路末端的無(wú)功功率Q2為

(9)

由式(8)和式(9)可以得到如下結(jié)論：同時(shí)裝設(shè)了串補(bǔ)裝置和高壓電抗器的線路末端功率測(cè)量，有功和無(wú)功都存在誤差。真實(shí)有功功率和測(cè)量值之間存在一個(gè)固定的比例系數(shù)，該系數(shù)由裝置參數(shù)即串聯(lián)補(bǔ)償裝置電容Cc和高壓電抗器電感Lk決定，且Lk·Cc值越大，這個(gè)比例系數(shù)越接近于1，有功功率測(cè)量誤差越小。而真實(shí)無(wú)功功率與測(cè)量值之間的誤差較大，無(wú)功功率也存在真實(shí)值與測(cè)量值的比例系數(shù)，該比例系數(shù)與有功功率的比例系數(shù)完全相同；無(wú)功功率的誤差，與上面分析的僅含串補(bǔ)裝置的情況相同，主要是由于串補(bǔ)電容發(fā)出的無(wú)功功率并未計(jì)入測(cè)量而引起的，同樣的，誤差與負(fù)荷大小以及串補(bǔ)裝置的等效電容大小有關(guān)，負(fù)荷越重，無(wú)功誤差越大；串補(bǔ)裝置的等效電容值Cc越大，誤差越小。

2 功率修正算法

2.1 僅含串補(bǔ)裝置線路的功率修正算法

為解決上述問(wèn)題，提出一種基于原測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)修正得到線路真實(shí)功率的計(jì)算方法。根據(jù)上述分析可以得到相應(yīng)的修正算法。

根據(jù)1.1節(jié)中的分析，僅含串補(bǔ)裝置的線路有功功率測(cè)量準(zhǔn)確，無(wú)需修正，而無(wú)功功率可以根據(jù)式(5)的結(jié)果獲得：

(10)

修正公式需要用到測(cè)量的無(wú)功功率Q2cl、電流幅值I2和串聯(lián)補(bǔ)償裝置的電容Cc。理論上式(10)求得的無(wú)功功率是沒(méi)有誤差的，但由于測(cè)量和參數(shù)的誤差是必然存在的，計(jì)算值仍會(huì)存在微小的誤差。

2.2 串補(bǔ)裝置與高壓電抗器同時(shí)引入后線路的功率修正算法

串補(bǔ)裝置和高壓電抗器同時(shí)引入后，線路功率算法相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，根據(jù)1.2節(jié)中的分析，整理式(8)和式(9)可得母線流出功率為

(11)

修正算法中需要用到有功功率測(cè)量值P2cl、無(wú)功功率測(cè)量值Q2cl、電流幅值I2、串聯(lián)補(bǔ)償裝置電容Cc和高壓電抗器電感Lk，由式(11)可以準(zhǔn)確計(jì)算線路功率。

由上述計(jì)算可以看出，有功功率測(cè)量誤差主要受串聯(lián)補(bǔ)償裝置的容抗和高壓電抗器的感抗影響，功率測(cè)量的百分誤差是固定值，與負(fù)荷的大小無(wú)關(guān)；而無(wú)功功率測(cè)量誤差主要是由串聯(lián)補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的無(wú)功造成的，其數(shù)值不僅受串聯(lián)補(bǔ)償裝置的容抗和高壓電抗器的感抗影響，還與線路末端的電流有關(guān)，即與負(fù)荷大小有關(guān)，負(fù)荷越大誤差越大。

需要注意的是，串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備并非一直投入運(yùn)行，該設(shè)備消缺時(shí)線路也可運(yùn)行，為保證修正結(jié)果的正確性，應(yīng)對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備投入運(yùn)行情況進(jìn)行判別后，再進(jìn)行功率修正。串聯(lián)補(bǔ)償投入判別條件：旁路開(kāi)關(guān)=“0”& 旁路刀閘=“0”& 線路有壓=“1”。此時(shí)功率修正計(jì)算為

(12)

3 算例驗(yàn)證

由于所提兩種情況的修正算法理論上方法是一樣的，僅是公式表達(dá)式不同，且僅含串補(bǔ)裝置的情況較串補(bǔ)裝置和高壓電抗器同時(shí)接入的情況簡(jiǎn)單，故本節(jié)中僅驗(yàn)證后者。

3.1 小型算例驗(yàn)證

利用如圖3所示的算例，驗(yàn)證算法的有效性。

圖3 PSCAD仿真電路圖

如圖3所示，算例中串補(bǔ)及高壓電抗器采用了與某500 kV變電站一致的參數(shù)。串補(bǔ)設(shè)備和高壓電抗器的參數(shù)分別為：ωCc=0.046 S;ωLk=1 669 Ω。電路首端施加530 kV的理想電壓源，末端布置了恒阻抗負(fù)荷，負(fù)荷大小如圖3所示。

根據(jù)PSCAD電磁暫態(tài)仿真結(jié)果，電路末端的有功達(dá)到1 734 MW，而無(wú)功達(dá)到-487.8 Mvar。同時(shí)根據(jù)測(cè)量結(jié)果，串補(bǔ)首端相電壓的幅值U1為305.996 kV，串補(bǔ)、高壓電抗器后的電流幅值I2為1.885 kA，U1超前I2的相角δ為8.369°。

利用傳統(tǒng)不當(dāng)算法進(jìn)行有功計(jì)算，也可以得到

P2=-3U1I2cosδ=1 711.98 MW

(13)

誤差約為1.3%。

而利用式(11)所列的算式可得

P2=-1 734 Mvar

(14)

與真實(shí)值一致。

同樣，根據(jù)傳統(tǒng)不當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，有

Q2=-3U1I2sinδ=-251.86 Mvar

(15)

與真實(shí)值-487.8 Mvar差距極大，誤差達(dá)到48%。

而利用式(11)所列的方程，可得

Q2=-489.92 Mvar

(16)

與真實(shí)值-487.8 Mvar僅0.43%的誤差。

PSCAD仿真算例可得結(jié)論：所提算法可以準(zhǔn)確計(jì)算出線路末端實(shí)際有功功率和無(wú)功功率。

3.2 某500 kV變電站功率平衡結(jié)果

仿真軟件中得到了算法可靠的結(jié)論，那么再將所提算法在實(shí)際運(yùn)行情況中進(jìn)行驗(yàn)證。

某500 kV變電站串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備和高壓電抗器的參數(shù)分別為：ωCc=0.046 S，ωLk=1 669 Ω。圖4所示是某500 kV變電站500 kV側(cè)的接線圖。表1給出了2016年3月16日11:27:09 SCADA顯示的該變電站500 kV各出線的有功功率、無(wú)功功率和電流幅值以及采用所提算法修正后的有功功率、無(wú)功功率。

由表1可知，SCADA測(cè)量的結(jié)果顯示此時(shí)該變電站500 kV的有功不平衡達(dá)到了19.9 MW，無(wú)功不平衡達(dá)到了57.1 Mvar。而利用修正算法公式對(duì)線路一、線路二、線路三進(jìn)行修正后，該變電站的有功不平衡降低至0.3 MW左右，而無(wú)功不平衡情況也降低至3.08 Mvar。此結(jié)果證明了所提算法的正確性。

4 結(jié) 論

對(duì)變電站中出現(xiàn)母線功率不平衡這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，這一現(xiàn)象通常發(fā)生在帶有同時(shí)裝設(shè)了串補(bǔ)裝置和高壓電抗器的超特高壓線路的變電站中。由于串補(bǔ)線路的測(cè)量TV安裝位置遠(yuǎn)離測(cè)量TA，功率計(jì)算時(shí)忽略了串聯(lián)補(bǔ)償裝置和高壓電抗器產(chǎn)生的無(wú)功功率，無(wú)功功率誤差很大?；诨鶢柣舴蚨商岢隽死矛F(xiàn)有測(cè)量值對(duì)功率測(cè)量進(jìn)行修正的計(jì)算方法，理論上應(yīng)用所提算法計(jì)算母線功率是沒(méi)有誤差的，應(yīng)用算法后仍然存在的微小的母線功率不平衡量，這來(lái)源于參數(shù)誤差和測(cè)量誤差。將修正算法在PSCAD中進(jìn)行了算例仿真驗(yàn)證，并用某500 kV變電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，在實(shí)際應(yīng)用中證明應(yīng)用修正算法后母線不平衡量大大減小，達(dá)到可接受誤差范圍內(nèi)。

表1 2016年3月16日11:27:09 SCADA顯示的各出線的有功、無(wú)功、電流結(jié)果與修正后的結(jié)果

圖4 某變電站500 kV側(cè)的接線圖

[1] 雷憲章, D．Povh. 串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在遠(yuǎn)距離高電壓交流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù), 1998,22(11):36-40.

[2] 曹路, 陳珩. 可控串聯(lián)補(bǔ)償抑制次同步諧振的機(jī)理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2001, 25(4):25-30.

[3] 張彥魁, 張焰, 盧國(guó)良. 可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器控制角模型及其在靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(11):17-22.

[4] 董飛, 魏文軒, 王慶紅. 可控串聯(lián)補(bǔ)償器的特性分析研究綜述[J].華中電力, 2011, 24(3):43-45.

[5] 周俊宇. 靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述[J].電氣應(yīng)用, 2006, 25(4):51-54.

[6] 曾昭華, 李漢香. 500 kV高壓電抗器的功用和選擇[J].中國(guó)電力, 1993, 26(1):15-18.

[7] 潘雄, 丁新良, 黃明良, 等.可控高壓電抗器應(yīng)用于西北750 kV電網(wǎng)的仿真分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007, 31(22):104-107.

[8] 張建興, 王軒, 雷晰, 等. 可控電抗器綜述[J].電網(wǎng)技術(shù), 2006, 30(S2):269-272.

[9] 周勤勇, 郭強(qiáng), 馮玉昌, 等. 可控高壓電抗器在西北電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù), 2006, 30(6):48-52.

[10] 周勤勇, 郭強(qiáng), 卜廣全, 等. 可控電抗器在我國(guó)超/特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(7):1-6.

[11] 鄭濤, 趙彥杰. 超/特高壓可控并聯(lián)電抗器關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2014, 38(7):127-135.

[12] 邢金, 宋磊, 侯貝貝, 等. 電力系統(tǒng)廠站端母線功率不平衡原因分析及解決方法研究[J].華北電力技術(shù), 2015(9):49-53.

國(guó)家電網(wǎng)公司面向社會(huì)各界征集新技術(shù)

國(guó)家電網(wǎng)公司貫徹落實(shí)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，致力于推動(dòng)電力新技術(shù)在電網(wǎng)建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)中的推廣應(yīng)用工作。現(xiàn)誠(chéng)邀社會(huì)各界通過(guò)新技術(shù)征集平臺(tái)(國(guó)家電網(wǎng)公司電子商務(wù)平臺(tái)http://ecp.sgcc.com.cn)開(kāi)展新技術(shù)申報(bào)工作。

Ultra high voltage(UHV)/extra high voltage(EHV) AC transmission system is an essential approach for the power transmission with long distance and large capacity in China. In order to improve the transmission capacity of UHV/EHV transmission lines, both sides of AC long lines will be equipped with series compensation devices or other compensation equipment. However, it is found in actual engineering projects that after the installation of compensation equipment the probability of identifying the bus power imbalances by the substation monitoring system rises up, which is caused by the fact that the line current transformers and voltage transformers are respectively arranged on the different sides of compensation devices. In order to solve these problems, the reasons for the miscalculation of transmission line power are analyzed and a modified calculation method is deduced based on power flow calculation method. A simple calculation example and an actual example of 500 kV transmission lines of a substation in the west area prove that the proposed algorithm is accurate and reliable. This method is simple and easy to be applied in UHV/EHV substations.

transmission power; line series compensation; power flow calculation; modified calculation method; EHV/UHV AC transmission

TM761

A

1003-6954(2017)01-0042-05

2016-08-16)