趙倩宇,王守相,秦曉輝,張彥濤,姜懿郎

(1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津市 300072;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京市 100192)

基于穩(wěn)態(tài)特性的特高壓半波長(zhǎng)與直流混聯(lián)系統(tǒng)電壓無(wú)功控制

趙倩宇1,王守相1,秦曉輝2,張彥濤2,姜懿郎2

(1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津市 300072;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京市 100192)

基于半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型,建立了特高壓半波長(zhǎng)與直流混聯(lián)系統(tǒng),即通過(guò)直流線路異步聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)間接入半波長(zhǎng)輸電線路的系統(tǒng)方程,結(jié)合直流線路濾波器投切、送受端無(wú)功補(bǔ)償裝置等,研究了半波長(zhǎng)輸電線路兩側(cè)端口處系統(tǒng)電壓和無(wú)功特性,提出了半波長(zhǎng)不同送電功率和直流運(yùn)行功率變化時(shí)基于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流特性的特高壓半波長(zhǎng)與直流混聯(lián)系統(tǒng)的送受端聯(lián)合電壓無(wú)功控制方案,分析了不同送電功率和負(fù)載功率因數(shù)情況下半波長(zhǎng)輸電線路的電壓和電流分布特性,以及直流運(yùn)行功率變化對(duì)半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)潮流電壓的影響。

半波長(zhǎng)輸電線路;特高壓直流;無(wú)功控制;穩(wěn)態(tài)特性

0 引言

全球能源互聯(lián)網(wǎng)是在全球范圍內(nèi)進(jìn)行能源資源有效配置的戰(zhàn)略構(gòu)想,其能夠?qū)崿F(xiàn)的必要條件之一就是具備長(zhǎng)距離、大容量、低損耗的輸電技術(shù)。當(dāng)前能夠滿足超遠(yuǎn)距離大容量輸電需求的輸電方式主要包括超、特高壓交/直流輸電技術(shù)和半波長(zhǎng)輸電技術(shù)[1-4]。特高壓交/直流輸電技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到了實(shí)踐應(yīng)用,而半波長(zhǎng)輸電技術(shù)是指輸電的電氣距離接近一個(gè)工頻半波,即3 000 km(50 Hz)的超遠(yuǎn)距離三相交流輸電技術(shù),與傳統(tǒng)交流輸電方式相比,半波長(zhǎng)輸電線路由于具有超遠(yuǎn)距離大容量輸電、不需安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置、不需加設(shè)中間開關(guān)站等優(yōu)點(diǎn)[5-6],對(duì)于構(gòu)建大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)更有良好的應(yīng)用前景,可作為歐亞大陸同步互聯(lián)電網(wǎng)設(shè)想的技術(shù)選項(xiàng),適合于全球能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景,因而在近年來(lái)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

中國(guó)地域遼闊,能源儲(chǔ)備和電力負(fù)荷分布極不均衡。在電網(wǎng)建設(shè)中,能源分布和電力傳輸始終是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題。西北和新疆地區(qū)地廣人稀,用電量不大,但是具有中國(guó)最大的能源基地,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的電力受端地區(qū)用電多但是資源少,西電東輸?shù)木嚯x有的也超過(guò)了3 000 km。在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的條件下,國(guó)際間的電能傳輸計(jì)劃也越來(lái)越多,傳輸距離更可能達(dá)到甚至超過(guò)3 000 km。未來(lái)將出現(xiàn)特高壓半波長(zhǎng)超遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸電、網(wǎng)對(duì)網(wǎng)輸電局面。

特高壓直流輸電的發(fā)展使得電網(wǎng)逐漸形成強(qiáng)直弱交的輸電格局,直流線路傳輸?shù)木嚯x越來(lái)越長(zhǎng),以及直流系統(tǒng)出現(xiàn)的換相失敗和直流閉鎖都對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有非常大的影響,普通交流線路在長(zhǎng)距離傳輸時(shí),損耗太大,經(jīng)濟(jì)性差。直流線路在長(zhǎng)距離傳輸中發(fā)生換相失敗或者閉鎖造成功率轉(zhuǎn)移時(shí),研究特高壓半波長(zhǎng)與特高壓直流混聯(lián)系統(tǒng)中輸電線路的穩(wěn)態(tài)特性和半波長(zhǎng)線路與直流線路并聯(lián)運(yùn)行的可行性,為今后暫態(tài)分析提供基礎(chǔ),對(duì)于未來(lái)將半波長(zhǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程,解決國(guó)內(nèi)目前面臨的能源結(jié)構(gòu)問(wèn)題,有著重要的科學(xué)價(jià)值和潛在的應(yīng)用前景[7]。文獻(xiàn)[7-10]研究了特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性,其中文獻(xiàn)[9]雖然指出若保持線路送端電壓不變,則隨著輸送功率的增加,末端電壓比首端電壓下降的幅值也增加的問(wèn)題,但未提出合理的送受端聯(lián)合無(wú)功控制方案。以上文獻(xiàn)研究的應(yīng)用場(chǎng)景均是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)網(wǎng)場(chǎng)景,同時(shí)未考慮半波長(zhǎng)輸電線路連接原有直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后,輸電線路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性和基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的電壓無(wú)功控制。

本文研究考慮半波長(zhǎng)輸電線路連接原有直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后,基于輸電線路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的電壓無(wú)功控制,應(yīng)用場(chǎng)景為網(wǎng)對(duì)網(wǎng)系統(tǒng)?；诎氩ㄩL(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)特性提出半波長(zhǎng)不同送電功率和直流運(yùn)行功率變化時(shí)半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)的送受端聯(lián)合無(wú)功控制方案,同時(shí)研究不同送電功率和負(fù)載功率因數(shù)情況下半波長(zhǎng)輸電線路的電壓和電流分布特性,以及直流運(yùn)行功率變化對(duì)半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)潮流電壓的影響。

1 半波長(zhǎng)輸電線路準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型

若為無(wú)損線路,傳輸線終端的電壓和電流已知,可得半波長(zhǎng)線路上距離接收端x位置處的電壓和電流方程[8]:

(1)

均勻傳輸線可看成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),設(shè)二端口傳輸參數(shù)矩陣為T,則其表達(dá)式為:

(2)

根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)理論,線路二端口網(wǎng)絡(luò)可以轉(zhuǎn)化為π形等值模型,等值阻抗和導(dǎo)納為:

(3)

上述π形等值模型和參數(shù)在工頻穩(wěn)態(tài)下是嚴(yán)格等值的,在潮流計(jì)算中可以方便采用。如果用多段π形線路的串聯(lián)來(lái)近似模擬傳輸線,那么最終半波長(zhǎng)輸電線路可以等效為二端口的級(jí)聯(lián),即半波長(zhǎng)輸電線路的等效T矩陣為分段T矩陣的n次方,然后可變換得到半波輸電線路的等值參數(shù)。

由式(1)可知半波長(zhǎng)輸電線路的中點(diǎn)電壓和接收端電流的大小成正比,中點(diǎn)電流和接收端電壓的大小成正比。αx=π時(shí),即半波長(zhǎng)長(zhǎng)度,首末兩端的電壓大小相同,相位相反。雖然無(wú)損半波長(zhǎng)輸電線路兩端的電壓不受傳輸功率等因素的影響,但越靠近線路中部位置,電壓的變化受功率影響越嚴(yán)重。

半波長(zhǎng)線路的極限傳輸功率為:

(4)

式中:U1和U2分別為線路首、末端電壓;Pn為自然功率。

αx=π/2時(shí),線路的功率極限為自然功率,αx=π時(shí),即半波長(zhǎng)長(zhǎng)度,輸送功率的極限理論值可為無(wú)窮大。

2 半波長(zhǎng)線路和直流線路混聯(lián)系統(tǒng)模型

建立了特高壓半波長(zhǎng)與直流混聯(lián)系統(tǒng),即通過(guò)直流線路異步聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)間接入半波長(zhǎng)輸電線路的系統(tǒng)方程,半波長(zhǎng)交流輸電線路與特高壓直流輸電線路混聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)模型如附錄A圖A1所示。下面針對(duì)圖A1所示半波長(zhǎng)交流輸電線路與特高壓直流輸電線路混聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)建模。

2)直流線路方程為:

(5)

式中:Vdr和Vdi分別為直流線路整流側(cè)和逆變側(cè)的電壓;Id為直流線路電流;Xcr和Xci分別為直流線路整流側(cè)和逆變側(cè)的電抗;rd為直流線路電阻;β為線路傳輸常數(shù);φr為交流電壓超前基波電流的相差,稱為換流器的功率因數(shù)角。

3)系統(tǒng)功率平衡方程為:

(6)

式中:P為電網(wǎng)1輸出的有功功率;Ph為半波長(zhǎng)交流線路的有功功率;Pd為直流線路的有功功率;Q為電網(wǎng)1輸出的無(wú)功功率;Qh為半波長(zhǎng)交流線路的無(wú)功功率;Qd為直流線路的無(wú)功功率;l為半波長(zhǎng)線路長(zhǎng)度。

3 功率穩(wěn)態(tài)特性分析和無(wú)功控制

3.1 半波長(zhǎng)線路沿線電壓與功率的機(jī)理分析

(7)

(8)

1)線路電壓與有功功率的機(jī)理分析

(9)

(10)

2)線路電壓與無(wú)功功率的機(jī)理分析

(11)

(12)

其中2αx∈[0,2π],得到如圖1所示無(wú)功功率變化時(shí)線路電壓最高點(diǎn)和最低點(diǎn)出現(xiàn)的位置。

圖1 無(wú)功功率變化時(shí)線路電壓最高點(diǎn)和最低點(diǎn)出現(xiàn)的位置Fig.1 Positions of the highest and lowest point of line voltage when reactive power changes

由圖1可知,當(dāng)無(wú)功功率大于零時(shí),線路電壓的最值出現(xiàn)在0～750 km范圍內(nèi)和1 500～2 250 km范圍內(nèi),最高點(diǎn)在1 500～2 250 km范圍內(nèi),最低點(diǎn)在0～750 km范圍內(nèi),隨著無(wú)功功率越來(lái)越大,即功率因數(shù)越來(lái)越小時(shí),線路電壓的最值向左偏移,但始終最小值在0～750 km范圍內(nèi),最大值在1 500～2 250 km范圍內(nèi);當(dāng)無(wú)功功率小于零時(shí),線路電壓的最值出現(xiàn)在750～1 500 km范圍內(nèi)和2 250～3 000 km范圍內(nèi),最高點(diǎn)在750～1 500 km范圍內(nèi),最低點(diǎn)在2 250～3 000 km范圍內(nèi),隨著無(wú)功功率的絕對(duì)值越來(lái)越大,即功率因數(shù)的絕對(duì)值越來(lái)越小時(shí),線路電壓的最值向右偏移,但是始終最小值在2 250～3 000 km范圍內(nèi),最大值在750～1 500 km范圍內(nèi)。

將式(12)代入式(7)可求得當(dāng)無(wú)功功率發(fā)生變化時(shí),半波長(zhǎng)線路的電壓的最值為:

(13)

(14)

3)穩(wěn)態(tài)電壓特性分析

分析理想情況下不同送電功率和負(fù)載功率因數(shù)情況下半波長(zhǎng)輸電線路的沿線電壓和電流分布變化情況。

附錄A圖A2所示為不同功率和不同功率因數(shù)時(shí)的沿線電壓和電流分布變化的情況,其中x軸表示半波長(zhǎng)長(zhǎng)度,變化范圍是0～3 000 km,y軸表示有功標(biāo)幺值或無(wú)功標(biāo)幺值的變化,z軸表示沿線電壓或電流的標(biāo)幺值。當(dāng)線路上僅傳輸有功功率而沒有無(wú)功功率,即功率因數(shù)恒為1時(shí),半波長(zhǎng)線路沿線電壓分布如圖A2(a)所示,半波長(zhǎng)線路沿線電流分布如圖A2(b)所示。當(dāng)Ph恒為自然功率,無(wú)功功率標(biāo)幺值從0到2變化時(shí)沿線電壓變化如圖A2(c)所示,沿線電流變化如圖A2(e)所示。當(dāng)Ph恒為自然功率,無(wú)功功率標(biāo)幺值從-2到0變化時(shí)沿線電壓變化如圖A2(d)所示,沿線電流變化如圖A2(f)所示。

由圖A2(a)可知,當(dāng)有功功率大于自然功率時(shí),越接近線路中點(diǎn),電壓越高,且高于兩端電壓,中點(diǎn)位置電壓最高。半波長(zhǎng)線路上距離中點(diǎn)越近,電壓受傳輸功率的影響越大,當(dāng)有功功率小于自然功率時(shí),越接近線路中點(diǎn),電壓越低,且低于兩端電壓,中點(diǎn)位置電壓最低。由圖A2(b)可知,電流的變化趨勢(shì)與電壓相反,離半波長(zhǎng)線路兩端越近,線路電流受傳輸功率的影響越大,但線路中點(diǎn)電流幾乎不受傳輸功率的影響。

由圖A2(c)可知,當(dāng)功率因數(shù)為正時(shí),線路最高電壓出現(xiàn)的位置偏向末端,由圖A2(d)可知,當(dāng)功率因數(shù)為負(fù)時(shí),線路最高電壓出現(xiàn)的位置偏向首端。由圖A2(e)和圖A2(f)可知電流變化與之相反。

3.2 無(wú)功分析和半波長(zhǎng)線路兩側(cè)端口處電壓特性

(15)

半波長(zhǎng)線路接入原有直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后,與直流系統(tǒng)并列運(yùn)行作為兩個(gè)異步電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線,當(dāng)受端負(fù)荷突然增大或減少,受端電網(wǎng)發(fā)電機(jī)不動(dòng)作,直流線路功率不變,則半波長(zhǎng)線路傳輸功率發(fā)生變化;當(dāng)直流線路緊急功率調(diào)制時(shí),送受端電網(wǎng)不能及時(shí)切機(jī)或切負(fù)荷,也會(huì)引起半波長(zhǎng)線路傳輸功率的變化,因此需要分析實(shí)際網(wǎng)對(duì)網(wǎng)場(chǎng)景中,半波長(zhǎng)線路傳輸功率的變化引起的半波長(zhǎng)首末兩端電壓變化。

式(1)中當(dāng)半波長(zhǎng)傳輸自然功率時(shí),由式(1)可得:

(16)

(17)

由式(1)得出末端電壓為:

(18)

(19)

因此,當(dāng)傳輸功率增加或者由于直流功率調(diào)制或者發(fā)生閉鎖時(shí),需要對(duì)半波長(zhǎng)線路進(jìn)行無(wú)功控制,提高半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)端口處無(wú)功功率,盡量減少無(wú)功功率的傳輸。

3.3 無(wú)功控制方案

為提高半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)端口處功率因數(shù),結(jié)合直流線路濾波器投切、送受端無(wú)功補(bǔ)償裝置等,探討了半波長(zhǎng)輸電線路兩側(cè)端口處系統(tǒng)電壓和無(wú)功特性,附錄A圖A3所示為無(wú)功控制流程圖。

(20)

換流母線到半波長(zhǎng)首端的等效傳輸功率為:

(21)

式中:*表示共軛。

交直流系統(tǒng)的無(wú)功控制方案采用的是無(wú)功交換控制原則,無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備采用雙調(diào)諧交流濾波器。通過(guò)無(wú)功控制系統(tǒng)將交直流系統(tǒng)的無(wú)功交換量控制在-30～+30 Mvar,其中,“+”表示交流系統(tǒng)送往直流系統(tǒng)的無(wú)功功率,“-”表示直流系統(tǒng)送往交流系統(tǒng)的無(wú)功功率。當(dāng)交流系統(tǒng)送往直流系統(tǒng)的無(wú)功功率大于30 Mvar時(shí),通過(guò)無(wú)功控制系統(tǒng)投入濾波器;當(dāng)直流系統(tǒng)送往交流系統(tǒng)的無(wú)功功率大于30 Mvar時(shí),通過(guò)無(wú)功控制系統(tǒng)切除濾波器。計(jì)算半波長(zhǎng)送受端的無(wú)功功率,通過(guò)投切送受端無(wú)功補(bǔ)償裝置控制半波長(zhǎng)線路送受端的無(wú)功功率在-10～+10 Mvar范圍內(nèi)。

4 基于半波長(zhǎng)輸電線路電壓分布特性的無(wú)功控制

基于半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型,建立如附錄A圖A4所示的網(wǎng)間單通道單回的半波長(zhǎng)輸電線路連接原有直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。由圖A4可以看出,環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)額定電壓為500 kV,半波長(zhǎng)與送端母線通過(guò)525 kV/1 050 kV的升壓變壓器相連,受端通過(guò)1 050 kV/525 kV的降壓變壓器與母線相連;直流雙極系統(tǒng)的額定功率為6 000 MW。采用PSD-BPA軟件進(jìn)行潮流計(jì)算,半波長(zhǎng)線路采用10分段模型。

4.1 半波長(zhǎng)輸電線路電壓分布特性

1)不同送電功率和無(wú)功控制方案

分析特高壓半波長(zhǎng)與特高壓直流混聯(lián)系統(tǒng)中半波長(zhǎng)線路輸送不同功率時(shí)的沿線電壓的變化情況。當(dāng)線路上僅傳輸有功功率時(shí),即功率因數(shù)恒為1,線路末端電壓總是低于首端電壓,若不對(duì)線路兩端電壓進(jìn)行控制,隨著輸送有功功率的增加,末端電壓比首端電壓下降的幅值也增加。在不控制無(wú)功功率的情況下,當(dāng)傳輸有功功率小于額定有功功率且越來(lái)越小時(shí)和傳輸有功功率大于額定有功功率且越來(lái)越大時(shí),半波長(zhǎng)輸電線路兩側(cè)端口處系統(tǒng)電壓變化較大,線路的功率因數(shù)也在變化,線路曲線也有所偏移,電壓最低點(diǎn)慢慢往中點(diǎn)右側(cè)方向偏移。因此,為提高半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)端口處功率因數(shù),結(jié)合直流線路濾波器投切、送受端無(wú)功補(bǔ)償裝置等,研究半波長(zhǎng)輸電線路兩側(cè)端口處系統(tǒng)電壓和無(wú)功特性,提出如表1所示的半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)的送受端聯(lián)合無(wú)功控制方案[11-12]。

表1 聯(lián)合無(wú)功控制方案Table 1 Combined reactive power control scheme

首先，調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)換流站濾波器,實(shí)現(xiàn)直流線路兩端無(wú)功就地補(bǔ)償,如表1所示,半波長(zhǎng)線路變化的過(guò)程中,換流站濾波器分別保持1 960 Mvar和3 278 Mvar不變;然后調(diào)節(jié)半波長(zhǎng)送受兩端電壓,保證半波長(zhǎng)線路上功率因數(shù)恒為1,由表1可知,隨著半波長(zhǎng)線路輸送功率的增加,送受端電壓無(wú)功補(bǔ)償增加。輸送的功率越小,受端電壓幅值越大,需要補(bǔ)償感性無(wú)功降低電壓幅值;輸送的功率越大,受端電壓幅值越小,需要補(bǔ)償容性無(wú)功提高電壓幅值。

無(wú)功控制后的半波長(zhǎng)線路沿線電壓如圖2(a)所示,圖中S0表示半波長(zhǎng)的自然功率,當(dāng)有功功率小于自然功率時(shí),越接近線路中點(diǎn),電壓越低,且低于兩端電壓,中點(diǎn)位置電壓最低,當(dāng)有功功率大于自然功率時(shí),越接近線路中點(diǎn),電壓越高,且高于兩端電壓,中點(diǎn)位置電壓最高,且最低點(diǎn)和最高點(diǎn)都出現(xiàn)在中點(diǎn)處,保證了線路的功率因數(shù)恒為1。相應(yīng)的半波長(zhǎng)線路沿線電流變化如圖2(b)所示,當(dāng)傳輸功率小于自然功率時(shí),輸電線路兩端電流低于自然功率時(shí)的電流,而中間點(diǎn)電流接近于自然功率時(shí)的電流;當(dāng)傳輸功率等于自然功率時(shí),沿線電流變化趨于一條直線,幅值變化不大;當(dāng)傳輸功率大于自然功率時(shí),沿線電流均高于自然功率時(shí)相應(yīng)的電流,而中間點(diǎn)電流接近于自然功率時(shí)的電流。

圖2 不同送電功率情況下半波長(zhǎng)輸電線路的電壓和電流分布特性Fig.2 Distribution characteristics of voltage and current of half-wavelength transmission line with different transmission power

2)不同負(fù)載功率因數(shù)

輸送不同功率時(shí),功率因數(shù)對(duì)沿線電壓和電流分布的影響如圖3所示,由圖3(a)可知,當(dāng)特高壓半波長(zhǎng)線路末端接容性無(wú)功負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)為負(fù)),功率因數(shù)越大,沿線電壓波動(dòng)越小,電壓最高點(diǎn)向左偏移,電壓最低點(diǎn)向左偏移,中點(diǎn)電壓逐漸降低;當(dāng)特高壓半波長(zhǎng)線路末端接感性無(wú)功負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)為正),功率因數(shù)越大,沿線電壓波動(dòng)越小,電壓最高點(diǎn)向右偏移,電壓最低點(diǎn)向右偏移,中點(diǎn)電壓逐漸降低。由圖3(b)可知,當(dāng)特高壓半波長(zhǎng)線路末端接容性無(wú)功負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)為負(fù)),功率因數(shù)越大,沿線電流波動(dòng)越小,電流最高點(diǎn)向左偏移,電流最低點(diǎn)向左偏移,中點(diǎn)電流逐漸降低;當(dāng)特高壓半波長(zhǎng)線路末端接感性無(wú)功負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)為正),功率因數(shù)越大,沿線電流波動(dòng)越小,電流最高點(diǎn)向右偏移,電流最低點(diǎn)向右偏移,中點(diǎn)電流逐漸降低。

圖3 不同負(fù)載功率因數(shù)下半波長(zhǎng)輸電線路的電壓和電流分布特性Fig.3 Distribution characteristics of voltage and current of half-wavelength transmission line with different power factors

4.2 直流功率變化對(duì)半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)潮流電壓的影響和無(wú)功控制方案

為提高當(dāng)直流功率變化時(shí)半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)端口處功率因數(shù),結(jié)合直流線路濾波器投切、送受端無(wú)功補(bǔ)償裝置等,研究半波長(zhǎng)輸電線路兩側(cè)端口處系統(tǒng)電壓和無(wú)功特性,提出如表2所示的半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)的送受端聯(lián)合無(wú)功控制方案。由于當(dāng)直流輸電電壓為±800 kV時(shí),輸送容量變化范圍為4 800～8 000 MW,本文直流功率的變化如表2所示,由4 800 MW逐漸增加到7 200 MW。隨著直流功率的增加,換流站濾波器的無(wú)功補(bǔ)償逐漸增加,以實(shí)現(xiàn)換流站無(wú)功功率的就地補(bǔ)償。然后調(diào)節(jié)半波長(zhǎng)送受兩端電壓,保證半波長(zhǎng)線路上功率因數(shù)恒為1,由表2可知,隨著直流功率的增加,半波長(zhǎng)線路輸送功率逐漸減少,造成受端電壓幅值增加,因此需要補(bǔ)償感性無(wú)功降低電壓幅值。

無(wú)功控制后的半波長(zhǎng)線路沿線電壓如圖4(a)所示,當(dāng)直流功率為6 000 MW時(shí),半波長(zhǎng)傳輸?shù)墓β蕿樽匀还β?當(dāng)直流功率小于6 000 MW時(shí),越接近半波長(zhǎng)線路中點(diǎn),電壓越高,且高于兩端電壓,中點(diǎn)位置電壓最高;當(dāng)直流功率大于6 000 MW時(shí),越接近半波長(zhǎng)線路中點(diǎn),電壓越低,且低于兩端電壓,中點(diǎn)位置電壓最低,且最低點(diǎn)和最高點(diǎn)都出現(xiàn)在1 500 km處,保證了線路的功率因數(shù)恒為1。相應(yīng)地,不同直流功率時(shí)半波長(zhǎng)線路沿線電流變化如圖4(b)所示,當(dāng)直流功率小于6 000 MW時(shí),沿線電流均高于自然功率時(shí)相應(yīng)的電流,而中間點(diǎn)電流接近于自然功率時(shí)的電流;當(dāng)直流功率大于6 000 MW時(shí),輸電線路兩端電流低于自然功率時(shí)的電流,而中間點(diǎn)電流接近于自然功率時(shí)的電流。

表2 直流功率變化時(shí)的聯(lián)合無(wú)功控制方案Table 2 Combined reactive power control scheme when direct current power changes

圖4 不同直流功率下半波長(zhǎng)輸電線路的電壓和電流分布特性Fig.4 Distribution characteristics of voltage and current of half-wavelength transmission line with different direct current power

5 結(jié)論

1)半波長(zhǎng)輸電線路連接原有直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),不同送電功率變化時(shí),不同輸電線路的電壓和電流變化與點(diǎn)對(duì)網(wǎng)系統(tǒng)中半波長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)特性相同,提出的送受端聯(lián)合無(wú)功控制方案能夠保證半波長(zhǎng)輸電線路在網(wǎng)對(duì)網(wǎng)直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中保持線路上功率因數(shù)恒為1。

2)當(dāng)特高壓半波長(zhǎng)線路末端接容性無(wú)功負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)為負(fù)),沿線電壓為類正弦曲線,且功率因數(shù)越小,沿線電壓波動(dòng)越大,電壓的極大值點(diǎn)越靠近中點(diǎn),極小值點(diǎn)越遠(yuǎn)離中點(diǎn);當(dāng)特高壓半波長(zhǎng)線路末端接感性無(wú)功負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)為正),沿線電壓為類負(fù)正弦曲線,且功率因數(shù)越小,沿線電壓波動(dòng)越大,電壓的極大值點(diǎn)越靠近中點(diǎn),極小值點(diǎn)越遠(yuǎn)離中點(diǎn)。

3)當(dāng)直流運(yùn)行功率減小時(shí),半波長(zhǎng)輸電線路輸送功率增加,當(dāng)直流運(yùn)行功率增大時(shí),半波長(zhǎng)輸電線路輸送功率減小,即直流線路功率的變化量都從半波長(zhǎng)線路輸送,從而使半波長(zhǎng)線路的電壓和電流分布特性發(fā)生變化,為提高半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)端口處功率因數(shù),結(jié)合直流線路濾波器投切、送受端無(wú)功補(bǔ)償裝置等,研究半波長(zhǎng)輸電線路兩側(cè)端口處系統(tǒng)電壓和無(wú)功特性,提出的半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)的送受端聯(lián)合無(wú)功控制方案保持線路上功率因數(shù)恒為1,使得低電壓和過(guò)電壓出現(xiàn)在1 500 km處,能夠更好地控制半波長(zhǎng)線路的過(guò)電壓現(xiàn)象。

本文研究的應(yīng)用場(chǎng)景網(wǎng)間單通道單回,后續(xù)可以繼續(xù)研究網(wǎng)間單通道多回、網(wǎng)間多通道(不同起落點(diǎn))、近直流起落點(diǎn)等場(chǎng)景的穩(wěn)態(tài)特性;可在穩(wěn)態(tài)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究半波長(zhǎng)輸電線路連接原有異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定,交直流相互影響問(wèn)題。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Voltage and Reactive Power Control of Ultra-high Voltage Half-wavelength and DC Hybrid System Based on Steady State Characteristics

ZHAOQianyu1,WANGShouxiang1,QINXiaohui2,ZHANGYantao2,JIANGYilang2

(1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education (Tianjin University),Tianjin 300072,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China)

An ultra-high voltage (UHV) half-wavelength alternating current (AC) power transmission line connected to the original direct current (DC) asynchronous networking system is built based on the quasi-steady model of UHV half-wavelength.A combined reactive power control scheme is proposed for half-wavelength transmission system with different power supply of half-wavelength and DC power by means of the DC link filter and the power supply terminal reactive power compensation device.In order to improve the power factor at the end of the half-wavelength transmission system,which is based on the voltage and reactive power characteristics of the half-wavelength transmission line on both sides of the half-wavelength transmission line.The steady-state operation characteristics of the system including voltage and current distribution characteristics of the half-wavelength transmission line under different power supply and load power factors are analyzed,as is the influence of the variation of DC operating power on the voltage of the half-wavelength transmission system.

This work is supported by State Grid Corporation of China (No.XTB17201600100-01).

half-wavelength transmission line;ultra-high voltage direct current;reactive power control;steady-state characteristics

2017-02-06;

2017-06-11。

上網(wǎng)日期:2017-08-08。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(XTB17201600100-01)。

趙倩宇(1990—),女,博士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。E-mail： zhaoqianyu515@126.com

王守相(1973—),男,通信作者,博士,教授,主要研究方向:分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電系統(tǒng)。E-mail:sxwang@tju.edu.cn

秦曉輝(1979—),男,博士,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)規(guī)劃與仿真、控制與保護(hù)、廣域測(cè)量系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用。E-mail:qinxh@epri.sgcc.com.cn

(編輯萬(wàn)志超)

( continuedonpage47)( continuedfrompage32)