超特高壓輸電線路中串聯(lián)電容補償對可控并聯(lián)電抗器補償度的影響

超特高壓輸電線路中串聯(lián)電容補償對可控并聯(lián)電抗器補償度的影響

0提高電力輸送能力在高壓下，超級高壓電網具有遠距離、低容量、低損失能力的能源輸送能力。但特高壓輸電線路每100km線路長度下的充電無功功率可超過530MVA,在相同線路長度下約為500kV線路的4~6倍,充電無功功率過高會引起高幅值的工頻過電壓。通常采用可控并聯(lián)電抗器進行無功補償,對線路的分布電壓進行有效控制,抑制高幅值的工頻過電壓。同時,考慮到超/特高壓輸電線路輸電容量受線路電抗限制,利用串聯(lián)電容補償可以大幅度提高線路的輸電容量,達到線路自然功率的150%~200%。因此電力系統(tǒng)同時采用并聯(lián)電抗補償與串聯(lián)電容補償,可以在確保沿線電壓分布可控的前提下,最大限度地提高電力輸送能力。超/特高壓輸電線路可同時采用并聯(lián)電抗補償與串聯(lián)電容補償,并聯(lián)電抗與串聯(lián)電容的協(xié)同補償機理研究主要集中在負載影響、靈敏度分析、無功控制策略、補償性能指標、串并補的線路結構等問題?？煽夭⒙?lián)電抗器補償度分析是其無功補償機理研究的重要內容。文獻[16-17]主要針對可控并聯(lián)電抗器的補償度及調節(jié)范圍;文獻研究了計及線路電阻與電導并精確考慮分布參數(shù)條件下感性與容性負載時的并聯(lián)電抗補償度特點;文獻[19-20]提出了從潛供電流限制與空載線路電壓控制角度確定可控并聯(lián)電抗器補償度下限以及從避免產生諧振過電壓角度確定高抗補償度上限的方法;文獻分析了當兩電氣強度不等時,長距離輸電線路中的可控并聯(lián)電抗器最優(yōu)安裝位置應偏離中點。以上針對可控并聯(lián)電抗器補償度的研究均未涉及串聯(lián)電容補償?shù)囊蛩?考慮串聯(lián)電容補償?shù)臈l件時,可控并聯(lián)電抗器補償度需要進一步的研究。本文以超/特高壓輸電線路π型等效電路為基礎,分析了均勻分布的串并聯(lián)補償以及輸電線路電壓分布及功率傳輸?shù)奶攸c,進一步研究串聯(lián)電容補償條件下分段補償?shù)目煽夭⒙?lián)電抗器補償度,提出修正后的考慮串聯(lián)電容補償因素的可控并聯(lián)電抗器補償度的數(shù)學表達式,同時分析了串聯(lián)電容補償度對可控并聯(lián)電抗器布置間距的影響。1分布均勻的鏈補償分析1.1可控串聯(lián)測試線路的波阻抗超/特高壓輸電線路的阻抗、導納是沿線路長度均勻分布的。為了系統(tǒng)分析與計算的需要,取出輸電線路中的1個單位部分,忽略線路電阻與電導,在線路兩側布置可控并聯(lián)電抗器,建立超/特高壓輸電線路π型等效電路,如圖1所示。線路等效感抗XL=Z0sinλ,線路對地等效容抗,Ibc為可控并聯(lián)電抗器的感抗Xb與線路對地等效容抗XC并聯(lián)支路的電流相量(其模值為Ibc),I為線路等效感抗XL支路的電流相量(其模值為I),I1、I2分別為線路首端、末端的相電流相量(其模值分別為I1、I2),U1、U2分別為線路首端、末端的相電壓相量(其模值分別為U1、U2),l為兩端電抗器之間的輸電線路長度。可控并聯(lián)電抗器的感性無功功率,線路的容性無功功率,線路傳輸?shù)淖匀还β?線路的波阻抗,傳播常數(shù),其中L和C分別為單位長度線路的正序電感和電容,ω為角頻率,γ為單位長度線路的傳播常數(shù)。表1為部分超/特高壓輸電線路的波阻抗Z0與單位長度線路的傳播常數(shù)γ。本文以我國長治—南陽—荊門1000kV特高壓輸電線路為例,其主要參數(shù)分別為:單位長度線路的正序阻抗Z=(0.0076+j0.2628)Ω/km,單位長度線路的正序電容C=0.014μF/km。根據(jù)上述的定義式,分別計算出該線路的波阻抗Z0≈244.5?,單位長度線路的傳播常數(shù)γ≈0.06(°)/km。1.2補償后線路對地等效電容的容積串聯(lián)與并聯(lián)無功補償裝置通常布置在輸電線路的兩端或者沿線的不同地點。但從理論分析的角度,考慮均勻分布補償這種較為理想的狀態(tài),建立若干與補償裝置及方式無關的基本關系,有助于進行系統(tǒng)分析與研究。無補償線路的波阻抗可以寫成以下形式式中BC為線路對地等效電容的容納。引入均勻分布的串聯(lián)補償電容Cse,設其補償容抗為Xcse,則補償后線路的感抗為式中為串聯(lián)電容補償度。再引入均勻分布的并聯(lián)補償電抗,設其補償感納為Bsh,則補償后線路對地等效電容的容納為式中為并聯(lián)電抗補償度。將式(2)與式(3)代入式(1),可以得到串并聯(lián)補償后的線路波阻抗以上Kse、Ksh的變化分別通過可控電容補償與可控電抗補償系統(tǒng)得以實現(xiàn)。同理可以分別計算得到串并聯(lián)補償線路的傳播常數(shù)、自然功率:2兩端電壓相量及電壓分布輸電線路無損條件下,描述輸電線路基本特性的長線方程為:式中:U1、U2分別為線路首端、末端的相電壓相量;I2為線路末端的相電流相量;P、Q分別為線路傳輸?shù)挠泄β省o功功率。將式(7)代入式(8),可以得到若取U2為參考軸,δ為首端電壓U1超前于末端電壓U2的角度,即δ為輸電線路的功率角,則可以得到令式(9)、式(10)的實部與虛部相等,則進一步可以推出式(11)給出了線路傳輸?shù)挠泄β逝c電壓、線路長度及功率角的函數(shù)關系。在兩端并聯(lián)電抗補償?shù)臈l件下,兩端電壓相量為U1、U2時,兩端之間電壓相量Ux(其模值為Ux)的分布為式中:U2=U1e-jδ;x為線路首端、末端之間中任意點到首端的距離。取線路首端、末端之間距離l=1000km(λ=60°),U1=U2,功率角δ=0o、30o、45o、60o、75o、90o時,可以得到線路電壓分布的數(shù)值模擬曲線,如圖2所示。當δ在0~60°范圍內變化,即線路傳輸有功功率P在0到自然功率P0之間變化時,電壓的分布曲線向上凸起,線路中點電壓最高。當U1=U2時,由式(12)可以計算得到x=l/2時的線路中點電壓當傳輸有功功率P小于自然功率P0時,即當δ<λ時,有,則可得Ul/2>U1。當傳輸有功功率P=0時,即δ=0時,中點電壓升高最為嚴重,則可得此時需要根據(jù)線路允許的最大電壓升高限制,考慮電壓控制手段,來控制中點電壓不超過線路限制值。3單元配置互聯(lián)連接電阻器補償3.1可控串聯(lián)電抗器輸出容量無排放量運行模型首先分析線路中不安裝串聯(lián)電容補償時可控并聯(lián)電抗器的補償度?？煽夭⒙?lián)電抗器安裝在線路的兩端和線路若干中間點,即進行分段補償。在某個補償度時,根據(jù)圖1電路分析可得將代入式(15)推導可得進一步可以得到針對不同線路長度及傳輸有功功率,通過控制可控并聯(lián)電抗器的輸出容量變化,調節(jié)Ksh,使得線路電壓保持在穩(wěn)定的范圍。如果保持電壓穩(wěn)定(U1=U2),就可以在線路長度分別為500km(λ=30°)、1000km(λ=60°)、1500km(λ=90°)時,根據(jù)式(16)計算模擬出不同傳輸有功功率與自然功率比(P/P0)時所需可控并聯(lián)電抗器補償度的變化曲線,如圖3所示。根據(jù)式(14),如果線路允許最大電壓升高小于5%,就可以計算出λ=36°,即l=600km。因此,在l約600km的輸電線路兩端布置可控并聯(lián)電抗器,容量等于300km線路的容性無功功率,按照式(16)對電抗器進行調節(jié),可以滿足傳輸有功功率小于自然功率時的線路電壓控制要求。3.2串聯(lián)電容補償條件下ksh與kse的關系串聯(lián)補償電容的布置地點對輸電線路的影響較小,而可控并聯(lián)電抗器的容量和布置地點則影響較大。因此,可以忽略串聯(lián)電容補償?shù)奈恢媒Y構問題,將它考慮為均勻分布。此時在串聯(lián)電容補償條件下,線路的傳播常數(shù)與自然功率都將發(fā)生變化,可控并聯(lián)電抗器的補償度也將變化,根據(jù)式(4)、式(5)與式(16)可以得到修正后的可控并聯(lián)電抗器補償度假設首端、末端電壓保持不變,則可以得到l=500km時串聯(lián)電容補償條件下不同補償度Kse=0、0.2、0.4、0.6、0.8時可控并聯(lián)電抗器補償度Ksh和傳輸有功功率與自然功率比P/P0的關系曲線,如圖4所示。與圖3相比,在串聯(lián)電容補償條件下隨著傳輸有功功率的不斷增加,所需的可控并聯(lián)電抗器補償度Ksh減小的趨勢不變。但是隨著串聯(lián)電容補償度的增加,線路的傳輸有功功率隨之增加,可控并聯(lián)電抗器補償度的傳輸有功功率調節(jié)范圍不再是小于自然功率范圍之內。表明線路增設串聯(lián)電容補償,使得可控并聯(lián)電抗器補償范圍進一步擴大。圖5是假設保持電壓穩(wěn)定(U1=U2),l=500km時串聯(lián)電容補償條件下并聯(lián)補償度的變化曲線。圖5中曲線分別表示傳輸有功功率與自然功率比P/P0=50%、75%、100%、125%、150%時并聯(lián)補償度的變化。實際中由于線路存在諧振問題,所以Ksh、Kse都不宜選擇過大,一般小于0.8。由圖5可以看到,對于給定的Kse,隨著傳輸有功功率的減少,所需的Ksh要相應增加,才能達到線路電壓控制的目的。曲線上每個點代表線路上Ksh與Kse協(xié)調控制的一個運行狀態(tài)。例如P/P0=100%的線路運行狀態(tài)下,當施加Kse=0.2的串聯(lián)電容補償時,仍需Ksh=0.2的可控并聯(lián)電抗器補償度才能達到U1=U2的控制目標。線路增加串聯(lián)電容補償后,可控并聯(lián)電抗器在線路上的布置間距需要調整。將式(5)(Ksh=0)代入式(14),可以得到兩端并聯(lián)補償后的中點電壓同樣假定最大允許電壓升高為5%。當Kse=0.2時,λ≈40o,則l≈670km;當Kse=0.4時,λ≈46o,則l≈770km;當Kse=0.6時,λ≈56o,則l≈930km。這說明隨著串聯(lián)電容補償度的增加,線路中需要分段布置的可控并聯(lián)電抗器的間距同時增加,也可滿足電壓控制的要求。4可控串聯(lián)電抗器補償度修正1)以分析均勻分布的串并聯(lián)補償特點以及輸電線路電壓分布及功率傳輸為基礎,研究了串聯(lián)電容補償條件下分