用于特/超高压电网电压控制的分级投切式可控高抗控制策略

张琳，叶丹丹，胡叶舟，肖驰夫

（1.华北电力大学，北京102206；2.温州电力局，浙江温州325000；3.浙江省电力试验研究院，浙江杭州310000）

随着电力系统规模的不断扩大，电压等级不断增加[1]。发展特/超高压、建设坚强电网是电力事业发展的一个重要课题[2]。与现有电网相比，特/超高压电网将实现更远距离、更大容量、更低损耗的电力输送[3]。特/超高压电网既能促进跨地区、跨流域水火互补，实现资源在更大范围内的优化配置，又能引导电力的合理布局与集约化发展，实现电源和电网的协调发展，为电力系统安全、稳定和可靠运行，以及提供优质的电力服务打下坚实的基础。

1 特/超高压电网的电压特点

1.1 工程概况

本文结合国内某规划建设的750 kV输变电工程，拟新建300 km的750 kV送电线路，采用同塔双回紧凑型输电技术。由于线路充电功率大，加之送端电源主要为大容量风电厂，功率波动频繁，无功平衡和电压控制问题亟待解决。经相关专题[4-5]研究后认为，本工程需在其中一条母线上装设1组210 MV·A的750 kV分级投切式可控高抗，图1为经等值以后的输电线路集中参数模型，其中Rl+jXl是线路阻抗；B/2是线路充电电容；XG是并联高抗。PS+jQS、PR+jQR分别是送端和受端有功功率和无功功率，US、UR分别是送端和受端的电压。

图1 输电线路等值模型Fig.1 Equivalent model of transmission line

1.2 特/超高压电网的电压特点

与普通线路不同，特/超高压输电导线的等效直径增大、相对相以及相对地之间的分布电容增大，容易出现较大的过电压[6-7]。过电压是指电源电压超过其额定值时的电压，特/超高压输电线过电压可分为外部过电压和内部过电压。外部过电压是指由于大气环境中的雷云放电而引起的电力系统电压升高，所以也称大气过电压或雷电过电压。内部过电压是指电力系统中由于断路器操作、故障或其他原因使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量的转化或传递而造成的电压升高。对于包含特/超高压电网的输电网而言，系统的电压稳定性对于系统的安全稳定运行非常重要，而无功的分布与电压有着密不可分的联系[8-9]。

特/超高压输电系统中，线路电压降可表示为：

特/超高压系统中，输电线路X/R达到了35[10]，忽略线路电阻时，有

可见，电压损耗与输送无功功率成正比，与电压等级成反比。因此，减少线路无功传输，有利于输电系统电压调节，提高受端电压水平，提高输电系统的电压稳定性。

但是，特/超高压输电线路采用分裂导线，单位长度分布电容很大，加之线路长，导致输电线路容性充电功率非常大[8]，利用高抗可以降低输电系统与外部系统的无功功率交换。此时，若按限制过电压的要求来配置特高压固定电抗器，就会产生小方式运行电压偏高，或大方式运行电压偏低的情况。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，但是受变压器容量的限制，重载时低压补偿可能无法满足要求[9]。配置固定高抗很难达到线路轻载时，高抗容量大；线路重载时，高抗容量小；线路开断瞬间，快速达到最大值的要求。目前，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。如果使用可控高抗就能快速反应，获得较好的效果。

可控高抗分为磁阀式和高阻抗变压器式2种类型。磁阀式可控高抗通过调节直流励磁的大小来调节电抗器的输出容量，实现连续无功功率控制。高阻抗变压器式可控高抗将变压器和电抗器设计为一体，变压器的阻抗设计为100%，在变压器低压侧接入晶闸管，实现感性无功功率的连续或分级控制。本文结合的750 kV输变电工程，需要配置的分级投切式可控高抗属于高阻抗变压器式。

2 分级投切式可控高抗的结构和工作原理

本工程中决定采用的分级投切式可控高抗，其电路原理如图2所示[10]。分级投切式可控高抗的容量分为4级，在变压器副边绕组串联接入3组电抗器，并引出3组抽头，通过晶闸管和断路器接入0~3组电抗器，可改变其与原边绕组的并联电感值，进而分级调节高抗整体容量，实现对感性无功功率的控制。

图2 分级投切式可控高抗原理图Fig.2 Principle of stepped controllable shunt reactor

图2 中，Sa1~Sa3，Sb1~Sb3，Sc1~Sc3为晶闸管复合开关；Xk1~Xk3为电抗器。

式中，Qdx为可控高抗单相容量，MV·A；Qpu为可控高抗总容量，MV·A；Qunit为可控高抗单相每级容量，MV·A。容量为210 MV·A的4级投切式可控高抗控制情况如表1所示。

3 分级投切式可控高抗控制策略

3.1 原理分析

计算图1所示系统的电压降落时，可略去其横分量，则设置补偿设备前，

表1 210 MV·A分4级投切式可控高抗容量控制情况Tab.1 Control situation of stepped controllable shunt reactor(210 MV·A and 4 steps)

设置补偿设备后，设送端电压变为，则

UR保持不变，忽略特高压输电线路电阻时，得

可见，参考电压、实际电压与应该补偿的无功功率密切相关。

Bang-Bang控制，也叫滞环控制或者开关控制，它的控制函数总是取在容许控制的边界上，或者取最大，或者取最小，仅仅在这2个边界值上进行切换，从而构成一种控制作用，其作用相当于一种继电器。对电压实现Bang-Bang控制，实际上是将输出电压维持在以参考电压为中心的滞环宽度内。对分级投切式可控高抗实行Bang-Bang控制，先设置一个参考电压Ujc，

即滞环带为

其中，M为滞环宽度。

当实际电压 Uj＞M时，结合式（7），用分级投切式可控高抗进行无功补偿。

3.2 分级投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略

本工程中，拟新建的输电线路电压等级为750kV，工程要求750 kV输电线路的运行电压一般控制在750~792 kV，最高不超过800 kV。采用Bang-Bang控制策略实现分级投切式可控高抗对线路电压的调节，选取滞环宽度为770 kV≤Uref≤780 kV，即电压高于780 kV时，投入一级可控高抗容量，电压低于770 kV时，退出一级可控高抗容量。可控高抗安装于变电站750 kV侧母线上，以该母线电压为输入量，根据设定的目标电压上下限对可控高抗容量进行调节，达到将输电线路电压控制在稳定范围内的目的。图3为分级投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略。

图3 分级投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略Fig.3 Bang-Bang control method for stepped controllable shunt reactor

1）如Rn未达到上下限，设Qn-1为已投切的可控高抗容量，ΔQ为本次判断该投切的可控高抗容量，Qn为已投切的可控高抗容量与本次该投切的可控高抗容量之和，投切策略如下：

若电压U在滞环宽度内，即700 kV＜U＜780 kV时，可控高抗不动作，R=0，Rn=Rn-1，Qn=Qn-1；

若电压越过上限，即U≥780 kV时，投一级，R=1，Rn=R-1+R，Qn=Qn-1+ΔQ；

若电压越过下限，即U≤770 kV时，切一级，R=-1，Rn=Rn-1+R，Qn=Qn-1+ΔQ。

2）如果Rn已达到上下限，当Rn=Rn-1+R≥Rmax时，Rn=Rmax；当Rn=Rn-1+R≤Rmin时，Rn=Rmin。式中，Rmax、Rmin分别为分级式可控高抗的最大可投/切级数。

4 仿真分析

本文结合的750 kV输变电工程中，送端电源主要为风电，由于风电具有随机性和间歇性，风机在向电网提供有功的同时，也要从电网吸收无功，加上750 kV输电线路充电电容很大，必须配置相应的无功补偿装置，补偿风机出力引起的无功损耗及750 kV输电线路的无功功率，保证无功就地平衡。若采用低压无功补偿装置，需经过变压器与750 kV线路相连，削弱无功补偿效果；若采用固定高抗，可能造成小功率方式下电压过高、大功率方式下电压过低；与固定高抗相比，采用分级投切式可控高抗后，系统变电站可根据线路潮流及系统电压水平的变化自动分级调节可控高抗的投切容量，智能调节线路的电压。下面以2个算例来分析分级投切式可控高抗优化调节特/超高压线路电压的作用。

1）算例分析一：模拟可控高抗逐级退出。假设初始上网功率为1 500 MW，母线初始电压为775.7 kV，4级投切、3级可控的可控高抗全部投入，此时系统处于稳定状态。输送功率从1 500 MW上升到3 000 MW时，可控高抗动作情况如图4所示，可控高抗动作与可控高抗未动作时母线电压的波动情况如图5所示。输电功率超过1 912 MW时，可控高抗满足判断依据开始动作，退出一级可控高抗，最后一级动作时，输送功率为2 675 MW。

图4 输送功率上升时可控高抗动作情况Fig.4 Switch of stepped controllable shunt reactor when transmission power increase

图5 输送功率上升时母线电压的波动情况Fig.5 The bus voltage fluctuation when transmission power increase

由图5可知，若可控高抗未动作，随着输送功率的增加，线路消耗的容性无功功率也会增加，系统无功功率不平衡，母线电压急速下降，甚至越限；可控高抗动作可使系统的无功就地平衡，母线电压有效控制在750~792 kV，达到智能调节的目的，适应智能电网的要求。

2）算例分析二：模拟可控高抗逐级投入。假设初始上网功率为1 500 MW，母线初始电压为775.7 kV，4级投切、3级可调的可控高抗级全部退出，此时系统处于一个稳定状态。输送功率从1 500 MW下降到900 MW时，可控高抗动作情况如图6所示，可控高抗动作与可控高抗未动作时母线电压的波动情况如图7所示。输送功率下降到1 372 MW时，可控高抗满足判断依据开始动作，投入一级可控高抗，最后一级动作时，输送功率为1 076 MW。

图6 输送功率下降时可控高抗动作情况Fig.6 Switch of stepped controllable shunt reactor when transmission power decrease

图7 输送功率下降时母线电压的波动情况Fig.7 The bus voltage fluctuation when transmission power decrease

由图7可知，若可控高抗未动作，随着输送功率下降，线路消耗的容性无功功率也随之减少，系统无功功率不平衡，母线电压上升，甚至越限，不满足要求；投入可控高抗可改变电气距离，抵消系统的部分容性无功，使系统的无功就地平衡，母线电压有效控制在750~792 kV。

运用可控高抗可以提高系统运行的经济性，上网功率较大时，输电线路重载运行，容性无功损耗增加，系统容性无功功率减小，可控高抗根据线路的电压水平自动调节容量至较小值，保持良好的电压水平并降低网损；上网功率较小时，输电线路轻载运行，系统无功损耗减小，线路电压上升，可控高抗根据线路的电压水平自动调节容量至较大值，提供更多的感性无功功率，以满足系统安全稳定运行的要求。

5 结论

本文结合国内某规划建设的750 kV输变电工程，分析了特/超高压电网输电线路的无功特点和电压波动情况，提出了分级投切式可控高抗的Bang-Bang控制策略，运用分级投切式可控高抗可以智能补偿输电线路的无功功率，并有效控制其电压，保持良好的电压水平和降低网损，提高系统运行的经济性。

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