特高压交流输电系统无功补偿策略分析

李静雅

（三峡大学，湖北 宜昌 443002）

1 特高压无功功率及电压特性

高电压、远距离的特高压交流输电线路，必须对线路的分布参数特性进行考虑。特高压输电线路通常采用8～10分裂导线，导线的直径通常在1 100 mm左右，单位长度的电阻减少很多，远远小于单位长度的电抗，大约为单位长度电抗的2%左右，同时特高压电压等级较高，输电电流相对较小［1］。因此在对特高压无功电压进行分析时，可以假设其属于无损线路。特高压长线路的等值电路如图1所示。

图1 特高压长线路等值电路示意图

根据图1所示，可以利用下面的公式描述特高压输电线路沿线电压及电流的无损长线路：

以受端电压＝UR∠0°以及自然功率Sn＝／Zc为基础取标幺值，如果受端传输功率为SR＊＝PR＊＋jQR＊，则公式（1）的标幺值可以采用下面的公式进行表示：

如图1所示，长度为l的线路所产生的充电无功采用b0的充电功率积分形式来表示，标幺值如下：

结合公式（2）中的电压方程，可以用下面的公式表示长线路充电功率：

与充电功率分析类似，长度为l的线路的无功损耗采用x0的积分形式来表示，标幺值如下：

结合公式（2）中的电压方程，可以用下面的公式表示长线路无功损耗：

2 特高压无功补偿方法

在现代大型电力系统中，特高压输电网的线路分布电容能产生大量的无功功率，从系统运行考虑，需要装设并联电抗器予以吸收，根据我国有关技术导则，高压电网应按无功分层就地平衡的基本要求配置高、低压并联电抗器［2］。

线路在不同的传输功率下，所注入变电站无功的数学表达式为：

变电站两端采取送受端恒电压控制所能传输的功率极限要大，既能提高线路的传输能力，又可抑制工频过电压，因此保持特高压变电站为给定的数值应作为变电站无功控制的目标，由此提出特高压变电站无功补偿量的计算方法，导出相应的算式：

上式可以用于规划设计与运行调度，规划设计时，按输电线的最大传输功率与最小传输功率规划值，以保持额定电压为控制目标，计算无功补偿器的安装容量；运行时，按调度给定的有功负荷和电压曲线，计算各个时段无功补偿器的投入容量、自然功率的计算电压与给定电压相同。

3 特高压电网无功补偿设计

本文以某特高压试验示范工程为例，该工程中包括变电站A、B、C，其中变电站A与变电站B之间的线路长度为363 km，变电站B与C之间的线路长度为291 km。设计拟采用的高抗配置如下：变电站A侧的高抗配置容量为96万kVar；变电站B两侧高抗配置容量均为72万kVar；变电站C侧的高抗配置容量为60万kVar。设计拟采用的抵押无功补偿配置方案具体为：变电站A和C配置低压无功补偿装置，低压电容器的单组容量为24万kVar，低压电抗器单组容量为24万kVar。两站各配置3组低压电容和2组低压电抗。

3.1 低压无功需求分析

（1）低压并联电电容器

低压电容器补偿容量的计算公式如下［3］：

式中，QC表示低压电容器的补偿容量；QLT表示变压器的无功功率损耗；QL表示输电线路串抗的无功功率损耗；QB表示输电线路电容的充电功率；QG表示线路首末端高抗的配置容量。

在变电站A中，吸收无功的元件包括：变压器无功损耗、A站－B站线路无功损耗、A站与B站的高抗（960＋720）MVar，发出无功的元件包括：A站－B站线路充电功率、低容，两者相互平衡之后求出低容需补偿容量。

代入主变励磁电抗等参数计算可知，系统输送2 400 MW容量时，变电站A低容需补偿的无功功率约为560 MVar，变电站C侧低容需补偿的无功功率约520 MVar。

（2）低压并联电抗器

低压并联电抗器补偿目的：《电力系统安全稳定导则》（DL755－2001）第2.3.2条，“电网的无功补偿应以分层分区和就地平衡为原则，并应随负荷（或电压）的变化进行调整，避免经长距离线路或多级变压器传送无功功率，330 kV及以上电压等级线路的充电功率应予以补偿。”

根据稳定导则要求，变电站A、B、C低压并联电抗器的配置主要考虑补偿变电站周围的1 000 kV和500 kV线路的剩余充电功率。

低抗与低容不同时运行，低容运行时输送功率较大，低抗投运时，线路处于空载状态，计算时不计主变及线路的无功损耗。

低压电抗器补偿容量的计算公式［4］：

代入参数进行计算，本期变电站A抵抗需补偿的剩余充电功率约为239 MVar，变电站C抵抗需补偿的剩余充电功率约为233 MVar。

综合上述计算结果，变电站A和C特高压本期的低压侧无功配置如表1所示。

表1 本期特高压站低压无功设备配置结果（单位：MVar）

从表1可以看出，特高压输送2 400 MW功率时，变电站A需补偿无功560 MVar，变电站C需补偿无功520 MVar，本期配置的低压电容器容量4×210 MVar可以满足运行需求，并且还存在一定的裕度；特高压输送2 800 MW功率时，变电站A需补偿无功849 MVar，变电站C需补偿无功773 MVar，本期配置的低压电容器容量4×210 MVar可以满足运行需求，但是需要全部投入运行。

3.2 110 kV无功装置系统参数确定

（1）低压电容器组

低容的参数主要包括最高运行电压和额定电压两部分。最高运行电压是电容器能够连续运行而不超过规定温升的最高电压，它决定着制造方面的材料消耗。主变低压侧系统额定电压为110 kV，最高工作电压为126 kV。多组低容投运后母线较易达到126 kV，所以低容最高运行电压取126 kV。

低压侧电压波动是额定电压的主要限制因素.从容量限制、电压波动限制、过电压限制等条件选择可知，低压电容器组额定电压取126 kV。

（2）低压电抗器组

参照行业标准DL5014－1992中“低压并联电抗器的最高运行电压宜为主变压器三次额定电压的1.0－1.05倍 ”的 规 定，根 据 行 业 标 准 SD325－1989 中“500 kV母线正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统额定电压的＋110%”的规定，由主变压器额定变比（1050／525／110 kV）可知，在变压器空载情况下，如中压侧电压达到5 500 kV，三次侧最高运行电压将达到115.5 kV，所以低抗最高运行电压取115 kV。

从容量限制、电压波动限制、投1～2组低抗后母线的额定电压等条件选择可知，低抗额定电压取105 kV，具体如表2所示。

表2 110 kV无功补偿装置系统参数

4 结 论

特高压输电线路由于电容效应会产生较大的充电功率，同时过长的输电线路也会对无功补偿的效果产生较大的影响。目前特高压输电系统采用的无功平衡方法难以完全保证特高压的无功平衡，需要通过合理的低容或者低抗投切和电压控制策略来提高无功补偿效果。本文建立了特高压传输线路的数学模型，以控制线路电压不越限作为无功补偿的基本原则，确定了变电站控制方式和补偿容量，通过实例分析，确定了该方法具有较好可行性和实用性。

［1］ 林 莉，成 涛，孙才新.特高压输电线的运行特性与变电站的无功补偿［J］.高电压技术，2009，（07）：1533－1539.

［2］ 成 涛，林 莉，牟道槐，孙才新.交流特高压输电线的传输特性与无功补偿［J］.重庆大学学报，2010，（01）：83－87.

［3］ 沙建华，汪 毅.超／特高压交流输电中线路无功补偿的新方法［J］.科技创新导报，2012，（30）：42－43.

［4］ 周沛洪.特高压输电系统过电压、潜供电流和无功补偿［J］.高电压技术，2005，31（11）：21－25.