特高压交流系统运行控制概述与展望

王金明　白迪

摘 要：随着特高压输电线路工程建设及投运，特高压电网已成为现代电网的重要组成部分，并对电网的安全稳定运行带来挑战。本文概述了特高压交流系统运行控制关键技术，在特高压交流系统功率控制、特高压交流系统稳定性与控制等方面，对特高压电网输电能力、无功功率优化与控制、稳定性与控制、特高压交流系统保护与控制进行了分析总结，提出了需要进一步研究和解决的技术问题，为后续特高压电网规划、调度、运行和控制提供参考。

关键词：输电能力；无功功率优化；稳定性与控制；保护与控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.139

0 引言

特高压交流输电具有输送容量大、距离远、损耗低、占地省等显著优势，随着大容量输电需求的增加，发电技术和输电技术日新月异，作为资源节约型和环境友好型的先进输电技术，发展特高压也成为电力工业发展的必由之路。世界上很多国家的电网公司都进行了特高压工程和技术的研究，如美国的美国电力公司、美国邦纳维尔电力局、日本东京电力公司、前苏联、意大利和巴西等国的电力公司分别建设了开展了特高压工程、技术和设备方面的研究[1]。中国能源资源和负荷需求的逆向分布及能源结构的战略性调整，决定了中国未来的输电网架结构必须在送、受端系统以及1000-3000km的输电系统上有根本性的突破[2]。国家电网正在推进“一特四大”发展战略建设由特高压交流系统和直流构成的大规模特高压电网，以期解决电源与负荷中心之间大规模、远距离、大容量的电力输送难题，实现资源优化配置[3]。特高压电网结构复杂，加之特高压工程建设和电源核准中存在的不确定性，一些薄弱环节将会给复杂电网的稳定分析、控制和运行带来了一系列挑战。

本文概述了特高压交流系统运行控制关键技术，在特高压交流系统功率控制、特高压交流系统稳定性与控制等方面，对特高压电网输电能力、无功功率优化与控制、稳定性与控制、特高压交流系统保护与控制进行了分析总结，提出了需要进一步研究和解决的技术问题，为后续特高压电网规划、调度、运行和控制提供参考。

1 特高压交流系统功率控制研究

特高压工程的投运以及大规模间歇性可再生能源的接入使原有电网的结构更加复杂化，对各区域电网负荷带来波动，可能造成整个电网系统暂态或稳态平衡被打破，各区域电网发电机结构各有不同，机组的调节能力各异，极易出现潮流的协调控制出现一定的困难，加之输电线路运行越来越接近其安全稳定运行的极限。因此，从输电能力、无功优化与控制等方面研究特高压电网的功率控制与优化，对电力系统安全、稳定、经济、高效运行有着重要的意义。

1.1 特高压交流电网输电能力与控制的研究

特高压交流输电技术可以提电网的高安全性以及经济性，其输送能力和输送通道的输送效率一直备受关注。其输送能力也受热稳定、电压稳定、功率稳定的限制。特高压交流输电系统的输电能力是指在保持经济合理和系统稳定性的情况下，一定距离的输电线路所具有的最大输送功率。特高压的输电能力受多种因素的影响，文献[4]分析高压并联电抗、发电机-变压器高压侧电压调节、1000kV升降压变压器的短路比、中间开关站加SVC和串联电容补偿等各电气量对1000kV输电系统输电能力影响，研究了能进一步提高1000kV输电系统远距离输电能力的技术。文献[5]研究了省际电网输电极限问题，给出了考虑特高压接入后稳定性的输电能力分析方法与流程，并对电网的稳定性进行了校验。文献[6]结合电网新技术、新材料、新方法阐述了影响电网输电能力的因素，从改变电网网架结构、电气特性和加装稳控装置等方面提出了对特高压电网具有适用性的输电网络方案和提高电网输送能力的方法。关于输电能力的问题，已经得到了国内外学者较高程度的的研究与关注，随着新型电力电子器件的发展与应用，利用补偿装置间的协调配合来提特高压电网的输送自然功率的技术有待进一步研究。随着电力市场的开放，从经济角度对提高特高压输电能力以及接收新能源的能力有待进一步研究。

1.2 特高压交流电网无功优化与控制的研究

随着输电系统电压等级的升高和输电距离的增加，输电系统的无功特性发生了根本变化。在特高压交流输电系统中，合理配置电抗器和低压无功补偿设备维持特高压交流输电系统的电压水平，通过系统无功电压控制实现电力系统安全经济运行具有重要意义。特高压输电线路的无功损耗随电能输送有很大的有功变动，同时电容效应产生很大的充电功率，特高压输电线路给变电站无功补偿、电压控制带来困难。

针对特高压交流输电线路电容效应给无功补偿和电压控制带来的问题，文献[7]通过控制线路电压不越限的方法研究了变电站的无功控制方式及补偿容量，文献[8]提出了一种基于经济压差的特高压电网无功补偿运行与控制方法。文献[9]提出了一种改进的采用65%的固定高压电抗器加30%的可调节高压电抗器的特高压输电系统的无功补偿改进方法，提高了特高压输电系统的输电能力和电压稳定性。文献[10]分析了无功补偿设备投切策略、稳态过电压措施、应用可控高抗调压等电压控制需要考虑的技术问题，提出了高抗和低压无功补偿配置原则及方法，并结合实际系统进行了仿真验证。针对特高压接入系统使系统的稳定控制更加复杂，对电力系统的无功优化要求越来越高，寻求最佳的无功补偿方法称为亟待解决的重要问题。在以后的研究中，应更加侧重于无功补偿控制策略方面的研究，提高无功补偿装置的响应速度，增强无功补偿的有效性。

2 特高压交流系统的稳定性研究

随着电力系统的发展和区域性负荷的增长，远距离大容量输电日益普遍，随之而来的电力系统稳定性和可靠性问题越来越突出。国内外对电力系统稳定性问题做了大量研究，甚至在某些方面实现了在线安全稳定评估及决策分析，同时能对电网中存在的潜在问题提出安全性措施，有效指导了电力系统的调度决策和安全稳定运行。虽然解决了很多技术上的难题，但是随着特高压电网的接入、电力电子器件以及新的控制技术的应用，仍有大量的工作要做，必须要考虑特高压接入后各种控制措施良好配合等方面的研究。

特高压交流系统的功角、频率、电压稳定性研究：

电力系统功角稳定电力系统中同步发电机保持同步运行的能力，可以细分为静态稳定、小干扰动态稳定、暂态稳定、大干扰动态稳定。随着电能需求的增加和电力系统的规模扩大，电力系统的稳定问题越来越突出，在典型故障下面临暂态功角失稳的风险。文献[11]针对暂态功角失稳风险问题提出了基于典型故障集的电力系统暂态功角稳定近似判别方法，设计了风险评估流程并且为提高电力系统暂态稳定性提出了新的研究思路。文献[12]提出了一种用于暂态功角稳定的切机控制策略计算方法。目前，所有研究都集中在交直流混合系统的功角稳定性与控制策略研究上，针对特高压交流电网的功角稳定性与控制策略仍需进一步研究。

频率稳定是指电力系统发生有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率崩溃的能力[13]。基于两机系统模型及WAMS实测数据，，文献[14]提出了大受端电网频率安全稳定评估采用的模型和分析方法，总结了受端电网频率安全稳定分析中应注意的问题。基于目前频率稳定研究中存在的不足，文献[15]提出一种电力系统频率失稳风险评估方法，推导了计及旋转备用的频率动态特性，建立了考虑低频减载作用的频率稳定分析模型和考虑发电方式、网络拓扑和负荷水平的随机模型。国内外研究人员对功角稳定与电压稳定关注较多，其中某些领域已经实现在线分析控制，而电网频率动态特性及其控制一直是电力系统稳定研究中的一个薄弱环节，特高压交流系统中频率稳定性及控制策略有待深入研究。

电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压失稳的能力[16]。电力系统越来越朝极限运行方式发展，其中电源竞价上网机制和网架结构薄弱等因素给系统电压稳定性带来巨大挑战，文献[17]阐述了电力系统电压稳定性的研究现状、理论和研究方法，分析了电压稳定的薄弱环节和薄弱区域，研究了防止系统电压失稳的控制策略和电力系统优化理论。由于大干扰电压失稳机理的理论和研究方法不完善以及电力系统暂态电压失稳与功角特性存在联系，如何快速准确判断电力系统暂态电压失稳是电力系统需要解决的一个难题，也有相关论文通过分析特高压联络线潮流和电压大幅波动的影响因素，总结了特高压系统无功和电压控制策略。

3 特高压交流系统保护与控制

继电保护作为维护电力系统安全稳定运行的重要防线，在电力系统中时刻发挥着重要作用。与超高压输电线路相比，特高压输电线路参数发生较大变化，1000kV输电系统对保护的影响主要是由分布电容引起的，因此对特高压交流输电线路的保护提出了更高的要求。

文献[18]介绍了在1000kV输电线路保护中所关注的一些重要问题，重点分析了特高压系统暂态过程及特高压保护中的关键技术问题。文献[19]根据特高压系统结构和运行特点，结合我国继电保护发展的具体情况，提出我国特高压系统保护的配置方案。文献[20]充分考虑特高压电网的特点，给出了特高压线路分布参数模型，介绍了近年来我国特高压线路保护的研究成果以及国内特高压主设备保护方面的进展。随着电力电子技术的发展以及新型电子式互感器的研究及应用，特高压系统保护技术的研究有待进一步发展。

4 总结与展望

随着特高压输电线路工程建设及投运，特高压电网已成为现代电网的重要组成部分，并对电网的安全稳定运行带来挑战。本文概述了特高压交流系统运行控制关键技术，在特高压交流系统功率控制、特高压交流系统稳定性与控制等方面，对特高压电网输电能力、无功功率优化与控制、稳定性与控制高压交流系统保护与控制进行了分析总结，提出了需要进一步研究和解决的技术问题，为后续特高压电网规划、调度、运行和控制提供参考。

为了提高电网输送能力、新能源并网和消纳能力，提高电网运行的安全性、稳定性和经济性，在特高压电网建设、运行和控制上需进一步深入研究。

（1）规划中的特高压直流直流输电和多端直流输电相关技术需要特高压交流电网提供坚强的网架支撑，含交、直流特高压的复杂电网的动态特性，运行方式，稳定性分析、预测及控制策略等方面需进一步研究。

（2）针对特高压交直流互联电网交直流互济过程中的动态无功优化与无功配置问题需进行深入研究，并提出合理的控制策略和手段。

（3）大规模交直流互联给系统特性带来深刻变化，对电力系统的仿真提出了更高的要求。利用全新的仿真技术，建立特高压交直流互联系统机电-电磁暂态仿真平台，准确把握交直流互联系统机理以及特性，跟踪特高压交、直流工程建设进度以及新的设备和技术的应用，提高建模精度、扩大仿真规模、提高仿真效率需进一步研究。

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