特高壓交流輸電系統無功補償策略分析

李靜雅

（三峽大學，湖北 宜昌 443002）

1 特高壓無功功率及電壓特性

高電壓、遠距離的特高壓交流輸電線路，必須對線路的分布參數特性進行考慮。特高壓輸電線路通常采用8～10分裂導線，導線的直徑通常在1 100 mm左右，單位長度的電阻減少很多，遠遠小于單位長度的電抗，大約為單位長度電抗的2%左右，同時特高壓電壓等級較高，輸電電流相對較小［1］。因此在對特高壓無功電壓進行分析時，可以假設其屬于無損線路。特高壓長線路的等值電路如圖1所示。

圖1 特高壓長線路等值電路示意圖

根據圖1所示，可以利用下面的公式描述特高壓輸電線路沿線電壓及電流的無損長線路：

以受端電壓＝UR∠0°以及自然功率Sn＝／Zc為基礎取標幺值，如果受端傳輸功率為SR＊＝PR＊＋jQR＊，則公式（1）的標幺值可以采用下面的公式進行表示：

如圖1所示，長度為l的線路所產生的充電無功采用b0的充電功率積分形式來表示，標幺值如下：

結合公式（2）中的電壓方程，可以用下面的公式表示長線路充電功率：

與充電功率分析類似，長度為l的線路的無功損耗采用x0的積分形式來表示，標幺值如下：

結合公式（2）中的電壓方程，可以用下面的公式表示長線路無功損耗：

2 特高壓無功補償方法

在現代大型電力系統中，特高壓輸電網的線路分布電容能產生大量的無功功率，從系統運行考慮，需要裝設并聯電抗器予以吸收，根據我國有關技術導則，高壓電網應按無功分層就地平衡的基本要求配置高、低壓并聯電抗器［2］。

線路在不同的傳輸功率下，所注入變電站無功的數學表達式為：

變電站兩端采取送受端恒電壓控制所能傳輸的功率極限要大，既能提高線路的傳輸能力，又可抑制工頻過電壓，因此保持特高壓變電站為給定的數值應作為變電站無功控制的目標，由此提出特高壓變電站無功補償量的計算方法，導出相應的算式：

上式可以用于規劃設計與運行調度，規劃設計時，按輸電線的最大傳輸功率與最小傳輸功率規劃值，以保持額定電壓為控制目標，計算無功補償器的安裝容量；運行時，按調度給定的有功負荷和電壓曲線，計算各個時段無功補償器的投入容量、自然功率的計算電壓與給定電壓相同。

3 特高壓電網無功補償設計

本文以某特高壓試驗示范工程為例，該工程中包括變電站A、B、C，其中變電站A與變電站B之間的線路長度為363 km，變電站B與C之間的線路長度為291 km。設計擬采用的高抗配置如下：變電站A側的高抗配置容量為96萬kVar；變電站B兩側高抗配置容量均為72萬kVar；變電站C側的高抗配置容量為60萬kVar。設計擬采用的抵押無功補償配置方案具體為：變電站A和C配置低壓無功補償裝置，低壓電容器的單組容量為24萬kVar，低壓電抗器單組容量為24萬kVar。兩站各配置3組低壓電容和2組低壓電抗。

3.1 低壓無功需求分析

（1）低壓并聯電電容器

低壓電容器補償容量的計算公式如下［3］：

式中，QC表示低壓電容器的補償容量；QLT表示變壓器的無功功率損耗；QL表示輸電線路串抗的無功功率損耗；QB表示輸電線路電容的充電功率；QG表示線路首末端高抗的配置容量。

在變電站A中，吸收無功的元件包括：變壓器無功損耗、A站－B站線路無功損耗、A站與B站的高抗（960＋720）MVar，發出無功的元件包括：A站－B站線路充電功率、低容，兩者相互平衡之后求出低容需補償容量。

代入主變勵磁電抗等參數計算可知，系統輸送2 400 MW容量時，變電站A低容需補償的無功功率約為560 MVar，變電站C側低容需補償的無功功率約520 MVar。

（2）低壓并聯電抗器

低壓并聯電抗器補償目的：《電力系統安全穩定導則》（DL755－2001）第2.3.2條，“電網的無功補償應以分層分區和就地平衡為原則，并應隨負荷（或電壓）的變化進行調整，避免經長距離線路或多級變壓器傳送無功功率，330 kV及以上電壓等級線路的充電功率應予以補償。”

根據穩定導則要求，變電站A、B、C低壓并聯電抗器的配置主要考慮補償變電站周圍的1 000 kV和500 kV線路的剩余充電功率。

低抗與低容不同時運行，低容運行時輸送功率較大，低抗投運時，線路處于空載狀態，計算時不計主變及線路的無功損耗。

低壓電抗器補償容量的計算公式［4］：

代入參數進行計算，本期變電站A抵抗需補償的剩余充電功率約為239 MVar，變電站C抵抗需補償的剩余充電功率約為233 MVar。

綜合上述計算結果，變電站A和C特高壓本期的低壓側無功配置如表1所示。

表1 本期特高壓站低壓無功設備配置結果（單位：MVar）

從表1可以看出，特高壓輸送2 400 MW功率時，變電站A需補償無功560 MVar，變電站C需補償無功520 MVar，本期配置的低壓電容器容量4×210 MVar可以滿足運行需求，并且還存在一定的裕度；特高壓輸送2 800 MW功率時，變電站A需補償無功849 MVar，變電站C需補償無功773 MVar，本期配置的低壓電容器容量4×210 MVar可以滿足運行需求，但是需要全部投入運行。

3.2 110 kV無功裝置系統參數確定

（1）低壓電容器組

低容的參數主要包括最高運行電壓和額定電壓兩部分。最高運行電壓是電容器能夠連續運行而不超過規定溫升的最高電壓，它決定著制造方面的材料消耗。主變低壓側系統額定電壓為110 kV，最高工作電壓為126 kV。多組低容投運后母線較易達到126 kV，所以低容最高運行電壓取126 kV。

低壓側電壓波動是額定電壓的主要限制因素.從容量限制、電壓波動限制、過電壓限制等條件選擇可知，低壓電容器組額定電壓取126 kV。

（2）低壓電抗器組

參照行業標準DL5014－1992中“低壓并聯電抗器的最高運行電壓宜為主變壓器三次額定電壓的1.0－1.05倍 ”的 規 定，根 據 行 業 標 準 SD325－1989 中“500 kV母線正常運行方式時，最高運行電壓不得超過系統額定電壓的＋110%”的規定，由主變壓器額定變比（1050／525／110 kV）可知，在變壓器空載情況下，如中壓側電壓達到5 500 kV，三次側最高運行電壓將達到115.5 kV，所以低抗最高運行電壓取115 kV。

從容量限制、電壓波動限制、投1～2組低抗后母線的額定電壓等條件選擇可知，低抗額定電壓取105 kV，具體如表2所示。

表2 110 kV無功補償裝置系統參數

4 結 論

特高壓輸電線路由于電容效應會產生較大的充電功率，同時過長的輸電線路也會對無功補償的效果產生較大的影響。目前特高壓輸電系統采用的無功平衡方法難以完全保證特高壓的無功平衡，需要通過合理的低容或者低抗投切和電壓控制策略來提高無功補償效果。本文建立了特高壓傳輸線路的數學模型，以控制線路電壓不越限作為無功補償的基本原則，確定了變電站控制方式和補償容量，通過實例分析，確定了該方法具有較好可行性和實用性。

［1］ 林 莉，成 濤，孫才新.特高壓輸電線的運行特性與變電站的無功補償［J］.高電壓技術，2009，（07）：1533－1539.

［2］ 成 濤，林 莉，牟道槐，孫才新.交流特高壓輸電線的傳輸特性與無功補償［J］.重慶大學學報，2010，（01）：83－87.

［3］ 沙建華，汪 毅.超／特高壓交流輸電中線路無功補償的新方法［J］.科技創新導報，2012，（30）：42－43.

［4］ 周沛洪.特高壓輸電系統過電壓、潛供電流和無功補償［J］.高電壓技術，2005，31（11）：21－25.