超特高压输电线路中串联电容补偿对可控并联电抗器补偿度的影响

超特高压输电线路中串联电容补偿对可控并联电抗器补偿度的影响

0提高电力输送能力在高压下，超级高压电网具有远距离、低容量、低损失能力的能源输送能力。但特高压输电线路每100km线路长度下的充电无功功率可超过530MVA,在相同线路长度下约为500kV线路的4~6倍,充电无功功率过高会引起高幅值的工频过电压。通常采用可控并联电抗器进行无功补偿,对线路的分布电压进行有效控制,抑制高幅值的工频过电压。同时,考虑到超/特高压输电线路输电容量受线路电抗限制,利用串联电容补偿可以大幅度提高线路的输电容量,达到线路自然功率的150%~200%。因此电力系统同时采用并联电抗补偿与串联电容补偿,可以在确保沿线电压分布可控的前提下,最大限度地提高电力输送能力。超/特高压输电线路可同时采用并联电抗补偿与串联电容补偿,并联电抗与串联电容的协同补偿机理研究主要集中在负载影响、灵敏度分析、无功控制策略、补偿性能指标、串并补的线路结构等问题。可控并联电抗器补偿度分析是其无功补偿机理研究的重要内容。文献[16-17]主要针对可控并联电抗器的补偿度及调节范围;文献研究了计及线路电阻与电导并精确考虑分布参数条件下感性与容性负载时的并联电抗补偿度特点;文献[19-20]提出了从潜供电流限制与空载线路电压控制角度确定可控并联电抗器补偿度下限以及从避免产生谐振过电压角度确定高抗补偿度上限的方法;文献分析了当两电气强度不等时,长距离输电线路中的可控并联电抗器最优安装位置应偏离中点。以上针对可控并联电抗器补偿度的研究均未涉及串联电容补偿的因素,考虑串联电容补偿的条件时,可控并联电抗器补偿度需要进一步的研究。本文以超/特高压输电线路π型等效电路为基础,分析了均匀分布的串并联补偿以及输电线路电压分布及功率传输的特点,进一步研究串联电容补偿条件下分段补偿的可控并联电抗器补偿度,提出修正后的考虑串联电容补偿因素的可控并联电抗器补偿度的数学表达式,同时分析了串联电容补偿度对可控并联电抗器布置间距的影响。1分布均匀的链补偿分析1.1可控串联测试线路的波阻抗超/特高压输电线路的阻抗、导纳是沿线路长度均匀分布的。为了系统分析与计算的需要,取出输电线路中的1个单位部分,忽略线路电阻与电导,在线路两侧布置可控并联电抗器,建立超/特高压输电线路π型等效电路,如图1所示。线路等效感抗XL=Z0sinλ,线路对地等效容抗,Ibc为可控并联电抗器的感抗Xb与线路对地等效容抗XC并联支路的电流相量(其模值为Ibc),I为线路等效感抗XL支路的电流相量(其模值为I),I1、I2分别为线路首端、末端的相电流相量(其模值分别为I1、I2),U1、U2分别为线路首端、末端的相电压相量(其模值分别为U1、U2),l为两端电抗器之间的输电线路长度。可控并联电抗器的感性无功功率,线路的容性无功功率,线路传输的自然功率,线路的波阻抗,传播常数,其中L和C分别为单位长度线路的正序电感和电容,ω为角频率,γ为单位长度线路的传播常数。表1为部分超/特高压输电线路的波阻抗Z0与单位长度线路的传播常数γ。本文以我国长治—南阳—荆门1000kV特高压输电线路为例,其主要参数分别为:单位长度线路的正序阻抗Z=(0.0076+j0.2628)Ω/km,单位长度线路的正序电容C=0.014μF/km。根据上述的定义式,分别计算出该线路的波阻抗Z0≈244.5Ω,单位长度线路的传播常数γ≈0.06(°)/km。1.2补偿后线路对地等效电容的容积串联与并联无功补偿装置通常布置在输电线路的两端或者沿线的不同地点。但从理论分析的角度,考虑均匀分布补偿这种较为理想的状态,建立若干与补偿装置及方式无关的基本关系,有助于进行系统分析与研究。无补偿线路的波阻抗可以写成以下形式式中BC为线路对地等效电容的容纳。引入均匀分布的串联补偿电容Cse,设其补偿容抗为Xcse,则补偿后线路的感抗为式中为串联电容补偿度。再引入均匀分布的并联补偿电抗,设其补偿感纳为Bsh,则补偿后线路对地等效电容的容纳为式中为并联电抗补偿度。将式(2)与式(3)代入式(1),可以得到串并联补偿后的线路波阻抗以上Kse、Ksh的变化分别通过可控电容补偿与可控电抗补偿系统得以实现。同理可以分别计算得到串并联补偿线路的传播常数、自然功率:2两端电压相量及电压分布输电线路无损条件下,描述输电线路基本特性的长线方程为:式中:U1、U2分别为线路首端、末端的相电压相量;I2为线路末端的相电流相量;P、Q分别为线路传输的有功功率、无功功率。将式(7)代入式(8),可以得到若取U2为参考轴,δ为首端电压U1超前于末端电压U2的角度,即δ为输电线路的功率角,则可以得到令式(9)、式(10)的实部与虚部相等,则进一步可以推出式(11)给出了线路传输的有功功率与电压、线路长度及功率角的函数关系。在两端并联电抗补偿的条件下,两端电压相量为U1、U2时,两端之间电压相量Ux(其模值为Ux)的分布为式中:U2=U1e-jδ;x为线路首端、末端之间中任意点到首端的距离。取线路首端、末端之间距离l=1000km(λ=60°),U1=U2,功率角δ=0o、30o、45o、60o、75o、90o时,可以得到线路电压分布的数值模拟曲线,如图2所示。当δ在0~60°范围内变化,即线路传输有功功率P在0到自然功率P0之间变化时,电压的分布曲线向上凸起,线路中点电压最高。当U1=U2时,由式(12)可以计算得到x=l/2时的线路中点电压当传输有功功率P小于自然功率P0时,即当δ<λ时,有,则可得Ul/2>U1。当传输有功功率P=0时,即δ=0时,中点电压升高最为严重,则可得此时需要根据线路允许的最大电压升高限制,考虑电压控制手段,来控制中点电压不超过线路限制值。3单元配置互联连接电阻器补偿3.1可控串联电抗器输出容量无排放量运行模型首先分析线路中不安装串联电容补偿时可控并联电抗器的补偿度。可控并联电抗器安装在线路的两端和线路若干中间点,即进行分段补偿。在某个补偿度时,根据图1电路分析可得将代入式(15)推导可得进一步可以得到针对不同线路长度及传输有功功率,通过控制可控并联电抗器的输出容量变化,调节Ksh,使得线路电压保持在稳定的范围。如果保持电压稳定(U1=U2),就可以在线路长度分别为500km(λ=30°)、1000km(λ=60°)、1500km(λ=90°)时,根据式(16)计算模拟出不同传输有功功率与自然功率比(P/P0)时所需可控并联电抗器补偿度的变化曲线,如图3所示。根据式(14),如果线路允许最大电压升高小于5%,就可以计算出λ=36°,即l=600km。因此,在l约600km的输电线路两端布置可控并联电抗器,容量等于300km线路的容性无功功率,按照式(16)对电抗器进行调节,可以满足传输有功功率小于自然功率时的线路电压控制要求。3.2串联电容补偿条件下ksh与kse的关系串联补偿电容的布置地点对输电线路的影响较小,而可控并联电抗器的容量和布置地点则影响较大。因此,可以忽略串联电容补偿的位置结构问题,将它考虑为均匀分布。此时在串联电容补偿条件下,线路的传播常数与自然功率都将发生变化,可控并联电抗器的补偿度也将变化,根据式(4)、式(5)与式(16)可以得到修正后的可控并联电抗器补偿度假设首端、末端电压保持不变,则可以得到l=500km时串联电容补偿条件下不同补偿度Kse=0、0.2、0.4、0.6、0.8时可控并联电抗器补偿度Ksh和传输有功功率与自然功率比P/P0的关系曲线,如图4所示。与图3相比,在串联电容补偿条件下随着传输有功功率的不断增加,所需的可控并联电抗器补偿度Ksh减小的趋势不变。但是随着串联电容补偿度的增加,线路的传输有功功率随之增加,可控并联电抗器补偿度的传输有功功率调节范围不再是小于自然功率范围之内。表明线路增设串联电容补偿,使得可控并联电抗器补偿范围进一步扩大。图5是假设保持电压稳定(U1=U2),l=500km时串联电容补偿条件下并联补偿度的变化曲线。图5中曲线分别表示传输有功功率与自然功率比P/P0=50%、75%、100%、125%、150%时并联补偿度的变化。实际中由于线路存在谐振问题,所以Ksh、Kse都不宜选择过大,一般小于0.8。由图5可以看到,对于给定的Kse,随着传输有功功率的减少,所需的Ksh要相应增加,才能达到线路电压控制的目的。曲线上每个点代表线路上Ksh与Kse协调控制的一个运行状态。例如P/P0=100%的线路运行状态下,当施加Kse=0.2的串联电容补偿时,仍需Ksh=0.2的可控并联电抗器补偿度才能达到U1=U2的控制目标。线路增加串联电容补偿后,可控并联电抗器在线路上的布置间距需要调整。将式(5)(Ksh=0)代入式(14),可以得到两端并联补偿后的中点电压同样假定最大允许电压升高为5%。当Kse=0.2时,λ≈40o,则l≈670km;当Kse=0.4时,λ≈46o,则l≈770km;当Kse=0.6时,λ≈56o,则l≈930km。这说明随着串联电容补偿度的增加,线路中需要分段布置的可控并联电抗器的间距同时增加,也可满足电压控制的要求。4可控串联电抗器补偿度修正1)以分析均匀分布的串并联补偿特点以及输电线路电压分布及功率传输为基础,研究了串联电容补偿条件下分