基于MCR的特高壓交流輸電系統的無功電壓控制

劉彥聰

摘要：特高壓交流電網是長距離大范圍平衡能源供需、建設堅強智能電網和全球能源互聯網的關鍵。特高壓交流電網正在穩步發展中，無功電壓控制是保證特高壓交流電網安全可靠經濟運行的重要手段。文中總結了特高壓交流線路的無功、電壓特性，指出了特高壓交流電網在無功電壓控制方面存在的困難;從獨立控制、與近區電網協調控制、大電網全局優化三個方面綜述了特高壓交流電網的無功電壓控制方法。

關鍵詞：特高壓交流;無功特性;電壓特性;無功電壓控制

我國一次能源蘊藏和電力負荷分布不平衡：火電能源主要集中在西北地區，水電能源主要集中在西南地區，而能源負荷中心則集中在華東和華南地區。這樣的能源分布狀況決定了我國要實現更大范圍內電力資源的優化配置，必須建設特高壓輸電系統，實現遠距離大容量輸電。

文章詳細闡述了我國特高壓交流輸電技術在無功補償方面遇到的新問題，提出了無功補償方案設計原則，對比分析了特高壓交流輸電中常用的無功補償技術，提出了一種便于工程應用和推廣的無功補償策略。

1特高壓交流輸電技術在無功補償方面遇到的新問題

特高壓輸電線路無功功率的一個突出特點就是線路電容產生的無功功率很大，在額定電壓為1000kV以及最高運行電壓為1100kV的條件下，平均每百公里線路的充電功率約為550Mvar，約為500kV線路的5-6倍。

特高壓輸電的受端電網受輸電系統運行狀況的影響更大，因而用于電壓支撐的無功電源是否合理配置更加重要。否則受端電網在特高壓輸電系統故障所形成的大擾動下，容易發生電壓失穩事故。所以在受端電網側必須要有相應的無功補償措施與整個電網的無功相配合。

另一方面，在特高壓電網發展的不同的時期，特高壓輸電線路的無功功率隨傳輸的有功功率變化而有較大區別。特高壓電網在建設初期，網架結構相對簡單，主要是實現點對點的電能輸送，受系統阻抗特性及穩定極限的限制，傳輸功率小于線路的自然功率，線路的電容特性使無功功率過剩;隨著特高壓電網的不斷加強建設，將通過各區域電網的互聯和水火電能源互濟，來實施更大范圍內的資源優化戰略。特高壓電網的輸送能力將大大提高，輸送功率將隨時變化，輸電線路的無功功率也將頻繁變化。依據特高壓線路傳輸功率的變化設計特高壓變電站無功補償設備及其投切策略將日益復雜，而且難以實施。

2無功補償方案確定原則

配置無功補償方案時，首先分析輸電系統的無功特性，包括根據線路參數和高抗方案計算輸電線路無功特性和根據變壓器參數計算主變無功特性;在此基礎上結合系統條件，按照遠近結合的原則，計算系統重載和輕載情況下系統無功功率需求，確定無功補償總量;然后計算無功補償設備投切引起的電壓波動，確定單組容量;最后對無功補償方案進行校核計算和技術經濟比較，提出無功補償推薦方案。

3特高壓交流輸電無功補償技術分析

3.1固定電抗器的高壓補償技術

特高壓線路采用安裝高壓電抗器來限制工頻過電壓。滿足線路工頻過電壓要求的高抗補償度與線路兩端系統的強度有關。一般情況下，在特高壓電網建設初期，線路高抗補償度可以考慮為80%～90%或以上，輸電系統工頻過電壓和潛供電流能夠滿足要求;在建設階段，高抗容量需結合具體實際情況進行詳細電磁暫態計算分析來確定。

3.2固定電抗器和電容器的低壓補償技術

低壓無功補償設備，包括固定電抗器和電容器是目前最常用的無功補償方法。低壓無功補償設備容量大小便于調節，設置地點靈活，可將其分散安裝在各變電所內及負荷端用電設備側，符合無功就地平衡、分級補償和便于調整的原則，主要用于穩態電壓調整和功率因數校正，需滿足使1 000 kV系統與500 kV系統無功交換盡可能小，使特高壓節點電壓控制在1 000～1 100 kV之間。對特高壓輸電線路而言，不存在技術上的障礙，例如特高壓試驗示范工程中采用的就是這種無功平衡方法。

但低壓無功補償需經過變壓器與特高壓線路相連，會削弱無功補償效果，同時，受變壓器低壓繞組容量制約，補償量有限制。目前國內500 kV以下電力變壓器低壓繞組容量一般不超過總容量的30%，但特高壓變壓器對低壓無功容量需求較大，應適當增加低壓繞組容量，我國特高壓交流試驗示范工程主變第三繞組容量為額定容量的三分之一。

無功補償設備投切方案主要有按功率因數控制、按母線電壓控制、按負荷電流控制、按晝夜時間控制等幾種方式。目前，我國500 kV系統的低壓無功補償設備投切主要是按照不同時段母線電壓控制。1 000 kV輸電系統無功補償既補償變壓器的損耗也補償輸電線路的無功損耗，1 000 kV系統功率波動時與低一級電壓等級系統無功交換較大，僅按照電壓控制，可能存在電壓變化不大而無功交換較大的情況，此時因無功傳輸較多導致網損增加，因而需要考慮按有功功率和電壓綜合控制方式。

3.3可控電抗器動態無功補償技術

為解決限制過電壓和無功調相調壓之間矛盾的有效措施是采用可控高壓電抗器——磁閥式可控電抗器（MCR），一般安裝于長距離大容量輸電線路，大型電源送出線路，潮流變化較大的聯絡線等?？煽馗呖菇鉀Q的問題包括：一、無功補償能力不足時通過調節其容量保持無功平衡;二、在潮流頻繁波動時通過調節可控高抗容量避免低壓無功補償設備的頻繁投切。

MCR具有動態連續可調的優勢，主要通過晶閘管的開關改變其電流，從而改變鐵心的飽和度，達到改變電抗值的目的。其主要特點是電抗值能夠平滑調節，給電網帶來的諧波小，另外它采用變壓器的結構使得晶閘管的耐壓值不用很高。在特高壓交流輸電系統中，采用MCR和固定電容器配合使用的方式可以很好地補償電網的無功，還可以避免輸送功率較大時高壓電抗器帶來的嚴重不足的問題。但是MCR的響應速度較慢，一般為100ms左右。至今，俄羅斯已經有500kV的MCR在試運行，在1000kV的特高壓交流輸電系統有著很好的應用前景。

3.4晶閘管控制變壓器無功補償技術

晶閘管控制變壓器（TCT）是常見動態無功補償晶閘管控制電抗器（TCR）技術的一種變形。主要區別在于TCR是采用6脈波接法（即三角形接法），而TCT采用了一個三繞組的變壓器，原邊采用Y形接法接電網側，副邊是一個Y形接法一個△形接法接兩組TCR，從而構成了12脈波。

TCT也等效于一個可調的電抗器，它的特點與MCR相似，動態連續可調，諧波注入少，晶閘管不用耐高壓。它最主要的優點在于調節速度快，能夠快速跟蹤電網的無功變化，在10-20ms的時間內對系統進行補償。

TCT只吸收感性無功，常常與固定電容器配合使用。在1000kV的特高壓交流輸電系統中采用TCT+固定電容器進行無功補償效果將會比MCR更好。由于它采用的晶閘管數量較多，需要更好的散熱技術作為保證。在印度已有400kV的TCT在電網中投入運行，國內也正在研制用1000kV的特高壓TCT。

3.5便于工程應用和推廣的無功補償方案

結合目前設備技術上的研發現狀，對于特高壓長距離大容量輸電線路，采用MCR連續平滑調節其容量，維持無功補償能力不足時的無功平衡及在潮流頻繁波動時避免低壓無功補償設備的頻繁投切。低壓側與高壓側配合使用固定電抗器和電容器來穩態電壓調整和功率因數校正。在無功補償電壓控制上，為避免電壓變化不大而無功交換較大，從而導致無功傳輸較多使網損增加的情況，考慮采用有功功率和電壓綜合控制方式。

4結論

本文深入分析了我國特高壓交流輸電技術在無功補償方面遇到的新問題，提出了無功補償方案設計原則，對比分析了特高壓交流輸電中常用的無功補償技術，并提出了一種便于工程應用和推廣的無功補償方案——高壓側采用MCR，低壓側采用固定電抗器和電容器，并按有功功率和電壓綜合控制。

參考文獻：

[1]劉振亞.中國特高壓交流輸電技術創新[J].電網技術，2014，37（4）：567-568.

[2]舒印彪.1000KV交流特高壓輸電技術的研究與應用[J].電網技術，2016.1234-1235.