長(zhǎng)距離輸電線路改善電能質(zhì)量方法

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州供電局 廣東省梅州市 514021

摘要：輸電線路在我國(guó)城鄉(xiāng)和工業(yè)電網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用。提高電網(wǎng)綜合供電水平是促進(jìn)我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)。輸電線路設(shè)計(jì)的重要性顯著提高。輸電線路作為從發(fā)電廠或變電站向用戶輸送電能的橋梁，在電力系統(tǒng)中起著重要的作用。

關(guān)鍵詞：輸電線路；電能質(zhì)量

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化，電網(wǎng)中各種非線性負(fù)荷及用戶不斷增長(zhǎng)；各種復(fù)雜的、精密的，對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備越來越多。上述兩方面的矛盾越來越突出，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也更高，在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量領(lǐng)域的相關(guān)理論及其控制技術(shù)，分析我國(guó)電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢(shì)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1.背景及意義

在一般情況下，線路的供電臂距小于50km。而線路空載或輕載情況下，線路顯容性，末端電壓升高；當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，線路有可能從容性變化到感性，末端電壓又會(huì)降低，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，長(zhǎng)距離供電線路在無補(bǔ)償?shù)那闆r下，末端電壓波動(dòng)在10%以上。如某供電系統(tǒng)許多線路顯然超過該范圍。一旦其中變電所出現(xiàn)故障，就需要兩邊的變電所進(jìn)行越區(qū)（長(zhǎng)距離或超長(zhǎng)距離）輸電，如果不進(jìn)行合理補(bǔ)償?shù)脑?，由于末端電壓偏移過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使供電系統(tǒng)電壓崩潰。對(duì)于長(zhǎng)距離（超長(zhǎng)距離）供電線路可能出現(xiàn)下列問題：

長(zhǎng)距離線路中的電容效應(yīng)使線路空載或輕載時(shí)產(chǎn)生工頻電壓升高?？蛰d時(shí)電壓升高最為嚴(yán)重，若不加以防治，將對(duì)設(shè)備和線路產(chǎn)生危害；

負(fù)載較大時(shí)，線路電壓損失較大，必須對(duì)線路進(jìn)行補(bǔ)償；

分、合長(zhǎng)線時(shí)供電線路產(chǎn)生過電壓；

負(fù)載大時(shí)，導(dǎo)線的發(fā)熱嚴(yán)重；

超長(zhǎng)距離供電時(shí)，消耗在線路電阻的功率增大，影響供電的經(jīng)濟(jì)性；

目前，國(guó)內(nèi)供電系統(tǒng)使用的大多是固定不可調(diào)和手動(dòng)分級(jí)可調(diào)無功功率補(bǔ)償裝置，這些方式部分自動(dòng)跟隨供電系統(tǒng)電壓等參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，響應(yīng)速度慢，吸收無功不連續(xù)，對(duì)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)有限，對(duì)過電壓抑制能力差，經(jīng)濟(jì)性不高，而且容易過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。根據(jù)上述情況，本文分析了各種靜止型無功功率補(bǔ)償方式的可用性，結(jié)合油田供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用具有動(dòng)態(tài)性的混合型補(bǔ)償方式，通過控制電力電子裝置來自動(dòng)跟隨系統(tǒng)電壓以實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償，使功率因數(shù)符合電力部門的要求。

2.電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生

2.1電能質(zhì)量問題的定義和分類

電能質(zhì)量問題是眾多單一類型電力系統(tǒng)干擾問題的總稱，其實(shí)質(zhì)是電壓質(zhì)量問題。電能質(zhì)量問題按產(chǎn)生和持續(xù)時(shí)間可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題和動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題。

2.2電能質(zhì)量問題產(chǎn)生原因分析

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)原因。

2.2.1電力系統(tǒng)元件存在的非線性問題

電力系統(tǒng)元件的非線性問題主要包括：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波、變壓器產(chǎn)生的諧波、直流輸電產(chǎn)生的諧波以及輸電線路（特別是超高壓輸電線路）對(duì)諧波的放大作用等等。此外，還有變電站并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置等因素對(duì)諧波的影響，其中，直流輸電是目前電力系統(tǒng)最大的諧波源。

2.2.2非線性負(fù)載

在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，非線性負(fù)載占很大比例，這是電力系統(tǒng)諧波問題的主要來源。電弧爐（包括交流電弧爐和直流電弧爐）是主要的非線性負(fù)載，它的諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴(yán)重非線性引起的。居民生活負(fù)荷中，熒光燈的伏安特性是嚴(yán)重非線性的，也會(huì)引起嚴(yán)重的諧波電流，其中3次諧波的含量最高，大功率整流或變頻裝置也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)也使功率因數(shù)降低。

2.2.3電力系統(tǒng)故障

電力系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)外故障也會(huì)造成電能質(zhì)量問題，如各種短路故障、自然現(xiàn)象災(zāi)害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變、故障保護(hù)裝置中的電力電子設(shè)備的啟動(dòng)等都將造成各種電能質(zhì)量問題。

3.電能質(zhì)量分析方法

3.1時(shí)域仿真法

時(shí)域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時(shí)域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究。采用時(shí)域仿真計(jì)算的缺點(diǎn)是仿真步長(zhǎng)的選取決定了可模仿的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開關(guān)的開合過程時(shí)，還會(huì)引起數(shù)值振蕩。

3.2頻域分析法

頻域分析方法主要包括頻率掃描、諧波潮流計(jì)算和混合諧波潮流計(jì)算等，該方法多用于電能質(zhì)量中諧波問題的分析。

頻率掃描和諧波潮流計(jì)算在反映非線性負(fù)載動(dòng)態(tài)特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計(jì)算法在近些年中發(fā)展起來。其優(yōu)點(diǎn)是可詳細(xì)考慮非線性負(fù)載控制系統(tǒng)的作用，因此可精確描述其動(dòng)態(tài)特性。缺點(diǎn)是計(jì)算量大，求解過程復(fù)雜。

4.無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

4.1 無功補(bǔ)償?shù)谋匾?/p>

無功補(bǔ)償是維持現(xiàn)代電力系統(tǒng)穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必需的。

無功的存在對(duì)電網(wǎng)的影響主要有幾個(gè)方面：無功功率的增加會(huì)使輸電線路總電流增大，視在功率增大，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備總?cè)萘吭龃?，同時(shí)也使設(shè)備及線路的損耗相應(yīng)增大，線路電壓降增大，尤其是長(zhǎng)距離供電。另外，會(huì)使功率因數(shù)降低，設(shè)備的利用率變小。

4.2 國(guó)內(nèi)外各種補(bǔ)償方式的介紹

傳統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)設(shè)備有并聯(lián)電容器或電抗器和調(diào)相機(jī)。并聯(lián)電容器或電抗器是電網(wǎng)中用的最多的一種主要的無功功率補(bǔ)償設(shè)備。它的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于安裝維護(hù)。缺點(diǎn)是當(dāng)電壓降低時(shí)，特別是由于故障而電壓降低時(shí)，系統(tǒng)需要電壓支持，而并聯(lián)電容、電抗器輸出無功功率卻急劇下降，不能滿足系統(tǒng)需要。調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種不帶機(jī)械負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)其勵(lì)磁，既可以發(fā)出無功功率，又可以吸收無功功率，是最早采用的一種無功補(bǔ)償設(shè)備，在并聯(lián)電容、電抗器得到大量采用后，它退到次要地位。調(diào)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：在系統(tǒng)發(fā)生故障引起電壓降低時(shí)，同步調(diào)相機(jī)可提供電壓支持，還可以在短時(shí)間進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁，對(duì)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大好處。它的主要缺點(diǎn)是投資大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，機(jī)械損耗大，噪音大等。

20世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了靜止無功補(bǔ)償技術(shù)。從此，將使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）推上了電力系統(tǒng)無功功率控制的舞臺(tái)。1997年美國(guó)GE公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中演示了晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置。1978年，在美國(guó)電力研究院的支持下，西屋電氣公司制造的使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置投入實(shí)際運(yùn)用。隨后各大公司都推出了自己的系列產(chǎn)品。

隨著高壓大容量可關(guān)斷器件，如IGBT、GTO、IGCT器件的發(fā)展，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了基于可關(guān)斷器件的電壓源或電流源的并聯(lián)補(bǔ)償裝置，即靜止無功發(fā)生器，國(guó)外稱為STATCOM。20世紀(jì)90年代以來，基于逆變器的有源補(bǔ)償裝置在輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

無功發(fā)生器補(bǔ)償裝置的特性，成為完全可控的電壓源或電流源，使得無功功率補(bǔ)償裝置的性能得到了很大的提升。無功發(fā)生器是由逆變器構(gòu)成，并由一并聯(lián)電容器上的電壓進(jìn)行激發(fā)啟動(dòng)，其輸出的三相交流電壓與所接電網(wǎng)的三相電壓同步。無功發(fā)生器通過的電流等于零或呈容性或呈感性取決于連接變壓器一、二次電壓的幅值，無功發(fā)生器裝置輸出無功功率的大小和極性都由其通過的電流來調(diào)整，從而調(diào)整輸電線路的無功功率，靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的使電壓保持在一定范圍之內(nèi)，以利于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。無功發(fā)生器不僅可以矯正穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓，還可以抑制一定范圍的暫態(tài)電壓，因此對(duì)電網(wǎng)電壓的控制能力很強(qiáng)。直流側(cè)的電容器只是用來維持直流電壓，而且這些電容由直流電容器組構(gòu)成，容量、體積小且價(jià)格低。

4.3 幾種補(bǔ)償方式的比較

無功發(fā)生器與SVC相比，響應(yīng)速度快、吸收無功連續(xù)、高次諧波含量少，而且可提供放大的無功支持，且有抑制施工瞬態(tài)過電流、過電壓的能力。此外，無功發(fā)生器省去了大量的電容器、電感器以及與之配套的開關(guān)