特高壓交流系統(tǒng)運(yùn)行控制概述與展望

王金明　白迪

摘 要：隨著特高壓輸電線路工程建設(shè)及投運(yùn)，特高壓電網(wǎng)已成為現(xiàn)代電網(wǎng)的重要組成部分，并對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。本文概述了特高壓交流系統(tǒng)運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)，在特高壓交流系統(tǒng)功率控制、特高壓交流系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制等方面，對特高壓電網(wǎng)輸電能力、無功功率優(yōu)化與控制、穩(wěn)定性與控制、特高壓交流系統(tǒng)保護(hù)與控制進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了需要進(jìn)一步研究和解決的技術(shù)問題，為后續(xù)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、運(yùn)行和控制提供參考。

關(guān)鍵詞：輸電能力；無功功率優(yōu)化；穩(wěn)定性與控制；保護(hù)與控制

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

0 引言

特高壓交流輸電具有輸送容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低、占地省等顯著優(yōu)勢，隨著大容量輸電需求的增加，發(fā)電技術(shù)和輸電技術(shù)日新月異，作為資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的先進(jìn)輸電技術(shù)，發(fā)展特高壓也成為電力工業(yè)發(fā)展的必由之路。世界上很多國家的電網(wǎng)公司都進(jìn)行了特高壓工程和技術(shù)的研究，如美國的美國電力公司、美國邦納維爾電力局、日本東京電力公司、前蘇聯(lián)、意大利和巴西等國的電力公司分別建設(shè)了開展了特高壓工程、技術(shù)和設(shè)備方面的研究[1]。中國能源資源和負(fù)荷需求的逆向分布及能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，決定了中國未來的輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)必須在送、受端系統(tǒng)以及1000-3000km的輸電系統(tǒng)上有根本性的突破[2]。國家電網(wǎng)正在推進(jìn)“一特四大”發(fā)展戰(zhàn)略建設(shè)由特高壓交流系統(tǒng)和直流構(gòu)成的大規(guī)模特高壓電網(wǎng)，以期解決電源與負(fù)荷中心之間大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、大容量的電力輸送難題，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置[3]。特高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之特高壓工程建設(shè)和電源核準(zhǔn)中存在的不確定性，一些薄弱環(huán)節(jié)將會給復(fù)雜電網(wǎng)的穩(wěn)定分析、控制和運(yùn)行帶來了一系列挑戰(zhàn)。

本文概述了特高壓交流系統(tǒng)運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)，在特高壓交流系統(tǒng)功率控制、特高壓交流系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制等方面，對特高壓電網(wǎng)輸電能力、無功功率優(yōu)化與控制、穩(wěn)定性與控制、特高壓交流系統(tǒng)保護(hù)與控制進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了需要進(jìn)一步研究和解決的技術(shù)問題，為后續(xù)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、運(yùn)行和控制提供參考。

1 特高壓交流系統(tǒng)功率控制研究

特高壓工程的投運(yùn)以及大規(guī)模間歇性可再生能源的接入使原有電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，對各區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷帶來波動，可能造成整個電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)平衡被打破，各區(qū)域電網(wǎng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)各有不同，機(jī)組的調(diào)節(jié)能力各異，極易出現(xiàn)潮流的協(xié)調(diào)控制出現(xiàn)一定的困難，加之輸電線路運(yùn)行越來越接近其安全穩(wěn)定運(yùn)行的極限。因此，從輸電能力、無功優(yōu)化與控制等方面研究特高壓電網(wǎng)的功率控制與優(yōu)化，對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行有著重要的意義。

1.1 特高壓交流電網(wǎng)輸電能力與控制的研究

特高壓交流輸電技術(shù)可以提電網(wǎng)的高安全性以及經(jīng)濟(jì)性，其輸送能力和輸送通道的輸送效率一直備受關(guān)注。其輸送能力也受熱穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、功率穩(wěn)定的限制。特高壓交流輸電系統(tǒng)的輸電能力是指在保持經(jīng)濟(jì)合理和系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，一定距離的輸電線路所具有的最大輸送功率。特高壓的輸電能力受多種因素的影響，文獻(xiàn)[4]分析高壓并聯(lián)電抗、發(fā)電機(jī)-變壓器高壓側(cè)電壓調(diào)節(jié)、1000kV升降壓變壓器的短路比、中間開關(guān)站加SVC和串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)雀麟姎饬繉?000kV輸電系統(tǒng)輸電能力影響，研究了能進(jìn)一步提高1000kV輸電系統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸電能力的技術(shù)。文獻(xiàn)[5]研究了省際電網(wǎng)輸電極限問題，給出了考慮特高壓接入后穩(wěn)定性的輸電能力分析方法與流程，并對電網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了校驗(yàn)。文獻(xiàn)[6]結(jié)合電網(wǎng)新技術(shù)、新材料、新方法闡述了影響電網(wǎng)輸電能力的因素，從改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電氣特性和加裝穩(wěn)控裝置等方面提出了對特高壓電網(wǎng)具有適用性的輸電網(wǎng)絡(luò)方案和提高電網(wǎng)輸送能力的方法。關(guān)于輸電能力的問題，已經(jīng)得到了國內(nèi)外學(xué)者較高程度的的研究與關(guān)注，隨著新型電力電子器件的發(fā)展與應(yīng)用，利用補(bǔ)償裝置間的協(xié)調(diào)配合來提特高壓電網(wǎng)的輸送自然功率的技術(shù)有待進(jìn)一步研究。隨著電力市場的開放，從經(jīng)濟(jì)角度對提高特高壓輸電能力以及接收新能源的能力有待進(jìn)一步研究。

1.2 特高壓交流電網(wǎng)無功優(yōu)化與控制的研究

隨著輸電系統(tǒng)電壓等級的升高和輸電距離的增加，輸電系統(tǒng)的無功特性發(fā)生了根本變化。在特高壓交流輸電系統(tǒng)中，合理配置電抗器和低壓無功補(bǔ)償設(shè)備維持特高壓交流輸電系統(tǒng)的電壓水平，通過系統(tǒng)無功電壓控制實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。特高壓輸電線路的無功損耗隨電能輸送有很大的有功變動，同時電容效應(yīng)產(chǎn)生很大的充電功率，特高壓輸電線路給變電站無功補(bǔ)償、電壓控制帶來困難。

針對特高壓交流輸電線路電容效應(yīng)給無功補(bǔ)償和電壓控制帶來的問題，文獻(xiàn)[7]通過控制線路電壓不越限的方法研究了變電站的無功控制方式及補(bǔ)償容量，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于經(jīng)濟(jì)壓差的特高壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償運(yùn)行與控制方法。文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的采用65%的固定高壓電抗器加30%的可調(diào)節(jié)高壓電抗器的特高壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償改進(jìn)方法，提高了特高壓輸電系統(tǒng)的輸電能力和電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10]分析了無功補(bǔ)償設(shè)備投切策略、穩(wěn)態(tài)過電壓措施、應(yīng)用可控高抗調(diào)壓等電壓控制需要考慮的技術(shù)問題，提出了高抗和低壓無功補(bǔ)償配置原則及方法，并結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。針對特高壓接入系統(tǒng)使系統(tǒng)的穩(wěn)定控制更加復(fù)雜，對電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化要求越來越高，尋求最佳的無功補(bǔ)償方法稱為亟待解決的重要問題。在以后的研究中，應(yīng)更加側(cè)重于無功補(bǔ)償控制策略方面的研究，提高無功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度，增強(qiáng)無功補(bǔ)償?shù)挠行浴?/p>

2 特高壓交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和區(qū)域性負(fù)荷的增長，遠(yuǎn)距離大容量輸電日益普遍，隨之而來的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性問題越來越突出。國內(nèi)外對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題做了大量研究，甚至在某些方面實(shí)現(xiàn)了在線安全穩(wěn)定評估及決策分析，同時能對電網(wǎng)中存在的潛在問題提出安全性措施，有效指導(dǎo)了電力系統(tǒng)的調(diào)度決策和安全穩(wěn)定運(yùn)行。雖然解決了很多技術(shù)上的難題，但是隨著特高壓電網(wǎng)的接入、電力電子器件以及新的控制技術(shù)的應(yīng)用，仍有大量的工作要做，必須要考慮特高壓接入后各種控制措施良好配合等方面的研究。

特高壓交流系統(tǒng)的功角、頻率、電壓穩(wěn)定性研究：

電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行的能力，可以細(xì)分為靜態(tài)穩(wěn)定、小干擾動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、大干擾動態(tài)穩(wěn)定。隨著電能需求的增加和電力系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題越來越突出，在典型故障下面臨暫態(tài)功角失穩(wěn)的風(fēng)險。文獻(xiàn)[11]針對暫態(tài)功角失穩(wěn)風(fēng)險問題提出了基于典型故障集的電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定近似判別方法，設(shè)計了風(fēng)險評估流程并且為提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性提出了新的研究思路。文獻(xiàn)[12]提出了一種用于暫態(tài)功角穩(wěn)定的切機(jī)控制策略計算方法。目前，所有研究都集中在交直流混合系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性與控制策略研究上，針對特高壓交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性與控制策略仍需進(jìn)一步研究。

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動后，系統(tǒng)頻率能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生頻率崩潰的能力[13]?；趦蓹C(jī)系統(tǒng)模型及WAMS實(shí)測數(shù)據(jù)，，文獻(xiàn)[14]提出了大受端電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定評估采用的模型和分析方法，總結(jié)了受端電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定分析中應(yīng)注意的問題。基于目前頻率穩(wěn)定研究中存在的不足，文獻(xiàn)[15]提出一種電力系統(tǒng)頻率失穩(wěn)風(fēng)險評估方法，推導(dǎo)了計及旋轉(zhuǎn)備用的頻率動態(tài)特性，建立了考慮低頻減載作用的頻率穩(wěn)定分析模型和考慮發(fā)電方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拓?fù)荷水平的隨機(jī)模型。國內(nèi)外研究人員對功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定關(guān)注較多，其中某些領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在線分析控制，而電網(wǎng)頻率動態(tài)特性及其控制一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中的一個薄弱環(huán)節(jié)，特高壓交流系統(tǒng)中頻率穩(wěn)定性及控制策略有待深入研究。

電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓失穩(wěn)的能力[16]。電力系統(tǒng)越來越朝極限運(yùn)行方式發(fā)展，其中電源競價上網(wǎng)機(jī)制和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱等因素給系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性帶來巨大挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)[17]闡述了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀、理論和研究方法，分析了電壓穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)和薄弱區(qū)域，研究了防止系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的控制策略和電力系統(tǒng)優(yōu)化理論。由于大干擾電壓失穩(wěn)機(jī)理的理論和研究方法不完善以及電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)與功角特性存在聯(lián)系，如何快速準(zhǔn)確判斷電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)是電力系統(tǒng)需要解決的一個難題，也有相關(guān)論文通過分析特高壓聯(lián)絡(luò)線潮流和電壓大幅波動的影響因素，總結(jié)了特高壓系統(tǒng)無功和電壓控制策略。

3 特高壓交流系統(tǒng)保護(hù)與控制

繼電保護(hù)作為維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要防線，在電力系統(tǒng)中時刻發(fā)揮著重要作用。與超高壓輸電線路相比，特高壓輸電線路參數(shù)發(fā)生較大變化，1000kV輸電系統(tǒng)對保護(hù)的影響主要是由分布電容引起的，因此對特高壓交流輸電線路的保護(hù)提出了更高的要求。

文獻(xiàn)[18]介紹了在1000kV輸電線路保護(hù)中所關(guān)注的一些重要問題，重點(diǎn)分析了特高壓系統(tǒng)暫態(tài)過程及特高壓保護(hù)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。文獻(xiàn)[19]根據(jù)特高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合我國繼電保護(hù)發(fā)展的具體情況，提出我國特高壓系統(tǒng)保護(hù)的配置方案。文獻(xiàn)[20]充分考慮特高壓電網(wǎng)的特點(diǎn)，給出了特高壓線路分布參數(shù)模型，介紹了近年來我國特高壓線路保護(hù)的研究成果以及國內(nèi)特高壓主設(shè)備保護(hù)方面的進(jìn)展。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電子式互感器的研究及應(yīng)用，特高壓系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的研究有待進(jìn)一步發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

隨著特高壓輸電線路工程建設(shè)及投運(yùn)，特高壓電網(wǎng)已成為現(xiàn)代電網(wǎng)的重要組成部分，并對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。本文概述了特高壓交流系統(tǒng)運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)，在特高壓交流系統(tǒng)功率控制、特高壓交流系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制等方面，對特高壓電網(wǎng)輸電能力、無功功率優(yōu)化與控制、穩(wěn)定性與控制高壓交流系統(tǒng)保護(hù)與控制進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了需要進(jìn)一步研究和解決的技術(shù)問題，為后續(xù)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、運(yùn)行和控制提供參考。

為了提高電網(wǎng)輸送能力、新能源并網(wǎng)和消納能力，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，在特高壓電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行和控制上需進(jìn)一步深入研究。

（1）規(guī)劃中的特高壓直流直流輸電和多端直流輸電相關(guān)技術(shù)需要特高壓交流電網(wǎng)提供堅強(qiáng)的網(wǎng)架支撐，含交、直流特高壓的復(fù)雜電網(wǎng)的動態(tài)特性，運(yùn)行方式，穩(wěn)定性分析、預(yù)測及控制策略等方面需進(jìn)一步研究。

（2）針對特高壓交直流互聯(lián)電網(wǎng)交直流互濟(jì)過程中的動態(tài)無功優(yōu)化與無功配置問題需進(jìn)行深入研究，并提出合理的控制策略和手段。

（3）大規(guī)模交直流互聯(lián)給系統(tǒng)特性帶來深刻變化，對電力系統(tǒng)的仿真提出了更高的要求。利用全新的仿真技術(shù)，建立特高壓交直流互聯(lián)系統(tǒng)機(jī)電-電磁暫態(tài)仿真平臺，準(zhǔn)確把握交直流互聯(lián)系統(tǒng)機(jī)理以及特性，跟蹤特高壓交、直流工程建設(shè)進(jìn)度以及新的設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用，提高建模精度、擴(kuò)大仿真規(guī)模、提高仿真效率需進(jìn)一步研究。

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