特高壓交流電網(wǎng)無(wú)功電壓控制

李志 孫松松 杜文琦

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司 山東濟(jì)南 250000

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及電壓等級(jí)的不斷增高。尤其是特高壓電網(wǎng)的接入。電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化的傳統(tǒng)算法和人工智能算法均存在計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足、收斂速度慢等維數(shù)災(zāi)難問(wèn)題，且難以尋得全局最優(yōu)解。而與普通線路不同，特高壓線路導(dǎo)線的等效直徑增大、相對(duì)相以及相對(duì)地之間的分布電容增大，容易出現(xiàn)較大的過(guò)電壓從而導(dǎo)致優(yōu)化計(jì)算收斂困難。

1 特高壓交流線路的無(wú)功、電壓特性

特高壓交流電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制方法特高壓電網(wǎng)是近幾年發(fā)展的，采用了新的電壓等級(jí)，無(wú)功電壓控制技術(shù)并不成熟。需要對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)電壓控制（automaticvoltagecontrol，AVC）系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整；而超高壓電網(wǎng)發(fā)展較為成熟，對(duì)應(yīng)的AVC系統(tǒng)也在理論和實(shí)踐中形成成熟的分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

理論上，全局無(wú)功優(yōu)化是進(jìn)行無(wú)功電壓控制的好方法，可以靈活考慮多種目標(biāo)和約束。但無(wú)功優(yōu)化在數(shù)學(xué)上是一個(gè)多變量多約束的混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。初始值的選取、問(wèn)題的維數(shù)、控制參數(shù)的設(shè)置等條件都可能對(duì)算法的求解效率和尋優(yōu)質(zhì)量造成很大的影響。因此，全局無(wú)功優(yōu)化方法大多處于理論上的研究階段。在實(shí)用中，基于二級(jí)電壓控制或三級(jí)電壓控制的AVC系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。

2 特高壓交流電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制方法

2.1 基于電壓合格和無(wú)功平衡的獨(dú)立控制

電壓合格是無(wú)功電壓控制的基本要求。無(wú)功功率分層分區(qū)平衡是長(zhǎng)久以來(lái)電力系統(tǒng)運(yùn)行的認(rèn)識(shí)和原則?；陔妷汉细窈蜔o(wú)功平衡的獨(dú)立控制，是比較直接的控制方法，也符合國(guó)內(nèi)分層分區(qū)的調(diào)度體系。

2.2 考慮近區(qū)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制

特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓?jiǎn)栴}突出，現(xiàn)階段在特高壓電壓層的調(diào)節(jié)手段相對(duì)缺乏，因此有必要利用近區(qū)超高壓電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合。經(jīng)濟(jì)壓差的實(shí)現(xiàn)要求特高壓電網(wǎng)有足夠、連續(xù)可調(diào)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，但目前特高壓電網(wǎng)只裝有離散的低容低抗?；诮?jīng)濟(jì)壓差的方法能實(shí)現(xiàn)特高壓線路無(wú)功功率在兩側(cè)的均攤，有利于減小特高壓線路的有功損耗和電壓降落。

這種方法對(duì)于輻射狀的線路而言計(jì)算簡(jiǎn)單，但在環(huán)網(wǎng)中則難以適應(yīng)，而且該方法只考慮了特高壓自身的無(wú)功平衡，沒(méi)有討論特高壓電網(wǎng)與超高壓電網(wǎng)之間的相互影響[1]。

3 特高壓交流電網(wǎng)無(wú)功電壓控制發(fā)展方向

3.1 特高壓連接成網(wǎng)的無(wú)功電壓控制

特高壓輸電線路連接成網(wǎng)是特高壓交流電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)家區(qū)域電網(wǎng)問(wèn)互聯(lián)、洲內(nèi)各國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)，乃至洲際電網(wǎng)互聯(lián)，在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想下，特高壓交流電網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，電網(wǎng)的耦合越來(lái)越緊密，無(wú)功電壓控制的對(duì)象是前所未有的大范圍、多主體、差異化的大規(guī)模能源互聯(lián)網(wǎng)。形成網(wǎng)絡(luò)后，一方面，特高壓交流電網(wǎng)的無(wú)功、電壓特性與簡(jiǎn)單的特高壓交流輸電通道不同；另一方面，電網(wǎng)的耦合更加密切，而各層／區(qū)的無(wú)功電壓控制目標(biāo)和能力可能存在較大差異，分層分區(qū)控制需要做出適應(yīng)性調(diào)整。如果建立統(tǒng)一的優(yōu)化模型，問(wèn)題的規(guī)模將會(huì)十分龐大，求解模型需要處理大量的數(shù)據(jù)，對(duì)算法的求解效率和尋優(yōu)質(zhì)量提出更高的要求，數(shù)據(jù)的共享在現(xiàn)實(shí)中也不一定可行，這會(huì)嚴(yán)重限制全局優(yōu)化算法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

如果將特高壓電網(wǎng)與各區(qū)域電網(wǎng)一同納入統(tǒng)一的AVC系統(tǒng)中，則在這一垂直體系中，最高層的主站需要對(duì)跨區(qū)域甚至跨洲多級(jí)電壓的特大型電網(wǎng)負(fù)責(zé)，其重要性被放在前所未有的位置，一旦高層主站出現(xiàn)故障、失效，其影響范圍將會(huì)很大，這對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提出了嚴(yán)格的要求。從AVC系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀來(lái)看，特高壓電網(wǎng)是近幾年才發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)有的AVC系統(tǒng)已較成熟且相對(duì)固化，AVC系統(tǒng)建設(shè)前期并未考慮到特高壓電網(wǎng)的接人。特高壓電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制應(yīng)當(dāng)考慮如何與現(xiàn)有的AVC框架進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，并對(duì)現(xiàn)有AVC系統(tǒng)的改造方法和成本進(jìn)行分析。

3.2 特高壓交直流混合電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

交、直流輸電各有其特征和定位，建設(shè)交直流混合輸電骨干網(wǎng)架，有利于形成更加合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。特高壓交直流混合電網(wǎng)是中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。特高壓直流輸電的無(wú)功需求由其運(yùn)行方式和換流站的控制方式?jīng)Q定，一般而言，在滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)，換流站的無(wú)功損耗高達(dá)有功功率的40%-60%。特高壓直流輸電的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要堅(jiān)強(qiáng)的受端交流電網(wǎng)支撐。在特高壓交直流混合電網(wǎng)中，特高壓直流輸電的發(fā)展不可避免地對(duì)特高壓交流電網(wǎng)的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)能力提出新的要求。如何處理特高壓直流輸電的運(yùn)行約束，協(xié)調(diào)交直流電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制，是發(fā)展特高壓交直流混合電網(wǎng)需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[2]。

由于特高壓直流電網(wǎng)的無(wú)功需求，需要提出特高壓交直流混合電網(wǎng)的協(xié)調(diào)無(wú)功電壓控制方法，研究特高壓直流電網(wǎng)在不同接入方式、運(yùn)行方式、控制方法下的無(wú)功需求和補(bǔ)償策略，研究特高壓交流電網(wǎng)與特高壓直流電網(wǎng)的無(wú)功電壓耦合特性，研究特高壓交流電網(wǎng)與特高壓直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)無(wú)功電壓控制策略。

3.3 適應(yīng)大規(guī)模間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制

隨著間歇性可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展和大規(guī)模上網(wǎng)，特高壓輸電線路傳輸功率的隨機(jī)性、波動(dòng)性將大大加強(qiáng)。到2015年為止，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量129GW，光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量43.18GW，可再生能源（不含水電）的裝機(jī)容量在全球排名第一。在可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)和電力市場(chǎng)機(jī)制不斷深化的背景下，特高壓輸電線路的功率大范圍波動(dòng)將有可能成為一種常態(tài)，而不僅存在于發(fā)生了故障的特殊場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

特高壓交流電網(wǎng)由于充電功率大、輸送容量大、輸送距離遠(yuǎn)等特性，無(wú)功電壓?jiǎn)栴}突出，而在特高壓層級(jí)調(diào)節(jié)手段缺乏、調(diào)節(jié)效果粗略，因此，特高壓交流電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制需要針對(duì)其特性進(jìn)行研究。