基于MCR的特高压交流输电系统的无功电压控制

刘彦聪

摘要：特高压交流电网是长距离大范围平衡能源供需、建设坚强智能电网和全球能源互联网的关键。特高压交流电网正在稳步发展中，无功电压控制是保证特高压交流电网安全可靠经济运行的重要手段。文中总结了特高压交流线路的无功、电压特性，指出了特高压交流电网在无功电压控制方面存在的困难;从独立控制、与近区电网协调控制、大电网全局优化三个方面综述了特高压交流电网的无功电压控制方法。

关键词：特高压交流;无功特性;电压特性;无功电压控制

我国一次能源蕴藏和电力负荷分布不平衡：火电能源主要集中在西北地区，水电能源主要集中在西南地区，而能源负荷中心则集中在华东和华南地区。这样的能源分布状况决定了我国要实现更大范围内电力资源的优化配置，必须建设特高压输电系统，实现远距离大容量输电。

文章详细阐述了我国特高压交流输电技术在无功补偿方面遇到的新问题，提出了无功补偿方案设计原则，对比分析了特高压交流输电中常用的无功补偿技术，提出了一种便于工程应用和推广的无功补偿策略。

1特高压交流输电技术在无功补偿方面遇到的新问题

特高压输电线路无功功率的一个突出特点就是线路电容产生的无功功率很大，在额定电压为1000kV以及最高运行电压为1100kV的条件下，平均每百公里线路的充电功率约为550Mvar，约为500kV线路的5-6倍。

特高压输电的受端电网受输电系统运行状况的影响更大，因而用于电压支撑的无功电源是否合理配置更加重要。否则受端电网在特高压输电系统故障所形成的大扰动下，容易发生电压失稳事故。所以在受端电网侧必须要有相应的无功补偿措施与整个电网的无功相配合。

另一方面，在特高压电网发展的不同的时期，特高压输电线路的无功功率随传输的有功功率变化而有较大区别。特高压电网在建设初期，网架结构相对简单，主要是实现点对点的电能输送，受系统阻抗特性及稳定极限的限制，传输功率小于线路的自然功率，线路的电容特性使无功功率过剩;随着特高压电网的不断加强建设，将通过各区域电网的互联和水火电能源互济，来实施更大范围内的资源优化战略。特高压电网的输送能力将大大提高，输送功率将随时变化，输电线路的无功功率也将频繁变化。依据特高压线路传输功率的变化设计特高压变电站无功补偿设备及其投切策略将日益复杂，而且难以实施。

2无功补偿方案确定原则

配置无功补偿方案时，首先分析输电系统的无功特性，包括根据线路参数和高抗方案计算输电线路无功特性和根据变压器参数计算主变无功特性;在此基础上结合系统条件，按照远近结合的原则，计算系统重载和轻载情况下系统无功功率需求，确定无功补偿总量;然后计算无功补偿设备投切引起的电压波动，确定单组容量;最后对无功补偿方案进行校核计算和技术经济比较，提出无功补偿推荐方案。

3特高压交流输电无功补偿技术分析

3.1固定电抗器的高压补偿技术

特高压线路采用安装高压电抗器来限制工频过电压。满足线路工频过电压要求的高抗补偿度与线路两端系统的强度有关。一般情况下，在特高压电网建设初期，线路高抗补偿度可以考虑为80%～90%或以上，输电系统工频过电压和潜供电流能够满足要求;在建设阶段，高抗容量需结合具体实际情况进行详细电磁暂态计算分析来确定。

3.2固定电抗器和电容器的低压补偿技术

低压无功补偿设备，包括固定电抗器和电容器是目前最常用的无功补偿方法。低压无功补偿设备容量大小便于调节，设置地点灵活，可将其分散安装在各变电所内及负荷端用电设备侧，符合无功就地平衡、分级补偿和便于调整的原则，主要用于稳态电压调整和功率因数校正，需满足使1 000 kV系统与500 kV系统无功交换尽可能小，使特高压节点电压控制在1 000～1 100 kV之间。对特高压输电线路而言，不存在技术上的障碍，例如特高压试验示范工程中采用的就是这种无功平衡方法。

但低压无功补偿需经过变压器与特高压线路相连，会削弱无功补偿效果，同时，受变压器低压绕组容量制约，补偿量有限制。目前国内500 kV以下电力变压器低压绕组容量一般不超过总容量的30%，但特高压变压器对低压无功容量需求较大，应适当增加低压绕组容量，我国特高压交流试验示范工程主变第三绕组容量为额定容量的三分之一。

无功补偿设备投切方案主要有按功率因数控制、按母线电压控制、按负荷电流控制、按昼夜时间控制等几种方式。目前，我国500 kV系统的低压无功补偿设备投切主要是按照不同时段母线电压控制。1 000 kV输电系统无功补偿既补偿变压器的损耗也补偿输电线路的无功损耗，1 000 kV系统功率波动时与低一级电压等级系统无功交换较大，仅按照电压控制，可能存在电压变化不大而无功交换较大的情况，此时因无功传输较多导致网损增加，因而需要考虑按有功功率和电压综合控制方式。

3.3可控电抗器动态无功补偿技术

为解决限制过电压和无功调相调压之间矛盾的有效措施是采用可控高压电抗器——磁阀式可控电抗器（MCR），一般安装于长距离大容量输电线路，大型电源送出线路，潮流变化较大的联络线等。可控高抗解决的问题包括：一、无功补偿能力不足时通过调节其容量保持无功平衡;二、在潮流频繁波动时通过调节可控高抗容量避免低压无功补偿设备的频繁投切。

MCR具有动态连续可调的优势，主要通过晶闸管的开关改变其电流，从而改变铁心的饱和度，达到改变电抗值的目的。其主要特点是电抗值能够平滑调节，给电网带来的谐波小，另外它采用变压器的结构使得晶闸管的耐壓值不用很高。在特高压交流输电系统中，采用MCR和固定电容器配合使用的方式可以很好地补偿电网的无功，还可以避免输送功率较大时高压电抗器带来的严重不足的问题。但是MCR的响应速度较慢，一般为100ms左右。至今，俄罗斯已经有500kV的MCR在试运行，在1000kV的特高压交流输电系统有着很好的应用前景。

3.4晶闸管控制变压器无功补偿技术

晶闸管控制变压器（TCT）是常见动态无功补偿晶闸管控制电抗器（TCR）技术的一种变形。主要区别在于TCR是采用6脉波接法（即三角形接法），而TCT采用了一个三绕组的变压器，原边采用Y形接法接电网侧，副边是一个Y形接法一个△形接法接两组TCR，从而构成了12脉波。

TCT也等效于一个可调的电抗器，它的特点与MCR相似，动态连续可调，谐波注入少，晶闸管不用耐高压。它最主要的优点在于调节速度快，能够快速跟踪电网的无功变化，在10-20ms的时间内对系统进行补偿。

TCT只吸收感性无功，常常与固定电容器配合使用。在1000kV的特高压交流输电系统中采用TCT+固定电容器进行无功补偿效果将会比MCR更好。由于它采用的晶闸管数量较多，需要更好的散热技术作为保证。在印度已有400kV的TCT在电网中投入运行，国内也正在研制用1000kV的特高压TCT。

3.5便于工程应用和推广的无功补偿方案

结合目前设备技术上的研发现状，对于特高压长距离大容量输电线路，采用MCR连续平滑调节其容量，维持无功补偿能力不足时的无功平衡及在潮流频繁波动时避免低压无功补偿设备的频繁投切。低压侧与高压侧配合使用固定电抗器和电容器来稳态电压调整和功率因数校正。在无功补偿电压控制上，为避免电压变化不大而无功交换较大，从而导致无功传输较多使网损增加的情况，考虑采用有功功率和电压综合控制方式。

4结论

本文深入分析了我国特高压交流输电技术在无功补偿方面遇到的新问题，提出了无功补偿方案设计原则，对比分析了特高压交流输电中常用的无功补偿技术，并提出了一种便于工程应用和推广的无功补偿方案——高压侧采用MCR，低压侧采用固定电抗器和电容器，并按有功功率和电压综合控制。

参考文献：

[1]刘振亚.中国特高压交流输电技术创新[J].电网技术，2014，37（4）：567-568.

[2]舒印彪.1000KV交流特高压输电技术的研究与应用[J].电网技术，2016.1234-1235.