摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，半波长输电技术是一项具有前瞻性和竞争力的新型输电技术。特高压半波长输电线路稳态工频过电压问题严重，须制定相关的故障后安全稳定控制措施。该文提出了通过切除送端配套机组、线路末端投并联无功补偿设备、快速直流调制等控制措施抑制半波长输电线路稳态工频过电压，同时给出了相关理论分析，并通过大电网仿真算例验证了控制措施的有效性。该文研究成果进一步丰富和完善了对特高压半波长输电线路接入系统后控制特性的认识，将为大电网新型输电技术提供理论储备和技术保障。
关键词：半波长输电；过电压；控制措施；直流调制
引言
随着远距离输电需求的快速增长，关于半波长输电技术(half-wavelengthtransmission，HWLT)的研究逐渐深入，文献[1-5]基于长线路分布参数模型分析了半波长线路的稳态潮流特性，发现与常规线路相比，半波长输电线路沿线电压波动明显，易出现局部工频或稳态过电压现象；文献[6-8]则基于电磁暂态理论分析了半波长输电系统在大扰动时的暂态稳定及动态电压特性。在特高压电压等级，结合半波长输电技术，实现远距离大容量电力输送具有一定的应用前景。目前，关于常规特高压输电系统无功补偿配置的研究已经比较深入，基于经济压差，确定了特高压线路的无功需求容量。分别从避免谐振、抑制线路空载过电压的角度分析了高压并联电抗器的补偿度范围。针对长治—南阳—荆门特高压示范工程，讨论了低压电容/电抗器的配置原则。基于电压稳定性分析，确定了动态无功补偿的安装地点与容量。但是，因为半波长输电线路的电压/无功特性与常规特高压输电线路有很大不同，上述方法并不完全适用于特高压半波长输电系统。
1半波长输电系统过电压产生机理分析
1.1甩负荷工频过电压
甩负荷工频过电压包括无故障甩负荷和带接地故障甩负荷2种工况。带接地故障甩负荷工频过电压实际持续时间很短，可将其作为接地故障工况下过电压的一部分进行考虑。本节主要分析无故障甩负荷工频过电压。
1.2合闸操作过电压
对于常规特高压线路，合闸操作过电压是需要考虑的最重要的操作过电压。目前我国特高压线路均采用断路器合闸电阻和线路两侧装设MOA的措施进行限制。对于半波长线路，合闸操作过电压产生机理与常规线路相同，是系统向空载线路充电的振荡过程产生的过电压，本文不再论述。由于半波长线路长度远大于常规线路，合闸后的沿线稳态电压分布与常规线路有较大差别，因此合闸操作过电压沿线分布有所不同。
1.3接地故障工况下的过电压
常规线路发生接地故障时，一般过电压较低，且持续时间较短。半波长线路在故障时，如果不采取措施则沿线会出现非常高的过电压。以线路发生三相接地故障为例，图3给出了故障点到线路一侧电源间的稳态计算等值原理图，其中lF为故障点距电源侧的距离，故障点到另外一侧的分析原理相同。
2稳态工频过电压控制措施
2.1切除送端配套机组
送端机组通过半波长输电线路接入受端交流电网时，当电网发生故障后，假设安全稳定控制系统向送端电厂发送切机指令，切除半波长输电线路送端侧适量的配套发电机组，使得机组的机械功率瞬时下降。经过一定时间的暂态过程，机组的电磁功率与机械功率达到新的平衡后，半波长输电线路传输的有功功率将下降。此时，半波长输电线路沿线电压分布分析如下详述。由式可知，当略去电阻r0和电导G0时，即输电线路为无损半波长输电线路时，假设半波长输电线路末端与系统的无功交换为0，半波长输电线路输送的有功功率与沿线电压关系为U=cos(βl)+jPsin(βl)式中:U为半波长输电线路沿线电压;P为半波长输电线路输送的有功功率。以末端电压以及自然功率为基准值。可以看出，半波长输电线路中点处的过电压幅值最大;半波长输电线路传输的有功功率越大，线路上最大过电压幅值越大。由式易得，线路中点处的电压U=P∠90°，即线路最大过电压幅值的标幺值等于功率的标幺值;半波长线路输送的功率越接近自然功率，半波长输电线路电压分布越平缓，沿线过电压值越小。
2.2无功补偿容量优化配置
综合考虑经济成本和技术性能的目标，需要通过无功优化计算合理地选择静态补偿容量和动态补偿容量，从而确定最终的无功配置方案。优化变量为静态无功补偿及动态无功补偿分别的配置容量，且总的无功补偿容量满足式。优化目标包含了3项无功补偿投资收益经济性指标，分别为无功补偿设备的固定投资、运行及维护费用，电能损失费用，电压越限惩罚费用，如式所示：
式中：i=1时表示静态无功补偿项；i=2表示为动态无功补偿项；i为设备运行维护的费用率；Ci和Qi分别为设备安装费用及安装容量；Ki为补偿设备的单位容量价格；γ为贴现率；n为无功补偿设备的经济寿命；Ploss_max为系统保持最大负荷时的半波长线路有功损耗；Tmax为最大负荷损耗时间；ED为单位时间的电价；η为电压越限惩罚系数；Uline为半波长线路沿线最大电压越限值，由下式计算得到：
考虑的约束条件包括节点有功、无功平衡约束，低压电容/电抗器组投切约束，SVC无功出力约束，负荷节点电压上下限约束，发电机无功、电压约束等。本节提出的优化模型为典型的带约束单目标混合整数优化问题，目前关于此类模型的求解方法主要分为数学解析法及智能启发式算法，且均可以获得满意的结果。本文算法部分主要参考中的遗传算法进行求解.
2.3线路末端投并联无功补偿设备
半波长输电线路全线无功自平衡，无须无功补偿装置，是半波长输电线路的突出优势之一，但也使得线路传输的无功功率不能像在交流短线路中通过线路中并联无功补偿设备进行调节。然而，由于沿线电压分布和线路末端与系统的无功交换量相关，因此可通过在半波长输电线路末端投并联无功补偿设备，调整线路与系统的无功交换量，具体分析如下详述。假设线路末端的有功功率为1pu，由式(2)、(3)可得式(5):U=cos(βl)+Q2sin(βl)+jsin(βl)(5)式中Q2为半波长输电线路末端与系统的无功功率交换量，以半波长输电线路向系统提供感性无功功率为正。自然功率下，半波长输电线路末端不同负荷功率因数(k)时(即仅改变Q2大小)。可以看出，无功功率的大小、性质均影响半波长输电线路沿线电压分布。随着半波长输电线路末端功率因数的提升，半波长输电线路上的沿线电压分布趋于平缓，过电压值降低。
结语
为了应对特高压半波长输电线路沿线稳态工频过电压问题，本文提出了切除送端配套机组、末端投并联无功补偿设备、快速直流调制等控制措施，并通过仿真分析了不同控制措施的有效性，得到以下结论:(1)故障后采取切除半波长输电线路的配套机组的措施，能够减少半波长输电线路上输送的有功功率，有效抑制半波长线路沿线的稳态工频过电压幅值。(2)故障后采取在半波长线路末端投并联无功补偿设备，能够提升半波长输电线路末端的电压，使得半波长线路末端与末端系统的无功功率交换减少，进而有效抑制半波长线路沿线的稳态工频过电压幅值。(3)通过直流调制，能够大幅减少了网间交流联络线的输送功率，使得半波长输电线路末端电压大幅提升，进而减少了半波长输电线路与系统的无功功率交换，有效抑制半波长线路沿线稳态过电压幅值。
参考文献
[1]赵倩宇,王守相,秦晓辉,等.基于稳态特性的特高压半波长与直流混联系统电压无功控制[J].电力系统自动化,2017,41(22):26-32,47.
[2]张志强,秦晓辉,徐征雄,等.特高压半波长交流输电技术在我国新疆地区电源送出规划中的暂态稳定性研究[J].电网技术,2011,35(9):42-45.
论文作者:范会灵
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：过电压论文; 波长论文; 线路论文; 电压论文; 稳态论文; 功率论文; 沿线论文; 《电力设备》2019年第8期论文;