远距离输电线路综合电势补偿

冯瀚　肖岚　滕福生
1.浙江大学电机系,310027 杭州　2.四川电力调度局，610016 成都　3.四川大学，610065 成都

1　引言
随着现代电力系统的发展，越来越多的远离负荷中心的大容量发电厂相继建成投运，同时，越来越多的分区电力系统互联运行，形成了大容量、高可靠性的联合电力系统。其中，超高压、远距离输电线路承担着连接受端系统和远区大容量电厂或不同分区电力系统的任务，起着十分重要的作用。然而远距离输电线路也会给电力系统的运行带来诸多问题，因此，如何准确、快速、有效地调节和监控远距离输电线路的运行特性，改善系统的稳态特性和暂态特性，一直是一项重要的研究课题。
近年来，国内外在电力系统运行和控制方面进行了大量的研究，取得了不少成果。统一潮流控制器^［1，3］通过应用两个电压源型变换器在线路中获得补偿电势，从而控制系统的潮流，增加线路运行的灵活性，但是其控制原理较复杂。串联电容补偿^［2］是一种有效的补偿手段，它通过电容补偿线路电感，从而降低线路的电抗，提高线路的输送能力，提高系统的静态和暂态稳定性，但是串联电容容易引起系统次同步振荡(SSR)，因而受到一定补偿度的限制，而且串联电容的成本很高，在线路故障时工作条件又十分恶劣。静止无功补偿器^［4］能够补偿接入点的电压，改善系统的稳态特性，但是它只能补偿系统的无功功率，对系统的有功功率控制能力较弱，而且其补偿能力会受接入点电压的影响。本文提出一种基于电力电子控制的串联加压变压器的综合电势补偿器，系统仿真证实了其可行性。

2　综合电势补偿的原理及对电力系统的影响
2.1　综合电势补偿原理
综合电势补偿是通过在远距离输电线路的适当地点串入一个幅值和相位均可连续调节的电势，实现改善电力系统运行特性所需要的多种功能。
设综合电势补偿器串入的电势矢量为_c，补偿器导纳为Y_c，线路用π型等效电路表示，则加装补偿器线路的等效电路如图1所示。

图1　加装补偿器的线路等效电路图
Fig.1　Equivalent circuit of long distance line with compensator

图中，V_ci和V_cj分别为补偿器两端电压，Z₁、Z₂、Y₁₀和Y₂₀分别为线路等效参数。设流过补偿器的电流为_c，则由图1可得：

　(1)

在运行中，补偿器串入的电势取为：

　(2)

式中　_ci和_c分别为补偿器安装点的电压矢量和流过补偿器的电流矢量；K_v1，K_v2和K_i分别为横向电压、纵向电压和电流增益，且均为可正可负的实数，具体的取值根据电力系统运行的需要而定。
由式(2)可得补偿器两端电压矢量图，当忽略补偿器电抗时，矢量图如图2所示。

图2　补偿器两端电压矢量图
Fig.2　Voltage vector diagram of bi-terminal of the compensator

由图2可知，补偿器串入的电势包括三项：第一项K_v1ci表明在线路中串入一个与串入点电势同相或反相且大小可以改变的电势，可以改变电压幅值，即可以起到并联电容器或电抗器补偿的作用；第二项jK_v2ci表明在线路中串入一个与串入点电势垂直且大小可控的电势，可以改变线路电势的相位，即可以起到移相器的作用；第三项jK_ic表明在线路中补偿器安装点串入一个与流过补偿器电流相垂直的电势，可以减小线路的等效压降，即可以起到串联电容补偿的作用。因此，综合电势补偿器可以起到并联电容器或电抗器、移相器和串联电容器补偿的综合作用，对电力系统安全、可靠运行十分有利。
2.2　综合电势补偿对电力系统稳态特性的影响
设系统中发电机节点数为N_G，补偿器台数为N_C。首先构成补偿器的自导纳矩阵

Y_c＝diag(－Y_c1，Y_c1，－Y_c2，Y_c2，…，－Y_cNc，Y_cNc)　(3)

其次按照发电机节点、补偿器节点和其它中间节点的次序列写系统的节点方程

　(4)

式中　_G为发电机注入电流矢量；、_c和_N分别为发电机节点、补偿器节点和其它中间节点的电压矢量；导纳矩阵中各元素分别为对应的导纳分块子矩阵。
消去补偿器节点，保留发电机节点和其它中间节点，并求出其它中间节点电压为

_N＝λ_eqNG＋λ_eqNCc(5)

其中
λ_eqNG＝(Y_NN－Y_NCY^－1_CCY_CN)^－1(Y_NCY^－1_CCY_CG－Y_NG)
λ_eqNC＝－(Y_NN－Y_NCY^－1_CCY_CN)^－1Y_NCY^－1_CCY_C
λ_eqNG和λ_eqNC分别称为发电机节点对其它中间节点的电压增益矩阵和补偿器节点对其它中间节点的电压增益矩阵。由其表达式可见它们只与系统的结构参数有关，而与系统的运行参数无关。
由式(5)可知，系统中除了发电机节点和补偿器节点以外的其它中间节点的电压，受控于系统中加装的综合电势补偿器串入的电势。当系统结构一定时，系统的两个电压增益矩阵为已知，因而可以通过调节补偿器串入的电势的幅值和相位来控制系统的节点电压，以改善系统的稳态特性。
2.3　综合电势补偿对系统暂态特性的影响
为分析方便，设发电机电抗为暂态电抗，发电机电势为暂态电抗后的电势，且认为由于调节器的作用，发电机暂态电抗后电势在暂态过程中保持不变。分析式(4)，并由该式消去补偿器节点和其它中间节点，求解出发电机的注入电流矢量为

_G＝Y_eqGG＋Y_eqGCc(6)

式中　Y_eqGG和Y_eqGC分别为发电机节点自导纳矩阵和补偿器与发电机间的转移导纳矩阵，且均经过系统故障时的短路导纳修正过。
由式(6)可得发电机输出的有功功率为

　(7)

式中　δ_i和θ_cj分别为第i台发电机功角和j台补偿器的电势相角；δ_ij为第i、j发电机间的相对功角。
由式(7)可见，发电机发出的有功功率由两部分组成：
第一部分为式(7)的前两项的和，它表示在不考虑补偿器时发电机的输出功率，即在不考虑补偿器导纳时与不加补偿器系统的发电机输出完全一样。与补偿器有关的第二部分，设其为P_Gci，重写为

　(8)

由上式可见，补偿器能使发电机增加有功出力，而且这部分功率为补偿器电势幅值和相位的函数。当补偿器串入的电势满足式(9)时，可以使第i台发电机出力达到最大。

E_cj＝E_cjmax
δ_i－θ_cj－α^ij_eqGC＝90　(9)

式中　E_cjmax为补偿器所能串入的电势的最大幅值，受补偿器容量限制。
所以当系统发生故障时，通过调节综合电势补偿器所串入的电势的幅值和相位，增加发电机的出力，从而减小发电机轴上的不平衡功率，以改善系统的暂态特性。

3　综合电势补偿器的技术实现
综合电势补偿是通过在线路上串联一幅值和相位均可连续调节的电势来实现的。因此综合电势补偿器在结构上应包括能实现下述3种功能的部件：
(1) 综合电势补偿器所需的电源；
(2) 电势幅值和相位调节器；
(3) 控制器。
本文提出的综合电势补偿器以串联加压变压器为基础。在用串联加压变压器实现综合电势补偿时，补偿器所需要的电源直接从补偿器安装点获取。考虑到电力系统是一个复杂的有机整体，补偿器的控制信号不仅取安装点的信息，还取电力系统中适当的远动信息，以便补偿器有效运行。补偿器串入的电势的幅值和相位调节原理如下：补偿器的电源变压器有两个副边绕组，通过适当的变压器组别配合，在电源变压器的副边获得两个互相垂直的电势E_C1和E_C2，这两个基本电势分别经过由电力电子元件(SCR或GTO)组成的交流调压和倒相装置进行调压和倒相，然后在串联变压器的原边将这两个大小独立可调、互相垂直的电势合成，得到一个所需的串联电势E_C。串联电势的幅值可以通过分别控制两个分量的幅值来实现，其相位可通过控制两个分量的相对幅值来实现。补偿器串入的电势幅值和相位调节如图3所示，补偿器的结构示意图如图4所示。

图3　电势合成及调节示意图
Fig.3　The voltage synthesis and regulation

图4　综合电势补偿器结构原理图
Fig.4　Structure of the compensator

4　系统仿真
为了验证综合电势补偿的可行性，本文用某一实际系统进行了仿真。仿真结果显示，补偿器能够连续控制系统中被控节点电压的幅值和相位，改善系统的稳态特性；同时可以提高被控发电机的出力，提高系统受扰后的暂态稳定性。因此，综合电势补偿对系统的稳态特性和暂态特性均有好处。

5　结论
(1)综合电势补偿器通过串入一个电势，可以控制受端母线的电压幅值和相位，从而获得良好的系统稳态特性，提高系统静态稳定性。
(2)综合电势补偿器能在故障时增加发电机的输出电磁功率 ，减少发电机轴上的不平衡功率，从而可以改善系统的暂态特性。
由于综合电势补偿器具有以上的作用和特点，因此它必将在远距离输电和灵活交流输电中获得广泛的应用。

参考文献
1　Gyugyi L.Unified power-flow control concept for flexible AC transmission systems.IEE Proceedings—C, 1992,139(4)
2　Nelson R J, Bian J, Williams S L.Transmission series power flow control.IEEE Transactions on Power Delivery, 1995,10(1)
3　Gyugyi L,Schauder C D,Williams S L et al.The unified power flow controller:a new approach to power transmission control. IEEE Transactions on Power Delivery, 1995,10(2)
4　Galanos G D, Hatziadoniu C I, Cheng X-j et al. Advanced static compensator for flexible AC transmission.IEEE Transactions on Power Systems, 1993,8(1)
5　张笠，赵永健. 现代电力电子技术. 北京：科学出版社，1995
6　肖岚，滕福生. 远距离输电线路纵向补偿的紧急控制理论及控制技术. 迈向21世纪的电工科技学术会议论文集，上海：1996

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