CN103001234B - 基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，针对特高压电网电压无功控制现状及问题，通过实时协调控制低压侧常规无功补偿与500kV电网动态无功补偿，可实现特高压电网无功电力实时平衡，应用本发明可以实现低压侧常规无功补偿和500kV电网侧动态无功补偿的实时协调控制，确保特高压电网无功电力实时平衡，高效、经济运行；同时可以大幅降低常规补偿投切操作频率，进一步降低变压器无功损耗，在一定程度上抑制联络线功率波动引起的母线电压波动。

Description

基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法。

背景技术

在保证电网安全稳定运行的基础上，为提高电网运行经济效益，减少有功损耗和投资，各种无功优化算法和电压无功自动控制装置得到了极大发展，发挥了很好的作用。无功优化问题是一个多变量、多约束的混合非线性规划问题，其控制变量既有连续变量如发电机机端电压，又有离散变量如电容器/电抗器投切、变压器分接头调整等，其数值求解的收敛可靠性及计算速度是其能否实用化的关键。目前的研究主要基于最优潮流等全局优化算法或分层分区的协调优化算法，理论上均可取得较好的控制效果，但在工程应用上还存在一定的问题。主要包括：(1)互联电力系统规模的不断扩大及电压等级的不断提升，特别是特高压大电网投运后，电网覆盖地域广大，节点数目众多，无功优化传统算法和人工智能算法均存在内存不足、收敛速度等维数灾难问题，且难以寻得全局最优解；(2)最优潮流需要基于状态估计的结果，并且大量数据处理和维护工作可能影响状态估计的结果，进而影响最优潮流的计算结果。

现有的特高压线路充电功率大，约为500kV线路的5～6倍；承担着较重的输电任务，超过其自然功率，从低压电容器和近区500kV系统大量吸收无功，无功电压控制难度较大；特高压变电站单组电容器/电抗器容量较大，单组投切造成较大的无功波动和电压波动；特高压联络线存在一定容量的有功功率波动，输送功率接近稳定极限时造成母线电压较大幅度波动，进一步加大了无功电压控制难度。

目前特高压试验示范工程采用的无功电压控制策略为：(1)综合考虑发挥线路输电能力、大小负荷方式调压灵活性以及线路解环过电压控制要求，确定特高压变压器分接头档位选择；(2)以特高压电网和近区500kV电网无功交换最小为目标，依据特高压线路功率传输功率的变化设计特高压变电站无功补偿投切策略；(3)依据特高压母线电压控制范围约束和近区500kV电网调压能力范围约束，确定近区500kV电网电压实际控制范围；(4)考虑特高压联络线功率波动的影响，进一步修正近区500kV电网电压控制范围；当母线电压偏离上下限时，主要以电容器/电抗器投切手段进行控制。该无功电压控制策略经过了大量仿真计算和电网实际运行的考验，确保了特高压电网无功电压的合理控制。但是该方法下电压控制和无功控制基本为解耦控制，以控制母线电压在合理范围内为主要目标，未能充分关注无功分层平衡的要求，特高压电网损耗也未能达到最小。

特高压电网建设初期，网架结构较为简单，此控制策略简单易行，具有较好的适应性；随着特高压电网的不断加强，枢纽变电站进出线回路数不断增加，线路潮流变化频繁，“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投切策略”将日益复杂，难以实施。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，针对特高压电网电压无功控制现状及问题，通过实时协调控制低压侧常规无功补偿与500kV电网动态无功补偿，可实现特高压电网无功电力实时平衡。

为实现上述目的，本发明提供一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1).实时计算一半长度线路的充电功率、无功损耗和有功损耗，综合考虑线路高抗无功消耗后作为变压器高压侧与特高压电网无功交换控制目标；

(2).实时计算特高压主变无功损耗，和低压侧需要配置的动态无功补偿容量；

(3).实现特高压线路无功平衡。

本发明提供的优选技术方案中，在所述步骤1中，以特高压电网无功分层分区平衡为控制目标，实时计算一半长度线路的充电功率、无功损耗和有功损耗，综合考虑线路高抗无功消耗后作为变压器高压侧与特高压电网无功交换控制目标，如式(1)；

$Q_{\mathrm{Hneed}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BH}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Hloss}}+Q_{\mathrm{Hrea}}---\left(1\right)$

其中，Q_BH为特高压变压器高压侧所接线路一半长度的充电功率，Q_Hloss为一半长度线路的无功损耗，Q_Hrea为近端高抗无功消耗。

本发明提供的第二优选技术方案中，在所述步骤2中，根据式2计算低压侧需要配置的动态无功补偿容量，该容量是实现无功分层分区、就地平衡的理想的平滑调节的量。

Q_DQneed＝Q_Hneed+Q_Tloss+Q_Mhalf(2)

其中，Q_Tloss为变压器无功损耗，Q_Mhalf为变压器中压侧所接线路一半长度的充电功率和一半长度的无功损耗之和。

本发明提供的第三优选技术方案中，在所述步骤3中，根据式3实现特高压线路无功平衡：

Q_DQneed＝Q_L-FCcom+Q_M-DQ(3)

其中，Q_L-FCcom为特高压变电站固定电容器/电抗器投切容量，Q_M-DQ为中压侧电网发电机动态无功调节容量。

本发明提供的第四优选技术方案中，实现特高压线路无功平衡的步骤为：

(3-1)由500kV电网发电机组进行无功功率控制，当变压器无功交换超过单组电容/电抗器容量时，依据前日负荷时段的功率变化趋势，并根据无功补偿每日投切次数限制，决定是否进行无功补偿投切，若进行投切则进入步骤3-2，否则进入步骤3-3；

(3-2).由近区500kV电网发电机组提供无功功率，通过电压无功灵敏度分析确定各电厂无功增发/吸收需求量，并结束方法；

(3-3).若进行投切，则控制近区电厂调整无功出力，实现无功功率就地平衡。

与现有技术比，本发明提供的一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，通过实时协调控制低压侧常规无功补偿与500kV电网动态无功补偿，可实现特高压电网无功电力实时平衡，应用本发明可以实现低压侧常规无功补偿和500kV电网侧动态无功补偿的实时协调控制，确保特高压电网无功电力实时平衡，高效、经济运行；同时可以大幅降低常规补偿投切操作频率，进一步降低变压器无功损耗，在一定程度上抑制联络线功率波动引起的母线电压波动。

附图说明

图1为实例计算中的特高压试验示范工程示意图。

图2为实例计算中计算得到的不同无功控制方法下南阳站母线电压曲线对比图。

图3为基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法的流程图。

具体实施方式

以特高压长治-南阳线路为例，暂不考虑南阳-荆门线路。考虑长南线两侧各装设20％串补，两侧变压器均按2*3000MVA考虑。

本发明一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法的具体步骤如下：

(1)以特高压电网无功分层分区平衡为控制目标，实时计算一半长度线路的充电功率、无功损耗和有功损耗，综合考虑线路高抗无功消耗后作为变压器高压侧与特高压电网无功交换控制目标，计算结果如表1所示。

(2)实时计算特高压主变无功损耗，特高压变压器中压侧无功交换控制为零，据此算出低压侧需要配置的动态无功补偿容量，可实现特高压和500kV电网的无功实时分层平衡；该控制要求下长治站、南阳站动态无功补偿容量需求如表1所示。可以看出：为实现该控制策略，需要在长治和南阳站分别配置动态无功补偿1544Mvar、1440Mvar；该容量已远远超过站内实际配置常规无功补偿8*160Mvar；制造并投运如此巨大容量的动态无功可调设备，技术上既不可行，投资上也不经济。

(3)在表1所设定的各种有功功率输电情况下，采用改进经济压差控制的特高压长南线无功补偿投切控制实施策略如表2所示。可以看出：采用中压侧动态无功补偿和低压侧常规补偿联合投切的策略，可以很好地实现无功分层平衡，同时500kV电网提供的动态无功均可控制在单组电容器/电抗器容量范围内。

表1

表2

改进的经济压差无功控制策略与传统的经济压差无功控制策略相比，部分减少了由变压器第三绕组提供的无功容量，考虑到低压绕组阻抗较大，且中压绕组阻抗一般为负值(提供无功功率)，因此改进的经济压差无功控制策略下变压器无功损耗更小，运行经济性更好。表3为以长治站为例的不同无功支撑分配策略下变压器无功损耗统计表。

表3

此外，考虑特高压长南线正常运行情况下出现±300MW有功功率波动，按照现有常规无功补偿投切策略，1000kV南阳母线电压波动约为24kV；按照改进的经济压差无功控制策略，500kV电网提供一定容量的动态无功调节能力，常规无功补偿装置不动作，1000kV南阳母线电压波动可控制在约16kV，减小8kV左右，有效降低了联络线功率波动对母线电压的影响如图2所示。

通过以下实施例对基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法作进一步描述。

一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，通过实时协调控制低压侧常规无功补偿与500kV电网动态无功补偿，可实现特高压电网无功电力实时平衡。

一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)以特高压电网无功分层分区平衡为控制目标，实时计算一半长度线路的充电功率、无功损耗和有功损耗，综合考虑线路高抗无功消耗后作为变压器高压侧与特高压电网无功交换控制目标，如式(1)；

$Q_{\mathrm{Hneed}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BH}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Hloss}}+Q_{\mathrm{Hrea}}---\left(1\right)$

其中，Q_BH为特高压变压器高压侧所接线路一半长度的充电功率，Q_Hloss为一半长度线路的无功损耗，Q_Hrea为近端高抗无功消耗；

(2)实时计算特高压主变无功损耗，首先假设500kV电网与特高压主变不发生无功交换，则据此可算出低压侧需要配置的动态无功补偿容量，如式(2)，该容量是实现无功分层分区、就地平衡的理想的平滑调节的量。但实际情况是目前变电站无功补偿均为分组投切的电容/电抗器组，难以实现平滑调节；

Q_DQneed＝Q_Hneed+Q_Tloss+Q_Mhalf(2)

其中，Q_Tloss为变压器无功损耗，Q_Mhalf为变压器中压侧所接线路一半长度的充电功率和一半长度的无功损耗之和；

(3)依据特高压变电站附近500kV电网发电机较多且特高压母线电压控制依靠500kV电网调压的特点，考虑将特高压变电站无功补偿和500kV电网发电机组动态无功联合调整，如式(3)，实现特高压线路无功平衡。

Q_DQneed＝Q_L-FCcom+Q_M-DQ(3)

其中，Q_L-FCcom为特高压变电站固定电容器/电抗器投切容量，Q_M-DQ为中压侧电网发电机动态无功调节容量。具体的策略为，首先由500kV电网发电机组进行无功功率控制，当变压器无功交换超过单组电容/电抗器容量时，依据前日负荷时段的功率变化趋势，综合考虑无功补偿每日投切次数限制，决定是否进行无功补偿投切；若不进行投切，则主要由近区500kV电网发电机组提供无功功率，通过电压无功灵敏度分析确定各电厂无功增发/吸收需求量；若进行投切，则控制近区电厂调整无功出力，实现无功功率就地平衡。

所述一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，所述步骤(1)中引入下式：

$Q_{\mathrm{Hneed}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BH}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Hloss}}+Q_{\mathrm{Hrea}}$

实时计算特高压电网高压侧所需动态无功支撑容量；

所述一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，所述步骤(2)中引入下式：

Q_DQneed＝Q_Hneed+Q_Tloss+Q_Mhalf

实时计算特高压变电站第三绕组所需动态无功配置容量，从而实现特高压高压侧、特高压变压器的动态无功消耗平衡；

所述一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，所述步骤(3)中引入下式：

Q_DQneed＝Q_L-FCcom+Q_M-DQ

从而将无功实时平衡所需的动态无功容量有效分配至特高压变电站固定无功补偿设备和500kV电网发电机动态无功调节容量，充分利用已有电压无功调节手段。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于改进经济压差的特高压电网无功电压控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1).以特高压电网无功分层分区平衡为控制目标，实时计算一半长度线路的充电功率、无功损耗和有功损耗，综合考虑线路高抗无功消耗后作为变压器高压侧与特高压电网无功交换控制目标Q_Hneed，如式(1)：

$Q_{\mathrm{Hneed}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BH}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Hloss}}+Q_{\mathrm{Hrea}}\left(1\right)$

其中，Q_BH为特高压变压器高压侧所接线路一半长度的充电功率，Q_Hloss为特高压变压器高压侧所接线路一半长度的无功损耗，Q_Hrea为近端高抗无功消耗；

(2).实时计算特高压主变无功损耗和低压侧需要配置的动态无功补偿容量，根据式(2)计算低压侧需要配置的动态无功补偿容量，该容量是实现无功分层分区、就地平衡的理想的平滑调节的量：

Q_DQneed＝Q_Hneed+Q_Tloss+Q_Mhalf(2)

其中，Q_Tloss为变压器无功损耗，Q_Mhalf为变压器中压侧所接线路一半长度的充电功率和一半长度的无功损耗之和；

(3).根据式(3)实现特高压线路无功平衡：

Q_DQneed＝Q_L‐FCcom+Q_M‐DQ(3)

其中，Q_L‐FCcom为特高压变电站固定电容器/电抗器投切容量，Q_M‐DQ为中压侧电网发电机动态无功调节容量；

实现特高压线路无功平衡的步骤为：

(3‐1).由500kV电网发电机组进行无功功率控制，当变压器无功交换超过单组电容/电抗器容量时，依据前日负荷时段的功率变化趋势，并根据无功补偿每日投切次数限制，决定是否进行无功补偿投切，若进行投切则进入步骤3‐3，否则进入步骤3‐2；

(3‐2).由近区500kV电网发电机组提供无功功率，通过电压无功灵敏度分析确定各电厂无功增发/吸收需求量，并结束方法；

(3‐3).若进行投切，则控制近区电厂调整无功出力，实现无功功率就地平衡。