换流站装设的无功补偿装置一般与交流滤波器合并考虑。下面以国内某特高压直流换流站为例，对直流工程无功配置方案进行说明。表4.1换流站系统无功消耗计算根据计算结果，直流输送额定功率时，换流系统消耗的无功功率为6 156 Mvar；当直流5%过负荷运行时，换流站消耗无功功率增至6 464 Mvar；直流10%小负荷运行方式下，无功功率消耗为312 Mvar。......
2023-06-29
高压交流输变电工程的无功优化配置研究
【摘要】：500 kV及以上输电系统的过电压问题相对突出，为实现无功平衡和抑制线路工频过电压，目前所运行的高压交流输电线路采取的方案是：固定高压并联电抗器和低压无功补偿电力设备配合使用。高压线路充电功率大，空载时线路电压高，低压无功补偿配置应满足投切空载线路的要求，保证线路两端电压低于1 100 kV。
随着电力系统电压等级的升高和输电距离的增加，输电线路的无功特性发生了根本变化。由于高压交流输电系统本身的特殊性，其无功补偿方式与中压、低压电网中以往熟知的无功补偿方式不同。以东北特高压交流线路为例，采用1 000 kV额定电压，LGJ-630×8 mm2线路，线路充电功率随着输电距离的增加而增大，其正序电容约为0.013 97 μF/km，容性充电功率高达5.3 Mvar/km，为500 kV线路的4～5倍。因此，需要在长距离的高压输电线路上安装高补偿度的并联电抗器，以抑制工频过电压以及在此基础上形成的操作过电压和线路充电功率。500 kV及以上输电系统的过电压问题相对突出，为实现无功平衡和抑制线路工频过电压，目前所运行的高压交流输电线路采取的方案是：固定高压并联电抗器和低压无功补偿电力设备配合使用。
为了限制工频过电压，需要高压线路上安装高抗，其容量一般以线路充电功率的补偿度来描述。满足高压输电线路工频过电压要求的高抗补偿度与线路两端系统强度有关，系统短路容量较大的位置，可以适当减少高抗补偿度。一般情况下，高压交流电网建设初期，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[1～3]。
高压交流电网潜供电流问题比较突出，需要安装带中性点小电抗的并联电抗器，可以考虑线路一端安装并联电抗器，另一端不安装的方案；双回线路可以考虑一回线路一端安装高抗，另一回另一端安装高抗的方案。
高压交流输电线路中容性无功功率和感性无功功率的大小差异，决定了线路所产生无功功率的大小。设高压交流输电线路上装设的所有并联电抗器总容量为QB，而电抗器补偿度的定义是电抗器的总容量相对于输电线路所产生的容性无功功率的比值，所以电抗器的补偿度公式如下[4]：
高抗的主要作用是用来限制工频过电压，但不同的高抗补偿度对输电线路的无功特性影响较大。较高的高抗补偿度有利于减少轻载时线路的感性无功需求，但重载时感性无功需求增加。加装不同补偿度的并联电抗器会对线路的传输功率和线路两端的电压以及线路损耗产生影响。因此，对于无功特性不同的高压电网交流线路需要确定最优补偿度。不同补偿度下某特高压交流送端和受端母线电压结果如图4.1所示，纵坐标单位为kV，横坐标单位是电压标幺值。
图4.1 不同补偿度下的母线电压曲线
交直流系统高压电抗器的配置对电力系统的无功电压运行具有较大影响，主要评价指标包括网络损耗和电压分布两方面的内容。为了得到电抗器的最优补偿度，对上例图上补偿度与电压曲线进行拟合，得到补偿度与高压交流输电线路两端母线电压、补偿度与高压交流系统线路输送功率的关系式。
线路首端电压偏差绝对值为
线路末端电压偏差绝对值为
线路有功损耗为
为确定并联电抗器的最优补偿度，就要保证特高压输电线路端电压偏差的绝对值最小，输电线路上功率损耗最小。根据式（4.5）～式（4.7）可确定寻优目标函数为
式中，λ1，λ2，λ3分别为权重系数；
为线路损耗占系统基准容量的比值；SB为系统基准容量。
当F值最小时，表明线路损耗、电压偏差都处于比较理想的状态，此时的补偿度为最优补偿度。通过仿真计算，可得补偿度与F的关系图，如图4.2所示。
由图4.2可得，当考虑首末端电压偏差和线路损耗，补偿度取0.835时，F值最小为0.024 6。在此补偿度下，线路首端电压为1 046.9 kV，线路末端电压为1 051.6 kV，线路的功率损耗为5.69 MW。因此，此值为高压交流线路最优补偿度。
此外，电网无功平衡主要措施包括调节发电机无功出力、调节变压器分接头、安装低压无功补偿设备等。低压无功补偿设备是目前最常用的无功补偿方法，对高压输电线路而言，不存在技术上的障碍。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。
图4.2 补偿度与目标函数F的关系图
在实际系统无功平衡时，应同时考虑高压补偿和低压补偿措施。以特高压交流系统为例，高压交流输电系统无功补偿用于补偿轻载时线路的充电功率及重载时主变和线路的无功损耗1 000 kV系统与500 kV系统无功交换尽可能小，高压节点电压控制在1 000～1 100 kV，每条线路的无功补偿由两端变电站提供50%。高压线路充电功率大，空载时线路电压高，低压无功补偿配置应满足投切空载线路的要求，保证线路两端电压低于1 100 kV。低压无功补偿配置应结合变压器分接头位置调整进行，低压无功补偿容量应该不超过第三绕组容量，单投设备容量应满足电压波动要求，投切引起的中压侧电压波动应不超过额定电压的2.5%。
根据实际高压试验示范工程经验，某高压输电工程在拟定的低压无功配置方案如下：高压变电站各安装4组低压电容器组和4组低压电抗器组，如图4.3所示。其中，低压电容器组的最高运行电压为126 kV，单组容量为210 Mvar；低压电抗器的额定电压为105 kV，单组容量为240 Mvar。
在季节性负荷、不同负载条件下，无功满足分层分区平衡的原则，电压均在允许的范围内，低压电容器组和低压电抗器组单组设备投切时在变电站主变中压侧引起的电压波动均在允许的范围内。
图4.3 电抗器配置结果图
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