一种基于电力电子换流技术的半波长输电混合调谐系统的制作方法

本发明属于特高压交流输电领域，具体涉及一种基于电力电子换流技术的半波长输电混合调谐系统。

背景技术：

当前，国家电网公司正推进“一特四大”的电网发展战略，以大型能源基地为依托，建设由1000kV交流和±800kV直流构成的特高压电网，促进大煤电、大水电、大核电、大型可再生能源基地的集约化开发，以解决能源基地与负荷中心之间远距离、大规模、大容量的电力输送难题，在全国范围内实现资源优化配置。同时随着全球能源互联网概念的提出，未来国家与国家之间、洲际与洲际之间的电力传输将增加，这些电力传输的距离也都将在3000km以上，超出了特高压输电系统的经济输送距离。这些内部需求与外部需求使得远距离大容量输电成为必然的趋势。传统交流输电受功率极限、无功电压控制、系统安全稳定控制等因素的制约，已经无法适应超远距离输电。

半波长输电指的是输电的电气距离接近一个工频半波，即3000km(50Hz)或2500km(60Hz)的超远距离三相交流输电。具有输电距离远、输送容量大、首末两端电压稳定性好等优点，对于跨国、跨洲以及超远距离送电具有很强的竞争力。在无损的情况下，半波长输电线路就像一台变比为-1的理想变压器，初级电压和次级电压大小相同、相位相反，首末两端电压稳定型号；同时半波线路全线无需设置中间开关站，输电设备数量大大较少，具有良好的经济性。实际线路很难恰好为半波长，因此需要采用人工调谐的方式使线路具有半波长输电的特性。文献《半波长交流输电技术的研究现状与展望》(作者：王冠等，王冠等，期刊：电子系统自动化，2010年8月第34卷第16期)公开了两种传统的调谐方法：

第一种方法，采用Π型或者T型调谐网络，配置于线路两端。这种补偿方法通过使调谐网络具有与传输线路相同的传输矩阵形式来获得等效的补偿线路长度，该调谐方法的短路电流水平较低。

第二种方法，分布式电容调谐。这种方法是将电容补偿在线路沿线，通过改变线路的特性阻抗从而改变半波长的距离，使线路满足半波长来获得半波长输电的特性。该方法的沿线过电压水平较低，但是短路电流水平很高。

上述两种方法均采用无源器件，在一定程度上限制了半波长输电技术的发展。一方面，无源网络对系统频率变化适应较差，容易失去半波特性；其次无源调谐网络不能优化线路沿线的无功分布，不能控制沿线的过电压过电流水平；最后无源调谐仅适用于电气距离小于半波长的线路。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于电力电子换流技术的半波长输电混合调谐系统，以解决传统调谐方法不能控制沿线的过电压过电流水平，线路损耗大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的基于电力电子换流技术的半波长输电混合调谐系统包括调谐输电线路、分布式调谐系统及集中式调谐系统，所述分布式调谐系统在调谐输电线路上沿线布置，所述集中式调谐系统配置在调谐输电线路两端。

所述分布式调谐系统包括N个并联在调谐输电线路上的静止无功补偿器STATCOM，N≥1。

N个静止无功补偿器STATCOM等间距且等容量配置于调谐输电线路上。

所述集中式调谐系统采用Π型或T型调谐网络。

所述Π型调谐网络包括静止串联同步补偿器SSSC和设置于其两端的静止无功补偿器STATCOM；所述静止无功补偿器STATCOM并联在调谐输电线路上，所述静止串联同步补偿器SSSC串联在调谐输电线路上。

所述T型调谐网络包括静止无功补偿器STATCOM和设置于其两端的静止串联同步补偿器SSSC；所述静止串联同步补偿器SSSC串联在调谐输电线路上，所述静止无功补偿器STATCOM并联在调谐输电线路上且位于静止串联同步补偿器SSSC之间。

每个静止无功补偿器STATCOM的配置容量计算公式为：式中ω、U_max、L₀、C₀、l₀分别为系统频率、系统最高允许运行电压、单位长度线路电感、单位长度线路电容、调谐输电线路的长度。

所述Π型调谐网络的等效电感、电容的计算公式为：

式中，ω、L₀、C₀、Δl分别为系统频率、单位长度线路电感、单位长度线路电容、等效补偿的线路长度。

所述T型调谐网络的等效电感、电容的计算公式为：

式中，ω、L₀、C₀、Δl分别为系统频率、单位长度线路电感、电位长度线路电容、等效补偿的线路长度。

所述集中调谐系统根据系统潮流自动调整等效的补偿线路长度。

所述位于调谐输电线路两端的Π型或T型调谐网络配置参数一致。

本发明的有益效果是：本发明的混合调谐系统既包括分布式调谐系统又包括集中式调谐系统，因此具备分布式调谐输送容量大、功率极限大、过电压过电流水平低的优点，还具备集中式调谐短路电流水平低的特点，从而解决了传统调谐方法不能控制沿线的过电压过电流水平的问题。

本发明的分布式调谐系统基于静止无功补偿器STATCOM，能够适应系统潮流的变化，改善沿线无功功率的分布，维持沿线电压电流的稳定，能够抑制过电压过电流，在输送功率较小时可以优化电流分布曲线，使电流分布特性平滑，降低线路损耗，提高输电效率，经济优势明显。

本发明的集中式调谐系统采用基于静止无功补偿器STATCOM和静止串联同步补偿器SSSC的Π型或者T型调谐网络，该补偿网络能够根据系统有功调节等效的补偿线路长度，从而维持送端和受端系统的功角稳定性，能够提高输电系统的稳定特性。

附图说明

图1为本发明混合调谐系统示意图；

图2是本发明Π型调谐网络和分布式电容调谐构成的混合调谐系统示意图；

图3是本发明T型调谐网络和分布式电容调谐构成的混合调谐系统示意图；

图4是本发明非对称Π型调谐网络等效电路图；

图5是传统电容分布式补偿输送2.0pu功率时沿线电压电流无功分布曲线图；

图6是传统电容分布式补偿输送1.0pu功率时沿线电压电流无功分布曲线图；

图7是本发明混合调谐补偿输送2.0pu功率时沿线电压电流无功分布曲线图；

图8是本发明混合调谐补偿输送1.0pu功率时沿线电压电流无功分布曲线图；

图9是本发明低功率输送时电容动态补偿后送受端功角特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本实施例的混合调谐系统包括调谐输电线路、分布式调谐系统及集中式调谐系统，所述分布式调谐系统在调谐输电线路上沿线布置，所述集中式调谐系统配置在调谐输电线路两端。

其中，如图1所示，分布式调谐系统可以采用分布式电容调谐。集中式调谐系统采用由串联在调谐输电线路上的电感和并联在调谐输电线路上的电容构成的Π型结构或T型结构或T型结构。

为了提高混合调谐系统对过电压过电流的控制性能，提高对系统频率变化的适应性，对上述的分布式调谐系统和集中式调谐系统进行了改进：

1)分布式调谐系统。分布式调谐系统采用静止无功补偿器STATCOM，如图2所示，分布式补偿网络在线路沿线设置N个补偿点，即需要N套STATCOM以并联的方式接入线路中，假设线路的长度为l₀，相邻补偿点之间的距离为l₀/(N+1)。以设置9个补偿点来说明，如图2中的节点1～节点9。节点0和节点10分别为线路的始端和末端。各个相邻节点之间的距离相等，为l₀/10。

9个补偿点所配置的STATCOM的配置容量均相等，其配置容量的计算公式为：

式中，ω、U_max、L₀、C₀、l₀分别为系统频率、系统最高允许运行电压、单位长度线路电感、电位长度线路电容、线路的长度。

分布式调谐系统中的每个补偿节点需采集该节点的电压和电流，计算出下一个相邻节点的电压，以当前节点的电压和计算出的下一个相邻节点的电压之间的差值来调节STATCOM的输出补偿容量，从而改善线路沿线的无功功率分布，达到调节沿线电压电流分布的目的。

2)集中式调谐系统。位于调谐输电线路两端的集中式调谐系统的配置参数一致。集中式调谐系统包括静止无功补偿器STATCOM和静止串联同步补偿器SSSC，所述静止串联同步补偿器SSSC串联在调谐输电线路上，所述静止无功补偿器STATCOM并联在调谐输电线路上且位于静止串联同步补偿器SSSC之间。

对于Π型结构，如图2所示，静止串联同步补偿器SSSC位于静止串联同步补偿器SSSC的两端；

Π型调谐网络通过获得与线路相同的传输矩阵来等效的补偿线路的长度。对于等效补偿一定长度的线路，STATCOM和SSSC的等效电容和电感分别为：

式中，ω、L₀、C₀、Δl分别为系统频率、单位长度线路电感、电位长度线路电容、等效补偿的线路长度。

Π型调谐网络根据系统的潮流调节其等效补偿的线路长度

Π型调谐网络为一种对称网络，即电感两侧的电容相等。但是为了达到电压电流控制的目的，Π型调谐网络也可以运行在非对称的模式下，即电感两侧的电容可以不相等，其等效电路如图4所示。在该运行状态下，对于送端的Π型调谐网络，C₁用于调节节点0的电压，C₂用于调节节点1的电压；对于受端的Π型调谐网络，C₁用于调节Π型调谐网络输出与受端交流系统并网点的电压，C₂用于平衡整个受端系统无功。

对于T型结构，如图3所示，静止串联同步补偿器SSSC位于静止串联同步补偿器SSSC的两端。

对于T型调谐网络，STATCOM和SSSC的等效电容和电感的计算式为：

T型调谐网络不具备非对称补偿的能力。如果有进行无功补偿的需求，可以在该网络两端单独进行补偿。

下面将本发明的混合调谐系统与传统的调谐系统进行仿真比较来证明本发明混合调谐系统的优势：

设待补偿的线路为2000km，对于传统的分布式电容调谐系统，其采用固定电容补偿，每个补偿点的补偿电容大小为3.1μF，补偿后，线路的等效自然功率约为1.6pu(以半波长线路的自然功率为基准功率，1pu＝3911.6MW)。当线路输送2pu功率和1pu功率时，沿线的电压电流以及无功分布如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，当输送功率大于1.6pu时，在线路的中部出现过电压，过电压的幅值约为1.3pu。

对于本发明的混合调谐系统，在不考虑线路两端调谐网络的情况下，由于各个点的补偿容量可以调整，因此可以得到优化补偿后的电压电流以及分布曲线，如图7和图8所示，从分布曲线中可以看出，采用可调节的分布式电容补偿，可以使得沿线的电压分布曲线趋于平稳，在输送功率较大时，可以抑制沿线过电压。

当输送容量为1pu，采用本发明混合调谐系统后，线路损耗为5.3％，而采用传统固定电容分布式补偿，其线路损耗为9.93％。因而本发明混合调谐系统在低功率输送时经济效益明显。

当输送功率较小时，采用本发明分布式电容动态调整沿线无功分布实际上是减小了电容的补偿量，甚至作为电感消耗无功，因而会导致送受两端功角特性的变化，如图9所示。系统送受端的功角不满足dP/dδ＞0的稳定性要求，因此需要靠两端的Π型或者T型网络等效的调整线路的长度，使得送受端的特性接近半波长。另一方面，当线路输送功率较大，各个点的补偿容量大于固定分布式电容补偿时的补偿容量，即过补偿，等效于线路长度增加，容易导致末端电压升高的问题，因此也同样需要Π型或者T型网络将线路长度补偿至半波长附近。可见，本发明通过集中式调谐系统和分布式调谐系统相结合的混合调谐改善了沿线的电压电流无功分布特性，使得沿线电压保持稳定，避免了过电压的产生，在输送功率较小时可以优化电流分布曲线，降低线路损耗，经济优势明显。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。