本發(fā)明屬于特高壓交流輸電領(lǐng)域，具體涉及一種基于電力電子換流技術(shù)的半波長輸電混合調(diào)諧系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，國家電網(wǎng)公司正推進(jìn)“一特四大”的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，以大型能源基地為依托，建設(shè)由1000kV交流和±800kV直流構(gòu)成的特高壓電網(wǎng)，促進(jìn)大煤電、大水電、大核電、大型可再生能源基地的集約化開發(fā)，以解決能源基地與負(fù)荷中心之間遠(yuǎn)距離、大規(guī)模、大容量的電力輸送難題，在全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。同時(shí)隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，未來國家與國家之間、洲際與洲際之間的電力傳輸將增加，這些電力傳輸?shù)木嚯x也都將在3000km以上，超出了特高壓輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)輸送距離。這些內(nèi)部需求與外部需求使得遠(yuǎn)距離大容量輸電成為必然的趨勢。傳統(tǒng)交流輸電受功率極限、無功電壓控制、系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制等因素的制約，已經(jīng)無法適應(yīng)超遠(yuǎn)距離輸電。

半波長輸電指的是輸電的電氣距離接近一個(gè)工頻半波，即3000km(50Hz)或2500km(60Hz)的超遠(yuǎn)距離三相交流輸電。具有輸電距離遠(yuǎn)、輸送容量大、首末兩端電壓穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，對于跨國、跨洲以及超遠(yuǎn)距離送電具有很強(qiáng)的競爭力。在無損的情況下，半波長輸電線路就像一臺變比為-1的理想變壓器，初級電壓和次級電壓大小相同、相位相反，首末兩端電壓穩(wěn)定型號；同時(shí)半波線路全線無需設(shè)置中間開關(guān)站，輸電設(shè)備數(shù)量大大較少，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際線路很難恰好為半波長，因此需要采用人工調(diào)諧的方式使線路具有半波長輸電的特性。文獻(xiàn)《半波長交流輸電技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望》(作者：王冠等，王冠等，期刊：電子系統(tǒng)自動(dòng)化，2010年8月第34卷第16期)公開了兩種傳統(tǒng)的調(diào)諧方法：

第一種方法，采用Π型或者T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，配置于線路兩端。這種補(bǔ)償方法通過使調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)具有與傳輸線路相同的傳輸矩陣形式來獲得等效的補(bǔ)償線路長度，該調(diào)諧方法的短路電流水平較低。

第二種方法，分布式電容調(diào)諧。這種方法是將電容補(bǔ)償在線路沿線，通過改變線路的特性阻抗從而改變半波長的距離，使線路滿足半波長來獲得半波長輸電的特性。該方法的沿線過電壓水平較低，但是短路電流水平很高。

上述兩種方法均采用無源器件，在一定程度上限制了半波長輸電技術(shù)的發(fā)展。一方面，無源網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)頻率變化適應(yīng)較差，容易失去半波特性；其次無源調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)不能優(yōu)化線路沿線的無功分布，不能控制沿線的過電壓過電流水平；最后無源調(diào)諧僅適用于電氣距離小于半波長的線路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于電力電子換流技術(shù)的半波長輸電混合調(diào)諧系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)調(diào)諧方法不能控制沿線的過電壓過電流水平，線路損耗大的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的基于電力電子換流技術(shù)的半波長輸電混合調(diào)諧系統(tǒng)包括調(diào)諧輸電線路、分布式調(diào)諧系統(tǒng)及集中式調(diào)諧系統(tǒng)，所述分布式調(diào)諧系統(tǒng)在調(diào)諧輸電線路上沿線布置，所述集中式調(diào)諧系統(tǒng)配置在調(diào)諧輸電線路兩端。

所述分布式調(diào)諧系統(tǒng)包括N個(gè)并聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上的靜止無功補(bǔ)償器STATCOM，N≥1。

N個(gè)靜止無功補(bǔ)償器STATCOM等間距且等容量配置于調(diào)諧輸電線路上。

所述集中式調(diào)諧系統(tǒng)采用Π型或T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。

所述Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)包括靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC和設(shè)置于其兩端的靜止無功補(bǔ)償器STATCOM；所述靜止無功補(bǔ)償器STATCOM并聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上，所述靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC串聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上。

所述T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)包括靜止無功補(bǔ)償器STATCOM和設(shè)置于其兩端的靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC；所述靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC串聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上，所述靜止無功補(bǔ)償器STATCOM并聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上且位于靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC之間。

每個(gè)靜止無功補(bǔ)償器STATCOM的配置容量計(jì)算公式為：式中ω、U_max、L₀、C₀、l₀分別為系統(tǒng)頻率、系統(tǒng)最高允許運(yùn)行電壓、單位長度線路電感、單位長度線路電容、調(diào)諧輸電線路的長度。

所述Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的等效電感、電容的計(jì)算公式為：

式中，ω、L₀、C₀、Δl分別為系統(tǒng)頻率、單位長度線路電感、單位長度線路電容、等效補(bǔ)償?shù)木€路長度。

所述T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的等效電感、電容的計(jì)算公式為：

式中，ω、L₀、C₀、Δl分別為系統(tǒng)頻率、單位長度線路電感、電位長度線路電容、等效補(bǔ)償?shù)木€路長度。

所述集中調(diào)諧系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)潮流自動(dòng)調(diào)整等效的補(bǔ)償線路長度。

所述位于調(diào)諧輸電線路兩端的Π型或T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)一致。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的混合調(diào)諧系統(tǒng)既包括分布式調(diào)諧系統(tǒng)又包括集中式調(diào)諧系統(tǒng)，因此具備分布式調(diào)諧輸送容量大、功率極限大、過電壓過電流水平低的優(yōu)點(diǎn)，還具備集中式調(diào)諧短路電流水平低的特點(diǎn)，從而解決了傳統(tǒng)調(diào)諧方法不能控制沿線的過電壓過電流水平的問題。

本發(fā)明的分布式調(diào)諧系統(tǒng)基于靜止無功補(bǔ)償器STATCOM，能夠適應(yīng)系統(tǒng)潮流的變化，改善沿線無功功率的分布，維持沿線電壓電流的穩(wěn)定，能夠抑制過電壓過電流，在輸送功率較小時(shí)可以優(yōu)化電流分布曲線，使電流分布特性平滑，降低線路損耗，提高輸電效率，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

本發(fā)明的集中式調(diào)諧系統(tǒng)采用基于靜止無功補(bǔ)償器STATCOM和靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC的Π型或者T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)等效的補(bǔ)償線路長度，從而維持送端和受端系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性，能夠提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明混合調(diào)諧系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和分布式電容調(diào)諧構(gòu)成的混合調(diào)諧系統(tǒng)示意圖；

圖3是本發(fā)明T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和分布式電容調(diào)諧構(gòu)成的混合調(diào)諧系統(tǒng)示意圖；

圖4是本發(fā)明非對稱Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)等效電路圖；

圖5是傳統(tǒng)電容分布式補(bǔ)償輸送2.0pu功率時(shí)沿線電壓電流無功分布曲線圖；

圖6是傳統(tǒng)電容分布式補(bǔ)償輸送1.0pu功率時(shí)沿線電壓電流無功分布曲線圖；

圖7是本發(fā)明混合調(diào)諧補(bǔ)償輸送2.0pu功率時(shí)沿線電壓電流無功分布曲線圖；

圖8是本發(fā)明混合調(diào)諧補(bǔ)償輸送1.0pu功率時(shí)沿線電壓電流無功分布曲線圖；

圖9是本發(fā)明低功率輸送時(shí)電容動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后送受端功角特性曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本實(shí)施例的混合調(diào)諧系統(tǒng)包括調(diào)諧輸電線路、分布式調(diào)諧系統(tǒng)及集中式調(diào)諧系統(tǒng)，所述分布式調(diào)諧系統(tǒng)在調(diào)諧輸電線路上沿線布置，所述集中式調(diào)諧系統(tǒng)配置在調(diào)諧輸電線路兩端。

其中，如圖1所示，分布式調(diào)諧系統(tǒng)可以采用分布式電容調(diào)諧。集中式調(diào)諧系統(tǒng)采用由串聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上的電感和并聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上的電容構(gòu)成的Π型結(jié)構(gòu)或T型結(jié)構(gòu)或T型結(jié)構(gòu)。

為了提高混合調(diào)諧系統(tǒng)對過電壓過電流的控制性能，提高對系統(tǒng)頻率變化的適應(yīng)性，對上述的分布式調(diào)諧系統(tǒng)和集中式調(diào)諧系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)：

1)分布式調(diào)諧系統(tǒng)。分布式調(diào)諧系統(tǒng)采用靜止無功補(bǔ)償器STATCOM，如圖2所示，分布式補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在線路沿線設(shè)置N個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，即需要N套STATCOM以并聯(lián)的方式接入線路中，假設(shè)線路的長度為l₀，相鄰補(bǔ)償點(diǎn)之間的距離為l₀/(N+1)。以設(shè)置9個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)來說明，如圖2中的節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)9。節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)10分別為線路的始端和末端。各個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離相等，為l₀/10。

9個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)所配置的STATCOM的配置容量均相等，其配置容量的計(jì)算公式為：

式中，ω、U_max、L₀、C₀、l₀分別為系統(tǒng)頻率、系統(tǒng)最高允許運(yùn)行電壓、單位長度線路電感、電位長度線路電容、線路的長度。

分布式調(diào)諧系統(tǒng)中的每個(gè)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)需采集該節(jié)點(diǎn)的電壓和電流，計(jì)算出下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓，以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的電壓和計(jì)算出的下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓之間的差值來調(diào)節(jié)STATCOM的輸出補(bǔ)償容量，從而改善線路沿線的無功功率分布，達(dá)到調(diào)節(jié)沿線電壓電流分布的目的。

2)集中式調(diào)諧系統(tǒng)。位于調(diào)諧輸電線路兩端的集中式調(diào)諧系統(tǒng)的配置參數(shù)一致。集中式調(diào)諧系統(tǒng)包括靜止無功補(bǔ)償器STATCOM和靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC，所述靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC串聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上，所述靜止無功補(bǔ)償器STATCOM并聯(lián)在調(diào)諧輸電線路上且位于靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC之間。

對于Π型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC位于靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC的兩端；

Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)通過獲得與線路相同的傳輸矩陣來等效的補(bǔ)償線路的長度。對于等效補(bǔ)償一定長度的線路，STATCOM和SSSC的等效電容和電感分別為：

式中，ω、L₀、C₀、Δl分別為系統(tǒng)頻率、單位長度線路電感、電位長度線路電容、等效補(bǔ)償?shù)木€路長度。

Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)其等效補(bǔ)償?shù)木€路長度

Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)為一種對稱網(wǎng)絡(luò)，即電感兩側(cè)的電容相等。但是為了達(dá)到電壓電流控制的目的，Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)也可以運(yùn)行在非對稱的模式下，即電感兩側(cè)的電容可以不相等，其等效電路如圖4所示。在該運(yùn)行狀態(tài)下，對于送端的Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，C₁用于調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)0的電壓，C₂用于調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)1的電壓；對于受端的Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，C₁用于調(diào)節(jié)Π型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)輸出與受端交流系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，C₂用于平衡整個(gè)受端系統(tǒng)無功。

對于T型結(jié)構(gòu)，如圖3所示，靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC位于靜止串聯(lián)同步補(bǔ)償器SSSC的兩端。

對于T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，STATCOM和SSSC的等效電容和電感的計(jì)算式為：

T型調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)不具備非對稱補(bǔ)償?shù)哪芰ΑＨ绻羞M(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)男枨?，可以在該網(wǎng)絡(luò)兩端單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償。

下面將本發(fā)明的混合調(diào)諧系統(tǒng)與傳統(tǒng)的調(diào)諧系統(tǒng)進(jìn)行仿真比較來證明本發(fā)明混合調(diào)諧系統(tǒng)的優(yōu)勢：

設(shè)待補(bǔ)償?shù)木€路為2000km，對于傳統(tǒng)的分布式電容調(diào)諧系統(tǒng)，其采用固定電容補(bǔ)償，每個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)償電容大小為3.1μF，補(bǔ)償后，線路的等效自然功率約為1.6pu(以半波長線路的自然功率為基準(zhǔn)功率，1pu＝3911.6MW)。當(dāng)線路輸送2pu功率和1pu功率時(shí)，沿線的電壓電流以及無功分布如圖5和圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，當(dāng)輸送功率大于1.6pu時(shí)，在線路的中部出現(xiàn)過電壓，過電壓的幅值約為1.3pu。

對于本發(fā)明的混合調(diào)諧系統(tǒng)，在不考慮線路兩端調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的情況下，由于各個(gè)點(diǎn)的補(bǔ)償容量可以調(diào)整，因此可以得到優(yōu)化補(bǔ)償后的電壓電流以及分布曲線，如圖7和圖8所示，從分布曲線中可以看出，采用可調(diào)節(jié)的分布式電容補(bǔ)償，可以使得沿線的電壓分布曲線趨于平穩(wěn)，在輸送功率較大時(shí)，可以抑制沿線過電壓。

當(dāng)輸送容量為1pu，采用本發(fā)明混合調(diào)諧系統(tǒng)后，線路損耗為5.3％，而采用傳統(tǒng)固定電容分布式補(bǔ)償，其線路損耗為9.93％。因而本發(fā)明混合調(diào)諧系統(tǒng)在低功率輸送時(shí)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

當(dāng)輸送功率較小時(shí)，采用本發(fā)明分布式電容動(dòng)態(tài)調(diào)整沿線無功分布實(shí)際上是減小了電容的補(bǔ)償量，甚至作為電感消耗無功，因而會(huì)導(dǎo)致送受兩端功角特性的變化，如圖9所示。系統(tǒng)送受端的功角不滿足dP/dδ＞0的穩(wěn)定性要求，因此需要靠兩端的Π型或者T型網(wǎng)絡(luò)等效的調(diào)整線路的長度，使得送受端的特性接近半波長。另一方面，當(dāng)線路輸送功率較大，各個(gè)點(diǎn)的補(bǔ)償容量大于固定分布式電容補(bǔ)償時(shí)的補(bǔ)償容量，即過補(bǔ)償，等效于線路長度增加，容易導(dǎo)致末端電壓升高的問題，因此也同樣需要Π型或者T型網(wǎng)絡(luò)將線路長度補(bǔ)償至半波長附近?？梢?，本發(fā)明通過集中式調(diào)諧系統(tǒng)和分布式調(diào)諧系統(tǒng)相結(jié)合的混合調(diào)諧改善了沿線的電壓電流無功分布特性，使得沿線電壓保持穩(wěn)定，避免了過電壓的產(chǎn)生，在輸送功率較小時(shí)可以優(yōu)化電流分布曲線，降低線路損耗，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

以上給出了具體的實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。本發(fā)明的基本思路在于上述基本方案，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。