動態無功補償裝置在220kV變電站的設計與研究

鄭家波，陳卓

（廣州電力設計院，廣東廣州，510610）

0 引言

智能電網是目前廣州電網發展的主要趨勢，無功補償和諧波問題在智能電網環境下面臨了新挑戰：（1）電力電子器件和智能組件大量應用，使得無功補償和諧波問題更加復雜；（2）電力負荷對電壓和諧波指標提出了更高要求；（3）智能電網特性要求無功補償和諧波治理設備更智能、更快速響應、更高效。因此，研究智能電網環境下典型行業的動態無功補償與諧波治理具有重要現實意義。

動態無功補償裝置能較好的解決因電力系統無功功率不足會造成供電系統功率因數下降的問題，從而減少設備發熱損耗和線損，延長用電設備的壽命。動態無功補償裝置由于采用了國際先進的電力電子技術，不僅在技術上實現了節能增效，而且不會造成環境上的負面影響，是一種廣義綠色裝置。動態無功補償裝置必將為變電站的用電安全、設備的穩定運行、減少因電能質量問題帶來的經濟損失等發揮巨大作用，給可持續發展經濟予以正面的積極作用，也是當前和諧社會的一種體現，具有重要社會意義。

1 220kV石井變電站的特性分析

1.1 220kV石井變電站系統概述

位于廣州本部電網的220kV石井變電站是典型的戶外變電站。220kV及110kV配電裝置采用戶外常規設備，3臺主變單臺容量為240MVA，220kV出線共六回，110kV出線共12回，10kV分三段母線，每段母線帶15回電纜出線。作為廣州市內較為重要的電源點，10kV配電網均采用電纜出線，目前正在建設的石井至環西電纜隧道，遠期220kV將采用電纜出線。電纜充電無功功率比普通架空線路高一個數量級，導致變電站既需要一定的容性補償以滿足用戶負荷的需求，同時在低谷期對感性無功需求也較大。石井在周邊工業用電所占比例較大，負荷波動較為明顯。因此，順應電網發展需要，急需對變電站無功補償裝置進行合理的配置。動態無功補償裝置對系統參數不敏感，安全性與穩定性好，可以有效維持負荷側電壓，提高電力系統的電壓穩定性。

1.2 無功特點分析

電力系統的無功補償與無功平衡，是保證電壓質量的基本條件。電力系統的無功電源與無功負荷，在高峰或低估時都應采用電壓分層和供電區基本平衡的原則進行配置和運行，并應具有靈活的無功電力調節能力和檢修備用。因此，500Kv與220Kv電網層間，應提高運行功率因素，甚至不交換無功。500Kv電網的受端系統，其配套安裝的無功補償設備是分別安裝在供電的220Kv及以下變電所中。

電網中的無功功率負荷部分屬于感性負荷，如異步電動機、輸電線路、變壓器；而無功功率的電源主要有發電機、并聯電容器、同步調相機、靜止補償器。無功功率的產生基本不消耗能源，但是無功功率沿電力網傳輸卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。合理配置變電站無功功率補償容量，可改善功率因數，盡量避免發電機降低功率因數運行，減少網絡中的有功功率損耗和電壓損耗；可改善電壓調節，使用戶端的供電電壓維持在規定范圍內；可調節負載的平衡性，使不平衡負載變成平衡負載等。在具體設置補償裝置時，應遵循分散補償和降低網損的原則，根據電網電壓、系統穩定性、有功分配、無功平衡、調相調壓，以及限制諧波電壓、潛供電流、暫時過電壓等因素，須經過電網計算才能合理的確定補償位置和補償容量，以達到節約投資降低網損的效果。

1.3 環境條件

220kV石井變電站位于廣州市白云區，按遠期規模計算仿真：主變壓器為3×240兆伏安，220kV架空出線六回、110kV架空出線十回、電纜出線兩回、10kV出線三十回，每臺主變配5×10000千乏電容器組。220kV采用雙母線接線、110kV采用雙母線單分段接線、10kV采用單母線分段接線。變電站后期發展會增加7回出線，其中有4回220kV電纜出線，每回線路長10公里，電纜橫截面積為1500mm2；3回110kV電纜出線，每回線路長10公里，電纜橫截面積1000mm2。

2 系統設計方案

針對動態無功補償項目要求，在低壓母線上分別裝一套采用TCR＋FC型的高壓動態無功自動補償成套設備（SVG）,能同時解決系統無功補償問題和諧波問題，能夠有效的對系統的無功量進行跟蹤補償，做到無級調節，并能有效的濾除諧波，穩定電壓。

該系統的方案整體規劃包含如下幾個方面：

（1）濾波容量設計；

（2）220Kv變電站主接線的選擇；

（3）SVG動態無功補償。

2.1 無功功率補償的作用

無功功率補償裝置在整個電力系統中起著不可或缺的重要作用，它不僅能夠提高電力供電系統的功率因素，降低輸送線路和變壓器的能量損失，而且能夠在一定程度上提高效率，優化供電的環境。選取合適的無功補償裝置，有助于最大程度的降低電網損耗，提高電能質量。相反，選取或者操作不當，可能引發電網的諧波增加，電壓波動等不良后果。

無功補償的主要優點包含如下方面：

(1) 用戶端的功率因素提高能使得供電設備利用率提高；

(2) 電網有功損耗得到降低；

(3) 能有效控制系統無功功率流動方向，系統電壓水平得到提高，電能質量得到改善，抗干擾能力增強；

(4) 動態無功補償裝置與合理的調節器配合能使得系統動態性得到優化，輸電線的穩定性和輸送能力也可以有所提升；

(5) 配置靜態無功補償器可以使得電網電壓波形得到改善，諧波分量減小，負序電流問題得到解決。可避免高次諧波引起如變壓器、電纜、電機、電容器等的局部過熱與額外的電能損失。

2.2 補償電容器的選擇

針對石井地區的運行環境及用電需求特點，本次設計采用集裝箱式SVG補償方案。原因有如下幾點：

（1）SVG具有明顯的技術優勢，同時相較于TCR型SVC和MCR型SVC，向電網注入一定量的特征諧波電流，SVG具有的源濾波器功能，使其幾乎不產生諧波電流，與FC配合能很好的濾除電網的諧波電流。

（2）SVG的輸出特性不受電網電壓高低的影響，調節范圍在．100%計100%，具有硬特性，即使一分鐘內百分之二十的過載運行，也能對瞬時無功帶來的沖擊起到抑制作用。

（3）SVG在不需要考慮串并聯諧振的情況下也能夠單獨投入使用，靈活性更好。對于戶外型的SVG，具備水冷和風冷兩種方式，集裝箱式的SVG方案是一項性價比較高的補償方案，有著防護等級高、損耗低、占地小、安全性高、維護容易等一系列特點。

（4）無功補償方面也有一個新的發展思路，是將具有集裝箱式結構同時融合了旋風除塵技術的SVG加以應用，SVG是目前無功補償應用領域新的發展方向。

補償電容器的選擇具體如下：

（1）變壓器的功率損耗

對于n臺容量及參數均相同的變壓器并列運行，其總有功功率損耗和總無功功率損耗可根據下式計算：

上式中，ΔPT—總有功功率損耗（kW）；

ΔQT—總無功功率損耗（kvar）;

n—并列運行變壓器的臺數;

ΔP0—空載損耗（kW）；

ΔPK—短路損耗（kW）；

S—變壓器負荷的視在功率（kVA）；

SN—變壓器的額定容量（kVA）；

I0%—變壓器的空載電流百分數；

UK%—變壓器的短路電壓百分數。

將變壓器二次側總功率與變壓器的功率損耗相加即得到高壓側的總功率。

（2）補償前平均功率因數計算

（3）補償容量計算

式中，α—有功負荷率；

tan?1，tan?2—補償前、補償后功率因數的正功值；

P—系統有功負荷；

（4）確定電容器臺數

式中：Qc—計算補償容量（kvar）；

qc—每臺電容器的標稱容量（kvar）。

由于無功補償要做到三相對稱補償，所以所選臺數應為3的整數倍。考慮到有可能將電容器分成容量相等的兩組，所以所選電容器臺數應為6的整數倍，故選擇電容器為24臺。

3 系統仿真分析

在研究過程中，選取廣州北部電網220kV石井變電站三號主變以下負荷進行仿真分析。分別選取主變負載率在15%和100%情況下進行仿真研究。

在負載率為15%的情況下，SVG投入前系統缺乏感性無功，系統電壓大于220kV，功率因素偏低并存在波動情況，SVG投入后系統電壓和功率因素趨于穩定。

設置主變的負載率為60%，在3秒時將負載率升為100%。在負載率為從60%變為100%時，SVG投入使用并滿發，有效緩解了電壓跌落。能有效的支持系統的穩定運行。調節系統負荷率由50%變化到65%時, SVG投入使用，有效穩定了系統電壓和功率因素。

在負載率為100%的情況下，SVG投入前系統缺乏容性無功，系統電壓212kV，功率因素為0.92，SVG投入后系統電壓抬升為217kV，功率因素升為0.98。SVG設備對系統電壓和功率因素的改善效果顯著。

4 結論

經過實驗仿真驗證，系統按設計的方案進行補償，SVG裝置能動態跟蹤電網無功變化，自動調節無功，可有效地補償和吸收系統無功功率，增大系統功率因數，提高220kV母線電壓水平，穩定電網電壓，降低線損率。實驗結果表明高壓SVG在發電站等瞬時無功變化的領域內有很廣闊的應用前景。