山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司 劉剛

一種帶中壓變頻器110kV變電站無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司 劉剛

在天然氣長輸管線中，為了提高管線的輸氣能力及輸送距離，需要設(shè)置增壓站，其主要負(fù)荷為天然氣壓縮機(jī)組。目前，國內(nèi)長輸管線電驅(qū)壓縮機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)主要是中壓變頻驅(qū)動電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。本文結(jié)合石化行業(yè)中一條長輸管線的壓氣站場，詳細(xì)介紹了對壓氣站場110kV變電站的補(bǔ)償設(shè)計(jì)計(jì)算和諧波分析方案，并通過了校驗(yàn)。

無功補(bǔ)償；諧波分析；中壓變頻器；變電站

1 問題的提出

在天然氣長輸管線中，為了提高管線的輸氣能力及輸送距離，需要設(shè)置增壓站，其主要負(fù)荷為天然氣壓縮機(jī)組。目前，國內(nèi)長輸管線電驅(qū)壓縮機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)主要是中壓變頻驅(qū)動電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。為此，配套工程中需要建設(shè)一座110kV變電站，由于中壓變頻器會產(chǎn)生諧波，這就需要同時解決此類變電站的功率因數(shù)和諧波問題。

2 工程概況

假定壓氣站110/10kV變電所中，主變?nèi)萘繛?x25000kVA，電壓等級為110/10kV；110kV架空出線2回；10kV進(jìn)線回路2回、出線回路為10回、2回PT回路；110kV側(cè)、10kV側(cè)接線形式為單母線分段；站內(nèi)主要負(fù)荷為3套變頻器，假定單套功率9000kW。

正常運(yùn)行方式：1條110kV外部線路運(yùn)行，另1條110kV外部線路為熱備用狀態(tài)（可隨時切換）；110kV、10kV母聯(lián)閉合；110/10kV主變壓器1臺運(yùn)行另1臺為冷備用。1條110kV線路及1臺110/10kV變壓器可以帶起全站的用電負(fù)荷。

站內(nèi)補(bǔ)償方案為10kVⅠ、Ⅱ段母線上均設(shè)置4000kVar靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVG）。

一次系統(tǒng)接線圖如圖1。

3 電能質(zhì)量考核指標(biāo)

（1）考核點(diǎn)PCC：110kV側(cè)母線

（2）考核指標(biāo)

a．功率因數(shù)：計(jì)算值達(dá)到0.98；運(yùn)行值0.92≤cosΦ≤0.98。

b．諧波電壓：滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》要求，即電壓總諧波畸變率≤2.0，奇次諧波含有率≤1.6，偶次諧波含有率≤0.8。

c．注入110kV站各次諧波電流限值見表3-1。

d. 電壓波動：d≤1.5%（滿足國標(biāo)GB12326-2008）。

（3）110kV母線諧波電流限值推導(dǎo)過程

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》，在基準(zhǔn)短路容量750MVA下，注入110kV母線的各次諧波電流允許值如表3-2所示。

當(dāng)連接點(diǎn)的實(shí)際短路容量不同于規(guī)定的基準(zhǔn)容量時，連接點(diǎn)的諧波電流允許值應(yīng)按系統(tǒng)實(shí)際的最小短路容量進(jìn)行換算，即

圖1 一次系統(tǒng)接線圖

表3-1 110kV母線諧波電流限值

表3-2 基準(zhǔn)短路容量750MVA下允許流入110kV公用電網(wǎng)諧波電流的限值

表5-1 諧波發(fā)生量估算值（%）

表5-2 3臺變頻裝置在110kV母線（PCC點(diǎn)）產(chǎn)生的總的諧波電流大小

式中：

Sd1——公共連接點(diǎn)的實(shí)際最小短路容量，MVA；

Sd2——基準(zhǔn)短路容量，MVA；

Ihp——基準(zhǔn)容量下的第h次諧波電流允許值，A；

Ih——實(shí)際最小短路容量下的第h次諧波電流允許值，A。

假定壓氣站110kV系統(tǒng)短路容量為600MVA，公共連接點(diǎn)的供電容量與協(xié)議容量比值為2：1，可得允許流入110kV公共連接點(diǎn)的諧波電流限值如表3-1所示。

4 無功補(bǔ)償容量計(jì)算

（1）變壓器空載無功損耗和負(fù)載無功損耗

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB6451油侵式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求，容量為25000kVA，電壓等級為110kV/10kV的，空載電流的標(biāo)幺值I0=0.64%，短路電壓阻抗UK=10.5%。

變壓器空載無功損耗：

Q0=160(KVar)

變壓器負(fù)載無功損耗：

QK=1356(kVar)

式中：Sn——變壓器額定容量；

SR——負(fù)載容量；

（2）10kV側(cè)補(bǔ)償容量

根據(jù)10kV側(cè)實(shí)際功率因數(shù)0.95，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷17610kW，目標(biāo)功率因數(shù)0.98，計(jì)算的需要最小無功補(bǔ)償量為QLM=2289 kVar。

（3）總無功補(bǔ)償容量

由以上計(jì)算的要使1 1 0 k V側(cè)達(dá)到功率因數(shù)為0.9 8以上，1 0 k V側(cè)需要無功補(bǔ)償容量：Q=Q0+QK+QLM=3805kVar

表6-1 濾波后110kV母線（PCC點(diǎn)）產(chǎn)生的總的諧波電流大小為

5 諧波分析計(jì)算

該章節(jié)視工程招標(biāo)的變頻器性能所決定。若變頻器脈沖次數(shù)高，注入系統(tǒng)的諧波量很小，則可以不必考慮濾波環(huán)節(jié)；否則，若注入系統(tǒng)的諧波量大，超出國家標(biāo)準(zhǔn)要求，則必須進(jìn)行治理。

本論文預(yù)估15%的電流畸變（5，7，11，13次及高次諧波），各次電流諧波發(fā)生量估算值如表5-1所示;

單臺變頻裝置在110kV母線側(cè)的基波電流為：

由表5-2可以看出，主要的諧波成分為5次、7次，提出濾波解決方案。

采用SVG的濾波功能，濾除各次諧波所需SVG容量計(jì)算如下所示。

綜合第4章節(jié)的無功補(bǔ)償容量，SVG補(bǔ)償容量與濾波容量總和為6945kvar。

結(jié)合運(yùn)行實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，留有一定裕度（在計(jì)算的時候是按照限值進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上針對諧波，我們期望的治理目標(biāo)是限值以下趨近于無），取SVG總?cè)萘繛?000kvar。I段母線安裝4000kvar，II段母線安裝4000kvar。

6 校驗(yàn)

本論文中所設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償容量大于所需的補(bǔ)償容量，功率因數(shù)指標(biāo)可以滿足要求，另外，諧波電壓主要受電網(wǎng)背景諧波所控制，目前國內(nèi)外性能優(yōu)越的中壓變頻器引起的諧波電壓畸變很小，能滿足國標(biāo)限值要求。

（1）諧波電流校驗(yàn)

根據(jù)校驗(yàn)比對，諧波電流含量滿足要求

（2）電壓波動校驗(yàn)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 12326-2008電能質(zhì)量》-電壓波動和閃變，可得電壓變動d的表達(dá)式為：

式中：SSC——考察點(diǎn)在正常較小方式下的短路容量；

Qi——無功功率的變化量。

電壓波動為：d=(8/600 )＊100%=1.3%，滿足要求。

[1]戈東方等 《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊（電氣一次部分）》 中國電力出版社

[2]GB 50227-2008 《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中國計(jì)劃出版社 2009

[3]GB/T 14549-1993 《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》