鄭家波，陳卓

（廣州電力設(shè)計(jì)院，廣東廣州，510610）

0 引言

智能電網(wǎng)是目前廣州電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢，無功補(bǔ)償和諧波問題在智能電網(wǎng)環(huán)境下面臨了新挑戰(zhàn)：（1）電力電子器件和智能組件大量應(yīng)用，使得無功補(bǔ)償和諧波問題更加復(fù)雜；（2）電力負(fù)荷對電壓和諧波指標(biāo)提出了更高要求；（3）智能電網(wǎng)特性要求無功補(bǔ)償和諧波治理設(shè)備更智能、更快速響應(yīng)、更高效。因此，研究智能電網(wǎng)環(huán)境下典型行業(yè)的動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

動態(tài)無功補(bǔ)償裝置能較好的解決因電力系統(tǒng)無功功率不足會造成供電系統(tǒng)功率因數(shù)下降的問題，從而減少設(shè)備發(fā)熱損耗和線損，延長用電設(shè)備的壽命。動態(tài)無功補(bǔ)償裝置由于采用了國際先進(jìn)的電力電子技術(shù)，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效，而且不會造成環(huán)境上的負(fù)面影響，是一種廣義綠色裝置。動態(tài)無功補(bǔ)償裝置必將為變電站的用電安全、設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行、減少因電能質(zhì)量問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失等發(fā)揮巨大作用，給可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)予以正面的積極作用，也是當(dāng)前和諧社會的一種體現(xiàn)，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(tǒng)概述

位于廣州本部電網(wǎng)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(guī)設(shè)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(nèi)較為重要的電源點(diǎn)，10kV配電網(wǎng)均采用電纜出線，目前正在建設(shè)的石井至環(huán)西電纜隧道，遠(yuǎn)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(shù)量級，導(dǎo)致變電站既需要一定的容性補(bǔ)償以滿足用戶負(fù)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(yè)用電所占比例較大，負(fù)荷波動較為明顯。因此，順應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展需要，急需對變電站無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行合理的配置。動態(tài)無功補(bǔ)償裝置對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，安全性與穩(wěn)定性好，可以有效維持負(fù)荷側(cè)電壓，提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

1.2 無功特點(diǎn)分析

電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償與無功平衡，是保證電壓質(zhì)量的基本條件。電力系統(tǒng)的無功電源與無功負(fù)荷，在高峰或低估時都應(yīng)采用電壓分層和供電區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行配置和運(yùn)行，并應(yīng)具有靈活的無功電力調(diào)節(jié)能力和檢修備用。因此，500Kv與220Kv電網(wǎng)層間，應(yīng)提高運(yùn)行功率因素，甚至不交換無功。500Kv電網(wǎng)的受端系統(tǒng)，其配套安裝的無功補(bǔ)償設(shè)備是分別安裝在供電的220Kv及以下變電所中。

電網(wǎng)中的無功功率負(fù)荷部分屬于感性負(fù)荷，如異步電動機(jī)、輸電線路、變壓器；而無功功率的電源主要有發(fā)電機(jī)、并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器。無功功率的產(chǎn)生基本不消耗能源，但是無功功率沿電力網(wǎng)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(bǔ)償容量，可改善功率因數(shù)，盡量避免發(fā)電機(jī)降低功率因數(shù)運(yùn)行，減少網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗和電壓損耗；可改善電壓調(diào)節(jié)，使用戶端的供電電壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)；可調(diào)節(jié)負(fù)載的平衡性，使不平衡負(fù)載變成平衡負(fù)載等。在具體設(shè)置補(bǔ)償裝置時，應(yīng)遵循分散補(bǔ)償和降低網(wǎng)損的原則，根據(jù)電網(wǎng)電壓、系統(tǒng)穩(wěn)定性、有功分配、無功平衡、調(diào)相調(diào)壓，以及限制諧波電壓、潛供電流、暫時過電壓等因素，須經(jīng)過電網(wǎng)計(jì)算才能合理的確定補(bǔ)償位置和補(bǔ)償容量，以達(dá)到節(jié)約投資降低網(wǎng)損的效果。

1.3 環(huán)境條件

220kV石井變電站位于廣州市白云區(qū)，按遠(yuǎn)期規(guī)模計(jì)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(fā)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對動態(tài)無功補(bǔ)償項(xiàng)目要求，在低壓母線上分別裝一套采用TCR＋FC型的高壓動態(tài)無功自動補(bǔ)償成套設(shè)備（SVG）,能同時解決系統(tǒng)無功補(bǔ)償問題和諧波問題，能夠有效的對系統(tǒng)的無功量進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，做到無級調(diào)節(jié)，并能有效的濾除諧波，穩(wěn)定電壓。

該系統(tǒng)的方案整體規(guī)劃包含如下幾個方面：

（1）濾波容量設(shè)計(jì)；

（2）220Kv變電站主接線的選擇；

（3）SVG動態(tài)無功補(bǔ)償。

2.1 無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?/h3>

無功功率補(bǔ)償裝置在整個電力系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)化供電的環(huán)境。選取合適的無功補(bǔ)償裝置，有助于最大程度的降低電網(wǎng)損耗，提高電能質(zhì)量。相反，選取或者操作不當(dāng)，可能引發(fā)電網(wǎng)的諧波增加，電壓波動等不良后果。

無功補(bǔ)償?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)包含如下方面：

(1) 用戶端的功率因素提高能使得供電設(shè)備利用率提高；

(2) 電網(wǎng)有功損耗得到降低；

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

(4) 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置與合理的調(diào)節(jié)器配合能使得系統(tǒng)動態(tài)性得到優(yōu)化，輸電線的穩(wěn)定性和輸送能力也可以有所提升；

(5) 配置靜態(tài)無功補(bǔ)償器可以使得電網(wǎng)電壓波形得到改善，諧波分量減小，負(fù)序電流問題得到解決?？杀苊飧叽沃C波引起如變壓器、電纜、電機(jī)、電容器等的局部過熱與額外的電能損失。

2.2 補(bǔ)償電容器的選擇

針對石井地區(qū)的運(yùn)行環(huán)境及用電需求特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用集裝箱式SVG補(bǔ)償方案。原因有如下幾點(diǎn)：

（1）SVG具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，同時相較于TCR型SVC和MCR型SVC，向電網(wǎng)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(chǎn)生諧波電流，與FC配合能很好的濾除電網(wǎng)的諧波電流。

（2）SVG的輸出特性不受電網(wǎng)電壓高低的影響，調(diào)節(jié)范圍在．100%計(jì)100%，具有硬特性，即使一分鐘內(nèi)百分之二十的過載運(yùn)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(lián)諧振的情況下也能夠單獨(dú)投入使用，靈活性更好。對于戶外型的SVG，具備水冷和風(fēng)冷兩種方式，集裝箱式的SVG方案是一項(xiàng)性價比較高的補(bǔ)償方案，有著防護(hù)等級高、損耗低、占地小、安全性高、維護(hù)容易等一系列特點(diǎn)。

（4）無功補(bǔ)償方面也有一個新的發(fā)展思路，是將具有集裝箱式結(jié)構(gòu)同時融合了旋風(fēng)除塵技術(shù)的SVG加以應(yīng)用，SVG是目前無功補(bǔ)償應(yīng)用領(lǐng)域新的發(fā)展方向。

補(bǔ)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(shù)均相同的變壓器并列運(yùn)行，其總有功功率損耗和總無功功率損耗可根據(jù)下式計(jì)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(yùn)行變壓器的臺數(shù);

ΔP0—空載損耗（kW）；

ΔPK—短路損耗（kW）；

S—變壓器負(fù)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?jǐn)?shù)；

UK%—變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)。

將變壓器二次側(cè)總功率與變壓器的功率損耗相加即得到高壓側(cè)的總功率。

（2）補(bǔ)償前平均功率因數(shù)計(jì)算

（3）補(bǔ)償容量計(jì)算

式中，α—有功負(fù)荷率；

tan?1，tan?2—補(bǔ)償前、補(bǔ)償后功率因數(shù)的正功值；

P—系統(tǒng)有功負(fù)荷；

（4）確定電容器臺數(shù)

式中：Qc—計(jì)算補(bǔ)償容量（kvar）；

qc—每臺電容器的標(biāo)稱容量（kvar）。

由于無功補(bǔ)償要做到三相對稱補(bǔ)償，所以所選臺數(shù)應(yīng)為3的整數(shù)倍?？紤]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(shù)應(yīng)為6的整數(shù)倍，故選擇電容器為24臺。

3 系統(tǒng)仿真分析

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

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

設(shè)置主變的負(fù)載率為60%，在3秒時將負(fù)載率升為100%。在負(fù)載率為從60%變?yōu)?00%時，SVG投入使用并滿發(fā)，有效緩解了電壓跌落。能有效的支持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷率由50%變化到65%時, SVG投入使用，有效穩(wěn)定了系統(tǒng)電壓和功率因素。

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

4 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)按設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行補(bǔ)償，SVG裝置能動態(tài)跟蹤電網(wǎng)無功變化，自動調(diào)節(jié)無功，可有效地補(bǔ)償和吸收系統(tǒng)無功功率，增大系統(tǒng)功率因數(shù)，提高220kV母線電壓水平，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，降低線損率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高壓SVG在發(fā)電站等瞬時無功變化的領(lǐng)域內(nèi)有很廣闊的應(yīng)用前景。