許彥， 程培波

(1. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院徐州勘測設(shè)計中心， 江蘇 徐州221000；2. 東方電子股份有限公司， 山東 煙臺264000)

0 引言

電力系統(tǒng)中, 無功的合理分布是保證電壓質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運行的重要條件。 220 kV 變電站作為城市電網(wǎng)的重要節(jié)點, 合理的無功配置對于提高負(fù)荷功率因數(shù)、 減少電力輸送損耗、 改善電能質(zhì)量有著十分重要的意義[1-2]。 本文針對大量220 kV 變電站低谷負(fù)荷時功率因數(shù)偏高, 甚至無功倒送等問題, 結(jié)合電網(wǎng)實際數(shù)據(jù), 分析產(chǎn)生上述問題的主要原因。

本文對擁有較長220 kV 架空線路的變電站的感性無功補償?shù)呐渲迷瓌t進(jìn)行探討和分析, 結(jié)合實際數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的配置方案, 便于工程實際操作。對傳統(tǒng)的補償措施與采用SVG (靜止無功發(fā)生器)補償措施進(jìn)行了優(yōu)缺點、 價格、 尺寸的全方位比較, SVG 補償措施在進(jìn)出線為架空線的220 kV 變電站的應(yīng)用前景非常廣闊。

1 220 kV 變電站感性無功配置原則

根據(jù)變電站感性無功設(shè)計原則[3-4], 220 kV 變電站在220 kV、 110 kV 進(jìn)出線沒有電纜的情況下,不需要配置感性無功補償裝置。 根據(jù)《國家電網(wǎng)公司輸變電工程 通用設(shè)計(2017 版) 》, 對進(jìn)、出線以電纜為主的220 kV 變電站, 可依電纜長度配置相應(yīng)的感性無功補償裝置； 對于架空、 電纜混合的220 kV 變電站, 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)條件經(jīng)過計算后確定感性和容性無功補償配置[5]。

2 電網(wǎng)實際無功分析

2.1 110 kV 電網(wǎng)功率因數(shù)偏高

以江蘇電網(wǎng)為例, 截至2017 年12 月底, 低谷負(fù)荷期間, 85%的110 kV 變電站負(fù)荷自然功率因數(shù)高于0. 95, 疊加110 kV 變電站的感性無功補償配置不足、 補償度(電抗器容量/ 110 kV 電纜充電功率) 僅10. 9%等因素[6], 導(dǎo)致江蘇省境內(nèi)功率因數(shù)高于0. 95 的主變壓器共1 980 臺, 其中無功倒送162 臺。

其中, A 市有214 臺110 kV 變壓器, 低谷負(fù)荷時功率因數(shù)高于0. 95 的主變壓器有188 臺, 占比87. 8%； B 市有142 臺110 kV 變壓器, 低谷負(fù)荷時功率因數(shù)高于0. 95 的主變壓器有127 臺, 占比89. 4%, 詳見表1。

表1 江蘇110 kV 電網(wǎng)不同功率因數(shù)下主變壓器數(shù)量

2.2 新能源大量接入

截至2018 年底, 江蘇省光伏裝機達(dá)13 323 MW；風(fēng)電裝機達(dá)8 646 MW, 分別較2015 年增長315%、210%。 新能源由于存在較大的波動性與間歇性,進(jìn)一步增大了電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差, 同時帶來電壓波動和電壓越限的問題[7-8]。

以A 市為例, 近三年新能源裝機容量增長3倍, 近五年負(fù)荷峰谷差逐年上升。 如圖1 所示,2018 年最大負(fù)荷峰谷差已達(dá)到211. 3 萬kW, 最大峰谷差率達(dá)到32. 42%。

圖1 A 市電網(wǎng)近五年峰谷差特性

新能源的波動性和峰谷差的增大導(dǎo)致電網(wǎng)中線路輸送功率的快速變化、 電網(wǎng)所需無功補償裕度更大。

2.3 低谷負(fù)荷時的220 kV 架空線路充電功率

現(xiàn)行變電站設(shè)計的感性無功配置原則主要針對110 kV、 220 kV 的電纜線路及500 kV 的架空線路進(jìn)行100%補償[9-10]。

送電線路充電功率見表2[11], 110 kV 架空線路的充電功率在設(shè)計中可以忽略。 220 kV 架空線路的單位充電功率雖然較電纜小, 僅0. 19 Mvar/ km,但積少成多, 低谷負(fù)荷時的合計盈余充電功率非常大。 部分220 kV 線路動輒幾十千米, 且低谷負(fù)荷時線路產(chǎn)生的無功損耗不足以抵消充電功率, 無法達(dá)到無功的自然平衡。

表2 送電線路充電功率表

當(dāng)線路輸送潮流等于自然功率時, 線路產(chǎn)生的無功和消耗的無功相抵消, 沿全線的電壓和電流數(shù)值保持不變。 線路傳輸?shù)淖匀还β誓Ｐ?

上式中波阻抗:

受極限輸送功率所限, 電纜線路的潮流無法達(dá)到自然功率, 架空線路上的充電功率盈余則取決于線路輸送的潮流情況, 見表3。

表3 送電線路自然功率表

2.4 低谷負(fù)荷電網(wǎng)感性無功狀況

1) 110 kV 電網(wǎng)向220 kV 變電站無功倒送。 低谷負(fù)荷期間, 110 kV 電網(wǎng)存在大量剩余充電功率。現(xiàn)有110 kV 變電站電抗器少, 且通用設(shè)計中不含電抗器位置, 110 kV 電網(wǎng)剩余充電功率無法在本層平衡, 需倒送至220 kV 電網(wǎng)平衡。

2) 220 kV 電網(wǎng)向500 kV 變電站倒送。 220 kV電網(wǎng)無功倒送同樣發(fā)生在低谷負(fù)荷期間, 現(xiàn)有電抗器配置以補償電纜充電功率為主, 甚至電纜的充電功率都無法完全補償, 見表4。 低谷負(fù)荷期間, 架空線總的充電功率將超過電纜, 220 kV 電網(wǎng)盈余的充電功率無法在本層平衡, 需倒送至500 kV 電網(wǎng)或者被迫拉停220 kV 線路, 500 kV 電網(wǎng)的電抗器配置并未考慮低壓電網(wǎng)的無功盈余, 拉停線路則降低了電網(wǎng)的安全性[12]。

表4 江蘇220 kV 電網(wǎng)感性無功補償情況

3) 通過在220 kV 電網(wǎng)包括以架空線為主的變電站加裝感性無功補償裝置的方式, 一方面可以將110 kV 上送至220 kV 電網(wǎng)的無功消納, 另一方面還可以阻止低谷負(fù)荷時220 kV 架空線無功盈余上送至500 kV 電網(wǎng)。

3 220 kV 變電站感性無功配置方案與案例研究

3.1 220 kV 變電站感性無功配置方案

以220 kV 電纜為主的變電站的感性無功配置在策略規(guī)范[4]中已有描述, 不再累述。 本文重點論述以220 kV 架空線為主的變電站的配置策略,針對以架空線為主的220 kV 變電站, 給出四個步驟選擇合適的感性無功補償方案。

1) 估算變電站本期及遠(yuǎn)景接入電網(wǎng)的220 kV架空線路長度。

2) 通過收搜集資料和估算確定線路低谷負(fù)荷時的線路輸送潮流。

3) 按合計線路1 / 2 計算變電站需配置的感性無功補償容量。

4) 合理預(yù)測變電站低谷負(fù)荷, 結(jié)合無功平衡表對功率因數(shù)進(jìn)行校核。

3.2 江蘇省某220 kV 變電站案例研究

以江蘇某220 kV 變電站為例, 首先需要計算低谷負(fù)荷時線路盈余的充電功率[13-14]:

式中, ∑L為變電站的220 kV 線路合計長度,QC1通過查表2 可得,QL為線路在低谷負(fù)荷時的線路損耗。

以B 市為例, 2017 年負(fù)荷情況見表5, 其中B1 縣的高峰負(fù)荷360 MW, 低谷負(fù)荷僅為120 MW。B1 縣的3 個主要受電通道的潮流, 低谷時刻分別只有30～50 MW。

表5 B 市2017 年負(fù)荷情況

當(dāng)220 kV 變電站接入電網(wǎng)的架空線路合計為60 km 時, 線路充電功率可達(dá)5. 7 Mvar (考慮本側(cè)與對側(cè)變電站各補一半)。 低谷負(fù)荷時的線路輸送潮流為30 MW 左右, ΔQ可達(dá)5. 5 Mvar。

初步估算該220 kV 變電站需配置6 Mvar 的感性無功補償裝置, 最后結(jié)合無功平衡表對變電站的功率因數(shù)進(jìn)行校核[15-16], 見表6。

表6 變電站低谷負(fù)荷無功平衡表

4 補償方案比選

目前, 變電站的補償方案以并聯(lián)電容器和電抗器為主, 結(jié)構(gòu)簡單、 經(jīng)濟(jì)適用, 運行和維護(hù)方便。但存在只能補償感性或者容性無功, 不能連續(xù)調(diào)節(jié)； 電網(wǎng)電壓下降時, 補償?shù)臒o功量急劇下降； 系統(tǒng)有諧波時, 可能發(fā)生并聯(lián)諧振, 使諧波電流放大； 補償嚴(yán)重時會抬高電壓、 燒毀設(shè)備等諸多問題。

SVG 可以實現(xiàn)功率的動態(tài)調(diào)節(jié), 且可以感性、容性雙向調(diào)節(jié)； 提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼系統(tǒng)振蕩； 連接電抗小, 所需電感量遠(yuǎn)小于補償容量相同的電抗器； 對系統(tǒng)電壓進(jìn)行瞬時補償, 電壓降低時, 仍可維持最大無功電流； 諧波量小, 不會與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

根據(jù)《國家電網(wǎng)有限公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施( 修訂版) 》 第10. 4. 1. 12 條規(guī)定: 新投運SVG 裝置應(yīng)采用全封閉空調(diào)制冷或全封閉水冷散熱方式。 所以SVG 仍存在初期投資高、 水冷系統(tǒng)運行維護(hù)較為麻煩等問題。 考慮到SVG 與傳統(tǒng)方式在價格、 尺寸上的差異, 表7 基于電壓等級和容量對其進(jìn)行比較[18]。

表7 SVG 與傳統(tǒng)方式價格、 尺寸對比表

通過表7 的對比可以看出, 由于對SVG 冷卻方式的要求, SVG 的整體尺寸稍大于電抗器與電容器的組合。 考慮到以架空線為主的變電站一般采用戶外配電裝置的布置方式, SVG 的占地面積并不是決定因素。

根據(jù)中國電力科學(xué)研究院電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢測中心出具的某廠家SVG 試驗報告, 指令響應(yīng)時間≤10 ms, 跟蹤響應(yīng)時間≤20 ms, 從容性滿發(fā)至感性滿發(fā), 無功輸出與設(shè)定值之間偏差≤2%。進(jìn)出線以電纜為主的220 kV 變電站, 由于電纜線路自身充電功率較大, 線路盈余的充電功率基本不受線路輸送潮流的影響, 仍可以采用傳統(tǒng)的補償方式。

進(jìn)出線以架空線為主的220 kV 變電站, 通常線路較長, 受負(fù)荷自身特性及新能源接入的影響,負(fù)荷的波動性和間歇性持續(xù)增加, 線路盈余的充電功率時時變化, 低谷負(fù)荷時達(dá)到最大。 相比傳統(tǒng)方式調(diào)節(jié)級差最小為1 組電容器/ 電抗器, SVG 僅2%的調(diào)節(jié)精度和20ms 的跟蹤精度, 非常適合此類變電站[19]。

5 結(jié)語

1) 針對低谷負(fù)荷時電網(wǎng)存在的功率因數(shù)偏高、 不同電壓等級無功交換等問題進(jìn)行了詳細(xì)分析。 低谷負(fù)荷時220 kV 架空線盈余充電功率較大,用戶自然功率因數(shù)偏高, 電網(wǎng)負(fù)荷的波動性增強,110 kV、 220 kV 變電站缺乏感性無功補償裝置是主要原因。

2) 在220 kV 變電站加裝感性無功補償裝置的措施, 一方面可以將110 kV 上送至220 kV 電網(wǎng)的容性無功消納, 另一方面還阻止了低谷負(fù)荷時220 kV架空線盈余充電功率上送至500 kV 電網(wǎng)。

3) 結(jié)合現(xiàn)行的無功補償配置原則和實際電網(wǎng)數(shù)據(jù), 采取案例分析的方式, 計算220 kV 架空線路盈余充電功率, 得到220 kV 變電站的感性無功補償裝置的配置方案。

4) 針對傳統(tǒng)的補償措施與新型的SVG 進(jìn)行了優(yōu)缺點、 價格、 尺寸、 容量、 適用場景等全方位的比較, 認(rèn)為SVG 在以架空線為主的220 kV 變電站的應(yīng)用前景非常廣闊。