技术与应用 刁 又 电站无功补偿配置及运行分析 陈健强 李婷2 (1.广东电网有限责任公司东莞供电局,广东东莞 523000 2.东莞市城建规划设计院,广东东莞 523000) 摘要本文首先介绍电网无功补偿平衡及基本配置,以东莞地区某500kV变电站为例重点介 绍常见的并联电容器和并联电抗器的参数配置和注意事项,然后介绍了变电站AVC系统架构及相 应的电压控制方法,最后分析了500kV变电站的无功功率补偿实际运行情况,为变电站无功设备 控制提供参考。 关键词:无功补偿;并联电容器;电抗器;AVC Analysis and Research of Reactive Power Configuration of Substation Chen Jianqiang Li Ting2 (1.Dongguan Power Supply Bureau of Guandong Power Grid Corp.,Dongguan,Guangdong 523000; 2.Dongguan Urban Planning and Design Institude,Dongguan,Guangdong 523000) Abstract This paper introduces reactive power balance and configuration of powe grid.Shunt capacitor,current—limiting reactor and shunt reactor with comments are introduced of one 500kV substation.Then,the framework and control mode of auto voltage control(AVC)is taken into account. At last,According to the operation of the reactive power device,suggestion for operation is proposed, which enrich professional experience for substation operation. Keywords:reactive power;shunt capacitor;reactor;auto voltage control(AVC) 变电站无功补偿的主要作用是补偿主变压器无 不但提高了电压质量,降低了网损,满足了电网安 功损耗以及输电线路输送容量较大时电网的无功缺 全、优质、经济运行的要求,而且大大减轻了人工 额,适当补偿部分线路及间隔负荷侧的无功损耗『1]。 调整的工作量,取得了良好的应用效果。本文首先 随着经济的快速发展,500kV电网己逐步形成东莞 介绍无功补偿平衡及基本配置,以东莞地区某 电网的骨干网架,东莞电网作为互联电网受端,局 500kV变电站为例介绍无功补偿配置中的注意事 部地区存在负荷过重现象,随着电缆化程度和分布 项,然后介绍了变电站AVC系统架构及相应的电压 式能源接入量的不断增长,在电能的传输和分配过 控制方法,最后分析500kV变电站的无功功率补偿 程中,无功不平衡导致无功潮流在输电线路和变压 实际运行情况,为变电站无功设备控制和运行提供 器上造成大量的电能损失,而长线路充电功率又会 参考。 导致末端电压升高问题 J。因此,合理配置无功补 偿设备,调整系统电压在合格范围内,科学合理配 l 无功补偿平衡和配置 置无功补偿设备,确保电网潮流分布合理,对于系 1.1 无功功率平衡 统安全、经济运行,向用户提高可靠、优质的电能 无功功率平衡是保证电压质量的基本条件,无 有着重要的意义。 功功率平衡要实时做到分(电压)层、分(供电) 由于传统的电压控制方式难以适应曰益复杂的 区无功平衡『3],包括如下:①就地平衡原则。由于 潮流分布和运行方式的变化,因此,电压的调控由 输电线路,尤其是变压器的电抗 远大于电阻 , 传统的人工投切方式转变为电压无功自动控制方式 功率传输中的无功和电压损耗很大,通过就地平衡 (AVC)。目前国内多地电网投入运行AVC系统, 可以减少无功的传送,减少电压损耗;②分层平衡。 2017年第11期电霉|l技柬f123 技术与应用 即变电站内不同电压等级来的过剩无功将在变电站 内通过补偿装置平衡,不流入相邻电网;③区域平 衡。在交流电网中,通常要求输电线路两侧的区域 分别实现无功平衡,包括发电厂区域和变电站区域。 1.2 变电站无功设备配置 变电站无功补偿的设备包括:并联电容器和同 步调相机、并联电抗器、静止无功补偿装置。其中 并联电容器和并联电抗器应用广泛,本节主要结合 某500kV变电站重点介绍。并联电容器补偿设备包 括并联电容器、电容器附件和串联电抗器: 1)并联电容器能产生相位超前与电网电压的无 功电流,提高电网功率冈数。电容器附件包括放电 线圈、避雷器和熔断器。放电线圈在电容器退出运 行后if}}放电容器的储能,提供继电保护信号。氧化 锌避雷器及过电 保护装置,抑制操作过电压。单 台电容器保护熔断器。为无内熔丝电容器的极间短 路提供快速保护。该500kV变电站并联电容器型式 类别有组架式和集合式两种,每组电容器分相布置 采用双星型接线,双星型同相并接后再串联电抗 器,通过35kV断路器并接在主变压器变低侧35kV 单母线。主要用于:在无功功率需求较大导致站内 母线电胝下降时,根据电压控制要求投入并联电容 器,向220kV电网和主变压器集中补偿无功功率, 维持电 水平;而电压水平较高时则退出运行。文 献[4]指出,并联电容器和并联电抗器的补偿容量, 宜分别为主变 器容量的30%以下,电容器分组容 町选为30 ̄60MVar。该500kV变电站主变压器 总容量为4000Mvar,配置的并联电容器每组容量为 60Mvar, 12组,总容量为720Mvar,电容器容量 比为18%,符合规范要求。 2)电容器附件包括放电线圈、避雷器和熔断器。 放电线圈在电容器退出运行后泄放电容器的储能, 提供继电保护信号。氧化锌避雷器及过电压保护装 置,抑制操作过电 。单台电容器保护熔断器。为 尤内熔丝电容器的极间短路提供快速保护。 3)串联电抗器。作用是抑制合闸涌流,抑制 谐波,防止谐波对电容器造成危害,避免电容器 装置的接入对电网谐波的过度放大和谐振发生l 5l。值 得注意的是,电抗器周围必须保证无铁磁物体及其 他杂物,要避开继电保护和微机室,距电抗器本体 外圆半径的范围内不应有粗大的金属构件,地下接 地体不得旱金属闭合环路状态,电抗器剧同的围网、 闭 必须开路,两台电抗器的中心距应不小于本体 124 f电搴曩i技7lt 2017年第1 1期 外圆直径的1.8倍,以保证设备的安全运行和操作 人员身体健康_6】。串联电抗器的大小视电容器安装 处母线的谐波状况而定,串联电抗器的电抗率即每 相额定感抗与额定容抗百分比(%),一般有3种选 择:①基本无谐波、仅为限制合闸涌流时百分比选 0.5%~1.0%;②有5次谐波时选4.5%~6.0%;⑧有 3次谐波时选l2%~13% ]。该500kV变电站每一组 电容器配置一组串联电抗器,第 组串联电抗器的 电抗率为12%,第二组百分比为2%,第 组百分比 为2%,该电抗率的选择综合考虑了限制涌流、防止 谐波放大和谐振发牛。 并联电抗器包括高 并联电抗器和低。二并联电 抗器。500kV及以上高压并联电抗器主要作用是限 制工频过电压和降低潜功供电流、恢复电压以及平 衡超高压输电线路的剩余充电功率 ];主变 器低 压侧并联电抗器的作用主要是补偿超高压输电线路 的剩余充电功率。该500kV变电站干式并联电抗器 品字型布置,与串联电抗器一样,周罔设施也必须 满足的防电磁感应的空间距离。每组电抗器分相布 置采用星型接线,通过35kV断路器并接在t变压 器变低侧35kV单母线。主要用于:在无功功率低 谷导致站内母线电压上升时,根据电 控制要求投 入并联电抗器,吸收多余的无功功率,维持电 水 平;而电压水平较低时则退出运行。该500kV变电 站配置的并联电抗器每组容最为60Mvar,共8组, 总容量为480Mvar,电抗器容蕈比为12%,符合规 范要求。 图1为东莞地 某500kV变电站≠}1号卞变压器 低压侧母线接线图,每一段母线分别接3组电容器 (包括串联电抗器组)和2组电抗器组,该站所有 电容器组和电抗器组分别接在拌1号牛变压器、#2号 主变压器、#3号主变压器、≠}4号主变 器的35kV 图1 }}1号主变压器低压侧母线接线图 低压侧母线,实现站内的无功补偿和电压调节,无 功设备配置见表1。 表1某500kV变电站无功设备配置 区域 现场配置 35kV 1M母线 配置312、314两组并联电抗器组 35kv 2M母线 配置322、324两组并联电抗器组 35kV 3M母线 配置332、334两组并联电抗器组 35kV 4M母线 配置342、344两组并联电抗器组 31l、313、315电容器组 分别配置311、313、315串联电抗器组 321、323、325电容器组 分别配置321、323、325串联电抗器组 331、333、335电容器组 分别配置331、333、335串联电抗器组 341、343、345电容器组 分别配置341、343、345串联电抗器组 2 500kV变电站调压方式 无功功率平衡与否(过剩或不足)是针对各层 次电网所规定的电压水平而言的,无功功率与电压, 无法全网调度,层次性、地域性较强,只能实行各 层次和地域的平衡。无功功率不平衡引起电压偏移, 根据无功负荷的电压静态特性,当一个地区无功过 剩时,电压升高,无功不足时电压降低,电压升高 和降低的数值由代表该地区的综合无功负荷的电压 静态特性来确定。 2.1 传统调节无功补偿方式 某500kV变电站传统人工调节无功补偿方式, 运行人员根据以下电容器和电抗器投退策略进行投 退,一方面保证500kV和220kV母线电压在控制范 围;另一方面根据主变压器无功功率状况进行调节 实现无功的就地平衡。 1)电抗器投切要求保证母线电压合格:当 220kV母线电压达到或超过231.0kV时,或者当 500kV母线电压达到或超过53 1.0kV时应投入并联 电抗器组。无功实现就地平衡:当主变压器无功功 率Q>0.2P(P为主变压器有功功率)时,应退出 并联电抗器组;当主变压器无功功率Q≤0时,应 投入并联电抗器组。并联电抗器组作用是系统无功 多余时吸收无功,而电容器组作用是系统无功缺额 时发出无功,两者作用是相反的,因此并联电抗器 组与电容器组不能同时投入运行。 2)电容器投切要求保证母线电压合格:当 220kV母线电压达到或低于220.0kV时,或者当 500kV母线电压达到或低于500.0kV时,应投入电 容器组。无功实现就地平衡:当主变压器无功功率 技术与应用 Q>0.2P(P为主变压器有功功率)时,应投入电容 器组;当主变压器无功功率Q≤0时,应退出电容 器组。 2.2 AVC调节无功补偿方式 ’AVC系统是以电压最优、损耗最小为终极目标[9], 以数据采集与监视控制系统(SCADA)采集的全网 实时数据为基础[1刚,应用最优潮流算法进行在线优 化分析计算,形成控制策略并实施,控制发电厂无 功出力、控制电网内变电站和用户无功补偿装置以 及变压器分接头等,最终达到电网无功功率分布合 理,实现电网最优化运行。按照分层分区的建设思 路,500kV变电站接受省级调度中心AVC系统的直 接集中控制,AVC系统总体结构示意图如图2所示。 图2 AVC系统总体结构示意图 该500kV变电站AVC系统控制示意图如图3 所示。中调编制日前电压计划曲线,提前一天通过 。0kV变电站 i} 牛 一 一. 一.__j 图3 500kV变电站AVC系统控制示意图 2017 ̄11期电鼍技术j 125 技术 应用 中调AVC F发至地调AVC。中调AVC负责对全网 电压无功进行实时优化计算,将各500kV变电站主 变低压侧母线注入无功控制指令下发至地调AVC。 地调AVC以省调下发的电压计划曲线值作为电压 限值,在确保电压和无功合格基础上,以中调下发 的500kV变电站主变低压侧母线注入无功控制指令 作为控制目标,同时考虑保护动作或设备异常等安 全问题,最终形成控制策略由地调EMS向变电站下 发电容电抗投退的遥控命令。 3 无功补偿设备运行分析 500kv变电站采用的电压控制策略以500kV母 线电压合格为主,兼顾220kV电压…],无功补偿设 备是电容器和电抗器。以东莞某500kV变电站为例, 该变电站已开始由AVC进行无功补偿控制和电压 调节,每同分时段控制母线电压要求见表2和表3。 在AVC运行期间,根据每段母线上的第一组电容器 的串联电抗器的电抗率是l2%的配置,每段母线上 第一组电容器是遵循“先投后退”的原则:即需要 投入电容器时,必须先投入第一组电容器,才能投 入其他组别电容器;需要退出电容器时,必须先退 出其他组别电容器,最后退出第一组电容器。500kV 变电站的无功补偿专门由主变压器的低压侧母线提 供,没有出线负荷,低压侧母线基本不存在谐波问 题,更多考虑合闸涌流措施。 表2 500kV母线电压控制要求 母线:I母、II母 序号 控制时段 限/kV 下限/kV 1 OO:0O一06:14 536 532 2 06:15一O8:14 537 533 3 08:l 5一l2:14 538 528 4 l2:15—14:44 536 532 5 l4:45—2l:59 537 527 6 22:O0—23:59 536 532 表3 220kV母线电压控制要求 序号 控制时段 母线:I母、I 母、V母、Ⅵ母 卜限/kV 下限/kV l 00:0O一06:59 234 228 2 07:00一l1:44 233 225 3 l1:45一l3:59 234 228 4 l4:0O一22:14 233 225 5 22:15—23:59 234 228 126f电黾技术 2017年第11期 除了第一组电容器外,其他组别的电容器和电 抗器的投入还存在一定的随机性,运行人员多次发 现220kV母线电压达到234.8kV时(满足220kV电 压控制要求AVC应该动作),主变低压侧35kV 1M 母线上的第一组、第二组电容器仍然在投入状态。 联系调度并得到许可后,运行人员人工退出了第二 组电容器,退出了第二组电容器后第~ 组电容器就 正常自动退出,其他组别的电抗器也能自动相继投 入。通过调度监控分析,发现投退无功补偿设备的 随机性和第一组电容器的“先投后退”策略发生冲 突,导致在无功过多时无法退出电容器组,后续已 完成策略的升级整改,运行『F常。 图4和图5分别为该500kV变电站AVC运行 后某日的500kV I母和220kV I母电压曲线,可 以看出500kV I母和220kV I母电压存负荷高峰期 (10:00、16:00、20:00)电压水平将出现下降, 而AVC在负荷高峰按照电压控制要求提供了无功功 率,500kV I母电压存下限定值(08:15一l2:l4 对应528kV,14:45—21:59对 527kV)~ 卜微 量波动调节属于正常,其余时间都能维持控制水平; 而220kV I母电压全天时间都能维持控制水平, AVC控制策略的能满足电压控制要求,电压调节效 果较为明显。 .ⅣJ 。 … 一— …lJ’1Il . ’ ,L J V ,\rJ ’ V 昌盘 鲁盘 昌昌窨盆盘暑尝毋 盘 昌寅 昌蜀 盘岛窨 盅 台鲁鲁蓉琶 兽鲁鲁§菪鲁喜 j叠§暮妻 §誊吾喜 意 图4 500kV I母某日电压曲线 o o 0 兰曼o o :莹喜o o o o 0 o a童 i H H 妻 曼H d 量 H N N N N 曼 图5 220kV I母某日电压曲线 运行经验表明,35kV母线}二电容器组或电抗器 投入越多,低压侧母线的电压不平衡度越人,当无 功补偿设备不投入时零序电j=}i接近0;当某段低 侧母线投入3组电容器后,零序电压可达10V。闪 技术与应用 此,AVC有必要根据无功功率情况合理的控制本站 补偿[J].电气技术,2015,16(3):142.144. 的无功设备的平均投切,避免低压侧母线上无功设 [3] 何晓英,苗竹梅.电力系统无功电压管理及设备运 备过多。 行维护[M].北京:中国电力出版社,2011. 另外,AVC控制策略需要考虑电容器和电抗器 [4】DL 5014—1992.330~500kV变电所无功补偿装置 断路器的动作次数,避免某一台电容器断路器或电 设计技术规定[s]. 抗器断路器投退较多超过断路器动作次数,尽量使 [5】 陈伯胜.串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选 断路器分合闸次数均匀。 择[J].电网技术,2003,27(12):92—95. [6]鲍晓华,张程,胡云鹏.空心电抗器的复合被动屏 4 结论 蔽结构的电磁性能分析[J].电工技术学报,2016, 本文首先介绍了变电站无功补偿的基本概念, 31(S):68-69. 结合东莞地区某500kV变电站为例介绍了常见的并 [7】 俞永杰.串联电抗器谐波抑制与电抗率选择[J].电 联电容器和并联电抗器的参数配置和注意事项。然 气应用,2005,24(3):74—75. [8] 温定筠,张秀斌,陈宏刚.750kV可控并联电抗器本 后介绍了500kV变电站调节无功补偿控制方式,包 体感应电压试验装置研究[J].电气技术,2014, 括传统的无功补偿方式和当今AVC无功补偿系统 15(i01:76—77. 架构及控制方式。接着结合500kV变电站母线电压 【9]杨林,赵守忠,许小鹏,等.地区电网经济运行研究 Ⅲ 控制要求研究AVC实际运行情况,通过对某日的 [J].电气技术,2014,15(12):58.59. 500kV和220kV母线电压值与控制策略进行分析比 [10]汪清.地区电网无功电压优化系统的研究与设计[J]. 较,不同控制时间段母线电压都能满足控制要求, 电气技术,2015,16(12):135.136. 验证了AVC控制策略的有效性,最后根据运行经验 [11]陈柏超,宋继明,周攀,等.基于MCR和MSVC的 提出了AVC控制策略的补充意见。 220kV变电站多电压等级无功电压综合控制[J].电 参考文献 工技术学报,2015,30(16):230—231. [1]刘娅.变电站无功补偿的作用和方法[J].云南电力 作者简介 技术。2010(1):19—20. 陈健强(1985.),男,广东省东莞市人,硕士,工程师,主要研究 [2] 朱宝利,姜炜铭,索志东,等.线路容性无功功率的 领域为变电运行技术。 (上接第122页) 此控制系统已经应用于远达环保催化剂有限公 参考文献 司的挤出生产线,该生产线年产量达12000m 。经 张晓江.电机及拖动基础【M].北京:机械工业出版 过几年的生产试验,挤出机同步传输皮带上的催化 社,2016. 剂产品没有发生扭曲和拉伸的现象,证实了此套控 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统:运动控制系 制系统具有良好的稳定性和实用性。 统[M].北京:机械工业出版社,2009. 4 结论 Beta LaserMike USA.LaserSpeed LS4000—3 INSTRUCTION HANDBOOK[Z].20 1 1 本文针对传统测速在柔软产品中存在的缺点, 向晓汉,奚茂龙.西门子PLC完全精通教程[M].北 结合激光测速的准确性和实时性特点,设计了一种 京:化学工业出版社,2014. 基于PLC的传输皮带同步运行程序,通过PLC输出 汤蕴璎,史乃.电机学[M】.北京:机械工业出版社, 的模拟量控制传输皮带变频器的速度。该设计程序 1999. 稳定可靠,效率高,测速实时性好,可适用于各种 西门子公司.MICROMASTER 420用户手册[Z]. 同步传输场合。 2012 2017 ̄11期嘲|一I技柬I127