適應線路電纜化的220 kV變電站無功補償計算研究

徐志偉，吳星儀，蔡 暉

(1.揚州浩辰電力設計有限公司，江蘇 揚州 225000；2．河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100；3．國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，江蘇 南京 210008)

無功平衡是保證電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量穩(wěn)定的前提基礎，科學化的電壓控制與無功補償既能保證電壓質(zhì)量，還能保障電力系統(tǒng)的安全運行。無功配置不合理對電力系統(tǒng)危害極大，不僅會影響電力設備運行，還會對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來風險，甚至引起電壓崩潰[1-3]。

長期以來，人們關注普遍集中在由無功缺乏而造成的電壓偏低、網(wǎng)損偏大和可能導致的電壓崩潰事故上。但隨著城市電纜線路在電網(wǎng)中的大量使用，在負荷低谷期間，無功難以就地平衡，引起電壓偏高甚至嚴重越限，線路無功流動增大導致網(wǎng)損增大等問題日益突出[4-5]。但現(xiàn)有變電站無功補償計算方法的文獻，對于220 kV變電站工程無功容量配置計算，其容性無功補償配置主要結(jié)合地區(qū)實際運行經(jīng)驗，按照主變?nèi)萘康?0%～25%比例進行配置，對于感性無功配置按照出線電纜充電功率總和進行估算[6-7]。另外，有學者通過電網(wǎng)建模的方法對某個區(qū)域的無功進行優(yōu)化配置，該方法需要對區(qū)域電網(wǎng)進行準確建模，但是該方法分析的準確性受制于電網(wǎng)模型的建模精度，而且整個過程耗時較長[8-10]。因此，快速準確配置適應線路電纜化的220 kV變電站的無功裝置容量對于電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行都有著十分重要的意義。

1 無功配置流程及模型

1.1 變電站數(shù)據(jù)處理

為合理配置無功設備容量，需獲取變電站信息及進出線電纜參數(shù)，主要包括變壓器臺數(shù)、變壓器容量、變壓器阻抗電壓百分數(shù)、變壓器空載電流百分數(shù)、負荷容量、負荷功率因數(shù)、進出線電纜型號、進出線電纜長度、單組無功設備容量、迭代計算精度、高峰負荷時變電站功率因數(shù)要求值及低谷負荷時變電站功率因數(shù)要求值等參數(shù)。

1.2 功率因數(shù)計算

利用高峰負荷/低谷負荷時的功率因數(shù)模型，分別計算變電站在高峰負荷和低谷負荷時的功率因數(shù)，如高峰負荷和低谷負荷下的功率因數(shù)不滿足要求，說明變電站需配置無功設備。

變電站功率因數(shù)模型見式(1)，該模型可根據(jù)變電站及其進出線線路參數(shù)信息，計算高峰負荷/低谷負荷期間的功率因數(shù)。

(1)

式中：cosφ為功率因數(shù)；P1、P2、P3分別為高壓、中壓、低壓側(cè)有功功率值，MW；Q1、Q2、Q3分別為高壓、中壓、低壓側(cè)無功功率值，Mvar；Q10L、Q110L、Q220L分別為10 kV、110 kV、220 kV線路充電功率，Mvar；Ud1%、Ud2%、Ud3%分別為變壓器高壓、中壓、低壓阻抗電壓百分數(shù)；SN為變壓器容量，MVA；I0%為空載電流百分數(shù)。

1.3 無功補償計算

無功補償計算過程如圖1所示，首先按功率因數(shù)達標所需補償?shù)淖畹蜔o功量為原則，求得相應負荷水平下的無功補償計算值。并根據(jù)高峰負荷/低谷負荷時無功補償后的功率因數(shù)計算模型，求得無功補償后的功率因數(shù)，然后返回重新開始計算，此時計算用的無功補償值為原無功補償值±迭代計算精度，由此開始循環(huán)計算，直至功率因數(shù)由合格變?yōu)椴缓细窕蛴刹缓细褡優(yōu)楹细?。結(jié)束計算，輸出功率因數(shù)合格/不合格的無功補償值和功率因數(shù)不合格/合格的最新無功補償值，對這2個值進行插值計算，得出無功配置容量數(shù)值。其中，迭代計算精度由用戶設定，迭代計算精度設定值越小，計算精度越高，如用戶未設定，默認迭代計算精度為0.5 Mvar。無功配置計算模塊需在負荷高峰和負荷低谷時分別進行計算，最終分別得出容性無功配置容量數(shù)值和感性無功配置容量數(shù)值。

圖1 無功補償計算過程

高峰負荷時無功補償后的功率因數(shù)計算模型見式(2)，該模型可根據(jù)變電站及其進出線線路參數(shù)信息，并結(jié)合變電站所需容性無功功率補償值的計算結(jié)果，計算高峰負荷時無功補償后的功率因數(shù)，作為迭代計算時的功率因數(shù)判別依據(jù)。

(2)

低谷負荷時無功補償后的功率因數(shù)計算模型見式(3)，該模型可計算低谷負荷時無功補償后的功率因數(shù)，作為迭代計算時的功率因數(shù)判別依據(jù)。

(3)

式中：cosφ′2為低谷負荷時無功補償后的功率因數(shù)；QLf為變電站所需的感性無功功率補償值，Mvar。

2 實例計算

2.1 變電站參數(shù)

某220 kV變電站變壓器為3臺，變壓器容量為180 MVA；變電器阻抗電壓百分數(shù)U1-2%=13%，U2-3%=48%，U1-3%=65%；變壓器空載電流百分數(shù)I0%=0.05%；負荷容量在高峰負荷時，110 kV負荷為270 MVA，10 kV負荷為82.5 MVA，在低谷負荷時，110 kV負荷為97.5 MVA，10 kV負荷為37.5 MVA；110 kV負荷功率因數(shù)為0.95，10 kV負荷功率因數(shù)為 0.92；進出線信息中220 kV出線電纜截面為2000 mm2，長度為4 km，110 kV出線電纜1000 mm2，長度為28 km，10 kV出線電纜400 mm2，長度為28 km；單組無功設備容量為6 Mvar；迭代計算精度為0.5 Mvar；高峰負荷時變電站功率因數(shù)要求cosφh≥0.98，低谷負荷時變電站功率因數(shù)要求cosφL≤0.95。

2.2 參數(shù)計算

2.2.1 電纜充電功率

根據(jù)進出線電纜導體截面和長度，計算出電纜的充電功率。220 kV線路充電功率計算如下。

Q220L=2πfcU2L

(4)

式中：Q220L為充電功率；f為頻率；c為電容值；U為電纜運行電壓；L為電纜長度。

根據(jù)式(4)求得：Q220L=14.28 Mvar。同理，求得110 kV線路充電功率Q110L=25.53 Mvar；10 kV線路充電功率Q10L=0.40 Mvar。

2.2.2 主變電抗百分數(shù)計算

主變高壓繞組阻抗電壓百分數(shù)Ud1%={Ud1-2%+Ud1-3%-Ud2-3%}/2=15%。主變中壓繞組阻抗電壓百分數(shù)Ud2%={Ud1-2%+Ud2-3%-Ud1-3%}/2=2%。主變低壓繞組阻抗電壓百分數(shù)Ud3%={Ud1-3%+Ud2-3%-Ud1-2%}/2=50%。

2.3 功率因數(shù)計算

根據(jù)式(1)，高峰負荷時功率因數(shù)計算結(jié)果為cosφ1=0.9470，低谷負荷時功率因數(shù)計算結(jié)果為cosφ2=0.9965。

功率因數(shù)計算的計算結(jié)果說明，高峰負荷時，無容性無功補償時的功率因數(shù)為0.9470，低于用戶要求的0.98的下限值，說明該變電站需配置容性無功補償裝置。低谷負荷時，無感性無功補償時的功率因數(shù)為0.9965，高于用戶要求0.95的上限值，說明該變電站需配置感性無功補償裝置。

2.4 無功配置計算

2.4.1 容性無功配置計算

a.計算無功補償值

該變電站在高峰負荷時功率因數(shù)cosφh需大于0.98，此時，變電站所需的無功功率補償值Qcf=P1(tan(arccosφ1)-tan(arccosφh))=45.25 Mvar。

b.功率因數(shù)計算

c.功率因數(shù)判別與迭代計算

該變電站在高峰負荷時功率因數(shù)需大于0.98，上一步驟的功率因數(shù)計算值為0.9800，功率因數(shù)合格。

返回重新計算，此時計算用的新無功補償值原無功補償值減迭代計算精度，其值為45.25-0.5=44.75 Mvar，重復步驟a和步驟b計算得到新的功率因數(shù)cosφ′1=0.9797，此功率因數(shù)低于0.98，判定為功率因數(shù)不合格。

結(jié)束計算，輸出功率因數(shù)不合格的無功補償值為44.75 Mvar，功率因數(shù)合格的最新無功補償值為45.25 Mvar。

d.計算無功配置容量

為獲得精度較高的無功補償值，運用插值方法對功率因數(shù)不合格的無功補償值和功率因數(shù)合格的最新無功補償值進行插值計算。

(5)

將無功補償值代入式(5)進行插值計算，得出功率因數(shù)為0.98時的無功配置容量Q′cf為45.25 Mvar。

2.4.2 感性無功配置計算

a.計算無功補償值

該變電站在低谷負荷時功率因數(shù)cosφL需小于0.95，此時，變電站所需的無功功率補償值QLf=P1(tan(arccosφL)-tan(arccosφ2))=31.06 Mvar。

b.功率因數(shù)計算

采用低谷負荷時無功補償后的功率因數(shù)計算模型，計算的低谷負荷時無功補償后的功率因數(shù)cosφ′2=0.9455。

c.功率因數(shù)判別與迭代計算

該變電站在高峰負荷時功率因數(shù)需小于0.95，上一步驟的功率因數(shù)計算值為0.9455，功率因數(shù)合格，返回重新計算，此時計算用的新無功補償值原無功補償值減迭代計算精度，其值為31.06-0.5=30.56 Mvar，重復步驟a和步驟b計算得到新的功率因數(shù)cosφ′2=0.9467，此功率因數(shù)合格；采用同樣的方法進行迭代計算，最后得到輸出功率因數(shù)不合格的無功補償值為29.06 Mvar，功率因數(shù)合格的最新無功補償值為29.56 Mvar。

2.4.3 計算無功配置容量

根據(jù)上一步驟的計算結(jié)果可知，功率因數(shù)不合格的無功補償值QLf1為29.06 Mvar，此時功率因數(shù)cosφ′1為0.9504；功率因數(shù)合格的最新無功補償值QLf2為29.56 Mvar，此時功率因數(shù)cosφ′2為0.9492。

為獲得精度較高的無功補償值，運用插值方法對功率因數(shù)不合格的無功補償值和功率因數(shù)合格的最新無功補償值進行插值計算。

(6)

單組無功設備容量為6 Mvar，從而得出容性無功配置為8×6 Mvar，感性無功配置為5×6 Mvar。

3 結(jié)語

本文提出了一種適應線路電纜化的220 kV變電站無功裝置配置方法，建立了兼顧變電站特征、線路電纜參數(shù)和負荷條件的無功補償模型，選取高峰負荷和低谷負荷條件計算得到無功補償容量。本文提出的方法可迅速且精確配置220 kV變電站的無功設備容量，控制建設投資費用，有效發(fā)揮無功裝置的效用。