陳宏，金涌濤，周嘯波，金玉潔，寧康紅

（1.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

基于110 kV電壓等級(jí)的MSVC無功電壓控制

陳宏偉1，金涌濤2，周嘯波1，金玉潔1，寧康紅1

（1.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

針對(duì)目前我國(guó)無功補(bǔ)償電壓層級(jí)過多、補(bǔ)償不經(jīng)濟(jì)，以及開關(guān)頻繁投切的問題，提出了在220 kV變電站110 kV電壓等級(jí)下安裝MSVC裝置的措施。通過對(duì)110 kV電壓等級(jí)MSVC裝置的工作原理及特性分析，提出了基于七區(qū)圖法的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償策略，對(duì)無功功率和電壓進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，并給出了在110 kV側(cè)安裝無功補(bǔ)償裝置所需容量的計(jì)算方法。算例結(jié)果表明，通過110 kV電壓等級(jí)MSVC的無功電壓控制，可以減少無功補(bǔ)償裝置開關(guān)投切次數(shù)，維持110 kV母線電壓穩(wěn)定，提高功率因數(shù)，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

MSVC；無功補(bǔ)償；電壓控制；電能質(zhì)量

0 引言

電能質(zhì)量從普遍意義上來說是指優(yōu)質(zhì)供電[1]，包括電壓質(zhì)量與供電可靠性兩方面。電壓控制的主要方法之一是對(duì)電力系統(tǒng)無功功率進(jìn)行控制[2-4]，避免線路傳輸大量無功功率。我國(guó)對(duì)110 kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)電壓和無功的控制主要是通過安裝在35 kV或10 kV側(cè)的無功補(bǔ)償裝置來間接實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)致?lián)p耗增加，降低了補(bǔ)償效果[5-6]。110 kV母線電壓在不同運(yùn)行方式下的差別可能很大，經(jīng)常出現(xiàn)高峰時(shí)段功率因數(shù)和電壓過低，低谷時(shí)段功率因數(shù)和電壓過高的現(xiàn)象，110 kV側(cè)電壓日波動(dòng)偏大、電壓質(zhì)量不高。當(dāng)變電站負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，需頻繁投切無功補(bǔ)償裝置。

MSVC是磁控電抗器型SVC（靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置），具有可隨電網(wǎng)傳輸功率的變化而自動(dòng)平滑調(diào)節(jié)自身容量的特點(diǎn)。本文提出了將MSVC裝置安裝在110 kV電壓等級(jí)的措施，通過對(duì)典型電網(wǎng)的分析計(jì)算，與傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的無功潮流、電壓控制、電網(wǎng)輸送能力等相比，具有降低網(wǎng)損、提高功率因數(shù)、穩(wěn)定端點(diǎn)電壓、提高電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。

1 MSVC的工作原理及特性

MSVC由MCR（磁控電抗器）與電容器組并聯(lián)而成。MCR電氣主接線如圖1所示[10]。MCR本體采用三相一體化6柱鐵心結(jié)構(gòu)，每相有2個(gè)工作鐵心，為了隔離一次回路，每個(gè)工作鐵心均有交流工作繞組和直流控制繞組2個(gè)線圈。110 kV側(cè)交流工作繞組采用星型連接，中性點(diǎn)直接接地。他勵(lì)式MCR低壓側(cè)直流控制繞組先分別串聯(lián)連接后，再反向并聯(lián)到整流輸出側(cè)，形成雙三角形的型式。

圖1 他勵(lì)式磁控電抗器接線原理

由文獻(xiàn)[11]知，在額定正弦電壓下um，得到MCR的直流控制電壓Ud為：

式中：σ為磁控電抗器自耦變壓器變比。

觸發(fā)角α與磁飽和度β的關(guān)系為：

對(duì)MCR輸出電流進(jìn)行傅立葉分解，得到基波電流值I1為：

鐵心磁飽和度β與直流控制電壓呈正比關(guān)系，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角α的大小，控制直流電壓值，調(diào)節(jié)鐵心磁飽和度β，最終控制MCR的輸出電流，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電抗器容量的目的。

MCR的主鐵心都為磁閥式結(jié)構(gòu)，即沿工作鐵心布置有小截面段，小截面段在控制電壓的作用下，可進(jìn)入磁飽和工作狀態(tài)，而且飽和程度很高。大截面鐵心僅受交流電壓作用，一直處于不飽和狀態(tài)，因此可以極大減少電抗器的諧波和有功損耗。

2 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/h2>

在變電站內(nèi)安裝110 kV MSVC裝置是為了實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)電壓穩(wěn)定，提高母線功率因數(shù)。其接入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MSVC接入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在當(dāng)前負(fù)荷水平下，根據(jù)系統(tǒng)無功和電壓調(diào)整需求，調(diào)整MSVC的觸發(fā)角，控制MSVC的電抗值，實(shí)現(xiàn)MSVC與電容器組、變壓器分接頭的協(xié)調(diào)控制。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償采用七區(qū)圖法，電壓優(yōu)先、兼顧無功的策略，如圖3所示。調(diào)節(jié)原則是盡量?jī)?yōu)先調(diào)節(jié)磁控電抗器，然后判斷是增加輸出容性無功功率還是感性無功功率，如果要增加輸出容性無功功率則先將感性無功補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行，如果要增加輸出感性無功功率則先將容性無功補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行，以避免電抗補(bǔ)償電容，最后調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭。只有當(dāng)電壓調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)矛盾且通過調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭可控時(shí)才先調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭。各區(qū)具體調(diào)節(jié)原則如下：

（1）0區(qū)：合格區(qū)，不控制。

（2）1區(qū)：電抗、電容配合增加輸出無功功率。

（3）2區(qū)：增大MSVC的晶閘管觸發(fā)角，減少輸出感性無功功率。若觸發(fā)角到180°，則電容器投入運(yùn)行；若無電容器可投則升壓。

（4）3區(qū)：升壓。若有載變壓器分接頭檔位已到極值位置，則增大MSVC的晶閘管觸發(fā)角，減少輸出感性無功功率；若觸發(fā)角到180°，則電容器投入運(yùn)行。

（5）4區(qū)：電抗、電容配合減少輸出無功功率。

（6）5區(qū)：減小MSVC的晶閘管觸發(fā)角，增加輸出感性無功功率。若觸發(fā)角到5°，則電容器退出運(yùn)行；若無電容器可以退出運(yùn)行則降壓。

（7）6區(qū)：降壓。若有載變壓器分接頭檔位已到極值位置，則減小MSVC的晶閘管觸發(fā)角，增加輸出感性無功功率；若觸發(fā)角到5°，則電容器退出運(yùn)行。

（8）ΔU區(qū)：電壓微量防振區(qū)，不控制。

圖3 無功補(bǔ)償控制七區(qū)圖法示意

采用七區(qū)圖法的控制策略后，可以實(shí)現(xiàn)無功功率的連續(xù)精確補(bǔ)償，避免頻繁投切電容器組。

3 MSVC在110 kV電壓等級(jí)的適用性分析

某變電站主變壓器容量180 MVA，變壓器額定變比為230±8×1.25%/117/37 kV，220 kV出線4回，110 kV出線4回。變電站目前配有1組9 600 kvar電容器和1組10 000 kvar電抗器。

某典型日下，該變電站的110 kV側(cè)功率曲線如圖4所示。

圖4 變電站110 kV側(cè)功率曲線

由于該變電站110 kV側(cè)接有大量小水電機(jī)組，存在系統(tǒng)無功倒送的情況，因此110 kV側(cè)母線電壓波動(dòng)較大。在采用35 kV固定電容器和電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，該變電站220 kV，110 kV和35 kV側(cè)電壓如圖5所示。

從以上運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，該變電站110 kV側(cè)一直處于無功倒送的狀態(tài)，系統(tǒng)始終運(yùn)行在較高的電壓水平，尤其在負(fù)荷較輕的22∶00—24∶00時(shí)間段，功率因數(shù)很難達(dá)到要求。為了改善110 kV母線電壓水平，減少110 kV母線電壓的波動(dòng)，根據(jù)無功平衡原則，需在110 kV母線側(cè)增加動(dòng)態(tài)可調(diào)的感性無功補(bǔ)償裝置。

經(jīng)過計(jì)算分析，由該變電站110 kV側(cè)無功變化引起的三側(cè)母線電壓變化如表1所示。根據(jù)圖5（b）110 kV側(cè)母線最高電壓為116.7 kV，設(shè)定電壓目標(biāo)值為114 kV，則需要在110 kV母線側(cè)增加30 Mvar電抗器。

圖5 變電站電壓曲線

表1 變電站三側(cè)電壓變化率kV/Mvar

MSVC裝置與變電站的固定投切電容器組以圖2所示方式并聯(lián)接至110 kV母線上時(shí)，假設(shè)電容器的配置容量為9 600 kvar，當(dāng)僅投入MSVC裝置時(shí)，無功補(bǔ)償?shù)目烧{(diào)節(jié)范圍為-30～0 Mvar；當(dāng)投入MSVC裝置和電容器組時(shí)，無功補(bǔ)償?shù)目烧{(diào)節(jié)范圍為（-20.4）～9.6 Mvar。因此，通過對(duì)MSVC裝置和電容器組的組合，可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償在（-30）～9.6 Mvar的連續(xù)調(diào)節(jié)。

變電站采用七區(qū)圖控制策略，設(shè)定110 kV側(cè)目標(biāo)電壓值為114 kV，ΔU=0.1%，得到變電站三側(cè)母線的電壓值和MSVC輸出的無功功率如圖6所示。

圖6 MSVC投運(yùn)后變電站電壓曲線

從圖6可以看出，在110 kV側(cè)投入MSVC裝置后，電壓質(zhì)量明顯改善，滿足日電壓波動(dòng)不大于額定電壓的5%的要求。MSVC裝置投運(yùn)前后，變電站三側(cè)母線電壓比較如表2所示。

表2 MSVC投運(yùn)前后母線電壓比較

從表2可以看出，110 kV側(cè)投入MSVC裝置后，對(duì)改善110 kV側(cè)的母線電壓有明顯效果，并且可以有效緩解變電站110 kV側(cè)無功功率倒送的情況，改善功率因數(shù)。補(bǔ)償后110 kV側(cè)無功功率曲線如圖7所示，補(bǔ)償前后110 kV側(cè)功率因數(shù)比較如圖8所示。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

從上述算例的分析可以看出，由于該變電站主要負(fù)荷集中在110 kV側(cè)，且110 kV側(cè)接有大量小水電機(jī)組，因此無功功率波動(dòng)頻繁，存在著系統(tǒng)無功倒送、電壓波動(dòng)大、功率因數(shù)控制困難的問題。采用110 kV的MSVC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置可以有效緩解該變電站無功倒送的情況，提高功率因數(shù)和電壓的穩(wěn)定性，其作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）降低電容器投切次數(shù)。

該變電站如果采用相同容量的固定投切電容/電抗器組，會(huì)出現(xiàn)投入1組無功補(bǔ)償裝置時(shí)無功功率過剩，切除1組無功補(bǔ)償裝置則無功功率不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致電容/電抗器組頻繁投切，縮短使用壽命。而使用MSVC裝置和電容器組聯(lián)合補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)無功功率的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，且僅需投切1次電容器組即可，能避免電容/電抗器的反復(fù)動(dòng)作，減少操作次數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）提高變壓器的負(fù)荷能力。

采用35 kV側(cè)固定投切電容/電抗器組補(bǔ)償時(shí)，平均功率因數(shù)為0.94，采用110 kV側(cè)MSVC裝置補(bǔ)償后，平均功率因數(shù)為0.97。由于采用了MSVC裝置，變壓器凈增負(fù)荷能力為180×（0.97-0.94）=5.4 MVA。

此時(shí)，若將系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)調(diào)節(jié)到合格范圍內(nèi)，無功補(bǔ)償裝置還有一定的可調(diào)節(jié)裕度。通過優(yōu)化調(diào)節(jié)MCR的觸發(fā)角，可使功率因數(shù)盡量接近1，從而使系統(tǒng)處于利用率最大化的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）降低線損。

圖8 補(bǔ)償前后110 kV側(cè)功率因數(shù)比較

該變電站平均負(fù)荷為50 MVA，采用MSVC裝置補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.94，平均線損率為0.2，則補(bǔ)償前線損值為ΔPl=50×0.2%=100 kW。

（4）簡(jiǎn)化變壓器結(jié)構(gòu)。

220 kV變電站一般規(guī)劃3臺(tái)主變壓器，其中1臺(tái)主變壓器35/10 kV側(cè)不帶負(fù)荷，僅安裝無功補(bǔ)償裝置，每臺(tái)220 kV三圈變壓器的占地面積約12×6 mm2。如果將MSVC裝置安裝在110 kV側(cè)，則可將220/110/35（10）kV的三圈變壓器簡(jiǎn)化為僅含220 kV和110 kV 2個(gè)電壓等級(jí)的兩圈變壓器。220 kV兩圈變壓器的占地面積約8×6 mm2。將三圈變壓器簡(jiǎn)化為兩圈變壓器后，不僅簡(jiǎn)化了變壓器的制造工藝，降低了成本，而且縮小了變壓器的體積，可減少約30%的變電站變壓器占地面積。

（5）節(jié)約變電站場(chǎng)地。

若220 kV變電站的主變壓器容量為3×180 MVA，在35 kV低壓側(cè)需設(shè)置8組串聯(lián)電抗率為5%和12%、容量為10 000 kvar的電容器/電抗器組，設(shè)備總價(jià)約400～480萬元，總占地面積510 m2；如果按照相同容量配置1套110 kV電壓等級(jí)MSVC裝置，設(shè)備造價(jià)約450～500萬元，總占地面積約390 m2。采用傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置與110 kV電壓等級(jí)MSVC裝置，兩者投資基本相當(dāng)，但110 kV電壓等級(jí)MSVC裝置總占地面積較小，可節(jié)約變電站無功補(bǔ)償裝置場(chǎng)地約20%。

5 結(jié)論

根據(jù)仿真計(jì)算研究，對(duì)于主要負(fù)荷集中在110 kV側(cè)、110 kV側(cè)小水電機(jī)組接入較多、無功功率波動(dòng)頻繁、電壓/無功控制困難的220 kV變電站，采用基于110 kV的MSVC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置可以實(shí)現(xiàn)無功功率的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，減少無功補(bǔ)償裝置開關(guān)投切次數(shù)，維持110 kV母線電壓穩(wěn)定，提高功率因數(shù)，能夠最大限度地降低有功損耗，提高系統(tǒng)的輸送容量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此，110 kV的MSVC裝置在電力系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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（本文編輯：龔皓）

MSVC Reactive Voltage Control Based on 110 kV Voltage Class

CHEN Hongwei1，JIN Yongtao2，ZHOU Xiaobo1，JIN Yujie1，NING Kanghong1
（1.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Aiming at multiple voltage classes and uneconomical reactive compensation as well as frequent switching of switches in China，the paper proposes to install MSVC under a 110 kV voltage class in 220 kV substation.By analyzing work principle and characters of 110 kV class MSVC，the paper brings forward a dynamic reactive compensation strategy based on seven-region diagram method for comprehensive adjustment on reactive power and voltage；besides，it gives a method of calculating the capacity for installation of reactive compensation device at 110 kV side.The calculation result shows that it can reduce switching of reactive compensation device，maintain stability of 110 kV bus voltage and improve power factor by means of reactive power control of 110 kV MSVC.Therefore，the device has good application prospect and is worth promotion.

MSVC；reactive compensation；voltage control；power quality

TM761+.1

：B

：1007-1881（2014）04-0014-05

2013-12-02

陳宏偉（1986-），男，浙江杭州人，碩士，主要從事電能質(zhì)量、電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的研究工作。