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適應(yīng)線路電纜化的220 kV變電站無功補償計算研究

2022-07-08 07:14徐志偉吳星儀
東北電力技術(shù) 2022年5期
關(guān)鍵詞:功率因數(shù)低谷高峰

徐志偉,吳星儀,蔡 暉

(1.揚州浩辰電力設(shè)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(shù)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(chǔ),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(shè)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(guān)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)定,迭代計算精度設(shè)定值越小,計算精度越高,如用戶未設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)備容量,控制建設(shè)投資費用,有效發(fā)揮無功裝置的效用。

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