基于110 kV電壓等級的MSVC無功電壓控制

陳宏，金涌濤，周嘯波，金玉潔，寧康紅

（1.浙江省電力設計院，杭州310012；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

基于110 kV電壓等級的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.浙江省電力設計院，杭州310012；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

針對目前我國無功補償電壓層級過多、補償不經濟，以及開關頻繁投切的問題，提出了在220 kV變電站110 kV電壓等級下安裝MSVC裝置的措施。通過對110 kV電壓等級MSVC裝置的工作原理及特性分析，提出了基于七區圖法的動態無功補償策略，對無功功率和電壓進行綜合調節，并給出了在110 kV側安裝無功補償裝置所需容量的計算方法。算例結果表明，通過110 kV電壓等級MSVC的無功電壓控制，可以減少無功補償裝置開關投切次數，維持110 kV母線電壓穩定，提高功率因數，具有良好的應用前景和推廣價值。

MSVC；無功補償；電壓控制；電能質量

0 引言

電能質量從普遍意義上來說是指優質供電[1]，包括電壓質量與供電可靠性兩方面。電壓控制的主要方法之一是對電力系統無功功率進行控制[2-4]，避免線路傳輸大量無功功率。我國對110 kV及以上電壓等級的電網電壓和無功的控制主要是通過安裝在35 kV或10 kV側的無功補償裝置來間接實現的，導致損耗增加，降低了補償效果[5-6]。110 kV母線電壓在不同運行方式下的差別可能很大，經常出現高峰時段功率因數和電壓過低，低谷時段功率因數和電壓過高的現象，110 kV側電壓日波動偏大、電壓質量不高。當變電站負荷波動較大時，需頻繁投切無功補償裝置。

MSVC是磁控電抗器型SVC（靜止型動態無功補償裝置），具有可隨電網傳輸功率的變化而自動平滑調節自身容量的特點。本文提出了將MSVC裝置安裝在110 kV電壓等級的措施，通過對典型電網的分析計算，與傳統無功補償裝置的無功潮流、電壓控制、電網輸送能力等相比，具有降低網損、提高功率因數、穩定端點電壓、提高電網的運行經濟效益等優點[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柱鐵心結構，每相有2個工作鐵心，為了隔離一次回路，每個工作鐵心均有交流工作繞組和直流控制繞組2個線圈。110 kV側交流工作繞組采用星型連接，中性點直接接地。他勵式MCR低壓側直流控制繞組先分別串聯連接后，再反向并聯到整流輸出側，形成雙三角形的型式。

圖1 他勵式磁控電抗器接線原理

由文獻[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。

觸發角α與磁飽和度β的關系為：

對MCR輸出電流進行傅立葉分解，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系，通過調節觸發角α的大小，控制直流電壓值，調節鐵心磁飽和度β，最終控制MCR的輸出電流，達到平滑調節電抗器容量的目的。

MCR的主鐵心都為磁閥式結構，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，可進入磁飽和工作狀態，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，因此可以極大減少電抗器的諧波和有功損耗。

2 動態無功補償的控制策略

在變電站內安裝110 kV MSVC裝置是為了實現變電站內電壓穩定，提高母線功率因數。其接入系統的結構如圖2所示。

圖2 MSVC接入系統的結構

在當前負荷水平下，根據系統無功和電壓調整需求，調整MSVC的觸發角，控制MSVC的電抗值，實現MSVC與電容器組、變壓器分接頭的協調控制。

動態無功補償采用七區圖法，電壓優先、兼顧無功的策略，如圖3所示。調節原則是盡量優先調節磁控電抗器，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償裝置退出運行，如果要增加輸出感性無功功率則先將容性無功補償裝置退出運行，以避免電抗補償電容，最后調節有載變壓器分接頭。只有當電壓調節和無功調節矛盾且通過調節有載變壓器分接頭可控時才先調節有載變壓器分接頭。各區具體調節原則如下：

（1）0區：合格區，不控制。

（2）1區：電抗、電容配合增加輸出無功功率。

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

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

（5）4區：電抗、電容配合減少輸出無功功率。

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

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

（8）ΔU區：電壓微量防振區，不控制。

圖3 無功補償控制七區圖法示意

采用七區圖法的控制策略后，可以實現無功功率的連續精確補償，避免頻繁投切電容器組。

3 MSVC在110 kV電壓等級的適用性分析

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側功率曲線如圖4所示。

圖4 變電站110 kV側功率曲線

由于該變電站110 kV側接有大量小水電機組，存在系統無功倒送的情況，因此110 kV側母線電壓波動較大。在采用35 kV固定電容器和電抗器進行無功補償時，該變電站220 kV，110 kV和35 kV側電壓如圖5所示。

從以上運行數據可以看出，該變電站110 kV側一直處于無功倒送的狀態，系統始終運行在較高的電壓水平，尤其在負荷較輕的22∶00—24∶00時間段，功率因數很難達到要求。為了改善110 kV母線電壓水平，減少110 kV母線電壓的波動，根據無功平衡原則，需在110 kV母線側增加動態可調的感性無功補償裝置。

經過計算分析，由該變電站110 kV側無功變化引起的三側母線電壓變化如表1所示。根據圖5（b）110 kV側母線最高電壓為116.7 kV，設定電壓目標值為114 kV，則需要在110 kV母線側增加30 Mvar電抗器。

圖5 變電站電壓曲線

表1 變電站三側電壓變化率kV/Mvar

MSVC裝置與變電站的固定投切電容器組以圖2所示方式并聯接至110 kV母線上時，假設電容器的配置容量為9 600 kvar，當僅投入MSVC裝置時，無功補償的可調節范圍為-30～0 Mvar；當投入MSVC裝置和電容器組時，無功補償的可調節范圍為（-20.4）～9.6 Mvar。因此，通過對MSVC裝置和電容器組的組合，可以實現無功補償在（-30）～9.6 Mvar的連續調節。

變電站采用七區圖控制策略，設定110 kV側目標電壓值為114 kV，ΔU=0.1%，得到變電站三側母線的電壓值和MSVC輸出的無功功率如圖6所示。

圖6 MSVC投運后變電站電壓曲線

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

表2 MSVC投運前后母線電壓比較

從表2可以看出，110 kV側投入MSVC裝置后，對改善110 kV側的母線電壓有明顯效果，并且可以有效緩解變電站110 kV側無功功率倒送的情況，改善功率因數。補償后110 kV側無功功率曲線如圖7所示，補償前后110 kV側功率因數比較如圖8所示。

4 經濟效益分析

從上述算例的分析可以看出，由于該變電站主要負荷集中在110 kV側，且110 kV側接有大量小水電機組，因此無功功率波動頻繁，存在著系統無功倒送、電壓波動大、功率因數控制困難的問題。采用110 kV的MSVC動態無功補償裝置可以有效緩解該變電站無功倒送的情況，提高功率因數和電壓的穩定性，其作用主要體現在以下幾個方面。

（1）降低電容器投切次數。

該變電站如果采用相同容量的固定投切電容/電抗器組，會出現投入1組無功補償裝置時無功功率過剩，切除1組無功補償裝置則無功功率不足的現象，導致電容/電抗器組頻繁投切，縮短使用壽命。而使用MSVC裝置和電容器組聯合補償，可以實現無功功率的連續平滑調節，且僅需投切1次電容器組即可，能避免電容/電抗器的反復動作，減少操作次數，提高系統的穩定性。

（2）提高變壓器的負荷能力。

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

此時，若將系統電壓和功率因數調節到合格范圍內，無功補償裝置還有一定的可調節裕度。通過優化調節MCR的觸發角，可使功率因數盡量接近1，從而使系統處于利用率最大化的運行狀態。

（3）降低線損。

圖8 補償前后110 kV側功率因數比較

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

（4）簡化變壓器結構。

220 kV變電站一般規劃3臺主變壓器，其中1臺主變壓器35/10 kV側不帶負荷，僅安裝無功補償裝置，每臺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，則可將220/110/35（10）kV的三圈變壓器簡化為僅含220 kV和110 kV 2個電壓等級的兩圈變壓器。220 kV兩圈變壓器的占地面積約8×6 mm2。將三圈變壓器簡化為兩圈變壓器后，不僅簡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）節約變電站場地。

若220 kV變電站的主變壓器容量為3×180 MVA，在35 kV低壓側需設置8組串聯電抗率為5%和12%、容量為10 000 kvar的電容器/電抗器組，設備總價約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MSVC裝置，設備造價約450～500萬元，總占地面積約390 m2。采用傳統無功補償裝置與110 kV電壓等級MSVC裝置，兩者投資基本相當，但110 kV電壓等級MSVC裝置總占地面積較小，可節約變電站無功補償裝置場地約20%。

5 結論

根據仿真計算研究，對于主要負荷集中在110 kV側、110 kV側小水電機組接入較多、無功功率波動頻繁、電壓/無功控制困難的220 kV變電站，采用基于110 kV的MSVC動態無功補償裝置可以實現無功功率的連續平滑調節，減少無功補償裝置開關投切次數，維持110 kV母線電壓穩定，提高功率因數，能夠最大限度地降低有功損耗，提高系統的輸送容量，實現經濟效益最大化。因此，110 kV的MSVC裝置在電力系統中有良好的應用前景和推廣價值。

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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，主要從事電能質量、電力系統規劃與運行的研究工作。