220kV變電站無功補償容量配置研究

袁明陽

摘 要：220 kV某變電站進行主變增容改造時，對遠期進行潮流計算分析，確定無功補償容量。并在變電站該期方案確定的基礎上，對遠期提出兩種無功補償容量的配置方案。通過對補償裝置投切時的電壓波動與無功補償容量進行理論分析，并運用仿真進行驗證，合理選擇出最優的無功補償方案。

關鍵詞：無功補償 配置方案 電壓波動

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（a）-0035-03

系統由于負荷增長而新建變電站或主變增容改造時，應合理確定無功補償容量。根據規程要求，無功補償容量[1]配置應該滿足電網無功功率分層分區平衡，盡量減少線路上的無功交換，滿足降損調壓的需要[2]。無功平衡是保證電壓穩定的基本條件，無功不足會引起電壓偏低，反之會使得電壓偏高[3]，而保證變電站的無功平衡和抑制電壓波動則必須依靠無功補償裝置。

該文以江蘇某220 kV變電站為例，在該期補償方案確定的基礎上，分析遠期的無功缺額。綜合考慮過電壓和諧波情況，合理選擇遠期方案，使得功率因數和電壓波動符合規程要求。

1 電壓波動對無功功率的影響

對于一個具體的電力網絡而言，已知線路首端電壓為和首端功率為，則首端到末端電壓降落的計算公式為。其中，，。在通常情況下，可以忽略電壓降的恒分量，即認為，則 。

又考慮到在高壓電力網中，一般XR，為了便于分析，令R=0。則電壓降落為。當系統無功缺失時，通常采用并聯電容器或電抗器來提高功率因數。

當R=0時，則補償前線路末端電壓為。若投入一容量為Qc的電容器時，則此時末端電壓為。因此，投入電容器前后電壓變化為）。又由于補償前后首端電壓波動一般不大，所以。因此，電壓變化為，電壓波動率為。因此，當投入容量越大時，電壓波動也越大；容量過小時，補償設備投入臺數就增多，占地面積增大。因此，選擇一個合適的配置方案對主變的增容改造至關重要。

2 并聯無功補償方案

根據江蘇省電網規劃方案，提出在220 kV一線路開斷環入某變電站，另外新建1回線路。現已確定該期補償配置方案，還有待解決的是遠期的補償配置方案。下面結合該220 kV輸變電站的該期規模，通過理論與仿真兩個方面進行研究分析，綜合考慮過電壓與諧波問題，合理選擇遠期的配置方案，使得各側的功率因數和電壓波動符合規程要求。

根據相關規程要求，新建變電站和主變壓器增容改造時，應合理確定無功補償裝置容量，以保證35～220 kV變電站在主變壓器最大負荷時，其高壓側功率因數應不低于0.95；在低谷負荷時功率因數不應高于0.95，且不應低于0.92。其中遠期240 MVA主變無功平衡計算結果表明，主變一次側的功率因數為0.93，不滿足要求。為此，需要通過投切電容器或者電抗器來使系統側功率因數滿足要求，投切無功補償裝置后的無功平衡計算結果如表1所示。

根據表1計算結果，無功補償容量需配置低壓并聯電抗器18 Mvar，并聯電容器96 Mvar或者108 MVar時，功率因數均滿足要求。為此，該站遠期無功補償容量配置存在兩種方案：（1）每臺主變低壓側配置4×8 Mvar的并聯電容器，1×6 Mvar的并聯電抗器；（2）每臺主變低壓側配置2×10（12%的串抗率）+2×8（5%的串抗率）Mvar的并聯電容器，1×6 Mvar的并聯電抗器。

2.1 理論計算

為了便于分析，將系統進行等效處理。為此，可以得到該系統簡化圖為如圖1所示。

已知三相短路電流38.460 kA，變壓器容量240 MVA，變比220/115/10.5，短路電壓百分數為Uk12%=13，Uk23%=47，Uk13%=64。由于在高壓電網中，無功補償裝置一般在變電站的變壓器低壓側進行投切，而低壓側的電壓波動也是最大的，為此主要是對低壓側的電壓波動進行分析。通過對系統參數進行分析計算，可得在投入不同容量電抗器時低壓側的電壓波動如表2所示。

根據《電力系統無功補償配置技術原則》（Q/GDW 212—2008），各電壓等級變電站無功補償裝置的分組容量選擇，應根據計算確定，最大單組無功補償裝置投切引起所在母線電壓變化不宜超過電壓額定值的±2.5%。因此，從電壓波動和功率因數的角度而言，兩種方案均是可行的。

2.2 仿真驗證

為了更好地進行驗證，運用Matlab/Simulink仿真軟件對系統進行潮流計算分析，可搭建如圖2所示的仿真圖。

根據仿真結果可知，當投入一組10 Mvar電容器時，電壓波動為2.7%，超出了要求的±2.5%波動率。但是當投入8 Mvar的電容器時，電壓波動為2.1%，滿足要求。因此，方案一是可行的。

同理，為了驗證方案二的可行性，我們采用PASAP潮流計算軟件對系統進行計算分析。由分析可知，當投入一組10 Mvar電容器時，電壓波動為2.95%，超出了規程要求。但是當投入單組10 Mvar（12%的串抗率）電容器時，電壓波動僅為2.4%，是滿足要求的。另外，由于投入8 Mvar的電容器時，電壓波動也在規定范圍以內。所以，當投入一組8 Mvar（5%的串抗率）的電容器時，也必定是滿足要求的。因此，從仿真計算結果可得，方案二可行。這與理論分析結果相一致。

2.3 方案比較分析

由于本工程10 kV電容器回路斷路器采用智能相控斷路器，而智能相控技術能夠實現過零點投切，有效地避免涌流和過電壓及暫態諧波的產生，使得關合電容器時的涌流抑制在1.18倍以內，過電壓抑制在1.17倍以內，從而保障無功補償裝置能夠安全可靠地投入和切除。因此，從抑制過電壓的角度，兩種方案都可取。

由于投入的并聯電容為5%和12%兩種類型，不僅能夠起到降低電壓波動的作用，而且含電抗率為12%的10 Mvar電容器組能消除系統中的三次諧波，含電抗率為5%的8 Mvar電容器組能消除系統中的五次諧波，起到消除諧波的作用。且兩種含電抗率的電容器組在三次諧波和五次諧波對外都顯感性，均不會發生三次諧振和五次諧振，從這個角度而言，方案二較方案一更優。

綜合比較兩種方案，確定遠期每臺主變配置2組8 Mvar電容器（電抗率為5%）和2組10 Mvar電容器（電抗率為12%），1組6 Mvar電抗器的無功補償配置方案。

3 結語

該文主要是通過對江蘇某220 kV變電站遠期的無功補償容量配置進行分析，結合本期規模，通過理論與仿真兩個方面進行研究分析，合理選擇遠期的最優無功補償配置方案。主要結論如下：（1）電壓波動與投入的無功容量成正比，與母線電壓的平方成反比。無功越大，母線電壓越小，電壓波動越大。（2）通過對該站遠期潮流計算的基礎上，確定了兩種無功補償方案，并綜合考慮投切過電壓和抑制諧波，最終確定方案二為最優無功配置方案。

參考文獻

[1] 劉剛.220kV變電站無功補償容量配置分析[J].電氣應用， 2013（15）：22-25.

[2] 陳玲，莫岳平，徐瑛瑛.基于過零點投切的智能電力電容器設計[J].信陽師范學院學報：自然科學版，2014（1）：115-118.

[3] 范彩杰.并聯電容器串聯電抗率參數選擇研究[D].華北電力大學，2013.