江蘇電網負荷低谷時期的無功配置

許彥， 程培波

(1. 國網北京經濟技術研究院徐州勘測設計中心， 江蘇 徐州221000；2. 東方電子股份有限公司， 山東 煙臺264000)

0 引言

電力系統中, 無功的合理分布是保證電壓質量和經濟運行的重要條件。 220 kV 變電站作為城市電網的重要節點, 合理的無功配置對于提高負荷功率因數、 減少電力輸送損耗、 改善電能質量有著十分重要的意義[1-2]。 本文針對大量220 kV 變電站低谷負荷時功率因數偏高, 甚至無功倒送等問題, 結合電網實際數據, 分析產生上述問題的主要原因。

本文對擁有較長220 kV 架空線路的變電站的感性無功補償的配置原則進行探討和分析, 結合實際數據給出相應的配置方案, 便于工程實際操作。對傳統的補償措施與采用SVG (靜止無功發生器)補償措施進行了優缺點、 價格、 尺寸的全方位比較, SVG 補償措施在進出線為架空線的220 kV 變電站的應用前景非常廣闊。

1 220 kV 變電站感性無功配置原則

根據變電站感性無功設計原則[3-4], 220 kV 變電站在220 kV、 110 kV 進出線沒有電纜的情況下,不需要配置感性無功補償裝置。 根據《國家電網公司輸變電工程 通用設計(2017 版) 》, 對進、出線以電纜為主的220 kV 變電站, 可依電纜長度配置相應的感性無功補償裝置； 對于架空、 電纜混合的220 kV 變電站, 應根據系統條件經過計算后確定感性和容性無功補償配置[5]。

2 電網實際無功分析

2.1 110 kV 電網功率因數偏高

以江蘇電網為例, 截至2017 年12 月底, 低谷負荷期間, 85%的110 kV 變電站負荷自然功率因數高于0. 95, 疊加110 kV 變電站的感性無功補償配置不足、 補償度(電抗器容量/ 110 kV 電纜充電功率) 僅10. 9%等因素[6], 導致江蘇省境內功率因數高于0. 95 的主變壓器共1 980 臺, 其中無功倒送162 臺。

其中, A 市有214 臺110 kV 變壓器, 低谷負荷時功率因數高于0. 95 的主變壓器有188 臺, 占比87. 8%； B 市有142 臺110 kV 變壓器, 低谷負荷時功率因數高于0. 95 的主變壓器有127 臺, 占比89. 4%, 詳見表1。

表1 江蘇110 kV 電網不同功率因數下主變壓器數量

2.2 新能源大量接入

截至2018 年底, 江蘇省光伏裝機達13 323 MW；風電裝機達8 646 MW, 分別較2015 年增長315%、210%。 新能源由于存在較大的波動性與間歇性,進一步增大了電網負荷的峰谷差, 同時帶來電壓波動和電壓越限的問題[7-8]。

以A 市為例, 近三年新能源裝機容量增長3倍, 近五年負荷峰谷差逐年上升。 如圖1 所示,2018 年最大負荷峰谷差已達到211. 3 萬kW, 最大峰谷差率達到32. 42%。

圖1 A 市電網近五年峰谷差特性

新能源的波動性和峰谷差的增大導致電網中線路輸送功率的快速變化、 電網所需無功補償裕度更大。

2.3 低谷負荷時的220 kV 架空線路充電功率

現行變電站設計的感性無功配置原則主要針對110 kV、 220 kV 的電纜線路及500 kV 的架空線路進行100%補償[9-10]。

送電線路充電功率見表2[11], 110 kV 架空線路的充電功率在設計中可以忽略。 220 kV 架空線路的單位充電功率雖然較電纜小, 僅0. 19 Mvar/ km,但積少成多, 低谷負荷時的合計盈余充電功率非常大。 部分220 kV 線路動輒幾十千米, 且低谷負荷時線路產生的無功損耗不足以抵消充電功率, 無法達到無功的自然平衡。

表2 送電線路充電功率表

當線路輸送潮流等于自然功率時, 線路產生的無功和消耗的無功相抵消, 沿全線的電壓和電流數值保持不變。 線路傳輸的自然功率模型:

上式中波阻抗:

受極限輸送功率所限, 電纜線路的潮流無法達到自然功率, 架空線路上的充電功率盈余則取決于線路輸送的潮流情況, 見表3。

表3 送電線路自然功率表

2.4 低谷負荷電網感性無功狀況

1) 110 kV 電網向220 kV 變電站無功倒送。 低谷負荷期間, 110 kV 電網存在大量剩余充電功率。現有110 kV 變電站電抗器少, 且通用設計中不含電抗器位置, 110 kV 電網剩余充電功率無法在本層平衡, 需倒送至220 kV 電網平衡。

2) 220 kV 電網向500 kV 變電站倒送。 220 kV電網無功倒送同樣發生在低谷負荷期間, 現有電抗器配置以補償電纜充電功率為主, 甚至電纜的充電功率都無法完全補償, 見表4。 低谷負荷期間, 架空線總的充電功率將超過電纜, 220 kV 電網盈余的充電功率無法在本層平衡, 需倒送至500 kV 電網或者被迫拉停220 kV 線路, 500 kV 電網的電抗器配置并未考慮低壓電網的無功盈余, 拉停線路則降低了電網的安全性[12]。

表4 江蘇220 kV 電網感性無功補償情況

3) 通過在220 kV 電網包括以架空線為主的變電站加裝感性無功補償裝置的方式, 一方面可以將110 kV 上送至220 kV 電網的無功消納, 另一方面還可以阻止低谷負荷時220 kV 架空線無功盈余上送至500 kV 電網。

3 220 kV 變電站感性無功配置方案與案例研究

3.1 220 kV 變電站感性無功配置方案

以220 kV 電纜為主的變電站的感性無功配置在策略規范[4]中已有描述, 不再累述。 本文重點論述以220 kV 架空線為主的變電站的配置策略,針對以架空線為主的220 kV 變電站, 給出四個步驟選擇合適的感性無功補償方案。

1) 估算變電站本期及遠景接入電網的220 kV架空線路長度。

2) 通過收搜集資料和估算確定線路低谷負荷時的線路輸送潮流。

3) 按合計線路1 / 2 計算變電站需配置的感性無功補償容量。

4) 合理預測變電站低谷負荷, 結合無功平衡表對功率因數進行校核。

3.2 江蘇省某220 kV 變電站案例研究

以江蘇某220 kV 變電站為例, 首先需要計算低谷負荷時線路盈余的充電功率[13-14]:

式中, ∑L為變電站的220 kV 線路合計長度,QC1通過查表2 可得,QL為線路在低谷負荷時的線路損耗。

以B 市為例, 2017 年負荷情況見表5, 其中B1 縣的高峰負荷360 MW, 低谷負荷僅為120 MW。B1 縣的3 個主要受電通道的潮流, 低谷時刻分別只有30～50 MW。

表5 B 市2017 年負荷情況

當220 kV 變電站接入電網的架空線路合計為60 km 時, 線路充電功率可達5. 7 Mvar (考慮本側與對側變電站各補一半)。 低谷負荷時的線路輸送潮流為30 MW 左右, ΔQ可達5. 5 Mvar。

初步估算該220 kV 變電站需配置6 Mvar 的感性無功補償裝置, 最后結合無功平衡表對變電站的功率因數進行校核[15-16], 見表6。

表6 變電站低谷負荷無功平衡表

4 補償方案比選

目前, 變電站的補償方案以并聯電容器和電抗器為主, 結構簡單、 經濟適用, 運行和維護方便。但存在只能補償感性或者容性無功, 不能連續調節； 電網電壓下降時, 補償的無功量急劇下降； 系統有諧波時, 可能發生并聯諧振, 使諧波電流放大； 補償嚴重時會抬高電壓、 燒毀設備等諸多問題。

SVG 可以實現功率的動態調節, 且可以感性、容性雙向調節； 提高系統的暫態穩定性和阻尼系統振蕩； 連接電抗小, 所需電感量遠小于補償容量相同的電抗器； 對系統電壓進行瞬時補償, 電壓降低時, 仍可維持最大無功電流； 諧波量小, 不會與系統發生并聯諧振。

根據《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施( 修訂版) 》 第10. 4. 1. 12 條規定: 新投運SVG 裝置應采用全封閉空調制冷或全封閉水冷散熱方式。 所以SVG 仍存在初期投資高、 水冷系統運行維護較為麻煩等問題。 考慮到SVG 與傳統方式在價格、 尺寸上的差異, 表7 基于電壓等級和容量對其進行比較[18]。

表7 SVG 與傳統方式價格、 尺寸對比表

通過表7 的對比可以看出, 由于對SVG 冷卻方式的要求, SVG 的整體尺寸稍大于電抗器與電容器的組合。 考慮到以架空線為主的變電站一般采用戶外配電裝置的布置方式, SVG 的占地面積并不是決定因素。

根據中國電力科學研究院電力工業電氣設備質量檢測中心出具的某廠家SVG 試驗報告, 指令響應時間≤10 ms, 跟蹤響應時間≤20 ms, 從容性滿發至感性滿發, 無功輸出與設定值之間偏差≤2%。進出線以電纜為主的220 kV 變電站, 由于電纜線路自身充電功率較大, 線路盈余的充電功率基本不受線路輸送潮流的影響, 仍可以采用傳統的補償方式。

進出線以架空線為主的220 kV 變電站, 通常線路較長, 受負荷自身特性及新能源接入的影響,負荷的波動性和間歇性持續增加, 線路盈余的充電功率時時變化, 低谷負荷時達到最大。 相比傳統方式調節級差最小為1 組電容器/ 電抗器, SVG 僅2%的調節精度和20ms 的跟蹤精度, 非常適合此類變電站[19]。

5 結語

1) 針對低谷負荷時電網存在的功率因數偏高、 不同電壓等級無功交換等問題進行了詳細分析。 低谷負荷時220 kV 架空線盈余充電功率較大,用戶自然功率因數偏高, 電網負荷的波動性增強,110 kV、 220 kV 變電站缺乏感性無功補償裝置是主要原因。

2) 在220 kV 變電站加裝感性無功補償裝置的措施, 一方面可以將110 kV 上送至220 kV 電網的容性無功消納, 另一方面還阻止了低谷負荷時220 kV架空線盈余充電功率上送至500 kV 電網。

3) 結合現行的無功補償配置原則和實際電網數據, 采取案例分析的方式, 計算220 kV 架空線路盈余充電功率, 得到220 kV 變電站的感性無功補償裝置的配置方案。

4) 針對傳統的補償措施與新型的SVG 進行了優缺點、 價格、 尺寸、 容量、 適用場景等全方位的比較, 認為SVG 在以架空線為主的220 kV 變電站的應用前景非常廣闊。