受電端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用研究

王晨皓

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510630）

隨著國(guó)家戰(zhàn)略“西電東送”南通道的建設(shè)，云南貴州電能以交直流電混聯(lián)傳輸方式送到廣東，廣東作為西電東送的受電端，電源占比少，負(fù)荷特性顯著，無功電源缺乏，電壓支撐能力不足等問題突出；另外送電線路和變配電設(shè)備的損耗和負(fù)載率、運(yùn)行方式等因素都會(huì)影響電網(wǎng)局部區(qū)域的無功功率平衡；電網(wǎng)存在諧波、電壓驟降、閃變等問題，影響用戶端電壓合格率提升，滿足不了用戶對(duì)供電可靠性、高電能質(zhì)量的需求。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置[1]SVG 能實(shí)時(shí)跟蹤控制目標(biāo)，快速提供無功功率補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)預(yù)定控制效果；能夠跟蹤接入點(diǎn)電壓，快速調(diào)整無功功率輸出，消除過電壓和欠電壓；能夠滿容量輸出無功功率，以應(yīng)對(duì)電壓閃變、跌落，支撐系統(tǒng)電壓；能夠跟蹤功率因數(shù)，調(diào)節(jié)裝置無功輸出，穩(wěn)定系統(tǒng)功率因數(shù)；能夠利用調(diào)諧濾波技術(shù)消除諧波；能夠產(chǎn)生阻尼，抑制低頻振蕩及次同步振蕩，提升穩(wěn)定性；能夠通過分相瞬時(shí)跟蹤控制技術(shù)，消除三相不平衡現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)三相動(dòng)態(tài)平衡。因此可利用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的特性，來解決電網(wǎng)受電端無功電源缺乏、諧波、電壓驟降、閃變及電能質(zhì)量問題。為此在受電端電網(wǎng)中，按“小容量多布點(diǎn)”原則配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，可減少無功長(zhǎng)距離輸送，支撐電網(wǎng)電壓，提升電壓穩(wěn)定，提高電網(wǎng)可靠性。

本文研究分析按“小容量多布點(diǎn)”原則配置的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)電網(wǎng)電壓、對(duì)峰谷無功功率平衡、有功/無功損耗及無功功率、暫態(tài)電壓穩(wěn)定等影響，為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在受電端電網(wǎng)應(yīng)用提供理論分析及支撐。

1 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用研究

為了更好體現(xiàn)交直流電混聯(lián)傳輸方式受電端電網(wǎng)的特征，選擇廣東電網(wǎng)中部某500 kV片區(qū)電網(wǎng)作為研究對(duì)象，在MatPower軟件中進(jìn)行分析計(jì)算，研究動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)受電端電網(wǎng)的電壓、對(duì)峰谷無功功率平衡、有功/無功損耗及無功功率、暫態(tài)電壓穩(wěn)定等影響。該片區(qū)系統(tǒng)接線如圖1 所示，#1 變電站為500 kV 變電站，通過直流輸電與云貴相連；通過500 kV交流輸電線路與其他行政區(qū)域的一個(gè)變電站、與本行政區(qū)域的兩個(gè)變電站相連。#1變電站220 kV 輸出至9 個(gè)變電站。按“小容量多布點(diǎn)”原則，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置分組接入#1 變電站35 kV 側(cè)和#2～10 變電站10 kV 側(cè)，配置不同類型無功補(bǔ)償組合。

圖1 系統(tǒng)接線圖

1.1 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)片區(qū)電網(wǎng)的電壓影響

為了全面分析各種無功補(bǔ)償方式對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，這里選擇片區(qū)電網(wǎng)在“夏大”方式、“冬小”方式運(yùn)行方式下，且在不投入電容器補(bǔ)償裝置、分組投入電容器補(bǔ)償裝置、分組投入電容器補(bǔ)償裝置和6%SVG、和投入15%SVG對(duì)電網(wǎng)電壓等4種無功補(bǔ)償方式作為計(jì)算輸入條件，計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。

表1 “夏大”方式下不同無功配置時(shí)片區(qū)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓

表2 “冬小”方式下不同無功配置時(shí)片區(qū)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓

從計(jì)算結(jié)果來看，在不投入電容器時(shí)，電壓最低點(diǎn)在#8 變電站和#9 變電站，電壓僅為0.936，其余各節(jié)點(diǎn)均在0.95 p.u.以上。夏大方式下和冬小方式，不投入電容器時(shí)，最低電壓值分別為0.936、0.977 p.u.，分組投入電容器，最低電壓值分別為0.954、0.982 p.u.，投入電容器和6%SVG 時(shí)，最低電壓能分別提升到0.978、0.999 p.u.；投入15%SVG時(shí)，最低電壓能分別穩(wěn)定在0.992、1.000 p.u.。可以得出：無功補(bǔ)償裝置均能有效調(diào)節(jié)電壓，但動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)電壓調(diào)節(jié)效果比電容器的效果更佳。

1.2 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)片區(qū)電網(wǎng)峰谷無功平衡的影響

根據(jù)2021年7月9日#5變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，220 kV線路及母聯(lián)有功功率和無功功率晝夜波動(dòng)較大，其中#5線路白天最大無功需求為-44 Mvar，夜晚無功需求為-14 Mvar。#4線路無功需求范圍為-6～19 Mvar；#21線路的無功需求范圍為-5～-11 Mvar；#20線路的無功需求范圍為-1～10 Mvar，母聯(lián)的無功需求范圍為-7～-21 Mvar，220 kV母線無功功率波動(dòng)最大值小于30 Mvar，且實(shí)時(shí)變化。如果#5 變電站不投入電容器，無法補(bǔ)償220 kV的母線所須無功；如果分組投入電容器，則可部分補(bǔ)償220 kV的母線所須無功，補(bǔ)償量為投入分組電容器固定容量之和；如果投入電容器及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，則由一組或幾組電容器補(bǔ)償固定容量的無功，相差部分則由動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償；若配置足夠容量動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，則由動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置快速準(zhǔn)確平復(fù)無功波動(dòng)，起到削峰填谷作用。

1.3 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)片區(qū)電網(wǎng)的有功/無功損耗及無功功率影響

同樣采用上述“夏大”方式和“冬小”方式運(yùn)行和4種無功配置作為計(jì)算輸入條件，計(jì)算出系統(tǒng)傳送無功功率及線路的有功損耗、無功損耗如表3所示。

表3 在“夏大”和“冬小”運(yùn)行方式和不同無功配置時(shí)片區(qū)電網(wǎng)的有功/無功損耗及無功功率表

從計(jì)算結(jié)果得出，投入電容器組，能部分補(bǔ)償本地負(fù)載及線路所須無功，大幅降低上級(jí)系統(tǒng)傳輸無功；不管是電容器還是動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，對(duì)輸電線路有功損耗和無功損耗的影響不大；投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置能完全平衡負(fù)載和線路所須的無功，使得負(fù)載和線路無功全由SVG無功電源支出，消除上級(jí)系統(tǒng)傳輸無功，做到無功本地平衡。

1.4 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)片區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響

在交直流電混聯(lián)傳輸方式受電端電網(wǎng)中，交流系統(tǒng)故障會(huì)引發(fā)換相失敗和雙極閉鎖[2]直流系統(tǒng)故障，從而擴(kuò)大受電端電網(wǎng)交流系統(tǒng)停電范圍。廣東某地區(qū)2014年直流換相失敗計(jì)算結(jié)果，該地區(qū)所有500 kV變電站500 kV側(cè)發(fā)生三相短路和部分500 kV出線發(fā)生單相短路會(huì)導(dǎo)致西電東送八回直流逆變側(cè)母線電壓降至0.9 p.u.以下，可能導(dǎo)致八回直流同時(shí)換相失敗。同時(shí)該片區(qū)#1、#4、#6變電站220 kV出線三相短路會(huì)導(dǎo)致八回直流同時(shí)換相失敗，#2～#10變電站的220 kV線路單相短路均會(huì)導(dǎo)致接入該片區(qū)直流線路的換相失敗。這里僅研究在#1～#10變電站加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（起STATCOM作用），對(duì)不同交流電壓跌落程度下SVG對(duì)系統(tǒng)電壓支撐，仿真計(jì)算顯示。

交流電壓跌落幅度在[0.00,0. 09）時(shí)，尚未達(dá)到發(fā)生直流輸電換相失敗的臨界電壓降[3]。當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落至0.97 p.u.時(shí)，加裝SVG后使系統(tǒng)電壓提升至1.0 p.u.，當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落至0.92 p.u.時(shí)，可將其幅度提升到0.98 p.u.，使得系統(tǒng)電壓跌落幅度小于0.05 p. u.，表明加裝SVG 后能迅速跟蹤系統(tǒng)電壓，減小系統(tǒng)電壓跌落幅度，協(xié)助系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

交流電壓跌落幅度在[0.09,0. 6）時(shí)，已經(jīng)超過發(fā)生直流輸電換相失敗的臨界電壓降。當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落至0.88 p. u.時(shí)，加裝SVG 后使系統(tǒng)電壓提升0.94 p. u.，當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落至0.7 p. u.時(shí)，可將其幅度提升到0.92 p.u.，使得系統(tǒng)電壓跌落幅度小于0.1 p. u.，表明加裝SVG 后，能發(fā)出超額額定電流動(dòng)態(tài)支撐電壓，避免換相失敗，等效擴(kuò)大了安全運(yùn)行區(qū)域。

交流電壓跌落幅度在跌落幅度為[0.6,1. 0），直流換相失敗已不可避免，此時(shí)SVG發(fā)出閉鎖指令保護(hù)自身。

2 結(jié)束語

在變電站內(nèi)加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)受電端電網(wǎng)可起到如下作用：動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置能有效調(diào)節(jié)電壓，且動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)電壓調(diào)節(jié)效果比電容器的效果更佳；動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置能快速準(zhǔn)確平復(fù)無功功率波動(dòng)；動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置能平衡負(fù)載和線路所須的無功，消除上級(jí)系統(tǒng)傳輸無功，做到無功本地平衡；動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置能迅速跟蹤系統(tǒng)電壓，減小系統(tǒng)電壓跌落幅度，協(xié)助系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行或等效擴(kuò)大了安全運(yùn)行區(qū)域。