CN102593842A - 省级电网分布式柔性无功补偿配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的省级电网分布式柔性无功补偿配置方法，首先计算获取220kV变电站的超调率指标，即粗超调率λ_Q1和精超调率λ_Q2，并相应换算为单组补偿率α_Q1和α_Q2；接着按α_Q1和α_Q2分别配置站内无功补偿和一组不带升压变压器的10kV电压级STATCOM，无功补偿采用具有同步关合技术的开关；最后分散地给省级电网中220kV变电站进行配置。本发明不仅能提供容性、感性和动态无功补偿，还能在故障下提供有效电压支撑。省级电网多个变电站采用后，有利于区域电网实现动态节能降耗和电压稳定性的提高，为实现变电站无功电压智能化控制奠定基础。

Description

省级电网分布式柔性无功补偿配置方法

技术领域

本发明涉及220kV变电站的无功补偿配置方法，特别适用于解决单组补偿容量配置偏大、感性与动态无功补偿缺乏所引起的电压调控问题。

背景技术

220kV变电站的无功补偿配置是其进行电压调控的重要物质基础。作为高压输电网和配电网的关键连接电压层，220kV变电站的电压调控对受端电网经济运行和安全稳定的影响日益突出。

传统无功补偿配置方法中没有明确的指标计算，在实际工程中也难以兼顾单组容量控制精度和总补偿容量及间隔限制的实质矛盾。不少220kV变电站的电压调控能力难以满足负荷波动需求，具体表现为：

(1)手段缺乏——缺乏感性补偿，使得负荷低谷时，电压调控困难，无功盈余，电压偏高；

(2)精度不足——电容器单组容量较大，投入引起10kV母线电压升幅较大，容易造成投切振荡问题；

(3)可靠性低——频繁投切引起装置闭锁，降低了可投率，无功补偿设备寿命也受到了影响；

(4)电压支撑能力弱——对于受端系统，由于动态无功补偿缺乏，电压失稳风险问题突出。

静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，简称STATCOM)等柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems，简称FACTS)设备为解决受端电网电压无功问题提供了重要手段。随着国产STATCOM生产的规模化，其造价将逐渐逼近静止无功发生器(Static Var Compensator，简称SVC)和并联电抗器，因而具有越来越强的生命力。10kV电压级直接式的STATCOM，免去了升压变压器，能兼顾受端电网动态无功补偿、感性无功补偿和较高精度容性无功补偿的需求，并不会显著增加变电站占地面积，是当前220kV无功补偿配置一揽子解决的最佳办法。因此，合理的STATCOM配置可以代替增多几个间隔来精细化容性补偿和配置感性补偿的方法，且比后者还多了暂态电压支撑能力。同时，同步关合技术，即断路器动、静触头在控制系统的控制下，在系统电压波形的指定相角处关合，使得电容器组等电力设备在系统冲击最小的情况下投入，适应更为频繁投切的电压调控需求，显著提高无功补偿设备的可靠性和使用寿命。

STATCOM与普通无功补偿设备(如电容器组)进行配合具有多种综合补偿方法，并已得到了工程界的关注，显示了STATCOM和电容器组相结合具有技术经济性优势。目前，南方电网百兆级STATCOM工程已落户500kV东莞站，但大容量STATCOM造价昂贵且控制效果存疑。相比而言，分散地在220kV变电站配置十兆级及以下容量的STATCOM，更接近负荷，来解决就地动态电压支撑问题将使省级电网无功电压调控手段更灵活，更有利于提供区域电压调控能力。值得注意的是，如果STATCOM需经升压变压器接入，难免会影响其动态响应速度；传统普通电容器的开关控制也难以适应频繁投切及与STATCOM配合的快速控制要求；动态无功容量的配置更是缺乏指标的指导。

发明内容

本发明主要针对单组补偿容量配置偏大、感性与动态无功补偿缺乏所引起的电压调控问题，提供省级电网分布式柔性无功补偿配置方法。本发明能兼顾受端电网动态无功补偿、感性无功补偿和较高精度容性无功补偿的需求，并不会显著增加变电站占地面积，是当前220kV无功补偿一揽子解决的最佳办法。

本发明的省级电网分布式柔性无功补偿配置方法采用以下步骤分散地给省级电网中的220kV变电站进行配置：

(1)计算获取220kV变电站的超调率，即粗超调率λ_Q1和精超调率λ_Q2；

(2)将粗超调率λ_Q1换算为单组补偿配置率α_Q1，将精超调率λ_Q2换算为单组补偿配置率α_Q2；

(3)按α_Q1和α_Q2分别配置变电站无功补偿和一组不带升压变压器的10kV电压级的STATCOM，无功补偿采用具有同步关合技术的开关。

上述省级电网分布式柔性无功补偿配置方法中，无功超调率指标量化了变电站无功调节精度的要求，超调率指标由以下步骤获得：

(1)潮流计算获得各运行情况下220kV变电站主变压器各补偿率δ_T无功补偿投入后相应的三侧电压，主变压器的高压侧接由无穷大电源和系统短路电抗组成的等值系统、中压侧直接接负荷、低压侧接恒阻抗模型的无功补偿，各运行情况是指各系统等值电抗、负荷的组合，所述补偿率δ_T定义为补偿总容量与变压器容量的比值，如式(1)所示

${\mathrm{\δ}}_T=\frac{Q_C}{S_N}---\left(1\right)$

式(1)中Q_C为补偿总容量(MVar)，S_N为变压器的额定容量(MVA)，系统短路电抗的大小反映了变电站距离广东电网主网系统电气距离的远近：短路电流越大的变电站高压母线，短路电抗越小，表示其与系统联系越紧密，越靠近无穷大电源，其电压水平受变电站中低压侧负荷变化及无功电压调控的影响越小；

(2)按超调率计算公式计算各运行情况的超调率，获得超调率的区间，所述超调率λ_Q定义为引起补偿点电压变化率超过η的补偿率，计算公式如式(2)所示：

${\mathrm{\λ}}_Q=\frac{{\mathrm{\ηV}}_{\mathrm{LB}}{\mathrm{\δ}}_T}{\mathrm{\ΔV}}---\left(2\right)$

式(2)中ΔV为补偿率δ_T的无功补偿引起补偿点电压幅值的变化量(kV)，η为无功补偿引起电压变化率的阈值(％)，V_LB为补偿点电压基准值(kV)，所述粗超调率λ_Q1定义为阈值η取3％时的超调率，这是考虑到VQC或AVC的电压调控宽度一般是3％(如保守方案中10kV母线取10.2～10.5kV)，所述精超调率λ_Q2定义为阈值η取2％时的超调率，这是考虑到变电站典型配置是以3～4组无功补偿实现10kV母线由10～10.7kV的3～4等分调节，因此考虑阈值为2％的能够保证较为精细的调节；

(3)分别取粗超调率和精超调率小于区间上限的最大整数，即获得粗超调率λ_Q1和精超调率λ_Q2。

结合工程实际，通过以下步骤将超调率换算为单组补偿配置率：

直接取λ_Q1为单组补偿配置率α_Q1，或取该变电站已有无功补偿的配置率，即6％～8％；取区间[0.5λ_Q1，λ_Q2]中任一个整数，即可获得单组补偿配置率α_Q2，所述单组补偿配置率α_Q定义为单组补偿容量与变压器容量的比值，如式(3)所示

${\mathrm{\α}}_Q=\frac{Q_0}{S_N}---\left(3\right)$

式(3)中Q₀为单组补偿容量(MVar)，S_N为变压器的额定容量(MVA)。

本发明中无功补偿(如电容器组)开关所采用的同步关合技术是指开关即断路器的动、静触头在控制系统的控制下，能在电网冲击电流影响最小的电压相角处关合；

同步关合技术有利于实现无功补偿的投切和STATCOM的实时配合。采用同步关合技术的开关，如真空永磁开关等，以简单的结构、较少的元件、较高的可靠性实现分相过零投切及其精准控制，避免了投切时的冲击电流，使得电容器可适应更为频繁投切的电压调控需求，可显著提高并联电容器的可靠性和使用寿命。

与在省级电网的某个变电站配置百兆级大容量STATCOM的集中式配置方法不同，本发明侧重在省级电网采用分布式配置方法，即将十兆级及以下容量的STATCOM分散配置于多个220kV变电站，具有以下优点：

(1)设备容量利用率高，稳态控制的精度高，具有一定的连续调节能力；

(2)灵活，能提供容性、感性和动态无功补偿；

(3)故障下电压支撑能力强，提高电压稳定性；

(4)同步关合技术提高无功补偿设备的可靠性，降低了变电站的运行维护成本。

省级电网多个变电站采用本发明将有利于区域电网实现动态节能降耗和区域电压稳定性的提高，为实现变电站无功电压智能化控制奠定基础。

附图说明

图1为现有技术中220kV变电站无功补偿典型配置图。

图2为本发明柔性无功补偿配置图。

图3为本发明的配置流程图。

图4为故障下各配置方法莆心站220kV母线的电压曲线。

图5为故障下各配置方法东莞站500kV母线的电压曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1～3，图1中示出了现有技术中220kV变电站无功补偿典型配置方法，图2示出了本发明柔性无功补偿配置方法。图中C1、C2、C3分别表示电容器，QF1、QF2、QF3表示具有同步关合技术的开关，SA表示不带升压变压器的10kV电压级的STATCOM。本发明考虑负荷有功功率P_L和无功功率Q_L，通过图3给出的配置流程，配置无功补偿(以电容器为例)的容量Q_C1和不带升压变压器的10kV电压级的STATCOM的容量Q_S以及无功补偿的开关，并分散地给省级电网中的220kV变电站进行本发明配置。具体实施步骤如下：

1、计算获取220kV变电站的超调率，即粗超调率λ_Q1和精超调率λ_Q2；

(1)潮流计算获得各运行情况下220kV变电站主变压器各补偿率δ_T无功补偿投入后相应的三侧电压，以SFSZ9-180000/220型和SFPSZ7-150000/220型的主变压器为例，主变压器的高压侧接由无穷大电源和系统短路电抗组成的等值系统、中压侧直接接负荷、低压侧接恒阻抗模型的无功补偿，无穷大电源的电压幅值取为231kV，220kV系统短路电抗区间为[3.175，6.351](3.175Ω表示靠近电源，6.351Ω表示远离电源)，中压侧所接负荷的视在功率占主变容量的比例为0％～80％、功率因数波动为1.00～0.85，无功补偿的补偿率波动区间为[0，0.4]。

(2)按超调率计算公式计算各运行情况的超调率，获得了220kV变电站的粗超调率λ_Q1和精超调率λ_Q2范围如表1所示；

表1

(3)分别取粗超调率和精超调率小于区间上限的最大整数，获得粗超调率λ_Q1，即8％和精超调率λ_Q2，即5％。

2、将粗超调率λ_Q1换算为单组补偿配置率α_Q1，将精超调率λ_Q2换算为单组补偿配置率α_Q2：

结合工程实际，直接取λ_Q1为单组补偿配置率α_Q1，即8％，或取该变电站已有无功补偿的配置率，即6％～8％；取区间[0.5λ_Q1，λ_Q2]中任一个整数，即可获得单组补偿配置率α_Q2，即4％。

3、按α_Q1和α_Q2分别配置变电站无功补偿和一组不带升压变压器的10kV电压级的STATCOM，无功补偿采用具有同步关合技术的开关。

采用本发明方法配置如表2所示，以容性补偿(即电容器)为例，配置保证容性补偿率达到22％～8％，感性补偿率达到4％，最大动态无功出力达到8％。能有效利用动态无功补偿设备的容量，满足变电站稳态和暂态下电压调控需求。

表2

4、采用本发明分散地给省级电网中220kV变电站进行配置。

5、以下分别以梅州电网和广东电网为例，对本发明在稳态和暂态两种情况下的应用效果进行分析。

(1)以梅州电网为例进行稳态情况分析，具体如下：

广东梅州电网共有500kV变电站1座、220kV变电站8座，具有小水电较多、无功潮流多变、负荷分布不均匀、峰谷差较大等特点。根据原有典型配置方法，各变压器10kV侧安装有3～4组容量为10MVar的电容器。

对该电网选取大方式、典型方式(即一年中更常出现的负荷水平)和小方式进行无功优化仿真计算，分别考虑各变电站采用原无功补偿典型配置和本发明配置方法进行对比，仿真结果如表3所示。

仿真发现，典型配置方法由于单组补偿容量偏大，缺乏柔性控制能力，使得电网在大方式下调压困难，电压质量偏低；虽能保证电网在典型方式下的电压质量但其运行经济性有待挖掘；而在小方式下，更因感性补偿缺乏，电压偏高，电压质量偏低。

表3

因此，采取本发明进行相应改造后，能够改善电网大方式和小方式下的电压调控能力，保证了电网电压质量，也提高了典型方式下的经济性。

(2)以广东电网为例进行暂态情况分析，具体如表4所示。

表4

以广东电网夏大运行方式为例，考虑发电机原动机、励磁、PSS等调节，并计及低压低频减载设备，模拟第10周波兴安直流线路发生双极闭锁，第15周波直流两侧切机切负荷。通过时域仿真，对比表4三种方案。图4和图5分别示出东莞站片区莆心站220kV变高侧母线电压和东莞站500kV母线电压。

对比发现，Case1由于缺乏STATCOM的动态电压支撑，电网的电压波动剧烈，低压低频减载设备动作，东莞站所在片区损失负荷1631MW，而Case2和Case3东莞站片区无负荷损失；Case2和Case3对东莞站500kV母线电压支撑效果相当，但Case3相比Case2显著提高了下层电网故障时的电压支撑能力，更有效提高区域的电压调控能力。

(3)可见，本发明有利于提高220kV变电站无功补偿设备的可靠性、补偿容量的利用率和稳态控制的精度。同时，补偿手段更灵活，不仅能提供容性、感性和动态无功补偿，还能在故障下提供有效电压支撑。当省级电网多个变电站采用本发明后，有利于区域电网实现动态节能降耗和区域电压稳定性的提高，为我国220kV变电站实现无功电压智能化控制奠定基础。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.省级电网分布式柔性无功补偿配置方法，其特征在于采用以下步骤分散地给省级电网中的220kV变电站进行配置，具体包括步骤：

(1)计算获取220kV变电站的超调率，即粗超调率λ_Q1和精超调率λ_Q2；

(2)将粗超调率λ_Q1换算为单组补偿配置率α_Q1，将精超调率λ_Q2换算为单组补偿配置率α_Q2；

(3)按α_Q1和α_Q2分别配置变电站无功补偿和一组不带升压变压器的10kV电压级的STATCOM，无功补偿采用具有同步关合技术的开关。

2.根据权利要求1所述的省级电网分布式柔性无功补偿配置方法，其特征在于步骤(1)中所述超调率指标由以下步骤获得：

(1)潮流计算获得各运行情况下220kV变电站主变压器各补偿率δ_T无功补偿投入后相应的三侧电压，主变压器的高压侧接由无穷大电源和系统短路电抗组成的等值系统、中压侧直接接负荷、低压侧接恒阻抗模型的无功补偿，各运行情况是指各系统等值电抗、负荷的组合，所述补偿率δ_T定义为补偿总容量与变压器容量的比值，如式(1)所示

${\mathrm{\δ}}_T=\frac{Q_C}{S_N}---\left(1\right)$

式(1)中Q_C为补偿总容量，S_N为变压器的额定容量；

(2)按超调率计算公式计算各运行情况的超调率，获得超调率的区间，所述超调率λ_Q定义为引起补偿点电压变化率超过η的补偿率，计算公式如式(2)所示：

${\mathrm{\λ}}_Q=\frac{\mathrm{\η}{V}_{\mathrm{LB}}{\mathrm{\δ}}_T}{\mathrm{\ΔV}}---\left(2\right)$

式(2)中ΔV为补偿率δ_T的无功补偿引起补偿点电压幅值的变化量，η为无功补偿引起电压变化率的阈值，V_LB为补偿点电压基准值，所述粗超调率λ_Q1定义为阈值η取3％时的超调率，所述精超调率λ_Q2定义为阈值η取2％时的超调率；

(3)分别取粗超调率和精超调率小于区间上限的最大整数，即获得粗超调率λ_Q1和精超调率λ_Q2。

3.根据权利要求1所述的省级电网分布式柔性无功补偿配置方法，其特征在于步骤(2)需将步骤(1)中所述的超调率通过以下方法换算得到单组补偿配置率：

直接取λ_Q1为单组补偿配置率α_Q1，或取该变电站已有无功补偿的配置率，即6％～8％；取区间[0.5λ_Q1，λ_Q2]中任一个整数，即可获得单组补偿配置率α_Q2，所述单组补偿配置率α_Q定义为单组补偿容量与变压器容量的比值，如式(3)所示

${\mathrm{\α}}_Q=\frac{Q_0}{S_N}---\left(3\right)$

式(3)中Q₀为单组补偿容量，S_N为变压器的额定容量。

4.根据权利要求1所述的省级电网分布式柔性无功补偿配置方法，其特征在于步骤(3)中所述同步关合技术是指：开关即断路器的动、静触头在控制系统的控制下，能在电网冲击电流影响最小的电压相角处关合。

5.根据权利要求1所述的省级电网分布式柔性无功补偿配置方法，其特征在于采用步骤(1)～(3)将十兆级及以下容量的STATCOM分散配置于多个220kV变电站。

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