下载文档原格式
变电站无功补偿及高压并联电容补偿装置设计2020-05-20 新用户796...修改一、电力系统的无功功率平衡1.1、无功功率电网中的电力负荷如电动机、变压器等都是靠电磁能量的变换而工作的，大部分属于感性负荷，建立磁场时要吸收无功，磁场消失时要交出无功。
在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。
电力设备电磁能量的交换伴随着吸收和放出无功。
每交换一次，无功都要在整个电力系统中传输，这不仅要造成很多电能损失，而且往往在无功来回转换中会引起电压变化，因此设计时，应注意保持无功功率平衡。
变电站装设并联电容器是改善电压质量和降低电能损耗的有效措施。
在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。
1.2、功率因数电网中的电气设备如电动机、变压器属于既有电阻又有电感的电感性负载，电感性负载的电压与电流的相量间存在相位差，相位角的余弦值即为功率因数cosφ，它是有功功率与视在功率的比值，即cosφ=P/S。
1.3、无功功率补偿的目的电网中的无功功率负荷主要有异步电动机、变压器，还有一部分输电线路。
而无功电源主要有发电机、静电电容器、同步调相机、静止补偿器。
无功功率的产生基本不消耗能源，但是无功功率沿电力网传输却要引起有功功率损耗和电压损耗。
合理配置无功功率补偿容量，以改变电力网无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户端的电压质量。
在做电网网架规划时，根据各水平年各负荷点的有功负荷量及可靠性要求确定了变电容量的分配、线路回路数及导线截面和接线方式等等。
但是，这样还不能保证各用户端的电压达到国家和地区规定的要求。
因为做电网网架规划时是以最大负荷为依据，而实际运行时，负荷是变化的，功率因数也是变化的，通过线路的有功、无功功率都与规划计算时大不相同，因此，导致某些负荷点的电压“越限”(过高或过低)。
变电站无功补偿技术探讨【摘要】改革开放以来，我国的经济得到了迅速的发展，社会主义市场经济体制得到不断的完善，科学技术得到不断的突破，不仅仅大大的改善了我国的经济发展状况，改善了我国的经济发展结构，也极大的带动了电力事业的发展，伴随着社会主义经济的全面繁荣发展，我国对电力的需求量也大大增加，对供电，配电水平和质量有了更高的要求。
但是，由于我国的电力事业发展起步较晚，虽然发展迅速，但是依然存在着很多问题，在快速发展的途中，面临着来自各个方面的干预和限制，使得我国的变电站依旧存在着很多缺陷和不足。
比如目前变电站普遍存在着供电半径长、电压质量差、功率因数低、无功功率分配不合理等状况。
本文主要介绍了变电站的无功优化系统以及优化策略，在此基础上详细阐述了无功补偿技术的软硬件设计，以提高发输电设备的利用率，降低电力系统设备的损坏和有功网损，减少能耗和发电费用。
笔者将结合多年的电力事业工作研究经验，从变电站无功补偿的概念、作用以及其实现的手段做出分析，探究变电站无功补偿技术的设施要点，分别从软件设计和硬件设计等方面做出分析探究。
【关键词】变电站，无功补偿，技术探讨中图分类号：tm411+.4 文献标识码：a 文章编号：一.前言经济发展和城乡电网改造带动了我国工农业生产用电规模的不断扩大，随之出现了用电量与日俱增、用电结构逐步趋于复杂多样的状况，使得电力供需矛盾越来越突出。
变电站（substation）是把一些设备组装起来，用以切断或接通、改变或者调整电压。
在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点，变电站主要分为：升压变电站、主网变电站、二次变电站、配电站。
我国现有的变电站普遍存在着供电半径长、电压质量差、功率因数低、无功功率分配不合理等状况，且配电系统中存在大量的感性负荷，导致配电系统运行中的大量无功功率消耗，系统功率因数降低，线路电压损失增大，电能损耗增加，输配电设备效率降低。
还有一些冲击性无功负荷使用中产生电压的剧烈波动也增大了网损和线损，严重影响了电网供电质量，降低了电力系统运行的经济性。
110kV变电站无功补偿的设计摘要：无功补偿包括并联补偿、串联补偿、电抗补偿等，本文结合实际应用，通过电力系统的无功功率平衡分析、谐振、合闸涌流的核算，对110kV变电站常用的并联补偿容量进行分析和论证。
关键词：无功补偿；合闸涌流概述无功补偿包括并联补偿、串联补偿、电抗补偿等，本文主要对110kV变电站常用的并联补偿进行分析和论证。
并联无功补偿一般指补充无功电源、满足无功负荷的需要，以达到无功电源和无功负荷在的电压条件下的平衡。
[1] 大量终端变电站无功补偿的设计是变电站设计中的一个重要组成部分。
通过合理的无功补偿配置，可以提高供电系及负载的功率因素，减少功率损耗，稳定受电端及电网电压，提高供电质量；在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
[2]从运行经验方面、经济性等各方面考虑，终端变电站一般采用分散式框架油浸电容器组。
1 容量选择110kV大沙变电站是广东江门市一个典型的终端变电站，终期安装3×50MVA主变压器；110kV出线4回、10kV出线30回。
基础数据如下：汇入汇总表可得需补偿的无功容量如下：（由于10kV充电功率很小，本表计算中可忽略不计）由上述计算表中，可在每台主变10kV母线侧装设3×6012kvar分散式电容器组，本期在负载率为100%时，需补偿的容量32.37Mvar，两台主变共投切2×3×6012kvar电容器组；在负载率为67%（n-1）时，需补偿的容量18.04Mvar，投切2×2×6012kvar电容器组；在负载率为33%（n-2）时，需补偿容量6.91Mvar，投切2×1×6012kvar电容器组，可满足需求。
远期在负载率为100%时，需补偿的容量48.66Mvar，两台主变共投切3×3×6012kvar电容器组；在负载率为67%（n-1）时，需补偿的容量27.16Mvar，投切3×2×6012kvar电容器组；在负载率为33%（n-2）时，需补偿容量10.47Mvar，投切2×1×6012kvar电容器组，可满足需求。
配电网无功补偿方式及现状研究摘要：在电力系统中，配电网是电力系统供电的主要部分之一，它的安全可靠运行直接取决于供电质量的好坏。
在配电网建设和改造中，无功补偿是目前节能降耗，改善电网电压质量最经济、最有效的方式之一。
因此，在配电网中合理的运用无功补偿方式是保证系统安全经济运行的前提。
本文作者在无功补偿的原理及意义的基础上，提出了无功补偿的总体原则和补偿方式，同时就当前配电网无功补偿应注意的问题进行了阐述。
关键词：配电网；无功补偿；补偿方式无功补偿，就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。
由于电网中的负荷大部分均为感性负荷，再加上电网中的各级变压器和线路也为感性，因此电网需要的无功功率就要比有功功率大很多，电网中发电机的功率因数一般都大于0.8，这样仅靠发电机所发的无功就无法满足电网和电网负荷的总无功需求。
同时无功远距离传输，不但要产生无功损耗，而且会带来不必要的有功损耗，造成过大的电压降，由于无功功率在电网中传输会造成电网损耗以及受电端电压下降，因此大量的无功功率在电网中传输必然使电能利用率大大降低且严重影响供电质量。
因此电网必须进行无功补偿，在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。
一、无功补偿的原理在交流电路中电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压90°，纯电容负载中电流超前电压90°，纯电感中的电流相位差为180°，释放的能量由容性负荷储存起来；当感性负荷需要能量时，再由容性负荷向外释放的能量来提供。
能量在两种负荷间互相交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。
二、无功补偿的方式1、低压就地无功补偿根据用电设备无功的产生量将单台或多台低压电容器组并连用电设备，通过控制、保护装置与电机同时投切。
从源头上转化了无功能量，减少大量的线路损耗能量，提高配变利用率，降低了视在功率；无功补偿与用电设备同进同退；单个设备、占位小、安装容易，真实有效地减少大量的视在功率，节电（节能）效果显著，但是一次性投资金额较大，对自动补偿控制器的响应要求高，不易测量单机节电效果。
电能质量低压电器(2008№21)通用低压电器篇周俊宇(1978—),男,工程师,研究方向为电力系统调度。
变电站10kV 动态无功补偿装置的研究周俊宇(广东电网公司佛山供电局调度中心,广东佛山 528000)摘 要:研究了将FC +TCR 型的电容2电感型动态无功补偿装置用于10k V 的动态无功补偿。
介绍了S VC 及电容2电感型动态无功补偿装置的基本原理、补偿容量的确定方法及控制与保护系统。
在电力系统冲击型负荷较大的趋势下,该S VC 利用晶闸管可控硅的开关原理,瞬时地改变无功功率,用以补偿或吸收负载所需的无功,可改善对10kV 母线电压的冲击影响状况。
关键词:静止型动态无功补偿装置;晶闸管控制电抗器;无功补偿中图分类号:T M 761 文献标识码:B 文章编号:100125531(2008)0720045203Study on 10kV Dynam i c V a r C o m pen sa tor for Sub sta t i onZHOU J unyu(D ispatch Cente r of Foshan Powe r Supp ly Bureau,Guangdong P ower Grid,Foshan 528000,C hina ) Abstra c t:This study adop ted FC +TCR (FC +thyristor contr olled reac t or)capac it or 2induc t or dynam ic reac 2tive po wer co mpensating device in 10k V dynam ic reactive po wer compensa ti on .T he p rinciple,the way t o confir m the co mpens a ting capacit y and t he control and protecting syste m of sta tic v a r co mpens a t or (S VC )and cap ac itor 2i n 2duc t or dynam ic reac tive po wer co mpensati ng devi ce were introduced .A t the trend of bigg e r i mpulse l oad in po we r supp l y syste m ,m aki ng use of the t hyrist or ’s s wit ching p rinci p le,this S VC can change t he reacti ve po wer si m ulta 2neously to co mpensa te or abs orb the reac tive po wer needed by t he load,and can i m p rove t he i mpulse effect on the 10k V bus v oltage.Key word s:sta ti c va r co m pen s a tor (SV C );thyr ister con tr oller r ea c t a r (TC R);va r co m pen s a ti on0 引 言电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平,由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备,同时,又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备,因此,迫切需要对系统的无功功率进行动态补偿。
电力系统无功补偿方式方法总结与探究摘要:功率因数是电网运行中的重要指标之一。
电力系统和电网中的无功补偿装置对于降低成本、降低线损以及提高效益等方面起着至关重要的作用。
本文介绍了无功补偿的具体措施及实施中应注意的问题。
关键字:无功补偿、补偿方式、装置1 无功功率的现状、产生原因的分析目前,我国电力体制改革已经展开。
投入市场竞争的一些政策和方针已经陆续实施。
这些必将成为电力企业提高经济效益,追求利润最大的动力。
厂网分开后,无功(功率因数)的费用支出,明确包含在供电企业的成本里。
提高功率因数,降低无功功率的含量对供电企业的经济效益有现实意义。
而欲讨论无功功率的补偿及在电力系统中的应用,必先分析其产生的具体原因及危害。
由于三相交流电力系统中存在大量的感性负载,如电动机、电焊变压器、电弧炉等,而这些负载要消耗大量的无功功率,使供电电网向负载输出的有功功率减少,功率因数降低。
而在此过程中,无论供电系统及电力系统都将增加额外的线损,对线路和设备的要求也无形增加,甚至缩短设备线路的寿命,降低供电能力和供电质量,增加了电能浪费,因而,无功功率的补偿势在必行。
2无功功率补偿在供电系统及电力系统中的具体措施电网无功功率的补偿不仅同补偿装置及现阶段的技术水平有关,同时与管理质量的好坏和管理措施的应用有很大关系,提高电网功率因数,减少无功功率的含量是涉及面很广的系统工程,关键在于管理。
在于各种制度的建立和落实上,供电企业首先要健全无功负荷管理体系,分级分层次地进行管理。
要建立各相应的规章制度,并严格按制度开展工作。
要开展无功负荷管理工作,在管理好有功负荷的同时,也要管理好无功负荷。
在三相交流电力系统中,用作并联补偿的电力电容大都接成△形接法,其在工厂供电系统中的补偿方式大致分为:高压集中补偿、低压集中补偿及单独就地补偿。
其区分方式是依据电容器组的安装位置划分,高压集中补偿将高压电容器组安装在变电所的高压母线上,主要用来补偿高压母线前的线路上的无功功率;低压集中补偿方式将低压电容器组安装在变电所的低压母线上,主要用来补偿低压母线前、变电所主变压器和高压配电线路及电力系统的无功功率,而其应用范围也相对高压集中补偿较广,在工厂及普通中小型用户应用最为广泛;就地补偿即单独补偿,是对单个设备进行并联电容无功补偿,虽然其补偿范围最大、效果最好,但是投资成本会随之增加。
变电站无功补偿配置方法的研究
主要论述如何通过电力系统分区的方法，确定无功补偿点，以及利用无功优化计算功能确定补偿点的最佳补偿容量，可实现对电力系统无功补偿配置情况的
评估。
标签：无功优化配置；电力系统分区；灵敏度分析；无功优化
1无功配置的原则
(1)电网的无功补偿配置应能保证在系统有功负荷高峰和低谷运行方式下，分(电压)层和分(供电)区无功平衡。
分层无功平衡的重点是220kV及以上电压等级层面的无功平衡，分区就地无功平衡主要是110KV及以下配电系统的无功平
衡。
(2)应避免通过远距离线路输送无功电力，330KV及以上系统与下一级系统间不应有大量的无功电力交换。
对330kV及以上超高压线路充电功率应按照就地补偿的原则采用高、低压并联电抗器基本予以补偿。
(3)220kV及以上电网存在电压稳定问题时，宜在系统枢纽变电站配置可提供电压支撑的快速无功补偿装置。
(4)在大量采用10～220kV电缆线路的城市电网中新建110KV及以上电压等级变电站时，应根据电缆出线情况配置适当容量的感性无功补偿装置。
(5)变电站应合理配置适当容量的无功补偿装置，并根据设计计算确定无功补偿装置的容量。
35～220kV变电站在主变最大负荷时，其一次侧功率因数应不低于0.95；在低谷负荷时功率因数应不高于0.95。
(6)并联电容器组和并联电抗器组宜采用自动投切的方式。
(7)35～220kV变电站主变压器高压侧应装设双向有功功率表和无功功率表(或功率因数表)。
对于无人值班变电站，应在其集控站自动监控系统实现上述功能。
(8)并入电网的发电机组应具备满负荷时功率因数在0.85(滞相)-0.97(进相)运行的能力，以保证系统具有足够的事故备用无功容量和调压能力。
(9)电力用户的无功补偿。
电力用户应根据其负荷的无功需求，设计和安装无功补偿装置，并应具备防止向电网反送无功电力的措施。
①35kV及以上供电的电力用户，可参照第5条规定执行。
②100KV A及以上10KV供电的电力用户，其功率因数宜达到0.95以上。
③其他电力用户，其功率因数宜达到0.90以上。
2技术关键
安装地点和装设容量，应遵循分散补偿和降低网损的原则设置。
必须通过电网计算才能合理的确定补偿位置和补偿容量，以达到节约投资降低网损的效果。
无功优化配置的核心算法是灵敏度分析和无功优化算法。
2.1补偿点选择
无功功率不能远距离传输，电气距离较小的各点间，无功功率供需的相互支援和调节几乎是不可能的，电压/无功控制通常为分级/分区控制。
电力系统无功/电压问题是局部（区域性）问题，通常是某个薄弱区域由于缺少无功支持而发生电压不稳定，如果不及时采取恰当的措施，局部电压不稳定会很快发展为全局电压崩溃事故，所以对电力系统进行合理分区，在每个分区内确定合适的无功补
偿节点将会提高电力系统的电压稳定性。
(1)灵敏度分析。
在常规潮流方程中引入负荷增长水平λ，得到扩展潮流方程：
P Gi(λ)-P Li(λ)=V i∑j∈
iV j(G ij cosθij-B ij sinθij)
P Gi(λ)-P Li(λ)=V i∑j∈iV j(G ij sinθij-B ij cosθij)（1）其中：
P Li(λ)=(1+λ)P Li0
P Gi(λ)=P Gi0+λβi∑Nj=iP Li0
βi=P Gi0∑N pq j=1P Gj
式中：V i为节点i的电压幅值；θij为节点i与节点j之间的相角差；G ij、B ij分别为导纳矩阵元素Y ij的实、虚部；j∈i 表示所有节点j与i直接相连；λ 为负荷增长水平；P Li0、Q Li0、P Gi0分别为λ=0时节点i的有功、无功负荷、发电机的出力；λcr 为电压崩溃点的负荷水平；P Gi(λ)、Q Gi分别为节点i在负荷增长水平为λ时的发电机有功、无功出力；P Li(λ)、Q Li(λ )分别为节点i在负荷水平为λ时的有功、无功负荷。
为了描述方便，简化式（1）为
0=G(V,θ,λ)（2）
对式（2）求全导数：
0=Gθdθdλ+G VdVdλ+Gλ
即：
dθdλdVdλ=-Gθ,G V-1×Gλ（3）
式中：Gθ,G V为常规潮流方程的雅克比矩阵。
根据式（3）求出dVdλ，并从大到小排序，即得到电压稳定的灵敏度排序，dVdλ最大的节点即为电压稳定最差的点。
(2)电力系统分区。
采用某一节点处电压幅值变化ΔV对另一节点处注入无功功率变化ΔQ的灵敏度Svq来表示两节点间的电气距离。
一般情况下当i≠j时，(Svq)ij≠(Svq)ji，考虑到电气距离空间集合中两节点间电气距离的对称性，采用Sij=Sji=［(Svq)ij+(S vq)ji］/2表示节点i与节点j的
电气距离的大小。
矩阵S即为电气距离矩阵，表示节点间的耦合强度。
根据电气距离的大小，将电力系统进行分区。
当式（1）中的λ=0时，即为常规潮流方程。
采用某一节点处电压幅值变化
ΔV对另一节点处注入无功功率变化Δ Q的灵敏度S vq来表示两节点间的电气距离。
在平衡点处将常规潮流方程线性化（包含PV节点），得到：ΔPΔQ=J PθJ pV
J qθJ qVΔθΔV=JΔθΔV(4)
因为电压和无功是强相关的，因此不考虑有功功率变化，即ΔP=0，则可以将上式简化为：
ΔQ=［J qV-J QθJ-1pθJ pV］ΔV=S qVΔV
ΔV=(S qV)-1ΔQ=S VqΔQ(5)
式中：ΔP、ΔQ分别为节点注入有功功率和无功功率的变化量；Δθ、ΔV分别为节点电压相角和幅值的变化量；J为潮流方程的雅可比矩阵。
一般情况下当i≠j时，(S vq)ij≠(S vq)ji，考虑到电气距离空间集合中两节点间电气距离的对称性，采用S ij=S ji=［(S vq)ij+(S vq)ji］/2表示节点i与节点j的电气距离的大小。
矩阵S即为电气距离矩阵，表示节点间的耦合强度。
S ij=S ji0,i=j
［(S vq)ij+(S vq)ji］/2，i≠j（6）
(1)分区原则。
如果电气距离Sij大，则节点i与节点j耦合强度大，联系紧密;如果Sij小，则节点i与节点j耦合强度小，联系弱。
电力系统分区的目标是使同一个区间内，节点间的电气距离较大；而不同区间的节点间的电气距离较小，也就是区内耦
合大，而区间的耦合小。
(2)电力系统分区的基本步骤。
①根据式（3）计算负荷节点的电压稳定灵敏度，并按照从小到大进行排序。
②根据式（6）计算节点间的电气距离。
③找出最大电气距离max(S)、最小电气距离min(S),取r=(max(S)-min(S) /2)，步长step=r。
④以PV节点（含有无功储备的节点）作为中心点i。
⑤从中心点i开始，进行分层搜索，如果与中心点相连的节点j之间的电气距离Sij大于常数r，则节点j与i合并为一个区，形成初始分区m。
⑥寻找与j相连的节点k，若节点k与中心节点i之间的电气距离Sik大于常数r，节点k 合并到分区m中。
⑦重复步骤6），直到与中心节点的电气距离小于常数r，则形成分区m。
⑧重复步骤4）、5）、6）、7），形成以PV节点为中心的Npv个分区。
⑨找出剩下的负荷节点中电压稳定灵敏度最大的节点，作为中心节点，重复步骤5）、6）、7），得到以此负荷节点为中心的分区。
⑩重复步骤9），得到电力系统的分区。
B11设PV节点数与无功补偿节点数之和为count，step=0.5*step，如果分区数大于cou nt+β(β为松弛变量，本文取为7)，调整常数r=r-step；如果分区数小于count时，调整常数r=r+step。
重复步骤4~10，直到分区数介于
(count,count+β)之间，（在本文的两个例子中，对r进行四次调整得到最后的分区结果）。
分区结果还须限制区域内最大、最小节点数。
(3)确定无功补偿节点。
所有不包含PV节点的分区个数，即为无功补偿的节点数。
每个分区内电压稳定灵敏度最大的节点即为无功补偿节点。
2.2补偿容量确定
电力系统无功化配置属于离线分析的范畴，但是必须以电网的实际数据作为基础。
所以系统设计为在线运行模式，每日保存典型时刻历史数据断面，以备历
史数据管理和分析之用。
(1)技术方法。
从系统历史数据库中获取系统日大方式的数据断面。
假定所有并联补偿节点上具有足够的无功补偿容量，采用改进的二次规划法，进行无功优化计算，得到各补偿节点最优的无功补偿量。
将最优无功补偿量与实际无功补偿量进行对比，得出节点无功缺额。
根据无功缺额，确定无功补偿点及所需配电容器的类型及个
数。
(2)无功优化算法。
无功优化算法以目标函数为网损最优，以并联补偿节点的无功补偿作为控制变量，以母线电压的考核上下限作为约束进行优化计算。
通过优化计算，可得到各无功补偿节点的最佳补偿容量。
与当前的无功配置情况作比较，就可以对系统无功配置的情况进行评估。
确定无功补偿的最优配置
方案。
参考文献
［1］武志刚．新技术条件下的电力系统电压稳定研究［D］．天津：天津大学，2002．
［2］张尧．电力系统静态电压稳定与电压控制的研究［D］．天津：天津大学，1993．。
