郑家波，陈卓

（广州电力设计院，广东广州，510610）

0 引言

智能电网是目前广州电网发展的主要趋势，无功补偿和谐波问题在智能电网环境下面临了新挑战：（1）电力电子器件和智能组件大量应用，使得无功补偿和谐波问题更加复杂；（2）电力负荷对电压和谐波指标提出了更高要求；（3）智能电网特性要求无功补偿和谐波治理设备更智能、更快速响应、更高效。因此，研究智能电网环境下典型行业的动态无功补偿与谐波治理具有重要现实意义。

动态无功补偿装置能较好的解决因电力系统无功功率不足会造成供电系统功率因数下降的问题，从而减少设备发热损耗和线损，延长用电设备的寿命。动态无功补偿装置由于采用了国际先进的电力电子技术，不仅在技术上实现了节能增效，而且不会造成环境上的负面影响，是一种广义绿色装置。动态无功补偿装置必将为变电站的用电安全、设备的稳定运行、减少因电能质量问题带来的经济损失等发挥巨大作用，给可持续发展经济予以正面的积极作用，也是当前和谐社会的一种体现，具有重要社会意义。

1 220kV石井变电站的特性分析

1.1 220kV石井变电站系统概述

位于广州本部电网的220kV石井变电站是典型的户外变电站。220kV及110kV配电装置采用户外常规设备，3台主变单台容量为240MVA，220kV出线共六回，110kV出线共12回，10kV分三段母线，每段母线带15回电缆出线。作为广州市内较为重要的电源点，10kV配电网均采用电缆出线，目前正在建设的石井至环西电缆隧道，远期220kV将采用电缆出线。电缆充电无功功率比普通架空线路高一个数量级，导致变电站既需要一定的容性补偿以满足用户负荷的需求，同时在低谷期对感性无功需求也较大。石井在周边工业用电所占比例较大，负荷波动较为明显。因此，顺应电网发展需要，急需对变电站无功补偿装置进行合理的配置。动态无功补偿装置对系统参数不敏感，安全性与稳定性好，可以有效维持负荷侧电压，提高电力系统的电压稳定性。

1.2 无功特点分析

电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件。电力系统的无功电源与无功负荷，在高峰或低估时都应采用电压分层和供电区基本平衡的原则进行配置和运行，并应具有灵活的无功电力调节能力和检修备用。因此，500Kv与220Kv电网层间，应提高运行功率因素，甚至不交换无功。500Kv电网的受端系统，其配套安装的无功补偿设备是分别安装在供电的220Kv及以下变电所中。

电网中的无功功率负荷部分属于感性负荷，如异步电动机、输电线路、变压器；而无功功率的电源主要有发电机、并联电容器、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。合理配置变电站无功功率补偿容量，可改善功率因数，尽量避免发电机降低功率因数运行，减少网络中的有功功率损耗和电压损耗；可改善电压调节，使用户端的供电电压维持在规定范围内；可调节负载的平衡性，使不平衡负载变成平衡负载等。在具体设置补偿装置时，应遵循分散补偿和降低网损的原则，根据电网电压、系统稳定性、有功分配、无功平衡、调相调压，以及限制谐波电压、潜供电流、暂时过电压等因素，须经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。

1.3 环境条件

220kV石井变电站位于广州市白云区，按远期规模计算仿真：主变压器为3×240兆伏安，220kV架空出线六回、110kV架空出线十回、电缆出线两回、10kV出线三十回，每台主变配5×10000千乏电容器组。220kV采用双母线接线、110kV采用双母线单分段接线、10kV采用单母线分段接线。变电站后期发展会增加7回出线，其中有4回220kV电缆出线，每回线路长10公里，电缆横截面积为1500mm2；3回110kV电缆出线，每回线路长10公里，电缆横截面积1000mm2。

2 系统设计方案

针对动态无功补偿项目要求，在低压母线上分别装一套采用TCR＋FC型的高压动态无功自动补偿成套设备（SVG）,能同时解决系统无功补偿问题和谐波问题，能够有效的对系统的无功量进行跟踪补偿，做到无级调节，并能有效的滤除谐波，稳定电压。

该系统的方案整体规划包含如下几个方面：

（1）滤波容量设计；

（2）220Kv变电站主接线的选择；

（3）SVG动态无功补偿。

2.1 无功功率补偿的作用

无功功率补偿装置在整个电力系统中起着不可或缺的重要作用，它不仅能够提高电力供电系统的功率因素，降低输送线路和变压器的能量损失，而且能够在一定程度上提高效率，优化供电的环境。选取合适的无功补偿装置，有助于最大程度的降低电网损耗，提高电能质量。相反，选取或者操作不当，可能引发电网的谐波增加，电压波动等不良后果。

无功补偿的主要优点包含如下方面：

(1) 用户端的功率因素提高能使得供电设备利用率提高；

(2) 电网有功损耗得到降低；

(3) 能有效控制系统无功功率流动方向，系统电压水平得到提高，电能质量得到改善，抗干扰能力增强；

(4) 动态无功补偿装置与合理的调节器配合能使得系统动态性得到优化，输电线的稳定性和输送能力也可以有所提升；

(5) 配置静态无功补偿器可以使得电网电压波形得到改善，谐波分量减小，负序电流问题得到解决。可避免高次谐波引起如变压器、电缆、电机、电容器等的局部过热与额外的电能损失。

2.2 补偿电容器的选择

针对石井地区的运行环境及用电需求特点，本次设计采用集装箱式SVG补偿方案。原因有如下几点：

（1）SVG具有明显的技术优势，同时相较于TCR型SVC和MCR型SVC，向电网注入一定量的特征谐波电流，SVG具有的源滤波器功能，使其几乎不产生谐波电流，与FC配合能很好的滤除电网的谐波电流。

（2）SVG的输出特性不受电网电压高低的影响，调节范围在．100%计100%，具有硬特性，即使一分钟内百分之二十的过载运行，也能对瞬时无功带来的冲击起到抑制作用。

（3）SVG在不需要考虑串并联谐振的情况下也能够单独投入使用，灵活性更好。对于户外型的SVG，具备水冷和风冷两种方式，集装箱式的SVG方案是一项性价比较高的补偿方案，有着防护等级高、损耗低、占地小、安全性高、维护容易等一系列特点。

（4）无功补偿方面也有一个新的发展思路，是将具有集装箱式结构同时融合了旋风除尘技术的SVG加以应用，SVG是目前无功补偿应用领域新的发展方向。

补偿电容器的选择具体如下：

（1）变压器的功率损耗

对于n台容量及参数均相同的变压器并列运行，其总有功功率损耗和总无功功率损耗可根据下式计算：

上式中，ΔPT—总有功功率损耗（kW）；

ΔQT—总无功功率损耗（kvar）;

n—并列运行变压器的台数;

ΔP0—空载损耗（kW）；

ΔPK—短路损耗（kW）；

S—变压器负荷的视在功率（kVA）；

SN—变压器的额定容量（kVA）；

I0%—变压器的空载电流百分数；

UK%—变压器的短路电压百分数。

将变压器二次侧总功率与变压器的功率损耗相加即得到高压侧的总功率。

（2）补偿前平均功率因数计算

（3）补偿容量计算

式中，α—有功负荷率；

tanϕ1，tanϕ2—补偿前、补偿后功率因数的正功值；

P—系统有功负荷；

（4）确定电容器台数

式中：Qc—计算补偿容量（kvar）；

qc—每台电容器的标称容量（kvar）。

由于无功补偿要做到三相对称补偿，所以所选台数应为3的整数倍。考虑到有可能将电容器分成容量相等的两组，所以所选电容器台数应为6的整数倍，故选择电容器为24台。

3 系统仿真分析

在研究过程中，选取广州北部电网220kV石井变电站三号主变以下负荷进行仿真分析。分别选取主变负载率在15%和100%情况下进行仿真研究。

在负载率为15%的情况下，SVG投入前系统缺乏感性无功，系统电压大于220kV，功率因素偏低并存在波动情况，SVG投入后系统电压和功率因素趋于稳定。

设置主变的负载率为60%，在3秒时将负载率升为100%。在负载率为从60%变为100%时，SVG投入使用并满发，有效缓解了电压跌落。能有效的支持系统的稳定运行。调节系统负荷率由50%变化到65%时, SVG投入使用，有效稳定了系统电压和功率因素。

在负载率为100%的情况下，SVG投入前系统缺乏容性无功，系统电压212kV，功率因素为0.92，SVG投入后系统电压抬升为217kV，功率因素升为0.98。SVG设备对系统电压和功率因素的改善效果显着。

4 结论

经过实验仿真验证，系统按设计的方案进行补偿，SVG装置能动态跟踪电网无功变化，自动调节无功，可有效地补偿和吸收系统无功功率，增大系统功率因数，提高220kV母线电压水平，稳定电网电压，降低线损率。实验结果表明高压SVG在发电站等瞬时无功变化的领域内有很广阔的应用前景。