广州轨道交通主变电站动态无功补偿装置SVG应用

发表时间：2018-09-18T15:19:18.417Z 来源：《电力设备》2018年第13期 作者： 党嗣玲

[导读] 摘要：针对广州轨道交通主变电站110kV、33kV电缆进出线可能导致的无功功率倒送的情况，提出相应无功补偿装置方案，给出了详细的系统方案计算对配置SVG装置进行了经济效益分析，并介绍了基于AVC系统与调度中心配合控制方法，实现改造设备控制的无缝衔接，能够完全满足轨道交通运行调动要求，并推广应用至广州轨道交通主变电站。

(广州地铁集团有限公司)

摘要：针对广州轨道交通主变电站110kV、33kV电缆进出线可能导致的无功功率倒送的情况，提出相应无功补偿装置方案，给出了详细的系统方案计算对配置SVG装置进行了经济效益分析，并介绍了基于AVC系统与调度中心配合控制方法，实现改造设备控制的无缝衔接，能够完全满足轨道交通运行调动要求，并推广应用至广州轨道交通主变电站。 关键词：电网 主变电站 无功功率 SVG 经济效益 1 广州轨道交通主变电站目前存在的问题

随着电网规模和电网格局发展变化，目前轨道交通主变电站均为电缆进出线。电缆充电无功功率比普通架空线路高一个数量级，导致主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。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设计。

传统无功调节设备为机械式并联电抗器、投切电容器，这些静止型调压手段，因调节不连续、响应速度慢，很难满足系统运行方式快速变化时的需求；此外，另一种无功补偿器SVC，响应速度很快，但由于呈现恒阻抗特性，使得在电压低时，无法提供所需的无功支持，因此应付突发事件的能力较弱，并且为了消除装置所产生的谐波，必须装设滤波器，占地面积较大，此外，过多的SVC装置容易引发系统振荡。

相比之下，新一代动态无功补偿装置SVG集动态补偿感性无功功率和容性无功功率于一身，能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率，是一种新型的无功功率补偿调节装置，已成为现代无功功率补偿装置的发展方向，是国内外电力系统行业的重点研究方向之一，它是较为有效的调压手段，能在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可在从感性到容性，全范围内连续调节，使得其无功输出相当于同容量SVC的1.4~2.0倍。

因此，结合实际情况，选择SVG作为轨道交通主电变电站的最佳无功补偿装置。下文具体以110kV兴业, 金山主变电站改造为例，进行基于动态无功补偿SVG装置方案设计，并给出了系统无功配置、AVC接入调控分析以及系统仿真验证。 2 整体方案设计 2.1无功需求核算

110kV兴业主变电站现有2台主变，主变为三相带负荷调压变压器，具体参数如下表1所示。 表1 主变参数

目前，现场每台主变已考虑有2组4.0Mvar并联电容器组，变电站后期发展会增加6回33kV出线，每回线路长20公里，电缆横截面积为800mm2；未补偿前每台变压器33AkV侧（低压侧）功率因数按计，补偿后每台变压器高压侧功率因数按

计。

参照上表#3主变参数，主变无功损耗为：

（1）

式中，S2、S3、SN分别为主变中压（平衡绕组）、低压侧和高压侧额定容量。

根据式（1）可以计算出，单台主变中压和低压侧各种负载率情况下所需无功补偿容量见下图。

图1 不同负载率下，中压侧与低压侧无功损耗

当主变负载率一定时，计算主变压器中压侧有功功率P2，低压侧有功功率P3，功率因数补偿至0.98，所需无功补偿容量计算如下： （2）

不同负载率下，中压侧与低压侧功率因数补偿至0.98所需无功补偿容量计算结果如下。 表2 中、低压侧功率因数补偿至0.98所需无功补偿容量

电力系统中无功功率平衡水平对电压水平有较大的影响。当无功功率损耗较大时，将引起系统电压大幅度下降，当线路充电无功功率较大时，将引起系统电压有较大的抬升，二者均影响系统运行的稳定性和经济性对于110kV兴业主变电站来说，其后期有6回33kV电缆出线。由于电缆本身便是一个标准的圆柱形电容器，电缆的充电无功功率比普通架空线路高一个数量级。兴业变电站后期增加的出线充电无功功率很大，需进行无功补偿计算。 电缆充电无功功率计算公式如下： （3） 式中：为电缆容抗。

110kV兴业主变电站改造后，其新增的33kV电缆充电无功补偿应由主变电站主变承担。

根据以上主变无功损耗、功率因数补偿、电缆充电无功的计算，汇总得到，单台主变各种负载率情况下所需无功补偿容量，见下表3，“+”符号表示感性无功，“-”表示容性无功。

表3 单台主变各种负载率情况下所需无功补偿容量

从表中数据可以看出，未装设任何无功补偿装置在夜间变压器负载率较低时，系统内感性无功缺额最大为1.7962Mvar；在白天变压器负载率较高时，系统内容性无功缺额最大为3.9203Mvar。 2.2 基于动态无功补偿SVG装置的方案设计

根据2.1节计算结果，考虑现有场地条件，建议基于动态无功补偿SVG装置，在每段33kV母线上增设1套补偿容量为±3.6Mvar的动态无功补偿成套装置SVG，每套SVG设备可实现在无功功率在-3.6Mvar~+3.6Mvar范围内无功功率连续快速调节，单套设备主接线示意图如图2所示。

图2 SVG补偿方案主接线图 2.3 SVG 控制模式

建议SVG装置以电压无功综合控制模式运行，该模式用于控制系统侧或用户设定参考点处电压，适用于风电场、光伏电站、电网等需要将考核点电压稳定在一定水平的场合。装置通过调节其无功输出使考核点电压稳定在用户设定的电压目标值或范围内。当考核点电压低于用户设定的电压参考时，装置输出容性无功以提升考核点电压；当考核点电压高于设定值时，装置输出感性无功以降低考核点电压。当电压合格时，又可控功率因数或无功的目标或范围。此外，装置可以暂态运行模式，暂态控制使能情况下，暂态电压控制具有最高优先级，可以通过选择系统侧或自定义处电压作为考核点，当监测到电压跌落、突升时，系统将迅速发出满容性或满感性无功来支撑或降低电压，以维持暂态电压的相对稳定。 3 系统无功配置及调控

3.1不同负载率情况下每台主变无功补偿设备配置

110kV兴业主变电站主变在白天负荷高峰期，负荷率可高达80%，夜间负荷低峰期，负荷率可能仅为15%，负荷峰谷分明，所以，不同负载率下无功补偿装置配置如下表4所示。 表4 不同负载率下无功补偿装置配置

3.2 与站内原有电容器组配合

为保证系统可靠稳定运行，SVG装置本体故障保护类型涵盖：母线过压、母线欠压、过流、速断、直流过压、电力电子元件损坏检测保护、丢脉冲、触发异常、过压击穿、阀体超温、保护输入接口、保护输出接口控制和系统电源异常等。

新增SVG设备通过增加二次控制电缆，将电容器组的开关辅助触点引至SVG控制单元，控制单元同时检测系统的无功需求和系统电压水平，实现对现有电容器组投切的控制。当电容器组回路发生故障时，由原有电容器保护装置动作跳闸，跳闸信号反馈至SVG控制单元，SVG控制单元不再控制电容器投切，并可查阅故障信息。当故障消失后，SVG可继续控制电容器组的投切。 3.3 AVC系统调控接入

SVG装置和电容器调控有AVC系统接入远程控制或SVG本体就地控制两种模式可选，控制方式分为稳态控制和暂态控制两大类。 3.3.1 稳态控制

若选择AVC系统远控，则AVC系统可以同时控制SVG装置和电容器组，也可以只控制SVG，电容器组由SVG控制投切。

当由AVC系统同时控制SVG装置和电容器组时，在电容器组或SVG退出检修时将两者投切功能闭锁，不再投切。当由AVC系统控制SVG时，在电容器组退出检修时需在SVG本地设置不再控制电抗器组投切。SVG退出检修时，AVC系统需闭锁SVG投切功能，这时电容器组可以恢复由AVC系统控制。需要注意的是，选择这种控制模式，在SVG未退出运行时，AVC系统需闭锁电容器组的投切。 3.3.2 暂态控制

考虑到响应时间的要求，暂态控制只能由SVG装置本体控制。

SVG的成套设备作为AVC系统的子单元，参与全网无功控制，接入远控原理如图5所示：

图5 AVC接入远控SVG原理

SVG可以作为AVC系统的子站，通过RS485/Modbus接入。SVG装置将自身状态包括实时的功率因数、装置无功值、系统侧电压和接入点电压数值、主系统以及辅助系统的工作状态等发送给AVC系统，AVC系统根据设定的工作模式和SVG的当前工作状态向SVG控制器发出指令。控制器能够接受AVC系统的指令并按照一定优先级进行执行，即以相应调度指令进行输出的分配。SVG装置的AVC系统通过通信规约连接到综自系统上传省调，接收调度中心控制指令，该指令直接作为SVG参考值。 4 经济效益

4.1 直接经济效益分析

1)线损减少产生的经济效益分析

有功或无功电能都是靠各电压等级的线路输送的，在输送电能的过程中，线路上都有功率损耗。配网的无功补偿经济效益非常明显，节能降损的潜力巨大。由于无功补偿经济效益分析涉及很多内容，计算比较复杂。为简化计算程序，采用无功补偿经济当量来计算无功补偿的经济效益，即每安装1kvar的补偿电容，相当于降低了多少kW的有功损耗。查有关资料知，各种电压等级的无功补偿经济当量和该用户补偿后的降损功率如5所示：

110kV兴业主变电站33kV侧无功补偿经济当量取0.02。 补偿设备SVG投运后相当于减少的无功总量： 2×3600kvar=7200kvar

实际的无功需求为波动状态，且不可能时刻处于满负荷状态，无功补偿平均系数按50%计算。折合成补偿相对于节省的有功能量： 7200kvar×50%×0.02kW/kvar =72kW

动态无功补偿设备始终投运在轨道交通主变电站中，每年投运时间为： 24h/d×30d/m×12m/y×1y = 8640h

检修时间，每年按照60天计算，为1440h。 则实际运行时间：

T = 8640h-1440h=7200 H

动态无功补偿系统投运后，每年可减少损耗为：

7200h×72kW=518400kW·h

按照动力电的平均费率0.40元/KW·h计算，每年在损耗这一方面可减少的经济损失为： 518400kW·h×0.40元/KW·h =207360元=20.7万元（每套SVG装置）

即通过动态无功补偿，预计每年线损节约收益不低于20.7万元（每套SVG装置）。 2）消除谐波减少附加损耗。

谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，谐波过电流、谐波过电压使电器设备因电流中高频的成分的增加导致产生的涡流损耗增加从而引起设备过热，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。它们还会使电流线圈产生振动和噪声。谐波还会引起电力系统局部谐振，使谐波含量放大，造成电容等设备的烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱，对电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备产生严重干扰。因此，消除了谐波提高了设备使用寿命同时减少了电能损耗。 4.2 间接经济效益分析

1)改善系统电压质量，减小电压波动

·快速的连续调节无功的能力可以减小闪变； ·吸收负荷谐波电流，减小电压畸变率； ·分相补偿，可使三相负荷平衡，减小负序； 2)稳定系统电压，保护设备 ·保护设备，减少维护费用； ·提高设备使用寿命； ·减小无功，降低网损；

·控制线路潮流，改善系统静态及暂态稳定性，增加线路输电能力； ·增强系统阻尼，抑制低频振荡。 参考文献:

[1]谢小荣，姜齐荣. 柔性交流输电系统的原理与应用[M]，清华大学出版社. [2]广州电力设计院. 动态无功补偿装置在广州北部电网变电站的应用研究 [3] Li Chun Field test of a DSP based control system for ±STATCOM

Proceedings of 2000 IEEE Computer Applications in Power Conference, 2000, 13; 43~47 [4] T.Sato, Study on the System Analysis Method of STATCOM based on

Ten-Years, Field Experience. Proceedings of 2002 IEEE Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2002,1:336~341, 6~10 作者简介：

党嗣玲，女，工程师，工学学士，从事轨道交通供电项目管理工作；