电科院红一变大容量动态无功补偿新技术及其应用.docx
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电科院红一变大容量动态无功补偿新技术及其应用
电科院红一变大容量动态无功补偿新技术及其应用
大容量动态无功补偿新技术及其应用
汤广福1，葛维春2，张皎1，刘振平3，周胜军1，孙富华3，赵建军1
（1．中国电力科学研究院，北京100085；2．辽宁省电力有限公司，沈阳110006；3．鞍山供电公司，鞍山114002）
摘要：
本文以鞍山红一变100Mvar静止无功补偿器（）国产化示范工程为背景，介绍了大容量动态无功补偿新技术的开发及其在我国输电网中的成功应用。
文中首先从系统角度出发，分析如何确定容量配置并在电网中发挥的作用，由此展开对示范工程主电路和二次设备及相应参数设计的介绍，着重进行电压/无功控制策略的分析研究，进尔为实现这一策略，给出电压/无功综合控制原则和控制流程，并描述了与变电站综合自动化系统之间关系。
最后总结了该示范工程的重要意义。
关键词：
动态电压/无功控制策略综合自动化示范工程
我国电网建设和运行中，长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。
开关投切电容器是普遍采用的补偿措施，它不能细调且响应慢，又由于开关投切电容器产生过电压问题以及运行人员嫌开关维修麻烦不常使用开关投切，也不愿意让它投入自动控制。
同步调相机响应速度慢、噪音大、损耗大，技术陈旧，也不能作为动态无功支撑的技术发展方向。
近年来，随着大功率非线性负荷用户的不断增多，对电网的冲击和谐波污染呈不断上升趋势，缺乏无功调节手段造成了母线电压随运行方式的变动很大，导致电网线损增加，使得系统电压合格率不高。
此外，电网的发展，系统稳定性问题越发重要。
电网的动态稳定性与快速无功功率调节器性能有关；电网电压稳定性与无功功率快速、有效提供有关；电力系统的稳定包括电压稳定和功角稳定，关于功角稳定无论是理论上还是实践上都已趋于成熟，而电压稳定存在的问题还较多。
采用静止无功补偿器（）是解决以上这些问题的最有效措施之一，技术是从七十年代初开始发展起来的，在全世界输配电系统得到了广泛的应用。
它在解决电网稳定性以及配电电能质量等问题中发挥了相当重要的作用，它是目前各国普遍采用的先进实用技术。
此前，我国还没有推出一套在输电网中应用的国产化工程。
为降低网损，抑制冲击负荷，提高电压稳定性，一种经济、有效的措施是采用静止无功补偿技术，它既可为电力系统提供动态无功电源，又能提高电网稳定性和电能质量。
与传统的同步调相机相比，具有以下特点：
（1）响应速度快，一般为0.5～2个周波；
（2）除晶闸管投切电容器（TSC）型外，都可实现连续无功功率控制；
（3）可进行单相和三相控制；
（4）控制灵活；
（5）装置的损耗小；
（6）可靠性高、维护工作量小、运行费用低。
辽宁鞍山红旗堡变电站（简称红一变）是东北电网的枢纽变电所，也是东北电网电压中枢点。
红一变一次有9条220kV线路与东北主网连接，是辽宁中部与南部、中部与东部、中部与西部连接的枢纽。
红一变220kV系统采用双母线带旁路接线方式，正常运行双母线并列运行。
红一变共有四台主变，均为120MVA的变压器。
红一变二次66kV系统目前共有20回出线，带鞍钢及鞍山部分负荷，其中，鞍钢的主要负荷是鞍钢制氧、给水、炼铁、炼钢、轧钢等负荷，其特点具有一定的冲击性。
红一变过去有两台调相机，一台现在运行的接于＃3、＃4主变三次的＃1调相机；另一台是原接于＃1、＃2主变三次的＃2调相机，现＃2调相机已报废，替代以20Mvar的开关投切电容器补偿。
＃1调相机目前正常运行时只发近30Mvar的无功，只有其容量的35％左右。
由于＃1调相机已运行近60年，设备老化严重，要保证该机组长期稳定运行，维修费用将达几百万，而且年运行成本高。
因此，红一变的动态无功补偿措施与其作为枢纽变的重要性极不相称。
目前，红一变主要供电问题就是电压水平低，220kV母线电压整定为230kV，另外，66kV母线由于系统电压低和冲击负荷的影响，其最低电压61.4kV（整定值62.7kV），同时66kV侧冲击负荷还时常造成3＃、4＃主变过载。
鞍山供电公司已经提出这台调相机的报废请示，建议更换成自动无功补偿装置。
受辽宁省电力有限公司的委托，中国电力科学研究院和鞍山电力公司共同承担“鞍山红一变国产化示范工程”项目的研究工作。
通过对红一变供电系统的运行方式、系统参数、配电负荷参数等进行了现场调研，取得了比较可靠的第一手设计和计算参数，并确定在鞍山红旗堡220kV变电站加装一套100Mvar的静止无功补偿装置。
1红一变SVC容量配置及其作用
1.1SVC容量的确定
系统维持合理的电压水平有利于降低网损以及保证供电电压质量。
当系统负荷较重时，线路输送功率较大，线路上的无功潮流很大，导致系统电压降低，为维持系统电压需要投入无功补偿设备。
而当系统负荷较轻时，负荷功率小，如系统中无相应的无功调节能力，过剩的线路无功将导致系统电压高出允许水平，特别在一些电网比较密集的负荷中心地带，由于输电线路较短，一般都不装高压电抗器，这一问题更加突出。
为了使系统在负荷出现较大变化时，使系统电压在不同负荷下都能维持在合理的较高水平，也就是电压的波动应保证在较小的范围时，希望系统中的无功补偿设备具有较强的调节能力，既能运行在感性区，也能运行在容性区。
正好可以满足这一要求，在红一变3#、4#主变三次装设后，应该成为红一变的主要调压手段。
红一变容量选择原则如下：
（1）在220kV系统电压较低时，红一变3#、4#带的负荷在最重时，能将红一变66kV东母线电压补偿到一个合理的水平（按66kV考虑）需要的最大容性无功功率。
（2）在220kV系统电压较高时，红一变3#、4#带的负荷在最轻时，能将红一变66kV东母线电压补偿到一个合理的水平（按66kV考虑）需要的最大感性无功。
（3）具备一定动态调节容量，抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压变化。
通过系统计算分析可知，在系统大方式红一变66kV母线电压偏低，在红一变重负荷情况下，不能保证66kV母线电压合格。
而在系统小方式、红一变轻负荷时，红一变66kV母线电压偏高。
在红一变3＃、4＃变压器三次装设80Mvar，可以完全使66kV电压稳定在合格范围内。
如果没有，在电炉、轧机的冲击负荷影响下，红一变66kV东母线波动很大；而在加装后，红一变66kV东母线电压非常平稳。
容量为80Mvar可以平稳维持66kV电压，并对红一变220kV电压有所改善。
红一变还有利于暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平。
因此，确定在红一变加装的配置为：
在红一变66kV东母线配置20Mvar固定电容器，在红一变35kV母线上加设容量为80MVar的型。
1.2红一变SVC的作用
根据红一变在系统中的地位及红一变的负荷特性，经过研究，在红一变安装可以在降低网损、调节电压、抑制电压波动以及平抑冲击负荷影响等方面发挥较大作用：
（1）安装可以显著降低网损。
计算表明，在2001年冬大运行方式下，在红一变安装100Mvar的可以提高红一变220kV母线电压2.3kV，降低电网网损2.1MW。
以上网损只考虑了220kV及以上系统，如果考虑220kV以下系统，则节约的网损将更加可观。
（2）是重要的电压无功调节手段。
为适应系统运行方式的变化，使系统电压在各种方式下都能维持在合理的较高水平，希望系统中的无功补偿设备具有较强的调节能力，既能运行在感性区，也能运行在容性区。
根据红一变电压调节的计算结果可知，在不同的运行方式和负荷水平下，为使系统电压维持在合理范围内，需要系统的无功补偿容量也相应大幅度改变。
的无功出力可快速方便的调节，使用作为无功补偿设备，将使电压无功调节变得非常方便，可使红一变系统电压保持在一个合理的水平。
（3）安装可以抑制电压波动。
现代电力系统范围广大，系统中随时可能遭受各种各样的扰动。
作为一种动态无功补偿设备，与固定电容器组相比，其无功输出可以在动态工程中快速调节，母线电压在故障切除后的恢复速度也要好于固定电容器组。
因此，在负荷中心安装，可以有效抑制电压波动，提高供电质量。
（4）安装可以平抑冲击负荷的影响。
红一变的供电负荷中，有很大一部分是鞍钢负荷，鞍钢负荷中主要是1780轧机，还有电弧炉等一些负荷。
这种冲击负荷的存在，使得红一变66kV母线电压也受到较大影响，出现周期性的较大波动，影响了由同一母线供电的其它用户的供电质量。
在红一变安装，则可利用的快速调节能力来平抑冲击负荷的影响。
经计算，在红一变安装，红一变66kV西母线电压在钢厂冲击负荷影响下，可以基本维持不变。
（5）可以抑制不对称负荷的负序冲击。
红一变附近存在一些较大的不对称负荷，例如鞍钢的电弧炉。
由于可以分相控制，如果在的控制器设计中加以考虑，就可以利用来抑制这种由不对称负荷（电弧炉）引起的负序冲击。
（6）可以抑制系统中的谐波分量。
红一变66kV母线负荷同样含有相当成份的谐波，红一变66kV母线就曾因谐波问题造成变电站保护动作，出现大面积停电。
滤波支路配置分别为3次、5次、7次。
各滤波支路除了吸收产生的谐波分量外，还可以吸收66kV侧负荷所产生的谐波电流，限制谐波电流注入更高级电网。
1.3红一变SVC的技术经济效益
在红一变安装100Mvar的对提高系统电压水平，降低网损有一定的作用。
计算表明，在正常运行方式下，安装后可以提高红一变220kV母线电压2kV，降低系统网损2MW；而当电网一条500kV线路检修时，安装后可以提高红一变220kV母线电压3kV，降低系统网损4MW，作用更显著一些。
若考虑输电网和配电网，保守估计，每年可降网损18000MW，每度电4角预算，每年可节损720万元，还可以每年节约维修费和运行费各20万元。
另外，与调相机损耗相差较大，目前，正在运行的调相机年耗电835万kWh，单位年耗电278万kWh；损耗则小于1.0％，年耗电1051万kWh，单位年耗电87.6万kWh；现有调相机的单位年耗是的三倍多。
综合考虑网损和自身损耗情况，三年可收回成本；若按20年正常运行估算，可产生近亿元人民币的效益。
因此，安装可以提高系统电压水平，降低网损，经济效益显著。
采用技术不仅可以实现电网的调相调压功能，还可以提高线路的输送能力，是全国联网、西电东送工程中提高电网暂态稳定水平、改善电能质量的有效手段之一。
另外，此项技术可广泛应用于电力系统及工矿企业中的无功功率补偿、电压控制和谐波治理；为改善我国的电能质量，消除不安全隐患，降低网损作贡献；为输配电领域新技术的研究、应用积累工程经验。
2．红一变SVC示范工程
2.1工程概况
红一变为220kV枢纽变电站，主接线图如图1所示。
变电站目前共有4台120MVA主变，220kV进、出线共9条，220kV采用双母线（东母、西母）带侧母线的接线方式，220kV两条母线并列运行；66kV采用分列运行方式。
根据计算#3、#4主变三次侧35kV母线并列运行时远期最大短路容量为642.26MVA，短路电流为10.6kA；35kV分列运行时远期最大短路容量为257.07MVA，短路电流为4.24kA。
#3、#4主变的主要技术参数及特性参见表1所示。
多年来电能质量问题主要来源于系统侧，包括系统正常运行状态改变，如电源投入、有计划的无功补偿电容器组的投入/切除、大型电动机启动等；非正常的系统状态改变如系统元件故障，人员误操作等将给系统带来较大的冲击；自然环境中的雷击、大风和雨雪天气也会造成相应的电能质量问题。
而近年来，用户端大量非线性负荷的应用正成为电能质量恶化的重要因素。
例如从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交直流变换装置中存在的各种静止变流器，它是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形的畸变。
大型电弧式设备，如电弧熔炉，弧焊设备等，也成为重要的冲击源和谐波源。
一个值得注意的问题是为了减少重要设备对电能质量问题的敏感度，设备制造商努力进行设备的升级和改进，用户则采用各种保护性装置，而这些改进措施和保护装置常常顾此失彼，对公共供电的电能质量造成更大的危害。
一些信息设备和公用设备的谐波含量[1]见表1。
在红旗堡220kV变电站加装一套100Mvar替代同步调相机，其中包括在35kV侧设计输出的动态无功容量为+80Mvar（容性）~-50Mvar（感性），回路可调感性无功为0～～-55.9Mvar，包括一组晶闸管控制电抗器，6组单调谐滤波器，即3次、5次、7次各两组，挂接#3、#4主变的三次侧；在主变66kV侧还设置了一组串联电抗率为5%的20Mvar固定电容器补偿支路，挂接#3、#4主变的二次侧。
其平面布局如图2所示。
2.2SVC主电路及参数
根据以上配置，装置一次原理主接线如图3所示，#3、#4主变35kV母线采用单母线接线，装置接在单母线，其中3次、5次、7次滤波器分别为等容量的两组支路，与支路共同挂接35kV母线。
六脉冲由三角形连接的三个单相单元构成，其中，每个单元由一个晶闸管阀和两个分裂电抗器相串联。
晶闸管阀由26个晶闸管对串联以获得35额定电压和承受正常运行的过电压情况，两个晶闸管在正负半周交替导通，实现对交流电流的开关和控制。
装置的运行参数如表2，其相控电抗器参数见表3所示。
各滤波支路均为单调谐滤波器，其主要技术参数参见表4所示。
2.3密闭式循环水冷却系统设计
采用强迫风冷方式不仅产生的噪音比较大、散热效率不高，而且长时间运行时容易造成晶闸管和散热器等带电设备聚集灰尘，给安全稳定运行带来威胁，密闭式循环水冷却方式则克服了上述缺点。
密闭式循环水冷却方式的二次热交换又分为水－水冷却和水－风冷却两种。
在红一变的装置中采用了水－风冷却方式，其流程示意图见图4。
恒定压力和流速的冷却介质（乙二醇＋水）经冷却器件带走热量，温升水经户外风冷散热器内循环冷却水进行热交换，散热后回流至高压循环泵的进口。
在内循环冷却水回路设比例调节电动阀，由预设的温控系统控制内循环冷却水流量，从而控制纯水冷却系统的温度。
为适应大功率电力电子设备在高压条件下的使用要求，冷却介质必须具备极高的电阻率。
因此在主循环冷却回路上并联了副循环水处理回路。
预设定流量的一部分冷却介质恒定流经离子交换器，不断净化管路中可能析出的离子，然后通过缓冲罐，与主循环回路冷却介质在高压循环泵后合流。
与离子交换器连接的补液装置和与缓冲罐连接的氮气恒压系统保持系统管路冷却介质的压力及隔绝空气。
系统中各机电单元及传感器由PLC自动监控运行，并通过触摸屏的友好界面实现人机交互操作。
密闭式纯水冷却系统的主要由主循环泵、风扇换热器、管道过滤器、离子交换器、精密过滤器、补液泵、缓冲罐、电动阀等组成。
水冷系统的有关设计参数如表5所示。
2.4控制和保护
装置的控制对象为66kV电压和无功功率，同时可以根据需要综合调节主变220kV侧有载调节分接头。
通过控制支路中晶闸管阀的触发相角来改变流经电抗器支路的电流，从而得到不同的无功功率。
的响应时间快，可有效控制工频过电压，能实现分相调节，可接受多路信号作多种功能的综合调节。
2.4.1系统控制方式
调节器采用多反馈调节方式，调节单元通过前端采集和预变换环节获得系统总无功功率、目标母线电压、三相不平衡负序分量以及功率振荡水平，然后进行加权计算出三相的阻抗值，再转换为相应的触发角度。
根据各调节目标量的水平，调节器可动态调整加权值的权重。
采用这种处理方式可有效的将多个控制目标高效的结合起来，兼顾了多目标的跟随控制，速度与精度得到了有效均衡。
各控制目标的主要功能如下：
（1）无功功率控制：
能迅速满足系统无功功率需求。
（2）电压控制：
稳定系统电压，校正持续和短时工频电压偏差，提供紧急情况下的电压支撑。
（3）分相控制：
补偿系统中不对称，改善负序电压的影响；
（4）功率振荡阻尼控制：
当发生机电振荡且阻尼较弱时，采用该控制方式，增加系统阻尼，以改善输电系统稳定性。
2.4.2微机监控调节系统
本工程独立配置一套智能化调节监控系统，装置系统的控制、信号、测量等均经该系统完成，通讯管理机就地布置，远方操作终端设置在现有变电所的控制台上。
在控制方式上，则不设常规控制屏，值班人员利用远方操作系统或保护装置上的操作单元或就地监控屏进行控制操作，正常运行时控制命令的发出均通过远方或就地操作系统进行。
系统运行所需要的监视信号均由相应的元件输入监控调节系统，由计算机显示实时状态信号并根据需要发出报警信号。
信号量的采集通过串行通信和点对点采样两种方式。
2.4.3保护配置
为确保各支路的可靠性，采用了多重保护方式对支路进行保护。
一重保护由支路微机保护完成，另一重保护由用监控系统完成，其中监控系统保护采用不同原理的双冗余配置（微机保护及硬件逻辑保护）。
支路微机保护完成功能有：
支路速断保护、支路限时过流保护、支路过载保护、支路母线过压保护、支路母线欠压保护。
监控系统完成保护及监控功能有：
晶闸管阀监测、动作保护、电源掉电保护、同步信号保护、丢脉冲保护、主监控机异常、就地控制工作站/调节单元/远方操作台通讯异常，以及水冷系统系列保护等。
滤波器支路的保护功能有：
单台电容器采用外熔丝保护、支路电流速断保护、支路过电流保护、过电压保护、欠电压保护、低周波保护和不平衡保护等。
3．SVC无功/电压控制调节策略
3.1SVC调节策略的原则
在容性和感性运行区域内连续可调以及快速响应的特性，使电压和无功双参数综合控制方式真正得以实施，并且可以解决系统暂态稳定问题和冲击负荷的影响。
调节策略的基本原则是：
（1）系统正常运行方式下，充分利用固定电容器的补偿作用，的补偿容量作为无功备用；
（2）需要进行无功调节时，调节的先后次序是：
调节、固定电容器投切、变压器分接头调节；
（3）变压器分接头应根据系统不同运行方式置于较固定位置，一般不加以调节，只有在和固定电容器调节达不到要求时才进行调节，这样可以尽量减少分接头调节次数，降低故障概率。
3.2SVC的运行方式
正常运行方式：
支路及所有支路都投入运行，监控系统根据66kV母线电压及无功的变化情况自动进行控制调节，以保证66kV侧电压稳定运行；输出的动态无功容量为+80Mvar（容性）~-50Mvar（感性）。
正常投入顺序：
监控系统首先自动投入两组3次滤波支路，再投入支路，自动解闭锁，然后依次投入两组5次、两组7次滤波支路。
正常退出顺序：
监控系统顺序退出两组7次滤波支路、两组5次滤波支路、两组3次滤波支路，闭锁并退出。
系统具体运行方式如表5所示。
3.3SVC的调节策略—电压和无功的综合控制
电压和无功综合控制（简称为VQC）是利用电压、无功两个判别量对变电站电压和无功进行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基本平衡。
利用电压和无功构成的综合判据通常规定了电压和无功的上下限，并把电压和无功平面分成17个区，根据电压、无功在电压和无功平面上所处的位置建立了相应的控制规则，如图5所示。
其中，—变压器分接头调节一档引起的电压最大的变化量；—投切一组电容器引起的电压最大的变化量；—变压器分接头调节一档引起的无功最大的变化量；—投切一组电容器引起的无功最大的变化量。
根据划分的运行状态，确定控制方案，进行操作，使变电站尽可能工作在设定的运行范围。
控制策略是调节的基本准则，控制策略应考虑尽量少调主变分接头，代之以电容器投切和的调节。
其控制策略的调节方式如下：
（1）电压优先：
当任何调节手段都不能使U、Q都正常时，优先考虑电压正常。
在区域l1，13中，原理上应退出电容器，若此时无电容器可动，则应下调挡位。
在区域16，17，若无电容器可动，则应上调挡位。
（2）无功优先：
当任何调节手段都不能使U、Q都正常时，优先考虑无功正常。
在区域11，13中原理上应上调档位．若此时档位无法上调，则应退出电容器。
在区域5，7，若档位无法下调，则应投入电容器。
3.4SVC调节策略的实施
根据前述系统及的运行方式、调节策略以及闭锁的要求，通过详细的分析计算，对不同方式下的具体调节策略和调节实施手段进行分析，提出满足工程需要的调节控制策略。
3.4.1的控制策略控制策略的流程图如图6所示。
3.4.2不同运行方式下的作用及调节方式
根据红一变扩建后的运行方式，可将变电站运行方式大致分为四类：
（1）正常方式：
＃1、2主变与＃3、4主变分为两个变电站运行，电容器组及都投入运行，＃3、4主变侧66kV母线并列运行；正常方式的变化方式为＃3、4主变侧66kV母线分列运行。
（2）非正常方式Ⅰ：
2台主变运行，但接于1台主变运行，＃3、4主变侧66kV母线并列或分列运行。
（3）非正常方式Ⅱ：
＃3、4主变一台主变停运，接于运行主变.
（4）非正常方式Ⅲ：
＃3、4主变一台主变停运，接于运行主变；运行主变与＃1或＃2主变短时并列运行。
3.4.3计算结论
针对以上四种大的运行方式，在大负荷和小负荷两种情况下分别进行计算，总共计算了18种不同的运行方式。
可以得出，为了保证＃3、4变侧66kV母线电压质量，一台35kV开关检修，使接于一台主变运行时，＃3、4变侧66kV母线会产生电压补偿的不平衡，受补偿母线的电压在合格范围内，而未受补偿母线电压则可能偏高或偏低。
其它方式下，通过运行方式的调节都可以满足＃3、4变侧66kV电压质量的要求。
3.4.5在暂态情况下的作用
在暂态情况下，分别用三相短路、单相短路故障以及电压控制母线上加冲击负荷的方式来计算并验证在系统发生故障和扰动情况下的作用。
根据计算结果可以得出，在系统发生故障以及冲击负荷时，由于的快速响应性能，故障情况下的电压摇摆以及冲击负荷情况下电压跌落都有明显的改善，对220kV母线的影响要相对小一些。
4SVC与变电站综合自动化系统
红一变系统设就地工作站及远方工作站，就地工作站安装于系统控保室，远方工作站安装于变电站主控室，运行人员可通过远方工作站实施对整个系统的操作和监视，远方工作站设独立的音响报警系统。
监控系统与红一变原有的变电站自动化系统通过独立的通讯通道联接，系统上报遥测遥信量及故障报文，站内原有的综自系统向上级转发该信息，如下图7所示。
采用10个就地监测单元，分别安装于各支路断路器及变压器主三次断路器上，采集各支路、变压器主三次电压电流信号及各支路遥信量，通过光纤传递给红一变RTU主站。
监测单元所采集的信号包括各支路三相电流、母线三相电压、断路器和刀闸位置、微机保护跳闸、设备信息以及两台主变的有功和无功电量等。
5结论
鞍山红一变100Mvar国产化项目不仅是国家电网公司重大科技示范工程，而且被列入了国家“十五”计划?
电网互联重大装备研制项目内容。
它的成功投运标志着具有自主知识产权的型技术得到了进一步的提升，具备了独立进行输电网工程系统设计、设备设计制造、系统集成、成套设备试验、工程应用的能力，为国产化技术在我国电网的工程化应用奠定了重要的基础。
该技术的进一步推广应用将为“全国联网”和“西电东送”等战略措施的实施提供了重要的技术手段。
6 参考文献
[1]S.R.Chanoetal,“StaticVARCompensatorProtectio
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