基于110 kV电压等级的MSVC无功电压控制

陈宏，金涌涛，周啸波，金玉洁，宁康红

（1.浙江省电力设计院，杭州310012；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

基于110 kV电压等级的MSVC无功电压控制

陈宏伟1，金涌涛2，周啸波1，金玉洁1，宁康红1

（1.浙江省电力设计院，杭州310012；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

针对目前我国无功补偿电压层级过多、补偿不经济，以及开关频繁投切的问题，提出了在220 kV变电站110 kV电压等级下安装MSVC装置的措施。通过对110 kV电压等级MSVC装置的工作原理及特性分析，提出了基于七区图法的动态无功补偿策略，对无功功率和电压进行综合调节，并给出了在110 kV侧安装无功补偿装置所需容量的计算方法。算例结果表明，通过110 kV电压等级MSVC的无功电压控制，可以减少无功补偿装置开关投切次数，维持110 kV母线电压稳定，提高功率因数，具有良好的应用前景和推广价值。

MSVC；无功补偿；电压控制；电能质量

0 引言

电能质量从普遍意义上来说是指优质供电[1]，包括电压质量与供电可靠性两方面。电压控制的主要方法之一是对电力系统无功功率进行控制[2-4]，避免线路传输大量无功功率。我国对110 kV及以上电压等级的电网电压和无功的控制主要是通过安装在35 kV或10 kV侧的无功补偿装置来间接实现的，导致损耗增加，降低了补偿效果[5-6]。110 kV母线电压在不同运行方式下的差别可能很大，经常出现高峰时段功率因数和电压过低，低谷时段功率因数和电压过高的现象，110 kV侧电压日波动偏大、电压质量不高。当变电站负荷波动较大时，需频繁投切无功补偿装置。

MSVC是磁控电抗器型SVC（静止型动态无功补偿装置），具有可随电网传输功率的变化而自动平滑调节自身容量的特点。本文提出了将MSVC装置安装在110 kV电压等级的措施，通过对典型电网的分析计算，与传统无功补偿装置的无功潮流、电压控制、电网输送能力等相比，具有降低网损、提高功率因数、稳定端点电压、提高电网的运行经济效益等优点[7-9]。

1 MSVC的工作原理及特性

MSVC由MCR（磁控电抗器）与电容器组并联而成。MCR电气主接线如图1所示[10]。MCR本体采用三相一体化6柱铁心结构，每相有2个工作铁心，为了隔离一次回路，每个工作铁心均有交流工作绕组和直流控制绕组2个线圈。110 kV侧交流工作绕组采用星型连接，中性点直接接地。他励式MCR低压侧直流控制绕组先分别串联连接后，再反向并联到整流输出侧，形成双三角形的型式。

图1 他励式磁控电抗器接线原理

由文献[11]知，在额定正弦电压下um，得到MCR的直流控制电压Ud为：

式中：σ为磁控电抗器自耦变压器变比。

触发角α与磁饱和度β的关系为：

对MCR输出电流进行傅立叶分解，得到基波电流值I1为：

铁心磁饱和度β与直流控制电压呈正比关系，通过调节触发角α的大小，控制直流电压值，调节铁心磁饱和度β，最终控制MCR的输出电流，达到平滑调节电抗器容量的目的。

MCR的主铁心都为磁阀式结构，即沿工作铁心布置有小截面段，小截面段在控制电压的作用下，可进入磁饱和工作状态，而且饱和程度很高。大截面铁心仅受交流电压作用，一直处于不饱和状态，因此可以极大减少电抗器的谐波和有功损耗。

2 动态无功补偿的控制策略

在变电站内安装110 kV MSVC装置是为了实现变电站内电压稳定，提高母线功率因数。其接入系统的结构如图2所示。

图2 MSVC接入系统的结构

在当前负荷水平下，根据系统无功和电压调整需求，调整MSVC的触发角，控制MSVC的电抗值，实现MSVC与电容器组、变压器分接头的协调控制。

动态无功补偿采用七区图法，电压优先、兼顾无功的策略，如图3所示。调节原则是尽量优先调节磁控电抗器，然后判断是增加输出容性无功功率还是感性无功功率，如果要增加输出容性无功功率则先将感性无功补偿装置退出运行，如果要增加输出感性无功功率则先将容性无功补偿装置退出运行，以避免电抗补偿电容，最后调节有载变压器分接头。只有当电压调节和无功调节矛盾且通过调节有载变压器分接头可控时才先调节有载变压器分接头。各区具体调节原则如下：

（1）0区：合格区，不控制。

（2）1区：电抗、电容配合增加输出无功功率。

（3）2区：增大MSVC的晶闸管触发角，减少输出感性无功功率。若触发角到180°，则电容器投入运行；若无电容器可投则升压。

（4）3区：升压。若有载变压器分接头档位已到极值位置，则增大MSVC的晶闸管触发角，减少输出感性无功功率；若触发角到180°，则电容器投入运行。

（5）4区：电抗、电容配合减少输出无功功率。

（6）5区：减小MSVC的晶闸管触发角，增加输出感性无功功率。若触发角到5°，则电容器退出运行；若无电容器可以退出运行则降压。

（7）6区：降压。若有载变压器分接头档位已到极值位置，则减小MSVC的晶闸管触发角，增加输出感性无功功率；若触发角到5°，则电容器退出运行。

（8）ΔU区：电压微量防振区，不控制。

图3 无功补偿控制七区图法示意

采用七区图法的控制策略后，可以实现无功功率的连续精确补偿，避免频繁投切电容器组。

3 MSVC在110 kV电压等级的适用性分析

某变电站主变压器容量180 MVA，变压器额定变比为230±8×1.25%/117/37 kV，220 kV出线4回，110 kV出线4回。变电站目前配有1组9 600 kvar电容器和1组10 000 kvar电抗器。

某典型日下，该变电站的110 kV侧功率曲线如图4所示。

图4 变电站110 kV侧功率曲线

由于该变电站110 kV侧接有大量小水电机组，存在系统无功倒送的情况，因此110 kV侧母线电压波动较大。在采用35 kV固定电容器和电抗器进行无功补偿时，该变电站220 kV，110 kV和35 kV侧电压如图5所示。

从以上运行数据可以看出，该变电站110 kV侧一直处于无功倒送的状态，系统始终运行在较高的电压水平，尤其在负荷较轻的22∶00—24∶00时间段，功率因数很难达到要求。为了改善110 kV母线电压水平，减少110 kV母线电压的波动，根据无功平衡原则，需在110 kV母线侧增加动态可调的感性无功补偿装置。

经过计算分析，由该变电站110 kV侧无功变化引起的三侧母线电压变化如表1所示。根据图5（b）110 kV侧母线最高电压为116.7 kV，设定电压目标值为114 kV，则需要在110 kV母线侧增加30 Mvar电抗器。

图5 变电站电压曲线

表1 变电站三侧电压变化率kV/Mvar

MSVC装置与变电站的固定投切电容器组以图2所示方式并联接至110 kV母线上时，假设电容器的配置容量为9 600 kvar，当仅投入MSVC装置时，无功补偿的可调节范围为-30～0 Mvar；当投入MSVC装置和电容器组时，无功补偿的可调节范围为（-20.4）～9.6 Mvar。因此，通过对MSVC装置和电容器组的组合，可以实现无功补偿在（-30）～9.6 Mvar的连续调节。

变电站采用七区图控制策略，设定110 kV侧目标电压值为114 kV，ΔU=0.1%，得到变电站三侧母线的电压值和MSVC输出的无功功率如图6所示。

图6 MSVC投运后变电站电压曲线

从图6可以看出，在110 kV侧投入MSVC装置后，电压质量明显改善，满足日电压波动不大于额定电压的5%的要求。MSVC装置投运前后，变电站三侧母线电压比较如表2所示。

表2 MSVC投运前后母线电压比较

从表2可以看出，110 kV侧投入MSVC装置后，对改善110 kV侧的母线电压有明显效果，并且可以有效缓解变电站110 kV侧无功功率倒送的情况，改善功率因数。补偿后110 kV侧无功功率曲线如图7所示，补偿前后110 kV侧功率因数比较如图8所示。

4 经济效益分析

从上述算例的分析可以看出，由于该变电站主要负荷集中在110 kV侧，且110 kV侧接有大量小水电机组，因此无功功率波动频繁，存在着系统无功倒送、电压波动大、功率因数控制困难的问题。采用110 kV的MSVC动态无功补偿装置可以有效缓解该变电站无功倒送的情况，提高功率因数和电压的稳定性，其作用主要体现在以下几个方面。

（1）降低电容器投切次数。

该变电站如果采用相同容量的固定投切电容/电抗器组，会出现投入1组无功补偿装置时无功功率过剩，切除1组无功补偿装置则无功功率不足的现象，导致电容/电抗器组频繁投切，缩短使用寿命。而使用MSVC装置和电容器组联合补偿，可以实现无功功率的连续平滑调节，且仅需投切1次电容器组即可，能避免电容/电抗器的反复动作，减少操作次数，提高系统的稳定性。

（2）提高变压器的负荷能力。

采用35 kV侧固定投切电容/电抗器组补偿时，平均功率因数为0.94，采用110 kV侧MSVC装置补偿后，平均功率因数为0.97。由于采用了MSVC装置，变压器净增负荷能力为180×（0.97-0.94）=5.4 MVA。

此时，若将系统电压和功率因数调节到合格范围内，无功补偿装置还有一定的可调节裕度。通过优化调节MCR的触发角，可使功率因数尽量接近1，从而使系统处于利用率最大化的运行状态。

（3）降低线损。

图8 补偿前后110 kV侧功率因数比较

该变电站平均负荷为50 MVA，采用MSVC装置补偿前功率因数为0.94，平均线损率为0.2，则补偿前线损值为ΔPl=50×0.2%=100 kW。

（4）简化变压器结构。

220 kV变电站一般规划3台主变压器，其中1台主变压器35/10 kV侧不带负荷，仅安装无功补偿装置，每台220 kV三圈变压器的占地面积约12×6 mm2。如果将MSVC装置安装在110 kV侧，则可将220/110/35（10）kV的三圈变压器简化为仅含220 kV和110 kV 2个电压等级的两圈变压器。220 kV两圈变压器的占地面积约8×6 mm2。将三圈变压器简化为两圈变压器后，不仅简化了变压器的制造工艺，降低了成本，而且缩小了变压器的体积，可减少约30%的变电站变压器占地面积。

（5）节约变电站场地。

若220 kV变电站的主变压器容量为3×180 MVA，在35 kV低压侧需设置8组串联电抗率为5%和12%、容量为10 000 kvar的电容器/电抗器组，设备总价约400～480万元，总占地面积510 m2；如果按照相同容量配置1套110 kV电压等级MSVC装置，设备造价约450～500万元，总占地面积约390 m2。采用传统无功补偿装置与110 kV电压等级MSVC装置，两者投资基本相当，但110 kV电压等级MSVC装置总占地面积较小，可节约变电站无功补偿装置场地约20%。

5 结论

根据仿真计算研究，对于主要负荷集中在110 kV侧、110 kV侧小水电机组接入较多、无功功率波动频繁、电压/无功控制困难的220 kV变电站，采用基于110 kV的MSVC动态无功补偿装置可以实现无功功率的连续平滑调节，减少无功补偿装置开关投切次数，维持110 kV母线电压稳定，提高功率因数，能够最大限度地降低有功损耗，提高系统的输送容量，实现经济效益最大化。因此，110 kV的MSVC装置在电力系统中有良好的应用前景和推广价值。

[1]林海雪.现代电能质量的基本问题[J].电网技术，2001，25（10）∶5-12.

[2]石有计.磁控电抗器对特高压输电线路工频过电压的抑制作用[J].电力建设，2011（5）∶26-29.

[3]余梦泽，陈柏超，田翠华，等.采用磁控电抗器的静止型高压动态无功补偿装置[J].高电压技术，2009（7）∶1770-1775.

[4]石有计.磁控电抗器抑制电弧炉引起的电压波动与闪变的研究[J].电工电气，2011（7）∶21-23.

[5]姚尧，陈柏超，田翠华.磁控电抗器在右江500 kV线路中的应用[J].高电压技术，2008（5）∶984-988.

[6]罗运成，毕平劲，邱长春，等.磁控电抗器原理及其在SVC中的应用[J].舰船电子工程，2009（2）∶176-179.

[7]欧阳永坚，周雄健.基于磁控电抗器的新型动态无功补偿装置应用效益分析[J].电网技术，2006，30（8）∶210-213.

[8]魏云冰，李涛，张国亮，等.基于瞬时无功功率理论的磁控电抗器控制方法[J].电力系统保护与控制，2011（22）∶117-121.

[9]高冬梅，袁海文，张永斌.基于分级磁阀结构的三相磁控电抗器谐波抑制研究[J].高压电器，2008（5）∶389-391.

[10]DOLGOPOLOV A G，DOLGOPOLOV S G，AAITSEV A I. Industrial operation of a controllable three-phase shunt ing reactor（110 kV，25 000 kVA）at the permenergo kudymakar substation[J].Elektrotekhnika，2003（1）∶30-35.

[11]周平.磁控电抗器无功补偿技术在电力系统中的应用[D].浙江大学，2012.

（本文编辑：龚皓）

MSVC Reactive Voltage Control Based on 110 kV Voltage Class

CHEN Hongwei1，JIN Yongtao2，ZHOU Xiaobo1，JIN Yujie1，NING Kanghong1
（1.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Aiming at multiple voltage classes and uneconomical reactive compensation as well as frequent switching of switches in China，the paper proposes to install MSVC under a 110 kV voltage class in 220 kV substation.By analyzing work principle and characters of 110 kV class MSVC，the paper brings forward a dynamic reactive compensation strategy based on seven-region diagram method for comprehensive adjustment on reactive power and voltage；besides，it gives a method of calculating the capacity for installation of reactive compensation device at 110 kV side.The calculation result shows that it can reduce switching of reactive compensation device，maintain stability of 110 kV bus voltage and improve power factor by means of reactive power control of 110 kV MSVC.Therefore，the device has good application prospect and is worth promotion.

MSVC；reactive compensation；voltage control；power quality

TM761+.1

：B

：1007-1881（2014）04-0014-05

2013-12-02

陈宏伟（1986-），男，浙江杭州人，硕士，主要从事电能质量、电力系统规划与运行的研究工作。