江苏电网负荷低谷时期的无功配置

2020-11-13许彦程培波

湖南电力 2020年5期

许彦，程培波

(1. 国网北京经济技术研究院徐州勘测设计中心，江苏徐州221000；2. 东方电子股份有限公司，山东烟台264000)

0 引言

电力系统中, 无功的合理分布是保证电压质量和经济运行的重要条件。 220 kV 变电站作为城市电网的重要节点, 合理的无功配置对于提高负荷功率因数、减少电力输送损耗、改善电能质量有着十分重要的意义[1-2]。本文针对大量220 kV 变电站低谷负荷时功率因数偏高, 甚至无功倒送等问题, 结合电网实际数据, 分析产生上述问题的主要原因。

本文对拥有较长220 kV 架空线路的变电站的感性无功补偿的配置原则进行探讨和分析, 结合实际数据给出相应的配置方案, 便于工程实际操作。对传统的补偿措施与采用SVG (静止无功发生器)补偿措施进行了优缺点、价格、尺寸的全方位比较, SVG 补偿措施在进出线为架空线的220 kV 变电站的应用前景非常广阔。

1 220 kV 变电站感性无功配置原则

根据变电站感性无功设计原则[3-4], 220 kV 变电站在220 kV、 110 kV 进出线没有电缆的情况下,不需要配置感性无功补偿装置。根据《国家电网公司输变电工程通用设计(2017 版) 》, 对进、出线以电缆为主的220 kV 变电站, 可依电缆长度配置相应的感性无功补偿装置；对于架空、电缆混合的220 kV 变电站, 应根据系统条件经过计算后确定感性和容性无功补偿配置[5]。

2 电网实际无功分析

2.1 110 kV 电网功率因数偏高

以江苏电网为例, 截至2017 年12 月底, 低谷负荷期间, 85%的110 kV 变电站负荷自然功率因数高于0. 95, 叠加110 kV 变电站的感性无功补偿配置不足、补偿度(电抗器容量/ 110 kV 电缆充电功率) 仅10. 9%等因素[6], 导致江苏省境内功率因数高于0. 95 的主变压器共1 980 台, 其中无功倒送162 台。

其中, A 市有214 台110 kV 变压器, 低谷负荷时功率因数高于0. 95 的主变压器有188 台, 占比87. 8%； B 市有142 台110 kV 变压器, 低谷负荷时功率因数高于0. 95 的主变压器有127 台, 占比89. 4%, 详见表1。

表1 江苏110 kV 电网不同功率因数下主变压器数量

2.2 新能源大量接入

截至2018 年底, 江苏省光伏装机达13 323 MW；风电装机达8 646 MW, 分别较2015 年增长315%、210%。新能源由于存在较大的波动性与间歇性,进一步增大了电网负荷的峰谷差, 同时带来电压波动和电压越限的问题[7-8]。

以A 市为例, 近三年新能源装机容量增长3倍, 近五年负荷峰谷差逐年上升。如图1 所示,2018 年最大负荷峰谷差已达到211. 3 万kW, 最大峰谷差率达到32. 42%。

图1 A 市电网近五年峰谷差特性

新能源的波动性和峰谷差的增大导致电网中线路输送功率的快速变化、电网所需无功补偿裕度更大。

2.3 低谷负荷时的220 kV 架空线路充电功率

现行变电站设计的感性无功配置原则主要针对110 kV、 220 kV 的电缆线路及500 kV 的架空线路进行100%补偿[9-10]。

送电线路充电功率见表2[11], 110 kV 架空线路的充电功率在设计中可以忽略。 220 kV 架空线路的单位充电功率虽然较电缆小, 仅0. 19 Mvar/ km,但积少成多, 低谷负荷时的合计盈余充电功率非常大。部分220 kV 线路动辄几十千米, 且低谷负荷时线路产生的无功损耗不足以抵消充电功率, 无法达到无功的自然平衡。

表2 送电线路充电功率表

当线路输送潮流等于自然功率时, 线路产生的无功和消耗的无功相抵消, 沿全线的电压和电流数值保持不变。线路传输的自然功率模型:

上式中波阻抗:

受极限输送功率所限, 电缆线路的潮流无法达到自然功率, 架空线路上的充电功率盈余则取决于线路输送的潮流情况, 见表3。

表3 送电线路自然功率表

2.4 低谷负荷电网感性无功状况

1) 110 kV 电网向220 kV 变电站无功倒送。低谷负荷期间, 110 kV 电网存在大量剩余充电功率。现有110 kV 变电站电抗器少, 且通用设计中不含电抗器位置, 110 kV 电网剩余充电功率无法在本层平衡, 需倒送至220 kV 电网平衡。

2) 220 kV 电网向500 kV 变电站倒送。 220 kV电网无功倒送同样发生在低谷负荷期间, 现有电抗器配置以补偿电缆充电功率为主, 甚至电缆的充电功率都无法完全补偿, 见表4。低谷负荷期间, 架空线总的充电功率将超过电缆, 220 kV 电网盈余的充电功率无法在本层平衡, 需倒送至500 kV 电网或者被迫拉停220 kV 线路, 500 kV 电网的电抗器配置并未考虑低压电网的无功盈余, 拉停线路则降低了电网的安全性[12]。

表4 江苏220 kV 电网感性无功补偿情况

3) 通过在220 kV 电网包括以架空线为主的变电站加装感性无功补偿装置的方式, 一方面可以将110 kV 上送至220 kV 电网的无功消纳, 另一方面还可以阻止低谷负荷时220 kV 架空线无功盈余上送至500 kV 电网。

3 220 kV 变电站感性无功配置方案与案例研究

3.1 220 kV 变电站感性无功配置方案

以220 kV 电缆为主的变电站的感性无功配置在策略规范[4]中已有描述, 不再累述。本文重点论述以220 kV 架空线为主的变电站的配置策略,针对以架空线为主的220 kV 变电站, 给出四个步骤选择合适的感性无功补偿方案。

1) 估算变电站本期及远景接入电网的220 kV架空线路长度。

2) 通过收搜集资料和估算确定线路低谷负荷时的线路输送潮流。

3) 按合计线路1 / 2 计算变电站需配置的感性无功补偿容量。

4) 合理预测变电站低谷负荷, 结合无功平衡表对功率因数进行校核。

3.2 江苏省某220 kV 变电站案例研究

以江苏某220 kV 变电站为例, 首先需要计算低谷负荷时线路盈余的充电功率[13-14]:

式中, ∑L为变电站的220 kV 线路合计长度,QC1通过查表2 可得,QL为线路在低谷负荷时的线路损耗。

以B 市为例, 2017 年负荷情况见表5, 其中B1 县的高峰负荷360 MW, 低谷负荷仅为120 MW。B1 县的3 个主要受电通道的潮流, 低谷时刻分别只有30～50 MW。

表5 B 市2017 年负荷情况

当220 kV 变电站接入电网的架空线路合计为60 km 时, 线路充电功率可达5. 7 Mvar (考虑本侧与对侧变电站各补一半)。低谷负荷时的线路输送潮流为30 MW 左右, ΔQ可达5. 5 Mvar。

初步估算该220 kV 变电站需配置6 Mvar 的感性无功补偿装置, 最后结合无功平衡表对变电站的功率因数进行校核[15-16], 见表6。

表6 变电站低谷负荷无功平衡表

4 补偿方案比选

目前, 变电站的补偿方案以并联电容器和电抗器为主, 结构简单、经济适用, 运行和维护方便。但存在只能补偿感性或者容性无功, 不能连续调节；电网电压下降时, 补偿的无功量急剧下降；系统有谐波时, 可能发生并联谐振, 使谐波电流放大；补偿严重时会抬高电压、烧毁设备等诸多问题。

SVG 可以实现功率的动态调节, 且可以感性、容性双向调节；提高系统的暂态稳定性和阻尼系统振荡；连接电抗小, 所需电感量远小于补偿容量相同的电抗器；对系统电压进行瞬时补偿, 电压降低时, 仍可维持最大无功电流；谐波量小, 不会与系统发生并联谐振。

根据《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施( 修订版) 》第10. 4. 1. 12 条规定: 新投运SVG 装置应采用全封闭空调制冷或全封闭水冷散热方式。所以SVG 仍存在初期投资高、水冷系统运行维护较为麻烦等问题。考虑到SVG 与传统方式在价格、尺寸上的差异, 表7 基于电压等级和容量对其进行比较[18]。

表7 SVG 与传统方式价格、尺寸对比表

通过表7 的对比可以看出, 由于对SVG 冷却方式的要求, SVG 的整体尺寸稍大于电抗器与电容器的组合。考虑到以架空线为主的变电站一般采用户外配电装置的布置方式, SVG 的占地面积并不是决定因素。

根据中国电力科学研究院电力工业电气设备质量检测中心出具的某厂家SVG 试验报告, 指令响应时间≤10 ms, 跟踪响应时间≤20 ms, 从容性满发至感性满发, 无功输出与设定值之间偏差≤2%。进出线以电缆为主的220 kV 变电站, 由于电缆线路自身充电功率较大, 线路盈余的充电功率基本不受线路输送潮流的影响, 仍可以采用传统的补偿方式。

进出线以架空线为主的220 kV 变电站, 通常线路较长, 受负荷自身特性及新能源接入的影响,负荷的波动性和间歇性持续增加, 线路盈余的充电功率时时变化, 低谷负荷时达到最大。相比传统方式调节级差最小为1 组电容器/ 电抗器, SVG 仅2%的调节精度和20ms 的跟踪精度, 非常适合此类变电站[19]。