上海220kV电网无功补偿配置方案探讨.pdf

上 海 电力 2 0 0 9 年第3 期 上海 2 2 0 k V电网无功补偿配置方案探讨 阮 映 琴 ( 上海 电力设计院有限公司， 上海 2 0 0 0 2 5 ) 摘要： 上海电网是典型 的受端电网 ， 近年来 区外来 电 的注入 、 大容 量机组 的增 加以及 高阻抗变压 器的应用 等 ， 对变电站无 功补偿配置提 出了新的要求 。文 章在 分析上海 电 网无 功配置 现状 的基础上 ， 研究 了 5 0 0 k V 电网、 区内电源 、 2 2 0 k V输电线路 、 主变等电网主要设 备对无功补偿 的影 响和要求 ， 提 出了上海 2 2 0 k V 电网 无功补偿配置方案的建议。 关键词 ： 无功平衡 ； 电压稳定 ； 功率因数 ； 无功补偿 中图分类号 ： T M7 1 4 3 文献标识码 ： A l 引 言 在交 流电力 系 统 中 ， 充 足 的无 功 电源 可 维 持 电力 系统 电压水 平 ， 保 证 电力 系统 稳 定运 行 和 用 户 的供 电质 量 ， 并 减少 电 网的电能损 失 。 统计资 料显示 ， 随着 电 网建设 的逐 步 完善 ， 电 力 系统得安 全稳 定 水平 大幅 度提 高 ， 电力 系 统稳 定破 坏事故 次数 明显下 降 。与 以往 大多事 故 因系 统有 功平衡 被破 坏不 同 的是 ， 近期 发生 的很 多大 停 电事 故 往 往 是 由 暂 态 电 压 崩 溃 而 导 致 的。 因 此 ， 近 年来无 功规 划研 究 正 得 到 了越 来 越 多 的重 视 。 上 海 电网是典 型 的受 端 电网 ， 近 年来 高峰 时 段 区外来 电 比例 已超 过 1 3 ， 接 近 4 O 的水平 ， 大 量 有功 电力 的受 人 ， 尤 其 是 大容 量 直 流来 电的 注 入 ， 对本地 无功 电源 配置提 出 了新 的要求 。 同时 ， 高额定功 率 因数 的大 容量机 组 的增 加 以及 高阻 抗 变压 器 的应 用 等 ， 都 将 会 给无 功 电压 调节 和 电 压 稳定 带来新 的问题 。另外 ， 电网的经 济运 行 、 电力 市场 化也对 电网 的无功 管理 和运行提 出 了更 高 的 要求 。 同时 ， 变电站站 内若 配 置大 量 的无 功补 偿 设 备， 不仅影响变电站的整体投资费用 ， 而且在部分 土地 紧张的情 况下 大幅增加 了站 内 电气 布置 的难 度， 还可能引起设备利用率不高的问题 ， 增加电网 维 护 的工作 量和成 本 。因此 选择合 理 的无 功补 偿 配置方案对于变电站的建设和电网的运行都具有 重 要的意 义 。 根据 电力 系统 电压 和无 功 电 力 技 术 导 则 ( S D 3 2 5 8 9 ) 相 关规 定 ， 2 2 0 k V及 以下 电压等 级 的 一 2 3 8一 变电站中， 应根据需要配置无功补偿设备 ， 其容量 可按 变压器 容量 的 1 O 3 O 确 定 ， 在 主变 压 器 最 大 负 荷 时 ， 其 二 次 侧 出线 功 率 因数 应 不 小 于 0 9 5 1 0 。但对 于 2 2 0 k V变 电站 一 次侧 功 率 因 数或 5 0 0 k V变电站二次侧功率因数并没有具体 的要求 ， 需结合电网的性质进行具体 的分析研究 而定 。 2 上海 电网无功补偿配置现状 上海 电 网无 功补偿 设备 以变 电站 内的 电抗 器 和 电容器 为 主 ， 大 多 数 5 0 0 k V 变 电 站 同 时 配 置 电抗 器 和电容 器 。 根据 上 海 电 网若 干 技 术 原 则 的 规 定 的规 定 ， 2 2 O k V 电网 中采 用 电缆进 线 的变 电站 一 般 配 置 电抗器 ， 并 根 据不 同的 电缆 线 路 长度 确 定 是 否 配置 电容器 ； 采用 全 架 空进 线 的 变 电站 一 般 只 配 置 电容 器 ， 配置 的 电容 器组 的容 量 为 主变 容 量 的 1 2 1 6 7 。 另 外 ， 2 2 0 k V 西 郊 站 的 静 止 同 步 补 偿 器 ( s T AT C OM) 和 2 2 0 k V 干 练站 的静 止无 功补 偿 器 ( S VC ) 也均 已投运 ， 部 分 缓解 了地 区动 态无 功 电源不 足 的问题 。 目前 上海 电 网总体 已经基本 实现 了无功 电源 与无功负荷的平衡 ， 但仍然存在着 以下的一些问 题 ： ( 1 ) 无功补偿配置不均衡 ， 尚未完全做到分层 分区和就地平衡 ， 一些分区动态无功补偿容量不 足 ， 缺 乏 足够 的动 态无 功 电压 支撑 。 ( 2 ) 区外 受 电 比例 和直流 输 电功率 的增加 、 高 额定功率因数的大容量机组的增加 以及高阻抗变 2 0 0 9 年第3 期 上 海 电力 压 器 的应用 ， 使 得 上 海 电 网 和 本地 发 电厂 可 向负 荷 提供 的无 功 功率 相 对 减 少 ， 因 而需 要 配 备 足 够 的无功 补偿 装置 ， 以避 免无 功 远 距 离 输 送 并 提 高 电网 的无功 备用 率 。 ( 3 )峰谷 差 增 大 ， 使 得 电 网 运 行 电 压 波 动 增 大 ， 给 电 网无 功 电压 调整 增加 了难 度 。 3 5 0 0 k V 电网及 区内电源对 2 2 0 k V电网 的无功 补偿 要求 5 0 0 k V 电 网的无 功 平 衡 研 究 是 2 2 0 k V 电 网 无 功配 置优化 的前提 和基 础 。 对 5 0 0 k V 电网而 言 ， 要 达 到 无 功平 衡 ， 即要 实现 Qs QI 十 AQ ( 1 ) 式 中 Q 为 无 功 电 源 ， 根 据 无 功 就 地 平 衡 原 则 ， Q 包含三部分： 本地 5 0 0 k V线路充 电功率 、 本地 接 入 5 0 0 k V 电压 等 级 机 组 的 无 功 出 力 和 5 0 0 k V 变 电站站 内无 功 补偿 ； Q。 为无 功 负 荷 ， 一 般可 表 示 为 PI J 1 t g ( PI 1 、 c o 1分 别 为 5 0 0 k V 变电站中压侧有功负荷及功率 因数) ； A Q包含的 三部 分 为 ： 本 地 5 0 0 k V 线 路 无 功 损耗 、 本 地 接 入 5 0 0 k V 电压 等级 机组 的 升压 变 损 耗及 各 5 0 0 k V 变 电站 的主变 损 耗 。 上海 5 0 0 k V 电 网 无 功 平 衡 分 析 结 果 表 明 ， 远期 5 0 0 k V 变 压器 高压 侧 的功 率 因数 约 为 0 9 9 左右 。因此在 合 理 配置 5 0 0 k V 变 电站 内无 功 补 偿容 量 ( 约为 主变 容量 的 1 8 左 右 ) 的情况 下 ， 要 求 5 0 0 k V 变 电 站 的 2 2 0 k V 侧 负 荷 功 率 宜 补 偿 到 0 9 8左右 的水 平 。 接 入 2 2 0 k V 电压等 级 的 区内 电厂是 2 2 0 k V 分 区 电网 的重 要 无 功 电源 之 一 ， 也 是 更 多 分 区 电 网最 主要 的动 态无 功 电源 。然 而 随着 高阻抗 变 压 器 的应用 ， 其 可 向 系统 提 供 的无 功 电源 正 大 幅 减 少 ， 因此 ， 须要 求 电 网配置 更多 的无 功补 偿容 量 才 能保 证 电 网的无 功 裕 度 ， 以提 高 电 网的 电 压 稳 定 性水 平 。 对 2 2 0 k V 分 区 电网 而言 ， 要 达 到无 功 平 衡 ， 式 ( 1 ) 中的 Q 包 含 三 部 分 ： 分 区 内部 2 2 0 k V 线 路充 电功 率 、 分 区 内部 接 入 2 2 0 k V 电 压 等 级 机 组 的无 功 出力 和 5 0 0 k V 变 电 站 下 送 无 功 功 率 P ut g ； Q 为无 功 负荷 ， 一 般 可 表 示 为 P t g p z ( P 、 c o s 分别 为 2 2 0 k V 变 电站 高 压侧 有 功 负 荷及 功 率 因数 ) ； A Q 包 含 两 部 分 ： 分 区 内部 2 2 0 k V 线路 无 功损 耗 ， 分 区 内部接 入 2 2 0 k V 电压 等 级机 组 的升压 变损 耗 。 在不 考虑 线路 的情 况 下 ( 因各 变 电站 线 路 情 况不 一 ， 线 路无 功 平 衡 将 在 下 文 中 阐述 ) ， 分 区 电 网平衡 分 析 表 明 ， 当分 区 电源 容 量 为 1 2 0 0 Mw 1 8 0 0 MW ， 在 2 2 0 k V 变 压 器 高压 侧 功率 因 数 不变 的情 况下 ， 若发 电机 升 压 变 阻抗 从 1 4 提 高 到 1 8 ， 则要 求增 加 无 功 补偿 容 量 4 4 Mv a r 6 6 Mv a r 。若发 电机 升压 变 阻抗进 一 步提高 到 2 4 ， 则 要求 增加 无功 补偿 容量 1 0 8 Mv a r 1 6 2 Mv a r ， 即需要 配 置 1 2组 5 0 0 k V 站 内电 容 器或 2 8 组 2 2 0 k V 站 内 电容 器 。若 采 用 2 2 0 k V 电 网 补 偿 方案 ， 要 求 电容器 组数 较多 ， 涉及 的变 电站 也较 广 ， 因此建 议 优 先 考 虑 在 5 0 0 k V 变 电 站 站 内 配 足该部 分 的无 功缺额 。 因此 ， 结 合 5 0 0 k V 电 网 情 况 及 区 内 电源 无 功 影 响的分 析 ， 要 求 负荷 高峰 时 ， 2 2 0 k V 变 电站 高 压侧 功率 因数 应 补偿 到 0 9 8左 右 的水平 。 4 2 2 0 k V变 电站 无功补偿 配置 对 2 2 0 k V 变 电站 而 言 ， 要 达 到 无 功平 衡 ， 式 ( 1 ) 中的 Q 包 含两 部分 ： 2 2 0 k V 变 电站高压 侧 下 送 无功 功率 P t g f 和 2 2 0 k V 变 电 站 内无 功 补 偿 ； QI 可 表示 为 PI 3 t g +P t g ( P P I 分 别 为主变 中、 低 压 侧 有 功 负 荷 ， c o s 、 c o s 分 别 为 2 2 0 k V 变 电站 中、 低 压侧 出线 功 率 因数 ) ； A Q 为 2 2 0 k V 变 电站 的 主变损耗 。 同时 计 及 2 2 0 k V 线 路 的影 响 ， 要 达 到 无 功 平 衡 ， 则式 ( 1 )中的 Q 将变 成 三部 分 ： 2 2 0 k V 进 线 电源 侧输 送 无 功 功率 PL 5 t g ( PL 、 c o 。 分 别 为 电源 进 线 始 端 有 功 负荷 和 功 率 因 数 ) 、 2 2 0 k V 电源进 线 充 电 功 率 和 2 2 0 k V 变 电站 内无 功 补 偿 ； QL将 变 成 为 P I 3 t g 3 + P L 4 t g + PL 6 t g p 6 ( P 、 c o s 分 别为 变 电站 2 2 0 k V 送 出线路 的有 功 负荷 及 功 率 因数 ) ； Q 将 变 成 两 部 分 ： 变 电站 电源进 线 的无功 损耗 及变 电站 的主变损 耗 。 4 1 2 2 0 k V 电网 的无功 损耗 2 2 0 k V 电网 的无 功损 耗 主要包 括 两 部分 ， 即 输 电线 路 的无功 损耗 和 主变 的无功 损耗 。 4 1 1输 电线 路无 功损 耗 运 行 中的输 电线 路 ， 既 是 无 功 负荷 又 是 无 功 电源 。其线 路无 功损 耗是 系统 无功 负荷 的一个 组 成 部分 ， 同时线 路 充 电 功率 又 是 系 统 无 功 的重 要 2 39 上 海 电力 2 0 0 9 年第 3 期 来源之 一 。线 路产生 的无功 电力与 运行 电压 的平 方 成正 比， 消耗 的无 功 电力 与其 导 线通 过 电 流 的 平 方成正 比。 相关计 算 表 明 ， 截 面 为 2 6 3 0 mm。的 2 2 0 k V 中心 ( 中间) 变 电站 架 空 电源进 线 可 视 为 电 网 中的无功 负荷 ， 正 常情 况 下其 无 功 损 耗 约 为 1 4 Mv a r k m， N 一 1时 其 无 功 损 耗 约 为 3 5 Mv a r k m； 截 面为 1 2 5 0 0 mm 的 2 2 0 k V 中心( 中间) 变 电站 电缆 电源进 线 可 视 为 电网 中 的无 功 电 源 ， 正常 情 况 下其 可 向 系 统 提 供 无 功 约 3 2 Mv a r k m， N一 1时其 可 向 系统 提 供 无 功 约 l Mv a r k m。 终端站架 空进线 的无 功损耗 与其 自身的充 电功率 基本达 到平衡 ； 终端 站 电缆进 线 可 视为 电网 中 的 无 功 电源 ， 正 常情 况 下 其 可 向 系统 提 供无 功 约 3 Mv a r k r n ， N l 情 况下 其可 向 系统提 供 无功 约 2 5 Mv a r k m。 4 1 2主 变无功 损耗 2 2 0 k V 主变损耗 是 2 2 0 k V 变 电站 无功补 偿 容量 配置 的重 要影 响 因素 ， 变 压器 的无 功 损 耗 率 随着负 载率 的增 大而增 加 。 负载 率为 2 0 时 ， 变 压 器 的无 功 损 耗 很 小 ， 单 台主 变 的 无 功 损 耗 仅 为 1 Mv a r 2 Mv a r 。 因 上 海 电网每座 2 2 0 k V 变 电站一般设 置 3台主变 ， 负载 率为 6 7 9 6 ( 远景 理想 负载 率) 时 ， 变 压 器 的无 功损 耗约 为其主 变容量 的 7 0 9 8 ； 负载 率 为 8 0 时 ， 变压 器的无 功损 耗约 为其 主变 容量 的 1 O 2 l 4 5 ， 比负载率 为 6 7 时 增加 了 5 0 左右。若负载率进一步提高， 变压器的无功损耗 将 进一 步增大 。 4 2无 功配置 方案 4 2 1 无功补 偿分组容 量 的选择 根 据 电力 系统 设 计手 册 的相关 要求 ， 并 结 合上海电网的特点 ， 2 2 0 k V变压器采用无载调压 方式 ， 无功 补偿设 备配置 在 3 5 k V 侧 ， 3 5 k V侧 均 带负载 ， 因此 要求主 变容 量 不大 于 2 4 0 MVA 时 ， 单组无 功补偿 设备 的容量 不大 于 2 0 Mv a r 。主变 容量为 3 0 0 MVA 时 ， 单 组 无 功 补 偿 设 备 的 容 量 不大于 2 5 Mv a r 。为给运行留有余地并简化分组 容量， 有条件时变电站配置的单组电容器容量在 1 0 Mv a r 2 O Mv a r之 间。 4 2 2 各侧 功 率因数 要求 在不考虑 线路 影 响 的情 况 下 ， 变 电站 无 功 平 衡 的分析表 明 ， 在 中低压 侧功率 因数 为 0 9 5的情 一 2 4 O一 况下 ， 仅 仅 考 虑 2 2 0 k V 主变 损 耗 ， 若是 要 求 2 2 0 k V 变 电站 高压 侧 功率 因数 补偿 到 0 9 8 ， 则要 求 变压器配置的电容器补偿容量约为其主变容量的 1 5 0 1 6 8 ； 若 是 要 求 2 2 0 k V 变 电站 高 压 侧功率 因数 补偿 到 0 9 9 ， 则 须 要求 变压 器 配置 的 电容 器补偿 容量 约为其 主 变容 量 的 1 8 9 2 O 7 。 同时 ， 在 不 向 系 统 倒 送 无 功 的情 况 下 ， 2 2 0 k V 变 电站 高压 侧 功 率 因数 补 偿 到 0 9 8所 要 求 的补偿容量， 在主变负载率达到设计高峰负载率 ( 6 7 ) 的 5 O 左右 时 ， 所 配置 的电容 器 即可 全部 投入 。 2 2 0 k V 变 电站 高压 侧 功率 因数 补偿 到 0 9 9 所要求的补 偿容量 ， 需要 在主变 负载率达 到设 计高峰负载率 的 7 0 以上时 ， 所配置 的电容 器 才 可 以全 部 投 入 。据 统 计 ， 2 0 0 7年 上 海 电 网 的 负 荷 年 不 均 衡 率 约 为 7 7 ， 月 负 荷 率 约 为 8 5 ， 日负荷 率约 为 7 5 8 O ， 并 且 伴 随 着上 海社 会 经 济 的不 断 发 展 和 产 业 结 构 的调 整 ， 上 海 电网的负荷率将 逐步降低。结合上述计算结 果 可得 ， 将 主变 高 压侧 功率 因数 补 偿 到 0 9 9时 的电容器利用率将 比主变高压侧功率 因数补偿 到 0 9 8时 大幅 降低 。 结合分 析结 果 和 电 力 系统 电 压 和无 功 电力 技术 导则 的要 求 ， 因此要 求 2 2 0 k V 变 电站 的高 压侧功率因数宜补偿到 0 9 8 及以上的水平 ， 中低 压侧 出线 的功 率 因数 应 补偿 到 0 9 5及 以上 的 水 平 。 4 2 3无功 补偿容量 配置 建议 ( 1 ) 终 端 变 电站 综合 上述分 析 ， 对 于 进线 采 用 全架 空 形式 的 终端 变 电站 ， 主要是 对 其 变压 器 的 无功 损 耗 和 中 低压 侧 的负荷功率 因数 进行补偿 。考 虑远 景情况 下 ， 上 海 电网大部 分变 电站建设 规模 为 3台主变 ， 基于 N一 1原则 ， 当负载率 6 7 ， 中低压侧功率 因 数 0 9 5配置时 ， 对于 2 2 0 k V终端 变 电站 ， 其 配置 的 电容器容 量应为其 主变 容量 的 1 6 左 右 。 对 于进线 采用全 电缆 或 电缆 架空 混合形式 的 终端站 ， 应结合 电缆部分线路 的充 电功率进行统 一 考虑 ， 在配 置合适 的电抗器 的基 础上 ， 考虑相 应 的电容器 补偿 ， 总 电容 器 容量 不 宜 超 过其 主 变 容 量 的1 5 。 ( 2 ) 中心 ( 中间) 变 电站 2 0 0 9 年第 3 期 上 海 电力 由于上 海 电网绝 大 部 分 2 2 0 k V 中心 ( 中间 ) 变 电站均 为架 空 进 线 ， 因此 除 了对 其 变 压 器 的 无 功损 耗 和 中低 压 侧 的负 荷 功 率 因 数进 行 补 偿 外 ， 还要 对其 电源 进 线 的 无 功 损耗 进 行 补 偿 ， 即需 要 根据 其架 空线 路 长 短 情 况 ， 分 别 增 加 一 定 的 电 容 器补 偿容 量 。结合 上海 电网 的特点 ， 一般 中心 ( 中 间 ) 变 电站 的总 电容 器 补 偿 容 量 应 为 主 变容 量 的 2 0 左右 。另 外 ， 为 给 电 网 运行 留有 足够 的无 功 调节 裕度 ， 部分 有 条 件 和 需 求 的 变 电 站 可考 虑 配 置约 相 当于 主变容 量 2 5 左 右 的 电容 器 。 4 2 4配置 方案 校核 母 线 电压 校 核 结 果 ， 见 表 1 。主 变 负 载 率 为 6 7 时 ， 变 电站在 投 入 其 配 置 的全 部 电容 器 的情 况下 ， 主变 2 2 0 k V 侧 电压 在正 常 电压 5 范 围 内 波动 时 ， 其 1 1 0 k V 和 3 5 k V 的 电 压 可 运 行 在 较 好 的运 行 水 平 ， 分 别 为 l 1 O k V 1 1 5 k V 和 3 5 3 k V 3 7 3 kV 表 1 母 线 电压 校 核 结 果 主变容量 2 2 0 k V侧 1 1 0 k V母线 3 5 k V母线 MVA 电压 k V 电 压 k V 电压 k V 2 2 2 35 30 1 8 O 2 3 3 37 1 1 2 2 2 1 0 9 6 35 43 2 4 0 2 3 3 1 1 5 3 37 24 2 2 2 1 0 9 6 35 43 3 0 0 2 3 3 1 1 5 3 37 24 同时 ， 电压 校核 结果 表 明 ， 一 般情 况下 即使 主 变负载 率 达到 1 0 0 ， 其 1 1 0 k V 和 3 5 k V 的电压 仍 可运 行 在较好 的运行水 平 。 若 主 变 2 2 0 k V 侧 电压 过 低 时 ， 一 般 情 况 下 通 过调 节变 压器 分接 开关 位 置 ， 可将 主 变 1 1 0 k V 和 3 5 k V 侧 的 电压调 整在 原则 规定 的 范 围内 。 若 主 变 2 2 0 k V 侧 电压 过 低 ， 同 时 主 变 重 载 或 N一 1情况 时 ， 则 即使 变 电站 的低 压 电 容 器全 部 投 入 ， 主变 1 1 0 k V 和 3 5 k V 侧 的 电 压 将 可 能 降 低 至技 术原 则规 定 的范 围 之 外 ， 此 时 仅 通过 调 整 该 变 电站 的无 功 投 入 ， 已不 能 将 主 变 1 1 O k V 侧 和 3 5 k V 侧 电压 调 整 到上 海 电 网要 求 的 电压 水 平 ， 故 而需要 同时调整 整个 分 区 的无 功相 关 因素 ， 将 整个 2 2 0 k V 电网 电压 水 平提 高 到 相对 较 好 的 水 平 。 同时上 海 电 网 典 型 分 区 电 网 的 调 压 计 算 表 明 ， 各变 电站 的无 功补 偿配 置容 量适 当， 对主 变平 均 负载 率和 负荷 功 率 因 数 的适 应 性 均 较 强 ； 在 主 变 平均 负载 率不超 过 8 0 ， 中低 压 侧 出 线 负荷 功 率 因数 为 0 9 3 0 9 7的负 荷高 峰或 低谷 情况 下 ， 2 2 0 k V 变 电站 的各 侧母 线 均运 行在 较 好 的水 平 ， 可有 效保 证 系统 的 电压稳定 水 平 。 5 结 语 本文 在考 虑 上海 电 网 面 临外 来 电 增 加 、 高 阻 抗 变压器 的应 用 等 因 素 的 影 响下 ， 讨 论 和分 析 了 上海 2 2 0 k V 电 网 的 无 功 平 衡 相 关 因 素 及 作 用 后 ， 提 出了在 部分 分 变 电站 增 加 无功 补偿 配 置 容 量 的 建 议 。主 要 是 对 于 上 海 电 网 2 2 0 k V 中 心 ( 中问 ) 变 电站 ， 建 议 其 配 置 相 当 于 其 主 变 容 量 2 0 的电容器 容量 ， 部 分有 条件 和需求 的变 电站 ， 其 配置 的无 功 补 偿 容 量 比例 甚 至 可 考 虑 提 高 到 2 5 左 右 的水 平 ， 这 将 有 效 提 高整 个 上海 电 网的 无 功调节 能力 和 电压稳 定水 平 。 收 稿 日期 ： 2 0 0 9 0 5 0 3 作者简 介： 阮映琴 ( 1 9 8 0 一 ) ， 女 ， 硕 士 ， 工程 师， 主要从 事 电 力 系统 自动 化 研 究 工作 。 ( 责 任 编 辑 ： 吕 斌 ) Di s c u s s i o n o f r e a c t i v e c o mp e ns a t i o n a l l o c a t i o n s c h e me f o r S h a n g h a i 2 2 0 kV p o we r g r i d RUA N Yi n g q i n ( S h a n g h a i El e c t r i c Po we r De s i g n I n s t i t u t e C o ；Lt d ，S h a n g h a i 2 0 0 0 2 5， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Sh a n g