（电气工程专业论文）地区电网变电站并联补偿电容器分组研究.pdf

四川i 大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 本文提出的变电站每台变压器对应配置无功补偿容量的公式和电容器分组方法 的正确性 可行性 利用该理论与方法可以实现整个地区电网在变电站中的无 功优化配置 也可以用于地区电网的某一个区域变电站中的无功优化配置 具 有良好的开放性 在工程实际应用中具有一定的实用或参考价值 关键词无功补偿电容器变电站等分分组 i i r e s e a r c hf o rs h u n tc a p a c i t o rf o rr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n i nt h es u b s t a t i o ni nr e g i o n a lp o w e rs y s t e m m a j o r e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e x i o n gj u n h u aa d v i s o r y a n gh o n g g e n g x i e j i g a n r e a c t i v ep o w e rh a sd o s ec o n t a c t sw i t hp o w e rs y s t e ms t a b i l i t y a t e v o l t a g eo f t h es y s t e me r e b e c a m er e a c t i v ep o w e rc a n tt r a n s m i tr e m o t e l y i ts h o u l dt r yo n e s b e s tt ob a l a n c ei nt h ee a c ha r e a t h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nh a si m p o r t a n ti n f l u e n c e o nt h es e c u r i t ya n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mi nt h es u b s t a t i o n o n eo f t h ew i d e s tu s e dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o ni ss h u n tc a p a c i t o r h o w e v e r i th a sq u e s t i o n so nd e s i g nd i s p o s i t i o na n do p e r a t i o ni nt h ea c t u a l a p p l i c a t i o n i tr e s u l t si nl o wo p e r a t i o nr a t e l a r g e i d l ec a p a c i t ye v e nh a r m o n i c e n l a r g e m e n tr e s o n a n c ew h i c hl e a d st o t h el o we c o n o m i cb e n e f i t so fr e a c t i v e c o m p e n s a t o re v e na f f e c t se c o n o m i c s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m s oi ti sn e c e s s a r yt od i s c u s sh o w s h u n tc a p a c i t o ri ss a f ea n de c o n o m i cu s ei n s u b s t a t i o n t h et h e o r yo fs h u n tc a p a c i t o ro p e r a t i o na n di t sr u l e sh a sb e e na n a l y z e di n t h i sp a p e r t h ew a yo fc a p a c i t o rd i v i s i o na n dt h et o t a lr e a c t i v ec a p a c i t yo f c o m p e n s a t i o nu n d e rt h ev a r i o u sk i n d so fl i m i t e dc o n d i t i o n sr e c o m m e n d e dh a v eb e e n d i s c u s s e d n l ea d v a n t a g eo fe q u a lg r o u p si sd e s c r i b e de s p e c i a l l yi t sd e v e l o p m e n ti n t h ef u t u r ea n dt h es e c u r i t yg u a r a n t e e do ft h eo p e r a t i o ns u c ht h a ts u r g e o v e r v o l t a g e h a v eb e e nf i tw i t ht h er e q u e s ta n dt h e r ea l en o th a r m o n i ce n l a r g e m e n ta n d r e s o n a n c e e t c t h ew a yo fc a p a c i t o rd i v i s i o na n dt h et o t a lr e a c t i v ec a p a c i t yo f c o m p e n s a t i o nf o c u so nt h eb a l a n c ea n do p t i m i z a t i o no fs u b s t a t i o n o nt h eb a s i so f t h et h e o r e t i e a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n t h ea n a l y s i sa n dm o d e lo flo k vs h u n t c a p a c i t o ri nt h ey i b i nl o n g t o ur e g i o n a lp o w e rs y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e d n l e i i i 四川大堂三堡堡主堂篁垒奎 垫旦 一 一 c a d a c i t o r sc a nr e l i a b l yo p e r a t ea c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ll a w s t i p u l a t e dl na d v a i l c e t h r o u g hc a l c u l a t i n ga n ds i m u l a t i o n i td o e s n th a v eb i gs u r g e o v e r v o l t a g e h a r m o m c e n j a u r g e m e n t i ti m p r o v et h ee c o n o m y o fo p e r a t i o nt oac e r t a i ne x t e n t a n di tp r o v e d t h ee x a c 妣s s f e a s i b i l i t yo fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na n dg r o u p sc o x l e s p o n d i n g l ye a c h t r a n s f o m e r t h i st h e o r y a n dm e t h o dt h i sc a n r e a l i z er e a c t l v eo p t i m i z a t i o n d i s p o s i t i o no fw h o l ea r e ap o w e rs y s t e m a n d c a nr e a l i z er e a c t l v eo p t i 肌2 a t l o n d i s p o s i t i o no fs o m es u b s t a t i o n i th a sg o o do p e n i n g a n dc e 埘np r a c t i c a jo rr e t e r e n c e v a l u ei nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ep r o j e c t k e y w o r d s r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r s s u b s t a t i o n g r o u p s i v 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 1绪论 1 1引言 随着现代科学技术的发展和国民经济的增长 电力系统发展迅猛 负荷日 益增多 供电容量扩大 出现了大规模的联合电力系统 电力系统的规模不断 增大 复杂程度不断增加 随着用电量的增加 电网的经济运行日益受到重视 同时越来越多的新工艺 新技术层出不穷 随着现代电力电子技术的飞速发展 电力电子技术的广泛应用给工业企业和电力企业的电能转换带来了巨大的方便 与进步 尤其像i g b t 等电力电子器件的使用和大功率变流 变频传动调速系统 等已经成为各工矿企业的关键技术 但是这些新型电力电子器件和电能变换技 术也同时给电力系统提出了新的问题 这些装置功率因数往往很低 给电网带 来额外的负担并影响电能质量 同时还给电网带来日益严重的谐波污染 还有 如炼钢电弧炉 电气化铁路和家用电器等负荷的迅速发展也严重影响了电能质 量 1 3 同时用户中又有大量对系统电压稳定性有较高要求的精密设备如计算 机 医用设备等 因此 提高功率因数 治理谐波污染 提高电能质量受到了 人们越来越广泛的重视 4 l l 在我国 8 0 年代以来我国电力工业有了很大的发展 至1 9 9 7 年 全国发电 设备容量达到2 5 亿千瓦 年发电量达至u 1 1 3 2 0 亿千瓦时 在发电设备装机容量和 年发电量方面就已经位居世界第二 随着举世瞩目的长江三峡水利枢纽工程的 建设及其2 6 台机组的陆续并网发电和电力体制改革的深入 我国电力系统逐步 进入了大电网 大电厂 大机组 高压直流输电 高度自动控制和电力市场化 的又一新时期 1 2 j 我国电网网架结构不断得到改善和电力系统的安全可靠性不 断得到提高 但是 电网结构仍相对薄弱 全国的互联大电力系统还未真正形 成 电网的安全性 可靠性还相对较低 同时伴随着全国电网的形成 安全稳 定性问题也将会更加突出 1 3 此外 由于我国电网网架还不是很合理 电压等 级仍然偏低 输电距离长 能耗严重 若能在优化理论的指导下 使其降低3 个 百分点那么每年将可以节约5 4 0 亿千瓦时间 经济效益可见一斑 随着电力市场的逐步实行 电网公司通过有效手段 降低网损 提高系统 运行的经济性 可给电网公司带来更高的效益和利润 电力系统无功功率优化 和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分 通过对电 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿 不仅可以维持电压水平 和提高电力系统运行的稳定性 而且可以降低有功网损和无功网损 使电力系 统能够安全经济运行 无功优化计算是在系统网络结构和系统负荷给定的情况 下 通过调节控制变量 发电机的无功出力和机端电压水平 电容器组的安装 及投切和变压器分接头的调节 使系统在满足各种约束条件下网损达到最小 通过无功优化不仅使全嘲电压在额定值附近运行 而且能取得可观的经济效益 使电能质覆 系统运行的安全性和经济性完美的结合在一起 因而无功优化的 前景十分广阔 无功补偿可看作是无功优化的一个子部分 即它通过调节电容 器的安装位置和电容器的补偿容量 使系统在满足各种约束条件下网损达到最 d 0 4 l 1 2 变电站无功补偿 1 21 变电站中的无功补偿装置 变电站中传统的无功补偿装置主要是调相机和静电电容器 随着电力电子 技术的发展及其在电力系统中的应用 交流无触点开关s c r g t r g t o 等相 继出现 将其作为投切开关无功补偿都可以在一个周波内完成 而且可以进行 单相调节 如今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管投切的无功补偿 设备 主要有阱下三大类型 一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置 第 二类是晶闸管控制电抗器 晶闸管投切电容器 这两种装置统称为s v c 第三 类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置 高级静止无功发生器响 结 合了电力电子技术的静止无功补偿器具有广泛应用前景 但是 由于其高昂的 价格等因素 同时也因为电容器装置与其他无功补偿装置相比具有运行 维护 检修最简单 不需要除电气专业外的附属设备 安装条件要求不高 可阻在户 外或简易房内安装 且安装简单 易于扩建等优点 在无功负荷变化频率不大 分组投切固定电容器即可满足要求的情况下 实际中普遍选用并联电容器装置 进行无功补偿 7 1 静电电容器仍然在现在和今后一段时间成为变电站无功补偿 的主要装置 静电电容器的作用是改善负荷的相角 因此习惯上也称为 移相电容器 2 0 世纪8 0 年代 国产电容器质量差 损坏率很高 在经济上 3 万千乏及以上容 量的调相机可以与同容量的电容器补偿装置相比 但到2 0 世纪后期 制造电容 量的调相机可以与同容量的电容器补偿装置相比 但到2 0 世纪后期 制造电容 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 器的设备 材质和工艺水平均有很大改进 使得电容器质量得到很大提高 年 损坏率降为0 4 以下 配套设备质量也不断改善 电容器补偿的优点开始得到 发挥 我国移相电容器与同步调相机装置容量的比例已从2 0 世纪后期的4 l 发 展到今天的9 1 t 1 电容器无功补偿可以分为串联无功补偿和并联无功补偿 串联电容器提升 的末端电压的数值口x y 随无功负荷增大而增大 减小而减小 恰与调压要求 一致 这是串联电容器调压的一个显著优点 但对负荷功率因数高 c o s 9 o 9 5 或者导线截面小的线路 由于p r v 分量的比重较大 串联补偿的调压效果就 很小 此外 串联补偿可能会产生铁磁谐振和自励磁等许多异常现象 p 1 j q l 一t x y 卜 一卜 一 图1 1 串联电容补偿 并联无功补偿与串联无功补偿的作用之一都在于减少电压损耗中的 q 彳 y 分量 并联补偿能减少q 采用并联补偿能从网损节约中得到抵偿 而 在降低网损及提高用户功率因数方面 并联补偿要比串联补偿优越的多 图1 2 并联电容补偿 当无功变化为每天数次 或变化幅度较大时 可选用并联电容补偿装置或 静补装置 当补偿装置安装点母线电压畸变率超过规定的允许值时 应该将装 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 置中的容性无功部分设计成交流滤波装置 1 7 当母线电压闪变强度较高 无功 负荷具有冲击性质时 必须选用静补装置 固定电容器补偿已无法满足提高电 压质量的要求l l 引 我国现在主要采用并联电容器和并联电抗器 其中尤以并联电容器的运用 最为广泛 变电站并联电容器补偿普遍采用集中补偿方式和并联补偿方式 叭 它可以永久连接或用断路器连接至系统某些节点 母线 上 正如前面说述 电力电子技术有了飞速发展 投切并联电容器的开关技术 也有了长足进步 以前的断路器制造水平低 重燃率高 后来有了机械开关投 切的不重燃断路器 现在发展到用可控硅控制投切 如同并联电容器现在仍广 泛使用一样 机械开关断路器投切并联电容器装置依然占并联电容器补偿装置 的很大一部分 机械开关断路器投切并联电容器补偿装置有两种形式 其原理 图如图1 3 1 2 所示 每组电容器装置中一般应包括电容器 串联电抗器 放电线圈 避雷器 接地器 断路器和电流互感器等等 图l 3 1 不带总断路器 2 带总断路器 并联电容器对高次谐波特别敏感 谐波电流的存在会使电容器运行电流增 大 甚至因过热而使电容器寿命缩短或损坏 谐波电压叠加于基波电压之上作 用于电容器 可能使其在运行中产生局部放电不能熄灭 进而使电容器损坏 为了改善谐波电流的放大现象和保护电容器防止谐振的发生 目前并联电容器 无功补偿装置 静止无功补偿器中均加设电抗器 且s v c 通过对可控硅的导通 角的调节在随着系统负荷的变化动态进行无功补偿的同时 调节电抗器的数值 以避免谐振的发生 2 0 无功补偿包括对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率 的补偿 产生和补偿谐波的装置 同时也是消耗和补偿基波的装置 而采用大 功率电子器件的电网无功补偿装置本身又可能导致谐波和影响电网振荡频率 4 婴型查兰三矍堡主兰堡堡兰 塑 因此同时具各谐波抑制和无功补偿是f i i d 自动化系统的发展主流 1 2 2 应用无功补偿装置上的不合理 变电站电容器无功补偿装置是电力系统重要的节能设各 也是维持电网电 压的重要设各 即是保证电能质量的重要设备 装置包括设备 场地等的投资 也较大 但是在实际生产应用中还存在着设计 配置 运行上的不合理 主要有 夺运行中的无功补偿装置容量大 投资效益不高 随着5 0 0 k v 电网的投入 一次电网输送容量和线路充电功率很大 而2 2 0 k v 3 5 k v 输配电网供电 半径不断减小 城市配电网络大量使用电缆线路 系统容性无功增加 因此在正常情况下 变电站消耗的系统无功对电压的影响不明显 以至 无功补偿装置闲置 投资效益不高 夺设计时对无功补偿装置的总容量选择不合理 造成无功补偿投入率低 由于设计规程规定变电站按其主变压器容量的约l p o 3 1 p o 配置站内无 功补偿电容器的容量 地区无功缺额较少或者距离电源点较近的变电站 取较低值 地区无功缺额较多或者距离电源点较远的变电站取较高 随 意性很大 往往造成补偿系统总容量不适合实际运行的要求 补偿容量 过高或者过低 造成投资浪费或不满足系统运行的要求 设计时对无功补偿的分组容量和分组方式选择不尽合理 造成无功补偿 投入率低 分组越多越灵活 补偿梯度越小 系统运行的经济性越好 但是一次投 资越大占地越多 投切越频繁 检修维护周期越短 不利于大容量集中 补偿 同时分组最小的一组受到的合闸涌流和操作过电压越大 因此针 对补偿节点的具体运行情况和运行特点 合理分组也是补偿装置安全经 济运行的重要因素之一 夺装置投切频繁 设备损坏严重 无功补偿装置的自动控制技术还不完善 考虑的控制样本还不很合理 以及对无功补偿的总容量 分组设计选择 不合理等因素 实际运行中 无功补偿自动投切装置动作频繁 造成开 关 电容器等设备经常损坏 严重影响无功补偿装置的投入率 补偿装置的t l 动投切装置设计不合理 由于无功补偿装置的运行没有较 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 为完善的标准可循 按电压曲线确定投入或切除 而电压并不能客观反 映是否需要进行无功补偿 冷电容器接入母线处的谐波背景不清楚 造成电容器回路设备参数选择不 合理 电容器额定电压选择过高或者过低 致使电容器无功出力不足使 用寿命缩短 影响无功补偿装置的经济性 电容器额定电流选择偏低 运行中电容器过热 甚至发生电容器爆炸事故 不同容量组合运行时 在某一容量下与系统发生谐振或出现谐波电流放大现象 3 以上这些原因 造成对无功补偿装置的配置 使用不合理 影响电力系统 的安全稳定和经济运行 因此 有必要提高对上述问题的重视程度 有必要对 变电站补偿装置的设计 配置和运行及其自动控制设备进行研究 研究其产生 的原因及其规律从而从根本上解决上述问题 1 3 本文所做的工作 本文对变电站并联电容器无功补偿作了分析总结 提出了目前在变电站无 功补偿实际应用中存在的一些问题和总容量与分组方法的欠妥之处 针对这些 问题 本文主要作了以下几个方面的工作 针对目前变电站无功补偿电容器容量配置随意性大的问题 具体分析了 变电站的实际情况 同时考虑区域无功优化的结果 从而针对不同容量 的主变压器配置合适容量的无功补偿装置 令提出了不同的分组方式 在分析了各种分组方式的优缺点后重点论述现 在普遍使用的等容量分组如何在变电站中实现 为保证多组电容器的安全投入 作了大量投切时涌流 过电压等暂态条 件下的仿真计算分析 令针对宜宾龙头地区电网巡场等四个变电站 该系统包括一个2 2 0 k v 的龙 头站和三个1 1 0 k v 变电站 的无功补偿进行了工程实例计算与分析 给 出了结论性意见 通过本次课题的理论研究帮助指导目前变电站大量并联电容器无功补偿装 置的设计 改造与运行 在充分利用变电站现有的补偿设备的前提下 与新技 术相融合 提高实际变电站的无功补偿的应用水平 同时试图给出一个更为准 确的总容量与分组容量选择方法 使其在工程实际中具有一定的实用价值 6 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 2 变电站无功补偿总容量确定方法 2 1无功优化程序算法 本文使用的无功优化程序是基于以下的无功优化算法 标函数f 及约束条件可以描述为 2 2 4 0 1 蚵n 厂 b 巧 f 1 2 1 2 无功优化问题的目 2 1 吒h 践 j 1 2 1 2 q k i h 曼q 置s q k i 雠 i 1 2 i i r 瓦h 互 秣 i 1 2 q 其中 b 为整个系统的有功损耗 q 和岛分别为节点导纳矩阵的元素匕的实 部和虚部 倪为节点f 的电压相角 k 为节点f 的电压幅值 如为节点f 的发电 机有功出力 姨 为节点f 的可调发电机或可调无功补偿设备的无功出力 气和 如分别为节点f 的负荷有功和无功功率 乃为第f 台可调变压器的变比 n m r 和q 分别为网络节点 可调发电机 可调无功补偿设备及可调变压器的数目 2 2无功优化程序仿真计算 一般来说 变电站每台变压器在正常的运行情况下的平均负荷水平只有 5 0 左右 而只有在事故等特殊情况下主变压器才可能接近或达到满载 同时 考虑到变电站一般有两台主变压器 在事故时等情况下可以把两条母线上的并 联电容器全部投入做为对一台变压器接近或者达到满载时的无功补偿 故应该 以正常运行时的负荷水平的无功补偿量作为对应变电站每台主变压器的无功补 偿容量即每台变压器的实际配置容量 可是说变电站每台变压器对应配置无功 容量是在5 0 负荷水平和在满负荷水平之间取得的 同时由于目前电网运行方 式的多样性和受随机因素的影响比较大 考虑到龙头地区电网的主要运行方式 7 o 如 卜 j f射呜 n d g 舶 盼 岛 印 呜 c y印嘛 杖 p d 芦匹脚 吃 彤 v 鲸 璐 j 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 本优化仿真计算对于负荷做了多种情况的放大比较 以综合分析得出变电站每 台变压器的并联电容器无功配置容量 对龙头地区电网的巡场站等四个变电站在现有负荷水平 5 0 负荷水平下 进行优化仿真计算得出各站的优化补偿容量 再对各站中低压负荷分别进行单 独放大 即各变电站主变压器分别接近或达到满载时的情况 见下表 表2 1 各站优化计算无功补偿容量 m v a r 假设变压器中压侧负荷没有变化 对各个站的低压侧负荷分别进行单独放 大使变压器具有接近或达到满负荷水平 然后利用无功优化程序仿真计算可得 下表 表2 2 各站优化计算无功补偿容量 m v a r 假设变压器低压侧负荷没有变化 对各个站的中压侧负荷分别进行单独放 大使变压器具有接近或达到满负荷水平 因为龙头站是平衡节点 故未对中压 侧进行放大 然后利用无功优化程序仿真计算可得下表 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 表2 3 各站优化计算无功补偿容量 m v a r 2 3 无功补偿总容量计算公式 对于待规划或者还未运行的变电站等资料不全的情况 补偿前高压侧的功 率因数就不会是已知的 而只有主变压器中 低压侧的负荷情况可以通过估计 等方式得到 因此有必要推导一个变电站对应每台变压器的无功补偿总容量简 单计算公式 在此本文给出在主变压器接近满载的情况下变电站对应无功补偿 容量如何计算的公式推导 变电站每台变压器对应无功补偿总容量推导如下 q p t g c l t g 仍 2 2 两边同除以虱可得 q cx 1 0 0 4 2 i p 培仍一瓦p 辔晚s ns n 引ls n 引 寺 一面p t g 够2 亿23 一 f 9 0 定一 3 s n is n 一 考虑到主变压器的有功损耗相比无功损耗很小 故认为补偿前后主变压器 高压侧有功功率保持不变 鱼一鱼l 壁 s ns n 垒立垒芷垒一 垒l 二垒2 s ns n 鱼芷鲤一亟 二垒l 盟 s n s ns n 9 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 一s h m 仍 毒 s i n s i n q 1 2 u 2 4 式中 q l 补偿前流过高压绕组的无功功率 q 1 补偿前流过中压绕组的无功功率或者变压器中压侧负荷 q l 补偿前流过低压绕组的无功功率或者变压器低压侧负荷 q 2 补偿后流过高压绕组的无功功率 q r 变压器无功损耗 仉 短路电压百分数 根据后面式 2 5 计算得到 以三绕组降压变压器为例 虽然升压变压器与降压变压器绕组结构不同 但 是分析方法相似 由于降压变压器中压绕组受互感影响较大 等值电抗中压侧 一般为负值 且数值很小 分析时忽略中压侧电抗 变压器简化等效电路如下 图所示 图2 1 三绕组变压器等效电路图 三绕组降压变压器的无功损耗为 g 3 x j t 2 墨露 i l 1 2 1 3 式中上 变压器中流过高压绕组的电流 厶 变压器中流过中压绕组的电流 厶 变压器中流过低压绕组的电流 可以令厶 嘲 可得 m 茎 x ll9 4 9 占 2 0 9 0 1 5 3 x x c6 3 5 1 1 5 q l 刈 6 3 5 1 7 畸丽2 1 x 8 5 3 5 xx c202 8 x 6 3 5 1 2 0 3 2 2 5 o 1 兄 7一 由于三次谐波的放大作用 k 不能落在 5 7 2 1 1q 6 0 5 3 2 a n 除此之 外 都可以满足背景谐波电流的要求 电容器组容量应满足下式 昵 h x u n 2 司 5 7 1 2 q 9 c 删哮 2 蝎弋生x l l 5 a l x 酝稚5 罗滔 3 7 1 7 i 二 二号x 8 5 3 5 x 竺蔓 2x 7 6 8 1 2 6 4 0 2 0 2 1 0 2 8 x 兄7 7 一 由于三次谐波的放大作用 投不能落在 5 7 5 4 0 6 0 1 6 6 q 内 除此之 外 都可以满足背景谐波容量的要求 综合考虑上述三种情况 可以得到 砗 6 4 9 5 1 6 且不能落在 5 7 2 1 lq 2 1 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 6 7 7 0 6 q 内 即电容器分组容量q 1 9 m v a r 且不能落在 1 7 8 7m v a r 2 1 1 5 m v a r 区间内 将巡场站不可取的容抗区间范围列于下表 表3 1 巡场站不可取的电容器容量取值范围 巡场站电压条件电流条件容量条件 最d e g 容器容量 m v a r 1 8 6 谐波放大的电容量区间 m v a r 1 7 8 7 2 0 5 7 1 9 9 9 2 1 1 5 1 2 0 1 1 2 1 0 3 2 红轿燹电站 电容器组电压应满足 婴 1 1 6 4 墨 丝 8 1 5 墨 一1 3 2 0 1 5 3 x x c 3 2 2 o 1 x x c 5 q 璺 5 8 2 一 墨一4 1 0 0 24 一 5 西 z o s 3 u 8 十0 2 8 x 爿c 7 由于三次谐波的放大作用 所以丘不能落在 8 6 2 7 5 9 9 3 0 8 1 f l 内 电容器组电流应满足 墨 x 1 1 6 4 矗鲰丝x s l 5 幽 1 3 良m 段 x 弘 6 8 5 l 2 2 o1 弘6 3 5 1 二堕i 5 8 2 2 量 2 0 3 2 2 5 0 3 0 8 0 2 8 x x 6 3 5 1 由于三次谐波的放大作用 k 不能落在 8 3 9 0 9 8 8 7 8 0 1f z 内 除此之外 都可以满足背景谐波电流的要求 电容器组容量应满足 1 3 2 c x l l 睁杜 z 2 o l x 弘衅户洒 3 7 5 b羔 58 22 乌2 7 6812640 2 舷 5 7 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 兰 三2 3 9 0 6 笠 2 7 6 8 1 2 6 4 0 2 g妊1 7 急0 1熘雄5 2 5 7 兄 7 婴 4 5 2 x 墨 2 7 6 8 1 2 6 4 0 2 0 2 3 8 0 2 8 x 7 由于三次谐波的放大作用 群不能落在 1 2 5 9 4 1 3 1 7 0 q 内 除此之外 都 可以满足背景谐波容量的要求 综合考虑上述三种情况 可以看出 龙头站的容抗不能落在 6 5 5 6 6 q 7 1 1 0 9 q 内 即电容器分组容量不能落在 1 7 0 2 m v a r 1 8 4 5m v a r 内 将龙头 站不可取的容抗区间范围列于下表 表3 4 龙头站不可取的电容器容量取值范围 龙头站电压条件电流条件 容量条件 最小电容器容量o v l v a r 谐波放大的电容量区间 m v a r 1 1 7 0 2 1 8 1 5 1 7 8 5 1 8 4 5 1 1 7 9 1 1 8 3 9 1 3 2 2 考虑电容器投入时的涌流条件 考虑电容器投入时的涌流条件 4 7 5 3 g b5 0 2 2 7 9 5 并联电容器装置设计 规范 提供了同一电抗率单独投入和追加投入时涌流的计算公式 k 面1 1 一夕争 l 3 5 舯 f l l 一万赫 q q 幺 式中 厶朋 涌流峰值的标幺值 以投入的电容器组额定电流的峰值为基准 值 q 为电容器组的总容量 m v a r 骁 为正在投入的电容器组的容量 m v a r q 为所有原来已经运行的电容器组的总容量 m v a r 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 为电源影响系数 本文考虑变电站并联电容器组投入时最为苛刻的条件 如最大系统短路容 量等 在假设一定的负荷水平下做了龙头地区电网巡场等四 卜变电站涌流与 电容器组容量关系曲线图 但是考虑篇幅的关系 在此仅列出巡场变电站的关 系曲线图如下 考虑最大系统短路容量为7 3 0 5 8 m v a 时 在 定负荷水平下 单组容量从 4 2 m v a r 减少到0 9 m v a r 每次减少梯度为0 3 m v a r 时电容器组单组投入时的 涌流倍数见下图 涌藏信i 幽 4 2 3 93 63 332 72 42 11 81 51 20 9 单钮髓 删 图3 2 1 涌流倍数与单组容量 单独投入 的关系曲线 考虑最大系统短路容量为7 3 0 5 8 m v a 时 在一定负荷水平下 在取总容 量为4 2 m v a r 单组容量从2 1 m v a r 减少到0 3 m v a r 每次减少梯度为0 3 m v a r 的电容器组追加投入的涌流倍数见下图 涌流倍数盛睡笔 投入容量占总容重的百分数 图3 2 2 涌流倍数与投入容量百分比的关系曲线 2 6 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 考虑最大系统短路容量为7 3 0 5 8 m v a 时 在一定负荷水平下 在已投入 2 1 m v a r 电容器容量的基础上 追加投入电容器容量从2 1 m v a r 减少到0 3 m v a r 每次减少梯度为0 3 m v a r 时的涌流倍数见下图 涌流倍数曲线 单组窖重 i r c a 图3 2 3 涌流倍数与单组容量 追加投入 的关系曲线 综合考虑上述各因素 电容器单组容量一般宜小于 q m i n o 5 m v a r 3 6 据此就可以把宜宾龙头地区电网巡场等四个变电站的并联电容器分组不宜 小于的单组分组容量简单的计算出来 虽然其仍有一定的误差但是也有着重要 的参考价值 现把计算结果列于下表 表3 5 不宜小于的电容器单组容量 1 0 k v 母线不宜超过的 变电站主变容量 短路容量 m v a 单组容量 m v a r 巡场站 2 x 4 0 n r v a3 6 5 2 91 8 红桥站 l x 4 0 f 俊2 5 0 3 31 3 竹海站l x 4 0 m v r a1 6 8 1 2o 8 龙头站 l 1 2 0 n f v a3 2 2 1 61 6 3 3 不宜超过的单组分组容量 并联电容器的分组容量一般应该满足投切一组补偿设备所引起所接母线电 压的变动值不宜超过额定电压的2 5 对于带负荷调压变压器 投切一组电容 2 7 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 器组引起所接母线电压的变动值不宜超过调压分接头问的百分比 据此可得出 不宣超过的单组最大分组容量为 q m 戤 2 5 x 岛 m v a r 3 7 依据此式可以得到宜宾龙头地区电网巡场等四个变电站对电容器进行分组 时分别不宜超过的单组最大容量 1 巡场变电站 巡场变电站的短路容量为3 6 5 2 9 m v a 故 绞一 2 5 x s d 2 9 1 m v a r 2 红桥变电站 红桥变电站的短路容量为2 5 0 3 3 m v a 故 q c 麟22 5 x s d2 6 3 m v a r 3 竹海变电站 竹海变电站的短路容量为1 6 8 1 2 m v a 故 q 删22 5 x s d2 4 2 m v a r 4 龙头变电站 龙头变电站的短路容量为3 2 2 1 6 m v a 故 皱雌 2 5 x s d 8 1 m v a r 现把四个变电站的情况归总列于下表 表3 6 不宜超过的电容器单组容量 1 0 k v 母线不宜超过的 变电站 主变容量 短路容量 m v a 单组容量 m v a r 巡场站2 x 4 0 眦 3 6 5 2 9 9 1 红桥站l 4 0 n f m2 5 0 3 36 3 竹海站 l x 4 0 k v a1 6 8 1 24 2 龙头站 l 1 2 0 m v a3 2 2 1 6 8 1 2 9 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 虽然电容器分组越多无功补偿越灵活 补偿效果越好 但是其面临的涌流 过电压等暂态条件也将更为严重 同时为了降低造价也宜加大分组容量减少分 组数 综合这些因素和上述电容器分组的最大 最小单组容量建议可以初步得 到宜宾龙头地区电网巡场等四个变电站无功补偿电容器的分组方式 将按目前 变电站现有电容器总容量和按满负荷下无功优化补偿总容量可能进行的分组方 式列于下面两表 表3 7 巡场等四个变电站可能的分组方式 按现有电容器总容量进行分组 变电站主变容量 分组方式一 分组方式二 巡场站 2 x 4 0 v aix 4 2 m v a r2 2 1m v a r 红桥站 1 x 4 0 m v ai 3m v a r2 x 1 5 m v a r 竹海站 i x 4 0 m v a 1 3m v a r2 x 1 5m v a r 龙头站 l x l 2 0 n v a4 x 7 5m v a r 表3 8 巡场等四个变电站可能的分组方式 按分析计算得到的无功补偿容量进行分组 变电站主变容量 分组方式一分组方式二分组方式三 巡场站 2 4 0 h n 骗 1x 4 2 m v a r2 x 2 1m v a r 红桥站 l x 4 0 r v a2 6 m v a r3 4 m v a r 4 3m v a r 竹海站 l x 4 0 m w a2 6 m v a r3 4 m v a r 4 x 3m v a r 龙头站 1 1 2 0 m r v a4 x 7 5m v a r 对于作为枢纽变电站的龙头站 将总容量3 0 m v a r 的电容器等分为4 组 是考虑故障时的无功储备 在功率因数降低时 可以根据具体的功率因数投入 电容器组 如第二章所述 当功率因数分别降低到 o 8 4 0 8 8 区间 0 8 8 o 9 1 区间 0 9 1 0 9 4 区间和 0 9 4 0 9 6 区间时 应分别将四组 三组 两组和一组电容器投入 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 3 4 本章小结 本章所做的任务是在确定了无功补偿容量后 对容量进行分组 分组有两 种方式 一种为等容量分组方式 另一种为包括等差 等比等在内的不等容量 分组方式 因为不等容量分组方式存在诸多的缺点 第n 组电容量最小 可能 使它频繁投切 而它投切时所受到涌流和过电压的影响最大 工作条件最为恶 劣 断路器检修间隔时间缩短 从而使电容器组退出运行的可能性增加 每组 工作条件不一致 使得其整体寿命缩短 其投切方式比等容量分组复杂 当人 工投切时 对运行人员的要求更高 因此这种分组方式在目前的变电站中应用 不多 所以采用了等容量分组 本章主要从背景谐波和涌流两方面来确定最小 组容量 最小组容量一旦确定 就相当于确定了分组组数 从而就可以确定了 四个站的分组方式 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 4 仿真与分析计算 本文对宜宾龙头地区电网巡场站等四个变电站的 电压一功率 报表进行 了数据处理 在提出可行分组方式的基础上 并用m a n a b 等仿真软件对电容器 组投入的暂态过程进行了仿真 对仿真结果 合闸涌流等 进行分析计算 并 对经济效益进行比较 找出其中相对最优的分组方式 4 1 涌流仿真计算 现使用m a t l a b 仿真软件分析计算带有串联电抗器的不同电容器组投切 时的暂态过程 其仿真原理图如下图所示 图4 1 涌流暂态仿真电路图 现使用上述方法对宜宾龙头地区电网巡场等四个变电站并联电容器的各种 可能的分组方式进行仿真 同样由于篇幅所限 在此仅列出巡场变电站涌流仿 真分析过程 巡场站目前1 0 k v 母线短路容量为3 6 5 2 9 m v a 目前装设容量为2 x4 2m v a r 的电容器 每台变压器对应的无功补偿容量为4 2 m v a r 根据前述并联电容器 最大分组 最小分组容量确定的建议和考虑背景谐波影响等因素 巡场变电站 3 1 4m v a r 的分组方式由于其单组容量过小故不再在涌流等仿真计算中讨论 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 本文讨论巡场变电站lx 4 2m v a r 2 x 2 1 m v a r 两种分组方式在不同负荷水平和 不同投切情况下的暂态过程 对2 x 2 1 m v a r 的分组方式 在现有负荷水平下 进行了在每相串联6 电 抗器的条件下的m a t a b 仿真 考虑电容器在单独投入的情况时电容器组投切 过程的涌流校验 其结果如下图所示 5 0 0 0 5 0 0 l 从上图可以看出单独投入时暂态电流峰值为7 5 6 3 1 a 由于2 x 2 1 m v a r 的 电容器分组方式的每组单相额定电流峰值为1 5 5 g a 所以仿真得到的涌流倍数 为 7 5 6 31 15 5 8 4 8 5 4 对2 x 2 1 m v a r 的分组方式 在现有负荷水平下 进行了在串联6 电抗器 下的m a t l a b 仿真 考虑电容器在追加投入的情况时电容器组投切过程的涌流 校验 其结果如以下两图所示 图4 2 2 电容器组追加投入时 先投电容器 的涌流仿真图 3 2 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 图4 2 3 电容器组追加投入时 后投电容器 的涌流仿真图 从以上两图可以看出 第一组电容器投入时的暂态电流峰值为7 5 6 2 a 所 以仿真得到的涌流倍数为4 8 5 4 第二组电容器追加投入时的暂态电流峰值为 7 5 6 9 a 所以涌流倍数为 4 8 5 8 第二组电容器追加投入时的涌流倍数之所以 会比第一组电容器投入时的涌流倍数大 其原因是当第二组电容器投入时受到 了第一组电容器对其进行的放电 从图中也可以看出 追加投入的第二组电容 器也对先前投入的第一组电容器产生了一定的影响 对2 x 2 1 m v a r 的分组方式 在5 0 4 负荷水平下 进行了在串联6 电抗器 下考虑电容器在单独投入的情况时电容器组投切过程的涌流校验 其结果如下 图所示 5 0 0 o 一5 0 0 l 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 对2 x 2 1 m v a r 的分组结果 在5 0 负荷水平下 进行了在串联6 电抗器 下考虑电容器在追加投入的情况时电容器组投切过程的涌流校验 其结果如以 下两图所示 图4 2 5 电容器组追加投入时 先投电容器 的涌流仿真图 图4 2 6 电容器组追加投入时 后投电容器 的涌流仿真图 从以上两图可以看出 第一组电容器投入时暂态电流峰值为7 5 5 3 5 a 所 以仿真得到的涌流倍数为4 8 4 8 第二组电容器追加投入时的暂态电流峰值为 7 5 6 1 5 a 所以涌流倍数为 4 8 5 3 对2 x 2 1 m v a r 的分组结果 在满负荷水平下 进行了在串联6 d g 抗器下 考虑电容器在单独投入的情况时电容器组投切过程的涌流校验 其结果如下图 所示 3 4 四川大学工程硕士学位论文 2 0 0 5 5 0 0 o 一5 口o 一 i 图4 2 7 电容器组单独投入时的涌流仿真图 从上图可以看出单独投入时暂态电流峰值为7 5 0 3 8 a 由于2 2 1 m v a r 的 电容器分组方式的每组单相额定电流峰值为1 5 5 8 a 所以仿真得到的涌流倍数 为 7 5 0 3 8 15 5 8 4 8 1 6 对2 2 1 m v a r 的分组结果 在满负荷水平下 进行了在串联6 电抗器下 考虑电容器在追加投入的情况时电容器组投切过程的涌流校验 其结果如以下 两图所示 图4 2 8 电容器组追加投入时 先投电容器 的涌流仿真图 图4 2 9 电容器组追加投入时 后投电容器 的涌流仿真图 3 5 一一一一 婴型奎堂三矍堡主兰堡笙茎 兰 箜 r 一一一 一 从以上两图可以看出 第一组电容器投入时暂态电流峰值为7 4 9 5 5 a 所 以仿真得到的涌流倍数为4 8 1 1 第二组电容器追加投入时的暂态电流峰值为 7 5 1 1 1 a 所以得到的涌流倍数为 4 8 2 1 以上就是使用m a t l a b 仿真软件对巡场站2 x 2 1 m v a r 的电容器分组方式