ABSTRACT: The power quality was analysied in some 110kV electricity substation. The measurement of the active power, reactive power, power factor, fundamental wave and harmonic wave of the voltage and current is carried out in 1# and 2# power transformer side of the I circuit line, thus to understand the present power quality of this 110kV electricity substation. Compared with the national and professional standards, the reactive power optimization scheme is put forward by using the MSVC type dynamic reactive power compensation device in this 110kV electricity substation. At last, the advantages of this MSVC type dynamic reactive power compensation scheme, which was widely used in the reactive power optimization and voltage stabilization of the power grid.
摘要：本文分析了某110kV变电站电能质量状况，通过对其I回线路1#、2#主变进线侧有功、无功、功率因数、基波及谐波电压电流进行测试，了解目前该110kV电站电能质量状况。对比国家及行业标准要求，提出采用MSVC型动态无功补偿装置对该110kV变电站进行无功优化的方案，并分析了MSVC方案所具有的优势，其在电网无功优化及稳定系统电压改造中得到广泛应用。
关键词：MSVC 变电站 无功优化
1 引言
某110KV变电站有2回110kV进线，分别为I回和II回，两段110KV并列运行，设有母联。I回下带110kV/35kV主变两台和一台110KV进线电石炉，容量为25000KVA；两台主变的容量均为31500KVA，分裂运行，每台主变下主要负荷为2台12500KVA电石炉，每段35kV母线均配置有安装容量为3600kvar的固定电容器组补偿装置，用户反馈现I回功率因数无法达到考核要求。II回下带3台110kV进线的电石炉和一台110/35KV主变1台，电石炉容量为25000KVA，主变容量为8000KVA；每台电石炉10KV抽头处均安装有无功补偿装置，功率因数可达到考核要求。［1］［2］
2 电能质量测试
由于I回线路未达到考核要求，测试主要针对I回线路1#、2#主变进行。
2.1 1#主变测试数据
首先在该110kV变电站继保室1#主变测控屏进行测试，系统额定电压110kV，CT变比300/5，取样间隔30s，采用德国高美电能质量测试仪，测试时原有的容性无补偿装置投运，容量为3600kvar。测试记录如下。
图a、三相有功功率趋势图
Fig. a Tendency chart of three phase active power
图b、三相无功功率趋势图
Fig. b Tendency chart of three phase reactive power
图c、功率因数趋势图
Fig. c Tendency chart of power factor
图1 1#主变有功、无功及功率因数变化趋势图
Fig. 1 Tendency chart of the active and reactive power, power factor of the 1# transformer
图a、三相基波电压趋势图
Fig. a Tendency chart of three phase fundamental voltage
图b、三相基波相电流趋势图
Fig. b Tendency chart of three phase fundamental current
图2 1#主变三相基波电压及电流趋势图
Fig.2 Tendency chart of three phase voltage and current of the 1# transformer
测试期间1#主变有功功率最大值为28142kW、最小值为7614kW，平均有功为24544kW；无功功率最大值为16667kvar、最小值为-438kvar，平均无功为11882kvar；功率因数最大值为0.9800、最小值为0.4829，平均功率因数为0.8833；线电压最大116kV ，线电压最小113kV；相电流最大值为347.6A，最小值为23.26A。
图a、3次谐波电压、谐波电流趋势图
Fig. a Tendency chart of 3th harmonic voltage and current
图b、5次谐波电压、谐波电流趋势图
Fig. b Tendency chart of 5th harmonic voltage and current
图c、7次谐波电压、谐波电流趋势图
Fig. c Tendency chart of 7th harmonic voltage and current
图d、11次谐波电压、谐波电流趋势图
Fig. d Tendency chart of 11th harmonic voltage and current
图3 1#主变3、5、7、11次谐波电压及电流趋势图
Fig. 3 Tendency chart of 3th, 5th, 7th, 11th harmonic voltage and current in 1# transformer
2.2 2#主变测试数据
对该110kV变电站继保室2#主变测控屏进行测试，系统额定电压为110kV，电流变比300/5，取样间隔30s，测试仪器为德国高美电能质量测试仪，测试时原有的容性无补偿装置投运，容量为3600kvar。
图a、三相有功变化趋势图
Fig. a Tendency chart of three phase active power
b、三相无功变化趋势图
Fig. b Tendency chart of three phase reactive power
c、功率因数变化趋势图
Fig. c Tendency chart of power factor
图4 2#主变有功功率、无功功率、功率因数变化趋势图
Fig. 4 Tendency chart of the active and reactive power, power factor of the 2# transformer
a、三相基波电压变化趋势图
Fig. a Tendency chart of three phase fundamental voltage
b、三相基波电流变化曲线
Fig. b Tendency chart of three phase fundamental current
图5 2#主变三相基波电压及电流变化曲线
Fig.5 Tendency chart of three phase voltage and current of the 2# transformer
测试期间2#主变有功功率最大值为26264kW、最小值为686.8kW，平均有功为22513kW；无功功率最大值为22249kvar、最小值为-3208kvar，平均无功为16246kvar；功率因数最大值为0.9998、最小值为-1.0000，平均功率因数为0.8002；线电压最大117kV ，线电压最小113kV；相电流最大值为235.2A，最小值为15.68A。
图a、3次谐波电压和谐波电流趋势图
Fig. a Tendency chart of 3th harmonic voltage and current
图b、5次谐波电压和谐波电流趋势图
Fig. b Tendency chart of 5th harmonic voltage and current
图c、7次谐波电压和谐波电流趋势图
Fig. c Tendency chart of 7th harmonic voltage and current
图d、11次谐波电压和谐波电流趋势图
Fig. d Tendency chart of 11th harmonic voltage and current
图6 2#主变3、5、7、11次谐波电压及电流趋势图
Fig. 6 Tendency chart of 3th, 5th, 7th, 11th harmonic voltage and current in 2# transformer
2.3 数据分析［3］［4］［5］［6］
根据GB14549等电能质量标准要求，对测试结果进行分析。表1及表2分别为公用电网谐波电压限值、注入公共连接点的谐波电流允许值。
表1公用电网谐波电压限值
Tab 1 Limits of the harmonic voltage in public power grid
|
UN（kV)
|
THDU%
|
各次谐波电压含有率（%）
|
|
奇次
|
偶次
|
|
0.38
|
5.0
|
4.0
|
2.0
|
|
6
|
4.0
|
3.2
|
1.6
|
|
10
|
4.0
|
3.2
|
1.6
|
|
35
|
3.0
|
2.4
|
1.2
|
|
66
|
3.0
|
2.4
|
1.2
|
|
110
|
2.0
|
1.6
|
0.8
|
表2 注入公共连接点的谐波电流允许值
Tab 2 Permitted value of the harmonic current injected into PCC
|
标准电压（kV）
|
0.38
|
6
|
10
|
35
|
66
|
110
|
|
标准短路容量（MVA）
|
10
|
100
|
100
|
250
|
500
|
750
|
|
谐波次数及谐波电流允许值（A）
|
2
|
78
|
43
|
26
|
15
|
16
|
12
|
|
3
|
62
|
34
|
20
|
12
|
13
|
9.6
|
|
4
|
39
|
21
|
13
|
7.7
|
8.1
|
6.0
|
|
5
|
62
|
34
|
20
|
12
|
13
|
9.6
|
|
6
|
26
|
14
|
8.5
|
5.1
|
5.4
|
4.0
|
|
7
|
44
|
24
|
15
|
8.8
|
9.3
|
6.8
|
|
8
|
19
|
11
|
6.4
|
3.8
|
4.1
|
3.0
|
|
9
|
21
|
11
|
6.8
|
4.1
|
4.3
|
3.2
|
|
10
|
16
|
8.5
|
5.1
|
3.1
|
3.3
|
2.4
|
|
11
|
28
|
16
|
9.3
|
5.6
|
5.9
|
4.3
|
|
12
|
13
|
7.1
|
4.3
|
2.6
|
2.7
|
2.0
|
|
13
|
24
|
13
|
7.9
|
4.7
|
5.0
|
3.7
|
2.3.1 1#主变数据分析
对1#主变测试数据进行整理，如下表3所示：
表3 1#主变测试数据
Tab1 3 Test data of the 1# transformer
|
谐波次数
|
电压
谐波
|
国标允许
|
结论
|
电流谐波
|
国标允许
|
结论
|
|
3th
|
0.33%
|
3.2%
|
合格
|
3.7A
|
20A
|
合格
|
|
5th
|
0.33%
|
3.2%
|
合格
|
2.1A
|
20A
|
合格
|
|
7th
|
0.17%
|
3.2%
|
合格
|
0.8A
|
15A
|
合格
|
|
11th
|
0.016%
|
3.2%
|
合格
|
0.4A
|
9.3A
|
超标
|
可以看出，1#主变进线侧谐波电压及谐波电流含量均在国标允许范围内，测试功率因数平均值仅为0.88，不能达到考核标准要求值0.9。
2.3.2 2#主变进线侧数据分析
表4 2#主变测试数据
Tab1 4 Test data of the 2# transformer
|
谐波次数
|
电压
谐波
|
国标允许
|
结论
|
电流谐波
|
国标允许
|
结论
|
|
3th
|
0.38%
|
3.2%
|
合格
|
4A
|
20A
|
合格
|
|
5th
|
0.43%
|
3.2%
|
合格
|
2A
|
20A
|
合格
|
|
7th
|
0.32%
|
3.2%
|
合格
|
0.5A
|
15A
|
合格
|
|
11th
|
0.32%
|
3.2%
|
合格
|
0.8A
|
9.3A
|
合格
|
可以看出，2#主变进线侧谐波电压及谐波电流含量均在国标允许范围内，测试点功率因数平均值仅为0.80，不能达到考核标准要求值0.9。
2.4结论
通过数据测试可以看出，谐波含量均在国标要求之内；但从功率因数和有功变化来看，功率因数都无法达到考核要求值0.9，从而导致供电部门惩罚性罚款，有功从最小686kW到最大26264kW，每4个小时变化一次，变化较频繁且幅度较大。因此必须进行无功优化，以满足考核要求，稳定系统电压，降损增效，提高供电质量及设备利用率。
3优化方案［7］［8］
3.1 理论计算
由于系统安装的无功补偿装置容量不合理，导致功率因数偏低，按照1#、2#变压器进线侧目标功率因数为0.92的要求，无功补偿装置容量计算如下：
（1）1#主变进线侧达到目标功率因数所需无功计算：
Qc=P×K=26580×0.145=3854kvar
式中：Qc——达到目标功率因数所需无功功率；
P——测试的最大有功功率；
K——测试的功率因数（0.88）与达到目标功率因数0.92所需的补偿系数，为0.145。
（2）2#主变进线侧达到目标功率因数所需无功计算：
Qc=P×K=22264×0.376=8371kvar
式中：Qc——达到目标功率因数所需无功功率；
P——测试的最大有功功率；
K——测试的功率因数（0.78）与达到目标功率因数0.92所需的补偿系数，为0.376。
（3）安装容量计算：
1#主变进线侧：
2#主变进线侧：
式中：Uc——电容器额定电压，选12kV。
Un——系统电压，为35kV。
通过计算，并结合工程实际，在1#主变35kV侧安装一套容量为6000kvar的磁控式补偿装置，与原有的3600kvar固定电容补偿装置并联连接于同一台出线柜，形成MSVC型动态无功补偿装置，对系统无功进行连续、无级调节。同时，在2#主变35kV侧安装一套容量为12000kvar的磁控式补偿装置，与原有的3600kvar固定电容补偿装置并联连接于同一台出线柜，形成MSVC型动态无功补偿装置，对系统无功进行连续、无级调节，以期最终达到1#、2#主变进线侧无功优化的目的。该方案一次系统图如图7所示。
图7 1#及2#主变MSVC系统图
Fig. 7 Diagram of the MSVC for 1# and 2# transformer
3.2 技术特点［9］［10］
磁控式动态无功补偿装置（简称MSVC），采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。MSVC补偿装置无需投切电容支路，当系统所需补偿的无功功率较小时，由磁控电抗器吸收电容器过补偿的容性无功，以保证整个系统无功功率不过补。由于没有电容器组的投切，有效避免了在投切时对系统产生的电流冲击、电压陷落，保证了电气设备的安全运行。
MSVC型高压动态无功补偿装置能实时跟随负荷变化，不会出现过补、欠补现象，保证系统高功率因数运行。采用电压优先原则控制，可稳定系统电压，减少电压波动。由磁控电抗器吸收多余的容性无功，防止过补。
4 结论［11］［12］
近年来，随着电网系统改造升级，无功及电压问题亦成为各级电站必须考虑解决的技术问题。MSVC
型补偿装置不仅可以解决系统无功问题，在谐波治理、抑制电压波动等方面效果显著，在全国35kV
、110kV
、220kV
等变电站中得到应用，有效解决了电站无功问题，实现了低成本的降损增效。
随着快速响应MSVC补偿装置的出现，其响应时间可达30ms，在解决快速变化的负荷中可有效解决其瞬变的无功及电压等问题，具有广泛的应用前景。本文对某110kV变电站电能质量状况进行测试分析，根据计算提出了采用MSVC补偿装置进行无功优化改造的方案，为电网运维部门进行无功优化提供参考。