一种220kV城市电网无功功率补偿方法与流程

本发明属于城市电网无功功率补偿技术领域，特别是涉及一种220kV城市电网无功功率补偿方法。

背景技术：

电力系统中的无功功率合理分布是保证电压质量和降低网损的重要条件。一方面，无功功率不足将导致系统长期处在低电压水平的运行状态，电网安全裕度不足，若系统受到扰动，容易发生电压崩溃事故；另一方面，无功功率过剩又会导致系统电压偏高甚至越上限，不利于系统与设备的运行安全和使用寿命，且过多的无功功率补偿装置备用又会导致投资浪费。

目前采用的220kV城市电网无功功率补偿方法是在220kV变电站的低压侧配置一定容量的电容器组，电容器组的配置容量一般在主变压器容量的20％-25％之间。但该方法只考虑容性无功功率的不足，没有考虑容性无功功率的过剩。当前的感性无功功率补偿装置主要为集中在500kV上层主网的高压电抗器以及500kV变电站的35kV低压电抗器。但对220kV及以下地区电网变电站的低压电抗器补偿的研究十分缺乏。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种220kV城市电网无功功率补偿方法。

为了达到上述目的，所述的220kV城市电网无功功率补偿方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)计算变压器负荷无功功率消耗；

步骤2)计算变压器自身无功功率损耗；

步骤3)计算220kV线路无功功率损耗；

步骤4)确定线路充电功率；

步骤5)根据上述变压器负荷无功功率消耗、变压器自身无功功率损耗、220kV线路无功功率损耗和线路充电功率确定每台变压器需配置的无功功率补偿容量；

步骤6)在上述获得的无功功率补偿容量基础上对低压电容器、低压电抗器分组容量进行选择。

在步骤1)中，所述的变压器负荷无功功率消耗的计算公式为：

式中：Q_cf,m——变压器负荷无功功率消耗，kVar；

P_fm——母线上最大有功负荷，kW；

——补偿前功率因数；

——补偿后功率因数；

(1.1)母线上最大有功负荷P_fm的确定：

P_fm＝P×T

P——单台变压器额定容量，kVA；

T——变压器负载率，％；

负荷侧可并列运行的变压器负载率按下式计算：

式中：

T—变压器负载率，％；

N—变压器台数；

P—单台变压器额定容量，kVA；

K—变压器过载率，在1.0～1.3之间选取。

(1.2)补偿前功率因数的选取：

a)100kVA及以上高压供电的电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不宜低于0.95；

b)其他电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不宜低于0.90；

(1.3)补偿后功率因数的选取：

补偿后功率因数应达到0.95。

在步骤2)中，所述的变压器自身无功功率损耗的计算公式为：

Q_m＝(U_dI_m²/I_n²+I₀)S_d (3)

式中：

U_d为补偿侧阻抗电压，％；

I_m为补偿侧负荷电流，A；

I_n为补偿侧额定电流，A；

I₀为空载电流，％；

S_d为主变压器补偿侧额定容量，kVA；

Q_m为主变压器无功功率损耗，kVar。

在步骤3)中，所述的220kV线路无功功率损耗计算公式为：

Q_L＝3I²X (4)

式中，I为220kV线路额定功率下电流，A，计算公式为：

式中，P_L为220kV线路额定功率，kW；U为220kV线路额定线电压，kV；为功率因数；

X为线路等值电抗，Ω，计算公式为：

X＝xL (6)

式中，x为导线单位长度电抗，Ω/km；L为220kV线路长度，km；

在步骤4)中，所述的确定线路充电功率的方法有两种：

(4.1)计算线路充电功率；

线路充电功率可按下式来计算：

Q_C＝U²ωC/1000＝U²2πfcL/1000 (8)

式中，U——220kV线路额定线电压，kV；

f——电力系统频率，取值50Hz；

C——为导线单相对地电容，μF；

c——单位长度导线单相对地电容，μF/km；

ω——角频率；

L——220kV线路长度，km；

(4.2)估算线路充电功率；

根据工程经验值进行估算。

在步骤5)中，所述的根据上述变压器负荷无功功率消耗、变压器自身无功功率损耗、220kV线路无功功率损耗和线路充电功率确定每台变压器需配置的无功功率补偿容量的方法分为两种；

(5.1)容性无功功率补偿容量：

分别按步骤1)—4)计算变压器负荷最大即变压器负载率最高时变压器负荷无功功率消耗、变压器自身无功功率损耗、220kV线路无功功率损耗、线路充电功率；

每台变压器需配置的低压电容器组容量为变压器负荷最大时单台变压器负荷无功功率消耗减去无功电源，即：

需配置的低压电容器组容量＝变压器负荷无功功率消耗+变压器自身无功功率损耗+220kV线路无功功率损耗-线路充电功率

(5.2)感性无功功率补偿容量

分别按步骤1)—4)计算变压器负荷最小即变压器负载率最低时变压器负荷无功功率消耗、变压器自身无功功率损耗、220kV线路无功功率损耗、线路充电功率；

每台变压器需要装设的低压电抗器组容量＝线路充电功率-变压器负荷无功功率消耗-变压器自身无功功率损耗-220kV线路无功功率损耗。

在步骤6)中，所述的在上述获得的无功功率补偿容量基础上对低压电容器、低压电抗器分组容量进行选择的方法如下；

按电压波动ΔU＜±2.5％U_e选择的分组容量Q_fz近似按下式计算：

式中：S_d为低压电抗器和低压电容器所接母线的三相短路容量，kW。

本发明提供的220kV城市电网无功功率补偿方法的有益效果：

(1)合理安排无功功率补偿的地点和容量，使无功电源建设的投资最小。

(2)在大负荷期间，变压器负载较重，需要的容性无功功率补偿容量较大。由于充分考虑了220kV电源线、中低压出线电缆充电功率，此部分充电功率作为一部分无功电源，因此减少了变电站内无功电源即电容器组的配置容量，从而减少了变电站的建设投资和占地面积；

(3)在小负荷期间，变压器负载较轻，即使所有的电容器组退出运行，但由于220kV电源线、中低压出线电缆充电功率的存在，使得容性无功过剩。在低压侧配置适当容量的低压电抗器，可以吸收负荷较轻时多余的电缆充电功率，解决小负荷期间电压过高和无功过剩问题。

(4)通过低压电容器组和低压电抗器组的合理投切，减少无功功率在线路上的流动，使电网的无功潮流合理分布，减少电网的运行损耗，节约电能，提高电网运行的经济性。

(5)可消除电网运行中电缆出线对电压的抬升效应，避免过电压运行，保持合理的电压水平，减少事故发生率，提高系统与设备的安全性，延长设备使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的220kV城市电网无功功率补偿方法流程图。

图2为220kV线路线路的等值电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的220kV城市电网无功功率补偿方法进行详细说明。

本发明以城市电网220kV变电站单台变压器为研究对象。无功可以分为无功负荷和无功电源两类。无功负荷主要是变电站变压器低压侧出线所带无功负荷、低压侧出线的线路损耗以及变压器本身无功功率损耗；无功电源主要包括并联电容器、线路充电功率。通过对不同负荷情况下无功负荷、无功电源的测算，可合理配置一定低压电容器组和低压电抗器组。大负荷期间配置的低压电容器组应满足无功负荷的需求，小负荷期间配置的低压电抗器组应能够平衡线路的充电功率。同时，低压电容器组、低压电抗器组分组容量的选择应满足电压波动的要求。

如图1所示，本发明提供的220kV城市电网无功功率补偿方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)计算变压器负荷无功功率消耗；

变压器负荷无功功率消耗的计算公式为：

式中：Q_cf,m——变压器负荷无功功率消耗，kVar；

P_fm——母线上最大有功负荷，kW；

——补偿前功率因数；

——补偿后功率因数；

(1.1)母线上最大有功负荷P_fm的确定：

P_fm＝P×T

P——单台变压器额定容量，kVA；

T——变压器负载率，％；

负荷侧可并列运行的变压器负载率按下式计算：

式中：

T—变压器负载率，％；

N—变压器台数；

P—单台变压器额定容量，kVA；

K—变压器过载率，在1.0～1.3之间选取；

当N＝2时，T＝50～65％；

当N＝3时，T＝67～87％；

当N＝4时，T＝75～100％；

变压器负载率越高，相应的变压器负荷无功功率消耗也就越大；(1.2)补偿前功率因数的选取：

根据《电能质量技术监督规程(DL/T 1053-2007)》，对接入电网的电力用户功率因数要求如下：

接入电网的电力用户应根据负荷性质安装足够容量的无功功率补偿装置，并达到以下要求：

a)100kVA及以上高压供电的电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不宜低于0.95；

b)其他电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不宜低于0.90；

(1.3)补偿后功率因数的选取：

根据《电能质量技术监督规程(DL/T 1053-2007)》，35kV—220kV变电站的无功功率补偿装置应随负荷变化及时投切，并满足在主变压器最大负荷时，其一次侧功率因数不低于0.95；在低谷负荷时功率因数不高于0.95；因此，补偿后功率因数应达到0.95；

步骤2)计算变压器自身无功功率损耗；

变压器自身无功功率损耗的计算公式为：

Q_m＝(U_dI_m²/I_n²+I₀)S_d (3)

式中：

U_d为补偿侧阻抗电压，％；

I_m为补偿侧负荷电流，A；

I_n为补偿侧额定电流，A；

I₀为空载电流，％；

S_d为主变压器补偿侧额定容量，kVA；

Q_m为主变压器无功功率损耗，kVar；

步骤3)计算220kV线路无功功率损耗；

220kV线路的等值电路如图2所示；

图2中，分别以R、X、G、B表示线路的电阻、电抗、电导和电纳；该线路无功功率损耗计算公式为：

Q_L＝3I²X (4)

式中，I为220kV线路额定功率下电流，A，计算公式为：

式中，P_L为220kV线路额定功率，kW；U为220kV线路额定线电压，kV；为功率因数；

X为线路等值电抗，Ω，计算公式为：

X＝xL (6)

式中，x为导线单位长度电抗，Ω/km；L为220kV线路长度，km；

步骤4)确定线路充电功率；

运行中的送电线路，既是无功负荷也是无功电源；其产生的无功电力与运行电压、导线型式、导线截面、导线长度有关；以往进行无功功率平衡时只考虑220kV电缆的充电功率，对中低压出线电缆充电功率则忽略不计；但是随着城市电网的发展，110kV和35kV出线电缆长度不断增加，在小负荷期间因为110kV和35kV电缆充电功率过大会导致低压层无功功率向上级电网倒送，从而抬高末端电压、增大网损，因此进行无功功率平衡时应当考虑中低压出线电缆充电功率；

确定线路充电功率的方法有下面两种：

(4.1)计算线路充电功率；

线路充电功率可按下式来计算：

Q_C＝U²ωC/1000＝U²2πfcL/1000 (8)

式中，U——220kV线路额定线电压，kV；

f——电力系统频率，取值50Hz；

C——为导线单相对地电容，μF；

c——单位长度导线单相对地电容，μF/km；

ω——角频率；

L——220kV线路长度，km；

(4.2)估算线路充电功率；

线路充电功率可以按照上述公式计算，也可根据工程经验值进行估算；根据《电力系统设计手册》，送电线路单位长度的充电功率见表1，电缆线路的充电功率见表2；

表1 送电线路充电功率表

注：表中充电功率按平均电压计算。

表2 单芯铅包充油电缆充电功率表(Mvar/km)

注：表中充电功率按平均电压计算。

步骤5)根据上述变压器负荷无功功率消耗、变压器自身无功功率损耗、220kV线路无功功率损耗和线路充电功率确定每台变压器需配置的无功功率补偿容量；

确定每台变压器需配置的无功功率补偿容量的方法分为两种：

(5.1)容性无功功率补偿容量：

分别按步骤1)—4)计算变压器负荷最大即变压器负载率最高时变压器负荷无功功率消耗、变压器自身无功功率损耗、220kV线路无功功率损耗、线路充电功率；

每台变压器需配置的低压电容器组容量为变压器负荷最大时单台变压器负荷无功功率消耗减去无功电源，即：

需配置的低压电容器组容量＝变压器负荷无功功率消耗+变压器自身无功功率损耗+220kV线路无功功率损耗-线路充电功率

(5.2)感性无功功率补偿容量

当电缆出线长度较长，电缆充电功率大于无功功率消耗时，装设低压电抗器的容量应足以吸收多余的容性无功功率；一般考虑全年主变压器负荷最小水平，主变压器中压侧或低压侧安装的并联电容器组全部退出运行；

分别按步骤1)—4)计算变压器负荷最小即变压器负载率最低时变压器负荷无功功率消耗、变压器自身无功功率损耗、220kV线路无功功率损耗、线路充电功率；

每台变压器需要装设的低压电抗器组容量＝线路充电功率-变压器负荷无功功率消耗-变压器自身无功功率损耗-220kV线路无功功率损耗；

步骤6)在上述获得的无功功率补偿容量基础上对低压电容器、低压电抗器分组容量进行选择

对低压电抗器和低压电容器分组容量进行选择的方法如下；

按电压波动ΔU＜±2.5％U_e选择的分组容量Q_fz近似按下式计算：

式中：S_d为低压电抗器和低压电容器所接母线的三相短路容量，kW；

低压电容器补偿装置分组不当会引起谐波放大甚至谐振，为此，对所选择的分组容量需作校验；引起高次谐波谐振的容量Q_x的近似计算公式如下：

式中S_d——低压电容器所接母线三相短路容量，kW；

n——谐波次数；

A——低压电容器每相感抗X_L与容抗X_C的比值，

不引起高次谐波谐振的条件是：

Q_x≠Q_fzN,N＝1,2,3…,m (12)

式中N——分组数。

本发明提供的220kV城市电网无功功率补偿方法密切贴合220kV城市电网特点和发展趋势，原理通俗易懂，计算过程简单。以单台主变压器为研究对象，分别计算出变压器自身无功损耗、变压器负荷无功消耗、220kV线路无功损耗、220kV线路及中低压出线的无功充电功率后进行简单的算术求和即可确定出每台变压器需补偿的容性无功容量和感性无功容量。需要注意的是，在测算容性无功功率补偿容量时取大负荷方式，测算感性无功功率补偿容量时取小负荷方式。计算线路的充电功率时需要用到中低压出线的线路型号、导线截面、敷设方式、导线长度等参数，可以结合规划资料详细落实。