智能变电站中无功优化研究与应用

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摘要：智能变电站作为未来变电站发展的方向，研究智能变电站的无功优化具有重要意义。本文研究了智能变电站的关键技术及其特点，分析了智能变电站无功优化的要求，提出了智能变电站无功优化框架。对现有变电站无功补偿技术方法进行研究，指出只有采用FACTS 技术进行无功补偿才能达到智能变电站的技术要求。最后通过仿真实验验证了FACTS 无功补偿装置（SVG）的优秀性能，更加坚信应用FACTS 技术是未来智能变电站无功优化发展的必然趋势。

关键词：智能变电站；无功优化；柔流输电技术（FACTS）；静止无功补偿；仿真

1引言

智能变电站作为坚强智能电网建设中实现能源转换及控制的关键平台之一，是智能电网的重要组成部分，也是实现分布式电源等新能源接入电网的重要支撑。智能变电站是连接电力生产及使用过程六大环节的关键，在技术和功能上能更好地满足智能电网信息化、自动化、互动化的要求。长期以来国内的变电站建设有常规变电站和数字化变电站两大模式[1]。随着风电、光伏等分布式新能源陆续接入系统，对系统安全性和稳定性的要求更高，对作为智能电网支撑节点的变电站也提出了新的要求。

电压质量对于保证电力系统安全稳定运行、提高产品质量、保护系统用电设备安全有着重要的影响。电力系统中电压的波动与无功有很大的关系，因此保证无功的平衡是保证电压质量稳定的基本条件。在长期的变电站运行中，利用有载调压变压器和并联电容器组进行电压调整和无功优化也暴露出一些不足，比如：变压器分接头和电容器开关的频繁操作，无功容量调整的非连续性不能准确满足系统无功需要量。因此在新型变电站无功优化中有必要研究一下适用于智能变电站要求的无功优化技术。

智能变电站具有可靠性高，交互性强[2]，集成度高，低碳环保的特点。智能变电站从上到下可以分为站控层、间隔层和过程层三层[3]。

智能变电站作为智能电网的重要节点，需要在数据信息上为电网运行提供支撑。因此有必要在智能变电站内建立基于IEC61850 标准的一体化信息平台，应用分层分布式结构，简化和统一的数据源，形成系统内独一无二的基础数据信息，数据信息的交互共享以统一标准的方式进行，从而为系统提供稳定可靠的信息支撑。信息一体化平台的数据库基于标准化建模，采用跨平台、通信驱动管理等新技术，构建集保护测控、状态监测、故障录波、网络通信、计量、直流辅助系统、环境监测、视频、安防、环境参量等数据于一体的变电站全景数据平台，分为实时子系统和非实时子系统，如图1 所示。

2智能变电站的无功优化

2.1变电站无功优化原理

变电站无功优化是指以调节变压器分接头和无功补偿设备为手段[4]，从而维持母线的电压和无功功率在正常运行允许的范围内。以图2 所示的简化变电站等值电路为例说明如下：

为系统电压，、分别为变电站主变的高低压侧电压，为负荷的电压，PL、QL分别为负荷的有功功率和无功功率，K为变压器变比，QC为补偿的无功功率，RS、XS、RL、XL分别为线路的阻抗参数，RT、XT为变压器的阻抗参数。

在没有补偿无功时

（1）

将 代入式（1）得到

（2）

略去与垂直的分量 后得到：

（3）

可见，为了使负荷端电压UL与额定值ULN的偏差为最小，必须随着负荷PL+jQL的变化调节UT2，以减小线路上的电压降落，有以下两种方法[69][70]：

1） 调节有载变压器的变比

由于为可控变量，当负荷变大时，降低K以提高UT2，从而提高UL来减小线路的电压降落，反之亦然。

2） 进行无功补偿即改变电容器组的数目

使用和上面一样的分析方法，略去垂直分量、并且未投入QC时的主变低压侧电压为：

（4）

当投入容量为QC的电容后，有

（5）

比较以上两式可见改变QC可以影响系统中各点的电压值和无功的分布，当负荷增大时，通过减小系统至站内高压侧的电压降ΔUS也能增大UT2以抵消ΔUL的增长。

投入QC后网损为：

（6）

从上式（6）可以看出网损与低压侧无功的平方即Q'=（Q2-QC）2具有很大的关系。在输送功率确定的情况下，网损随Q'的减小而减小。在理论上，当Q'=0时网损最小。因此，提高功率因数是降低简单辐射形网络网损的有效措施。

从上面的分析中得出以下结论：1）调节变压器分接头可改变低压侧母线电压，但对无功分配和网损基本没有影响。必须明确的是只有在上一级电网电压正常并且地区无功功率充足的情况下，调节变压器分接头才能实现电压随负荷变化情况进行相应的变化，以达到保持良好电压水平的目标[5]。若不能同时满足以上两个条件，采用调节变压器分接头进行电压调节的方式有可能对系统的安全稳定运行带来不利的影响，在极端情况下甚至出现电压崩溃，因此变压器档位调节采取了安全上下限的要求。2）投切补偿电容器一方面可以提高母线电压，另一方面还可以改变无功分配，改善功率因数和降低网损。

2.2 智能变电站的无功优化研究

2.2.1 智能电网对无功补偿的要求

智能电网的建设主要是为了降低系统电能损耗，提高系统的可靠性，并且具有自愈的功能。

在智能电网环境下，智能变电站的无功优化需要采用FACTS 技术。FACTS 技术是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。它使不可控的电网变的可控，是现代智能电网发展的需要，是解决电网运行和发展中各种困难的需要，现代电网规模越来越大，结构越来越复杂，对电能质量要求越来越高，同时对清洁能源和低碳能源的要求也越来越高。在这种情况下，对电网可靠、经济、稳定运行的要求也越来越高，传统的机械控制方法越来越不适应电网的发展需要[6]。

2.2.2 智能变电站无功优化框架

智能变电站无功优化属于智能变电站高级应用的一个部分，它的应用建立在一体化信息平台和智能决策系统上。首先由一体化信息平台提供变电站运行数据和设备状态信息、提供智能决策所需要的一切数据信息，然后由智能决策系统综合分析站内信息、综合评估，最后给出无功优化的策略和操作指令。智能变电站无功优化在智能变电站的位置如图3 所示。

3 基于FACTS 技术的智能变电站无功补偿

110kV 上海蒙自智能变电站（下称蒙自站） 是首座服务上海世博会的智能变电站，是国内首座节能型、智能化、无油化的集成新型高科技示范变电站。它是上海世博园区内与中国国家电网企业馆一体化建设的全地下降压变电站。其建设规模为2 台40MVA SF6 主变，110kV/10kV 电压等级。

SVG 有着优良的动态性能，能够显著提高系统的动态性能，即系统抗扰动能力。根据不同的系统要求，SVG 可实现节点无功电压控制、功率振荡抑制、提高系统静态（暂态）稳定极限等功能。对于节点无功电压控制，SVG 通过快速、连续地调节SVG 无功出力，实时改善系统无功分布，进而实现在SVG 容量范围内的节点电压控制[7]。对于功率振荡抑制，线路电磁功率正比于节点电压，SVG 控制注入节点的无功来改变节点电压，实时改变线路输送功率，不仅可以阻止低频的功率振荡，还可以阻止次同步振荡和超同步振荡。对于提高系统稳定极限，采用SVG 后，可以提高系统功角特性曲线，增大静态稳定极限；系统故障时，运用合适的控制策略，可以减少加速面积，增大减速面积，提高系统暂态稳定极限。

3.1 SVG 的数学模型

SVG 大体分为电压型和电流型两种类型，在实际应用中大多使用电压型，因此接下来的模型以电压型SVG 为例，电压型SVG 基本原理图如图4 所示。

假设三相平衡，则SVG的等效电路如图所示。usa、usb、usc分别为电网系统的三相电压，Udc为直流侧电容电压，uoa、uob、uoc分别为SVG输出的三相基波电压，R、L分别为连接电抗器的电阻和电感。可以得到SVG三相输出电压的表达式为：

（7）

式中k为逆变器的比例系数，ω=2πf，f为逆变器输出基波或者电网的频率，θ为SVG输出电压与系统电压的相位差。系统电压的表达式为

（8）

式中为系统相电压有效值。

3.2 无功补偿仿真实验

仿真系统如图5、图6所示。

仿真说明如下：第一次仿真时断开SVG此时SVG的无功输出为0，系统接入200MW的负载，变压器低压侧a相电压只能达到基准值的80%如图5中红色曲线所示；第二次仿真接入SVG，从图6中可以看到在经过大概0.02秒的响应时间后，SVG向系统注入无功，系统电压也随之得到提高接近基准值（如图5黑色曲线所示），SVG的调节过程在0.1秒时结束，补偿系统80Mvar的无功功率。SVG能动态补偿无功明显改善系统电压质量，并且响应和调节的速度非常快，在上面的仿真系统中，由于控制环节的问题，响应时间要0.02秒，如果能对控制环节进行优化，响应速度将更快。

4 总结与展望

对智能变电站的关键技术和特点进行研究，分析了传统变电站无功优化技术的不足，提出智能变电站无功优化的框架和要求。本文在MATLAB/SIMULINK下搭建仿真系统，进行了无功补偿和抑制电压跌落的仿真实验，SVG 的动态性能和快速响应能力得到证实，具有传统无功补偿设备无法达到的技术水平，只有FACTS 无功补偿设备能够满足智能变电站的技术要求，更加明确了智能变电站无功优化必然是应用FACTS 技术的无功优化。

参考文献

[1] 国家电网公司. Q/GDW 383-2009智能变电站技术导则[S]. 国家电网公司2009.

[2] 史保壮， 杨莉， 冯德开， 等. 智能技术在绝缘在线诊断系统中的应用[J]. 高压电器， 2001， （1）.

[3] 马仕海， 荆志新， 高阳. 智能变电站技术体系探讨[J]. 沈阳工程学院学报（自然科学版）， 2010， 6（4）.

[4] 靳龙章， 丁毓山. 电网无功补偿实用技术[M]. 北京： 中国水利电力出版社， 1997.

[5] 杨剑. 新型电压无功综合控制装置的研制[D]. 华中科技大学， 2004.

[6] 程汉湘. 柔流输电系统[M]. 北京： 机械工业出版社， 2001.

[7] 王轩， 赵国亮， 周飞， 等. STATCOM在输电系统中的应用[J]. 电力设备， 2008， 9（10）.

作者简介：

徐进东（1980— ），男，硕士，研究方向为电力系统运行与控制。

史静（1990—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

蒋丹（1988—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

许贤杰（1987—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

姜凯（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。