本發明屬于城市電網無功功率補償技術領域，特別是涉及一種220kV城市電網無功功率補償方法。

背景技術：

電力系統中的無功功率合理分布是保證電壓質量和降低網損的重要條件。一方面，無功功率不足將導致系統長期處在低電壓水平的運行狀態，電網安全裕度不足，若系統受到擾動，容易發生電壓崩潰事故；另一方面，無功功率過剩又會導致系統電壓偏高甚至越上限，不利于系統與設備的運行安全和使用壽命，且過多的無功功率補償裝置備用又會導致投資浪費。

目前采用的220kV城市電網無功功率補償方法是在220kV變電站的低壓側配置一定容量的電容器組，電容器組的配置容量一般在主變壓器容量的20％-25％之間。但該方法只考慮容性無功功率的不足，沒有考慮容性無功功率的過剩。當前的感性無功功率補償裝置主要為集中在500kV上層主網的高壓電抗器以及500kV變電站的35kV低壓電抗器。但對220kV及以下地區電網變電站的低壓電抗器補償的研究十分缺乏。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種220kV城市電網無功功率補償方法。

為了達到上述目的，所述的220kV城市電網無功功率補償方法包括按順序執行的下列步驟：

步驟1)計算變壓器負荷無功功率消耗；

步驟2)計算變壓器自身無功功率損耗；

步驟3)計算220kV線路無功功率損耗；

步驟4)確定線路充電功率；

步驟5)根據上述變壓器負荷無功功率消耗、變壓器自身無功功率損耗、220kV線路無功功率損耗和線路充電功率確定每臺變壓器需配置的無功功率補償容量；

步驟6)在上述獲得的無功功率補償容量基礎上對低壓電容器、低壓電抗器分組容量進行選擇。

在步驟1)中，所述的變壓器負荷無功功率消耗的計算公式為：

式中：Q_cf,m——變壓器負荷無功功率消耗，kVar；

P_fm——母線上最大有功負荷，kW；

——補償前功率因數；

——補償后功率因數；

(1.1)母線上最大有功負荷P_fm的確定：

P_fm＝P×T

P——單臺變壓器額定容量，kVA；

T——變壓器負載率，％；

負荷側可并列運行的變壓器負載率按下式計算：

式中：

T—變壓器負載率，％；

N—變壓器臺數；

P—單臺變壓器額定容量，kVA；

K—變壓器過載率，在1.0～1.3之間選取。

(1.2)補償前功率因數的選?。?/p>

a)100kVA及以上高壓供電的電力用戶，在用戶高峰負荷時變壓器高壓側功率因數不宜低于0.95；

b)其他電力用戶，在用戶高峰負荷時變壓器高壓側功率因數不宜低于0.90；

(1.3)補償后功率因數的選?。?/p>

補償后功率因數應達到0.95。

在步驟2)中，所述的變壓器自身無功功率損耗的計算公式為：

Q_m＝(U_dI_m²/I_n²+I₀)S_d (3)

式中：

U_d為補償側阻抗電壓，％；

I_m為補償側負荷電流，A；

I_n為補償側額定電流，A；

I₀為空載電流，％；

S_d為主變壓器補償側額定容量，kVA；

Q_m為主變壓器無功功率損耗，kVar。

在步驟3)中，所述的220kV線路無功功率損耗計算公式為：

Q_L＝3I²X (4)

式中，I為220kV線路額定功率下電流，A，計算公式為：

式中，P_L為220kV線路額定功率，kW；U為220kV線路額定線電壓，kV；為功率因數；

X為線路等值電抗，Ω，計算公式為：

X＝xL (6)

式中，x為導線單位長度電抗，Ω/km；L為220kV線路長度，km；

在步驟4)中，所述的確定線路充電功率的方法有兩種：

(4.1)計算線路充電功率；

線路充電功率可按下式來計算：

Q_C＝U²ωC/1000＝U²2πfcL/1000 (8)

式中，U——220kV線路額定線電壓，kV；

f——電力系統頻率，取值50Hz；

C——為導線單相對地電容，μF；

c——單位長度導線單相對地電容，μF/km；

ω——角頻率；

L——220kV線路長度，km；

(4.2)估算線路充電功率；

根據工程經驗值進行估算。

在步驟5)中，所述的根據上述變壓器負荷無功功率消耗、變壓器自身無功功率損耗、220kV線路無功功率損耗和線路充電功率確定每臺變壓器需配置的無功功率補償容量的方法分為兩種；

(5.1)容性無功功率補償容量：

分別按步驟1)—4)計算變壓器負荷最大即變壓器負載率最高時變壓器負荷無功功率消耗、變壓器自身無功功率損耗、220kV線路無功功率損耗、線路充電功率；

每臺變壓器需配置的低壓電容器組容量為變壓器負荷最大時單臺變壓器負荷無功功率消耗減去無功電源，即：

需配置的低壓電容器組容量＝變壓器負荷無功功率消耗+變壓器自身無功功率損耗+220kV線路無功功率損耗-線路充電功率

(5.2)感性無功功率補償容量

分別按步驟1)—4)計算變壓器負荷最小即變壓器負載率最低時變壓器負荷無功功率消耗、變壓器自身無功功率損耗、220kV線路無功功率損耗、線路充電功率；

每臺變壓器需要裝設的低壓電抗器組容量＝線路充電功率-變壓器負荷無功功率消耗-變壓器自身無功功率損耗-220kV線路無功功率損耗。

在步驟6)中，所述的在上述獲得的無功功率補償容量基礎上對低壓電容器、低壓電抗器分組容量進行選擇的方法如下；

按電壓波動ΔU＜±2.5％U_e選擇的分組容量Q_fz近似按下式計算：

式中：S_d為低壓電抗器和低壓電容器所接母線的三相短路容量，kW。

本發明提供的220kV城市電網無功功率補償方法的有益效果：

(1)合理安排無功功率補償的地點和容量，使無功電源建設的投資最小。

(2)在大負荷期間，變壓器負載較重，需要的容性無功功率補償容量較大。由于充分考慮了220kV電源線、中低壓出線電纜充電功率，此部分充電功率作為一部分無功電源，因此減少了變電站內無功電源即電容器組的配置容量，從而減少了變電站的建設投資和占地面積；

(3)在小負荷期間，變壓器負載較輕，即使所有的電容器組退出運行，但由于220kV電源線、中低壓出線電纜充電功率的存在，使得容性無功過剩。在低壓側配置適當容量的低壓電抗器，可以吸收負荷較輕時多余的電纜充電功率，解決小負荷期間電壓過高和無功過剩問題。

(4)通過低壓電容器組和低壓電抗器組的合理投切，減少無功功率在線路上的流動，使電網的無功潮流合理分布，減少電網的運行損耗，節約電能，提高電網運行的經濟性。

(5)可消除電網運行中電纜出線對電壓的抬升效應，避免過電壓運行，保持合理的電壓水平，減少事故發生率，提高系統與設備的安全性，延長設備使用壽命。

附圖說明

圖1為本發明提供的220kV城市電網無功功率補償方法流程圖。

圖2為220kV線路線路的等值電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的220kV城市電網無功功率補償方法進行詳細說明。

本發明以城市電網220kV變電站單臺變壓器為研究對象。無功可以分為無功負荷和無功電源兩類。無功負荷主要是變電站變壓器低壓側出線所帶無功負荷、低壓側出線的線路損耗以及變壓器本身無功功率損耗；無功電源主要包括并聯電容器、線路充電功率。通過對不同負荷情況下無功負荷、無功電源的測算，可合理配置一定低壓電容器組和低壓電抗器組。大負荷期間配置的低壓電容器組應滿足無功負荷的需求，小負荷期間配置的低壓電抗器組應能夠平衡線路的充電功率。同時，低壓電容器組、低壓電抗器組分組容量的選擇應滿足電壓波動的要求。

如圖1所示，本發明提供的220kV城市電網無功功率補償方法包括按順序執行的下列步驟：

步驟1)計算變壓器負荷無功功率消耗；

變壓器負荷無功功率消耗的計算公式為：

式中：Q_cf,m——變壓器負荷無功功率消耗，kVar；

P_fm——母線上最大有功負荷，kW；

——補償前功率因數；

——補償后功率因數；

(1.1)母線上最大有功負荷P_fm的確定：

P_fm＝P×T

P——單臺變壓器額定容量，kVA；

T——變壓器負載率，％；

負荷側可并列運行的變壓器負載率按下式計算：

式中：

T—變壓器負載率，％；

N—變壓器臺數；

P—單臺變壓器額定容量，kVA；

K—變壓器過載率，在1.0～1.3之間選??；

當N＝2時，T＝50～65％；

當N＝3時，T＝67～87％；

當N＝4時，T＝75～100％；

變壓器負載率越高，相應的變壓器負荷無功功率消耗也就越大；(1.2)補償前功率因數的選?。?/p>

根據《電能質量技術監督規程(DL/T 1053-2007)》，對接入電網的電力用戶功率因數要求如下：

接入電網的電力用戶應根據負荷性質安裝足夠容量的無功功率補償裝置，并達到以下要求：

a)100kVA及以上高壓供電的電力用戶，在用戶高峰負荷時變壓器高壓側功率因數不宜低于0.95；

b)其他電力用戶，在用戶高峰負荷時變壓器高壓側功率因數不宜低于0.90；

(1.3)補償后功率因數的選?。?/p>

根據《電能質量技術監督規程(DL/T 1053-2007)》，35kV—220kV變電站的無功功率補償裝置應隨負荷變化及時投切，并滿足在主變壓器最大負荷時，其一次側功率因數不低于0.95；在低谷負荷時功率因數不高于0.95；因此，補償后功率因數應達到0.95；

步驟2)計算變壓器自身無功功率損耗；

變壓器自身無功功率損耗的計算公式為：

Q_m＝(U_dI_m²/I_n²+I₀)S_d (3)

式中：

U_d為補償側阻抗電壓，％；

I_m為補償側負荷電流，A；

I_n為補償側額定電流，A；

I₀為空載電流，％；

S_d為主變壓器補償側額定容量，kVA；

Q_m為主變壓器無功功率損耗，kVar；

步驟3)計算220kV線路無功功率損耗；

220kV線路的等值電路如圖2所示；

圖2中，分別以R、X、G、B表示線路的電阻、電抗、電導和電納；該線路無功功率損耗計算公式為：

Q_L＝3I²X (4)

式中，I為220kV線路額定功率下電流，A，計算公式為：

式中，P_L為220kV線路額定功率，kW；U為220kV線路額定線電壓，kV；為功率因數；

X為線路等值電抗，Ω，計算公式為：

X＝xL (6)

式中，x為導線單位長度電抗，Ω/km；L為220kV線路長度，km；

步驟4)確定線路充電功率；

運行中的送電線路，既是無功負荷也是無功電源；其產生的無功電力與運行電壓、導線型式、導線截面、導線長度有關；以往進行無功功率平衡時只考慮220kV電纜的充電功率，對中低壓出線電纜充電功率則忽略不計；但是隨著城市電網的發展，110kV和35kV出線電纜長度不斷增加，在小負荷期間因為110kV和35kV電纜充電功率過大會導致低壓層無功功率向上級電網倒送，從而抬高末端電壓、增大網損，因此進行無功功率平衡時應當考慮中低壓出線電纜充電功率；

確定線路充電功率的方法有下面兩種：

(4.1)計算線路充電功率；

線路充電功率可按下式來計算：

Q_C＝U²ωC/1000＝U²2πfcL/1000 (8)

式中，U——220kV線路額定線電壓，kV；

f——電力系統頻率，取值50Hz；

C——為導線單相對地電容，μF；

c——單位長度導線單相對地電容，μF/km；

ω——角頻率；

L——220kV線路長度，km；

(4.2)估算線路充電功率；

線路充電功率可以按照上述公式計算，也可根據工程經驗值進行估算；根據《電力系統設計手冊》，送電線路單位長度的充電功率見表1，電纜線路的充電功率見表2；

表1 送電線路充電功率表

注：表中充電功率按平均電壓計算。

表2 單芯鉛包充油電纜充電功率表(Mvar/km)

注：表中充電功率按平均電壓計算。

步驟5)根據上述變壓器負荷無功功率消耗、變壓器自身無功功率損耗、220kV線路無功功率損耗和線路充電功率確定每臺變壓器需配置的無功功率補償容量；

確定每臺變壓器需配置的無功功率補償容量的方法分為兩種：

(5.1)容性無功功率補償容量：

分別按步驟1)—4)計算變壓器負荷最大即變壓器負載率最高時變壓器負荷無功功率消耗、變壓器自身無功功率損耗、220kV線路無功功率損耗、線路充電功率；

每臺變壓器需配置的低壓電容器組容量為變壓器負荷最大時單臺變壓器負荷無功功率消耗減去無功電源，即：

需配置的低壓電容器組容量＝變壓器負荷無功功率消耗+變壓器自身無功功率損耗+220kV線路無功功率損耗-線路充電功率

(5.2)感性無功功率補償容量

當電纜出線長度較長，電纜充電功率大于無功功率消耗時，裝設低壓電抗器的容量應足以吸收多余的容性無功功率；一般考慮全年主變壓器負荷最小水平，主變壓器中壓側或低壓側安裝的并聯電容器組全部退出運行；

分別按步驟1)—4)計算變壓器負荷最小即變壓器負載率最低時變壓器負荷無功功率消耗、變壓器自身無功功率損耗、220kV線路無功功率損耗、線路充電功率；

每臺變壓器需要裝設的低壓電抗器組容量＝線路充電功率-變壓器負荷無功功率消耗-變壓器自身無功功率損耗-220kV線路無功功率損耗；

步驟6)在上述獲得的無功功率補償容量基礎上對低壓電容器、低壓電抗器分組容量進行選擇

對低壓電抗器和低壓電容器分組容量進行選擇的方法如下；

按電壓波動ΔU＜±2.5％U_e選擇的分組容量Q_fz近似按下式計算：

式中：S_d為低壓電抗器和低壓電容器所接母線的三相短路容量，kW；

低壓電容器補償裝置分組不當會引起諧波放大甚至諧振，為此，對所選擇的分組容量需作校驗；引起高次諧波諧振的容量Q_x的近似計算公式如下：

式中S_d——低壓電容器所接母線三相短路容量，kW；

n——諧波次數；

A——低壓電容器每相感抗X_L與容抗X_C的比值，

不引起高次諧波諧振的條件是：

Q_x≠Q_fzN,N＝1,2,3…,m (12)

式中N——分組數。

本發明提供的220kV城市電網無功功率補償方法密切貼合220kV城市電網特點和發展趨勢，原理通俗易懂，計算過程簡單。以單臺主變壓器為研究對象，分別計算出變壓器自身無功損耗、變壓器負荷無功消耗、220kV線路無功損耗、220kV線路及中低壓出線的無功充電功率后進行簡單的算術求和即可確定出每臺變壓器需補償的容性無功容量和感性無功容量。需要注意的是，在測算容性無功功率補償容量時取大負荷方式，測算感性無功功率補償容量時取小負荷方式。計算線路的充電功率時需要用到中低壓出線的線路型號、導線截面、敷設方式、導線長度等參數，可以結合規劃資料詳細落實。