110kV长距离输电系统增容补偿MATLAB仿真
110kV长距离输电系统增容补偿MATLAB仿真
1.介绍
随着社会经济的迅速发展，110kV输电系统因具有工期短、建设成本较低等优点，在电网中的作用日益突出。但是由于一些大负荷用户地理位置偏僻，距离主网较远，形成了典型的长距离、大容量110kV输电结构。由于电气距离过大，电压偏差、线路损耗以及负荷侧的电压质量问题成为影响输电容量的瓶颈因素，在负荷功率因数较低或者波动频繁的情况下，此类问题更加显著。
2.原理和方法
当110kV输电线路长距离输电时，输电线末端的系统将面临电压越限和负荷侧功率因数波动引发的输送能力受限和谐波超标的问题，因此需要对电压进行补偿和消除谐波。当电力系统电压过低时，一般都会采用无功补偿的方法，在低压变压器后加装一个无功补偿器，如SVC（静止无功补偿器）或SVG（静止无功发生器）等装置。但是长距离输电系统还会面临电压越线，电压偏差等问题，因此需要在输电线上加一个串联电容器，抵消线路电抗，减小主网与负荷侧的电气距离。提升电力系统输送极限，并校正功率振荡引起的电压波动。同时还配置由晶闸管控制电抗器型静止无功补偿器（Static Var Compensator， SVC），补偿负荷功率因数变化时产生的损耗，提升电压稳定性。
串联电容补偿器结构如图2.1所示：
图2.1 典型的串联电容补偿器结构图
图2.1中：
C--串联电容器; MOV1--金属氧化物限压器(MOV);L--阻尼电抗器;R-阻尼电阻;GAP1、GAP2--阻尼放电间隙;BPS--旁路开关;1--旁路隔离开关;2--串联隔离开关;3--接地开关。
MOV和电容器并联，起着限压作用。旁路开关用于投入和切除整个设备，同时，在串补设备内部故障时或者三相不平衡时进行保护动作，防止对整个系统造成更大的损失。阻尼放电间隙用来方式瞬时高电压对器件的破坏。
串联补偿器的原理如图2.2：
图2.2 串联补偿器等效电路模型
输电线路中接入串联补偿装置后，负荷电流在线路上产生的电压降计算为：
式中：△u为电压降； P为负载有功功率； Q为负载无功功率； U2为线路末端电压；Xc为串补装置等效容抗。
图2.3 串补并入前电路向量图
图2.4串补并入后电路向量图
由上图可得，串补装置的投入减小了线路首末端电压的功角差，提高了配网稳定性，同时也提升了电压水平。
无功补偿应满足的约束条件：
①末端供电电压偏差应尽可能满足GB12325—2008《电能质量供电电压偏差》 标准中限值的要求；
②末端供电电压偏差ε。
串联补偿所需的电容XC可由系统在投入串联补偿器前的电压降落和需要达到的电压约束条件所计算得到；串并联的电容数量m和n可由XC和线路最大负荷电流和额定电压决定。
拟在线路末端安装串联补偿器，既可以提升输送能力，优化电压水平，也可以方便线路保护整定。
3.仿真过程分析和计算
本次仿真的系统结构如图3.1
图3.1 110kV远距离输电系统
其中110kV电源代表了主网110kV系统，B0，B1，B2为各节点，T1和T2是两个参数一样的降压变压器。
下面是仿真系统设计参数：
参数/单位 | 数值 |
|---|---|
系统电压kV | 110 |
输电线长km | 270 |
线路阻值 Ω/km | 0.05 |
线路感抗Ω/km | 0.316 |
线路电纳 S/km | 2.78*10-6 |
负载 MW | 60 |
变压器额定电压 kV | 115±8*1.25%/10 |
变压器额定容量 MVA | 40 |
变压器接线组别 | Yn0,d11 |
变压器短路阻抗 % | 8 |
变压器额定容量 MVA | 2*40 |
SVC容量 Mvar | 30 |
负荷功率因数 | 0.8~1 |
为此需先计算出串联电容的容量：
- 先对没有安装串补的电路进行参数计算：
可以得到下图所示的等值网络图：
图3.2 电力系统等值网络图
（2）对等值网络图做潮流计算：
当SSVC补偿容量为30MVA时，
图3.3 潮流计算图
在实际中，首端电压U1为117kV，设U3=110kV，那么:
计算节点电压:
可见电压损耗主要发生在运输线路中，变压器上的电压损耗较小。
（3）根据潮流计算对串联补偿器定容：
设要求线路末端电压高压侧不低于110kV，则
补偿前的线路的电压损耗为：
图3.2 仿真1
可见电压水平过低，Kv远低于额定值0.9的标准。（其中UN分别为各自的额定电压）
变量 | 电压/kV | KV（U/UN） |
|---|---|---|
UB2 | 86.95 | 0.756 |
ULD | 7.28 | 0.728 |
（2）加入串联补偿器，如图3.3，在负荷功率因数为0.8时测得线路末端电压UB2和负载电压ULD，所得结果见下表
变量 | 电压/kV | KV（U/UN） |
|---|---|---|
UB2 | 106.12 | 0.922 |
ULD | 8.93 | 0.893 |
图3.3 仿真2
（3）增大负载的功率因数直至1为止，以有无串补装置对比，观察线路末端电压，进行比较分析。
功率因数 | UB2/kV | U’B2 /kV | KUB2（U/UN） | KU’B2（U/UN） |
|---|---|---|---|---|
0.8 | 106.12 | 86.95 | 0.922 | 0.756 |
0.82 | 106.57 | 87.42 | 0.926 | 0.760 |
0.85 | 107.27 | 89.12 | 0.932 | 0.775 |
0.87 | 107.73 | 90.29 | 0.937 | 0.785 |
0.90 | 108.48 | 92.20 | 0.943 | 0.802 |
0.95 | 110.0 | 96.02 | 0.957 | 0.835 |
1 | 113.10 | 105.16 | 0.983 | 0.914 |
比较表3.1和表3.2可以得出串联电容补偿可以有效地提升输电线的电压输送能力。从表3.3中可以得出若没有串补装置，原网络的电压水平一直低于0.9，直到功率因数提升到1左右才达到0.9，而加了串补装置后，在0.8时即可达到0.922，虽然与原来功率因数0.8时达到110kV有出入，但这是仿真参数设置的问题，而非设计的原因。
4.总结
110kV长距离输电系统中，由于电压越限、无功平衡等因素制约了输送能力和电能质量问题在系统规划中需要加以深入研究，文中提出的串联增容补偿方案，可以有效地弥补了单一SVC工作时的不足，具有工程应用的实用性，结论如下：
（1）在长距离输电线路末端增加串联电容补偿器能够有效的缩短电源和负荷的电气距离，提高静态稳定极限，同时可“自适应”地补偿线路及负荷的无功分量，在不同功率因数下，都能保障负荷侧的电压水平符合标准要求。
（2）为系统提供稳态和动态的无功补偿，优化系统功率因数和稳定水平，降低了设备投资成本，提升了综合效益。
（3）本结果只是初步结论，且还可以进一步在SVC上加入滤波电路，消除远距离输电时线路中大量的高次谐波，提升电压质量以及静态稳定性。
参考文献
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