多能交互系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點電能質(zhì)量改善措施

趙衛(wèi)國

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的廣域化，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)潮流由源—網(wǎng)—荷的單向輸送模式逐漸趨向未來大能源網(wǎng)與分布式能源網(wǎng)之間能量互動的雙向模式。電力電子技術(shù)和智能化促進(jìn)了各類電力電子裝置在新能源發(fā)電、交直流輸電、多能互補(bǔ)工藝控制、綜合能源利用、網(wǎng)絡(luò)潮流調(diào)整、分布式能源系統(tǒng)等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。由于多能交互運(yùn)行中存在新能源的波動、交直系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、非線性和瞬變沖擊性負(fù)荷等，其中的部分變頻裝置、控制器、電弧設(shè)備、整流負(fù)荷隨運(yùn)行方式變換直接或間接地產(chǎn)生和增加了影響電能質(zhì)量的電磁干擾，包括電壓不對稱和諧波潮流等。為了提升多品種能源交互質(zhì)量，增強(qiáng)多能耦合效應(yīng)和資源利用效能，如何采取有效的技術(shù)措施防范系統(tǒng)運(yùn)行中電磁擾動風(fēng)險，滿足未來能源互聯(lián)網(wǎng)日益增長的高品質(zhì)電能質(zhì)量要求，是需要持續(xù)不斷研究的課題。在多能交互系統(tǒng)[1]關(guān)鍵節(jié)點，采用動態(tài)補(bǔ)償控制技術(shù)來增強(qiáng)其電磁兼容能力，不失為經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)解決方案之一。

1 動態(tài)補(bǔ)償與多能交互耦合背景

1.1 多能交互需要技術(shù)支撐

多能交互物理架構(gòu)簡要描述主要涵蓋五部分：一是由主配骨干網(wǎng)架、傳統(tǒng)主力電源、重要變電站和直配用戶等組成的現(xiàn)代電力系統(tǒng)；二是由規(guī)模型風(fēng)電、光伏、抽水蓄能、大型儲能設(shè)施、傳統(tǒng)能源低碳耦合聯(lián)供用戶等組成的新能源耦合系統(tǒng)；三是由微型燃機(jī)、風(fēng)機(jī)、各類充換電及超級電容等蓄能裝置、建筑面光伏及柔性直流微網(wǎng)、三聯(lián)供和直配用戶等不同組合的分布式能源系統(tǒng)；四是由公共、園區(qū)、企業(yè)、家庭單元構(gòu)成的冷、熱、氣等多能流分布傳輸網(wǎng)和電氣化交通智能運(yùn)輸系統(tǒng)；五是基于以上系統(tǒng)運(yùn)行、控制、管理需要的數(shù)據(jù)、信息、信號、裝置等智能控制網(wǎng)絡(luò)。

為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，多能交互系統(tǒng)中存在大量的整流、斬波、逆變、變頻等電力電子轉(zhuǎn)換及控制設(shè)備。盡管不同運(yùn)行單元根據(jù)能源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求配套安裝了部分平衡、過濾、隔離、控制等裝置，但由于多種類能源交互系統(tǒng)中電、熱、冷、氣負(fù)荷的瞬息波動性、時段不平衡性、裝備技術(shù)等級和管理水平差別等因素，在不同運(yùn)行方式變換時往往會形成對電能質(zhì)量的擾動。特別是功率因素降低、電壓閃變波動、電流不平衡、高次及超高次諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)的變化，不但會造成電網(wǎng)可靠性減低，也會對系統(tǒng)中敏感用戶產(chǎn)生干擾。隨著擾動量經(jīng)耦合節(jié)點對相鄰交互系統(tǒng)的時間累計和廣泛傳播將干擾到控制供熱、冷、氣的電子自動化裝置，進(jìn)而傳遞影響到多能交互和使用質(zhì)量[2]，降低運(yùn)行單元的總體效益和用戶的生活體驗[3]。因此，多能交互系統(tǒng)各運(yùn)行單元對電能質(zhì)量要求具有共識性，更需要控制電能質(zhì)量的技術(shù)措施和有效裝置作支撐。

1.2 動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)提供了策略選擇

系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償控制裝置隨著電力電子技術(shù)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，從20世紀(jì)70年代后開始陸續(xù)在輸配電、電氣化交通、分布式能源等系統(tǒng)中投入商業(yè)運(yùn)行并取得可觀的收益。目前常用的動態(tài)無功補(bǔ)償控制裝置主要有靜止無功發(fā)生器SVG（static var generator），靈活交流輸電系統(tǒng)FACTS（flexible AC transmission system） 的前期靜止無功補(bǔ)償器SVC(static var compensator)系列類，包括晶閘管控制電抗器TCR(thyristor controlled reactor)、晶閘管控制變壓器TCT(thyristor controlled transformer)和磁控電抗器MCR(magnetically controlled reactor)，動態(tài)無功補(bǔ)償器 MSVC(magnetically staticvar compensator)。相比較而言，SVG的響應(yīng)性能最佳，將逐漸替代其他系列。動態(tài)補(bǔ)償裝置對提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、增強(qiáng)輸電線路傳送能力、抑制沖擊負(fù)荷造成的電壓波動、改善供電質(zhì)量提供了多選項技術(shù)措施。

目前國內(nèi)煤炭、冶金、電氣化高鐵及城市軌道、風(fēng)電、光伏等企業(yè)用戶變電站已常規(guī)化采用SVG和SVC動態(tài)補(bǔ)償裝置來提高供電可靠性、電壓水平和改善電能質(zhì)量。國內(nèi)電網(wǎng)繼鞍紅220 kV站國產(chǎn)SVC示范工程2004年9月正式投運(yùn)后，相繼在西電東送通道中的4座500 kV站裝設(shè)總?cè)萘繛?40 Mvar，其單套最大容量達(dá)180 Mvar的SVC。SVG也已在電網(wǎng)許多變電站投入運(yùn)行，起到了控制電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送能力的作用。

2 交互節(jié)點電能質(zhì)量控制分析

2.1 選擇系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點

多能交互系統(tǒng)是一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，其中的源—網(wǎng)—荷環(huán)節(jié)復(fù)雜難以計數(shù)，需要選擇一些關(guān)鍵性交互節(jié)點進(jìn)行電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)視、調(diào)整和控制。通過全網(wǎng)和分區(qū)系統(tǒng)優(yōu)化計算，選擇電網(wǎng)PV節(jié)點、系統(tǒng)耦合連接點PCC（point of common coupling） 和分布式能源系統(tǒng)樞紐點作為關(guān)鍵節(jié)點?？紤]到多能交互目前仍以能量轉(zhuǎn)換后便捷成熟的電力為主，因此選擇電力系統(tǒng)中1座220 kV變電站作為測試分析點。該變電站1號和2號主變（220/110/35 kV）容量均為180 MVA、220 kV側(cè)接有2×60 MW熱電機(jī)組 (單回220 kV線接入)、110 kV側(cè)接有1座49.5 MW風(fēng)電場并向電氣化鐵路和其他工業(yè)負(fù)荷供電、35 kV側(cè)所帶公用負(fù)荷中包含有微型光伏發(fā)電。以該220 kV變電站作為多能交互節(jié)點很具有代表性，既可作為未來能源互供模式中區(qū)域網(wǎng)電壓監(jiān)視點和中樞點，又可看作新能源注入點、分布式能源系統(tǒng)電力樞紐點、多能互補(bǔ)系統(tǒng)的匯流交互點等。因此，結(jié)合系統(tǒng)無功電壓優(yōu)化自動控制策略AVC（automatic voltage control），控制好交互節(jié)點電能質(zhì)量這一重要環(huán)節(jié)，將這些具有支撐作用的關(guān)鍵節(jié)點電能質(zhì)量控制在國標(biāo)之內(nèi)，可有效改善區(qū)域及其他節(jié)點電能質(zhì)量，并對多能互供和分布式能源系統(tǒng)控制能源質(zhì)量具有支撐作用。

2.2 電能質(zhì)量測試

該220 kV變電站35 kV兩段母線各配置有容量20 Mvar的固定電容器補(bǔ)償裝置。為了分析正常運(yùn)行情況下系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償情況，下面分別對1號和2號主變壓器220 kV側(cè)分別采用GDDN-500C數(shù)字電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置進(jìn)行測試，測試過程中原有電容器繼續(xù)投運(yùn)，測試結(jié)果如下所示。

2.2.1 1號主變壓器220 kV側(cè)

測試期間，1號主變高壓側(cè)電壓在232.53 kV至228.20 kV間波動，電流最大值為202 A，最小值為25 A。

圖1 1號主變220 kV有功功率、無功功率、功率因數(shù)趨勢圖

1號主變220 kV側(cè)向系統(tǒng)吸收無功功率最大為25.74 Mvar，最小為6.18 Mvar，向系統(tǒng)反送的無功功率為0 Mvar，無功變化趨勢與有功功率一致，短時周期（10 min） 內(nèi)，無功約有10 Mvar的波動；功率因數(shù)在0.977 9至0.531 8間波動，平均為0.882 1，如圖1所示。

圖2 1號主變220 kV母線諧波電壓總畸變率趨勢圖

測量得到母線電壓總諧波畸變率（95%概率大值）為1.93%，接近國標(biāo)限值2.0%，如圖2所示。

頻率最大值50.05 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值為50.03 Hz，在國標(biāo)限值50.2 Hz至49.8 Hz之內(nèi)。長時閃變測量值為0.65，大于國標(biāo)要求的0.60，如圖3所示。

圖3 1號主變220 kV母線長時閃變趨勢圖

電壓偏差平均值為7.10，小于國標(biāo)限值10；三相電壓不平衡度95%概率值為0.38%，小于國標(biāo)限值2%。

2.2.2 2號主變壓器220 kV側(cè)

測試期間，2號主變220 kV母線電壓在232.2 kV至225.3 kV間波動；進(jìn)線電流最大值為200 A，最小值為23 A。

2號主變220 kV側(cè)從系統(tǒng)側(cè)吸收的無功功率最大值為25.02 Mvar，最小值為5.73 Mvar，且與有功功率變化趨勢一致。短時周期（10 min） 內(nèi)，無功約有11 Mvar的波動；功率因數(shù)在0.981至0.523間波動，平均為0.885，如圖4所示。

測量得到母線電壓總諧波畸變率 (95%概率大值)為1.39%，小于國標(biāo)限值2.0%，如圖5所示。

頻率最大值50.05 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值為50.03 Hz，在國標(biāo)限值50.2 Hz至49.8 Hz之內(nèi)。長時閃變測量值為0.57，小于國標(biāo)要求的0.60，如圖6所示。

圖4 2號主變220 kV進(jìn)線無功功率、有功功率、功率因數(shù)趨勢圖

圖5 2號主變220 kV母線諧波電壓總畸變率趨勢圖

圖6 2號主變220 kV母線長時閃變趨勢圖

電壓偏差平均值為4.84，小于國標(biāo)限值10，三相電壓不平衡度95%概率值為1.02%，小于國標(biāo)限值2%。

2.2.3 測試結(jié)果分析

由前述測試結(jié)果可以看出，主變高壓側(cè)進(jìn)線無功變化范圍較大，在短時間內(nèi)，電壓無功波動最大可達(dá)21 Mvar。其中，1號主變高壓側(cè)進(jìn)線電壓無功缺額最大值為25.74 Mvar，最小值為6.18 Mvar；2號主變高壓側(cè)進(jìn)線電壓無功缺額最大值為25.02 Mvar，最小值為5.73 Mvar。

1號主變220 kV側(cè)母線長時閃變不符合國標(biāo)要求，功率因數(shù)小于考核要求值0.92，其他電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求；2號主變功率因數(shù)小于考核要求值0.92，其他指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求。

1號主變壓器110 kV側(cè)功率因數(shù)偏低，最低達(dá)到0.89。110 kV側(cè)3次諧波超標(biāo)嚴(yán)重，超過國標(biāo)限值9倍，9次諧波也有超標(biāo)現(xiàn)象；110 kV側(cè)長時閃變也不滿足國標(biāo)限值。由于110 kV兩端母線所帶負(fù)荷為牽引站，故負(fù)荷波動較大。

由上述結(jié)論可以得出，系統(tǒng)負(fù)荷波動頻繁，功率因數(shù)均小于考核要求值0.92，3次諧波超標(biāo)，可見現(xiàn)有容性補(bǔ)償容量不夠，需要采取措施進(jìn)行治理。

2.3 優(yōu)化方案及裝置選擇

2.3.1 理論及仿真計算

由于系統(tǒng)中現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置設(shè)計容量不合理，導(dǎo)致1號、2號變壓器功率因數(shù)遠(yuǎn)小于目標(biāo)值0.92，故需要增加額外的無功補(bǔ)償裝置。

a）1號主變達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)所需增加無功功率Qx1為

1號主變進(jìn)線側(cè)安裝容量Qx1a為

式中，P1為測試得到有功功率，k1為補(bǔ)償系數(shù)，sinα、cosα為補(bǔ)償前功率因數(shù)角正弦、余弦值，sinβ、cosβ為補(bǔ)償后功率因數(shù)角正弦、余弦值，Uc為電容器額定電壓，Un為系統(tǒng)電壓。

b）2號主變達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)所需增加無功功率Qx2為

2號主變進(jìn)線側(cè)安裝容量Qx2a為

式中，P2為測試得到有功功率，k2為補(bǔ)償系數(shù)。

根據(jù)計算結(jié)果，為達(dá)到變電站電能治理要求，模擬在1號、2號主變35 kV側(cè)分別增加MSVC及濾波裝置進(jìn)行了仿真計算。計算結(jié)果表明，主變各次諧波電壓及電流均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，功率因數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求值0.92?；趧討B(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償容量方案可行。

2.3.2 裝置原理及設(shè)備選擇

通過對通稱SVC系列的TCR、TCT、晶閘管投切電抗器TSR（thyristor switched reactor）、晶閘管投切電容器TSC（thyristor switched capacitor） 以及它們之間或與機(jī)械式投切并聯(lián)電容器MSC(mechanically switched capacitor)、機(jī)械式投切并聯(lián)電抗器MSR(mechanically switched reactor)構(gòu)成的某種組合體特性分析，MSVC主要是基于MCR來實現(xiàn)無功連續(xù)調(diào)節(jié)，其控制側(cè)電壓較低，控制穩(wěn)定可靠[4]；本工程考慮到運(yùn)行經(jīng)驗和管理水平、變電站原有電容器補(bǔ)償裝置的利用和現(xiàn)場安裝條件等具體情況選用了MSVC系列。圖7所示為MCR電路簡單原理圖。

圖7 MCR電路原理圖

在MCR的工作鐵芯柱上分別對稱地繞有兩個線圈，其上有抽頭，它們之間接有可控硅T1、T2，不同鐵芯的上下兩個主繞組交叉連接后并聯(lián)至電源，續(xù)流二極管D接在兩個線圈的中間。當(dāng)磁控電抗器主繞組接至電源電壓時，在可控硅兩端感應(yīng)出1～2%左右的系統(tǒng)電壓。在電源電壓正半周觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T1，在電源電壓負(fù)半周觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T2，在回路中產(chǎn)生直流控制電流。兩個可控硅在一個工頻周期輪流觸發(fā)導(dǎo)通，產(chǎn)生直流控制電流，使電抗器工作鐵芯飽和，輸出電流增加。因此，改變可控硅控制角，可平滑調(diào)節(jié)電抗器容量。

2.4 工程應(yīng)用效果及分析

表1 電網(wǎng)諧波電壓值

2.4.1 安裝運(yùn)行后測試達(dá)標(biāo)

根據(jù)計算結(jié)果及MSVC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置特性分析，對工程方案進(jìn)行了優(yōu)化。在35 kV兩段母線各加裝1臺磁控電抗器（容量為20 000 kvar）和一組配套濾波裝置，同時，在1號主變35 kV側(cè)安裝7 000 kvar電容器，在2號主變35 kV側(cè)安裝7 500 kvar電容器，并與原有電容器并聯(lián)接于出線柜組合成MSVC，實現(xiàn)連續(xù)、無極調(diào)節(jié)無功功率。依據(jù)電能質(zhì)量相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對安裝MSVC型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后實際測試結(jié)果進(jìn)行分析，1號和2號主變各次諧波電壓及電流均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，功率因數(shù)電壓質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果如表1、表2和表3所示。

表2 1號主變測試結(jié)果

表3 2號主變測試結(jié)果

2.4.2 動態(tài)補(bǔ)償控制支撐交互系統(tǒng)

通過選擇具有代表性的多能交互節(jié)點安裝動態(tài)無功補(bǔ)償控制裝置，經(jīng)運(yùn)行測試結(jié)果對改善電能質(zhì)量效果良好，各項指標(biāo)達(dá)到了國標(biāo)要求。對多能注入點、匯集點、電壓中樞點、監(jiān)視點、區(qū)域和分布式電力樞紐等關(guān)鍵節(jié)點控制電能質(zhì)量，服務(wù)多能互補(bǔ)提供了技術(shù)參考。

3 結(jié)論及建議

基于新型電力電子裝置動態(tài)補(bǔ)償控制技術(shù)，經(jīng)優(yōu)化計算后選擇多能交互系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行試驗示范并對安裝動態(tài)補(bǔ)償裝置前后電能質(zhì)量參數(shù)的檢測分析，驗證了在多能交互節(jié)點改善電能質(zhì)量對提升未來多種類能源交互系統(tǒng)能源質(zhì)量的有效作用。該技術(shù)措施對提高系統(tǒng)中樞點電壓穩(wěn)定性、抑制不斷增加的多種擾動源影響、改善電能質(zhì)量提供了多選項技術(shù)手段。通過研究分析和試驗示范，提出如下結(jié)論和建議。

a）針對動態(tài)、復(fù)雜而增效的多能互供運(yùn)行模式，基于集中優(yōu)化、分散控制，采用多能交互節(jié)點治理的方式，支撐度高、簡便有效。

b）多能交互節(jié)點兩側(cè)和多端的源—網(wǎng)—荷受天文氣象、能源種類、負(fù)荷特性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、擾動和敏感源等多重變化隨機(jī)性出現(xiàn)的影響，同樣具有“雙側(cè)隨機(jī)”特性。針對交互節(jié)點的多端隨機(jī)性波動因素可能不斷增加，電能質(zhì)量控制需要基于系統(tǒng)優(yōu)化計算確定關(guān)鍵節(jié)點。綜合背景、數(shù)據(jù)、保護(hù)、自動化等策略智能分析，在AVC系統(tǒng)集中、分區(qū)、梯級一體化控制管理基礎(chǔ)上，實施多能交互節(jié)點AVC—SVG協(xié)調(diào)運(yùn)行，減少部分節(jié)點裝置和管理要素影響，增強(qiáng)目前AVC系統(tǒng)控制策略執(zhí)行效力，提升動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)改善關(guān)鍵節(jié)點能源質(zhì)量的綜合效應(yīng)。

c）利用系統(tǒng)對輔助服務(wù)和需求響應(yīng)的激勵方式，激發(fā)價值共同體區(qū)域樞紐點電能質(zhì)量優(yōu)化、分布運(yùn)行單元電能質(zhì)量自愈控制能力，將有助于提高分布式能源系統(tǒng)魯棒性。

d）試驗示范工程中在1號、2號主變35 kV側(cè)增加MSVC及濾波裝置，使得各側(cè)的電能質(zhì)量指標(biāo)滿足國標(biāo)要求，極大地改善了變電站的運(yùn)行工況。

總之，在未來多能交互系統(tǒng)運(yùn)行中，隨著能源質(zhì)量以質(zhì)論價相應(yīng)政策和技術(shù)管理措施的逐漸應(yīng)用，綜合AVC系統(tǒng)優(yōu)化控制策略、利用實時在線監(jiān)測服務(wù)及定向治理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、采用動態(tài)補(bǔ)償控制技術(shù)重點改善關(guān)鍵節(jié)點電能質(zhì)量，是實現(xiàn)共享優(yōu)質(zhì)能源質(zhì)量成果的行之有效的系統(tǒng)技術(shù)措施。