SVG 无功功率优化的实用性分析

胡 杰，刘力耘，张忠华

（东北电力设计院，长春 130021）

电力系统无功优化是保证系统安全、经济运行的一项有效手段，是降低电网损耗、提高电能质量的重要措施。其中，电压偏差是衡量电能质量的一个重要指标，若其超过允许范围将影响电气设备的运行性能，使设备效率下降，严重时将无法正常工作，从而直接或间接地危害设备、人身及系统的安全［1］。变电站运行时，既需要保证用户侧电压合格，又需要保证进线侧功率因数满足系统的运行规定，因此，为保障系统的电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经济性，变电站电压的无功控制尤显重要。通常变电站电压的无功控制可采取调整有载调压变压器的分接头位置或投切电容器组等措施，但根据上述2种调压方式的实际运行情况，仍存在以下问题，即：利用有载调压变压器分接头调压无法在系统无功功率不足时，提高系统的电压水平；而利用常规电容器调压，在电压波动较大地区则需要运行人员频繁动作，并对设备的使用寿命有较大影响，随着无人值守变电站的逐步普及，该问题将更为突出，因此，在电压波动较大但对供电质量有明确要求的地区，为满足无功就地平衡和降低送变电无功损失，研究静止无功功率发生器（SVG）等动态无功补偿设备的应用是十分必要的，具有较显著的实用价值。

1 SVG 概述

1.1 SVG技术原理

SVG 是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG 的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联至电网，适当地调整桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或直接控制其交流侧以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电力，实现动态无功功率补偿［2］。

1.2 SVG与SVC的比较

SVG 可根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性），因此，从本质上讲，SVG 可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。SVG 是基于电压源型变流器的补偿装置，它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换［3］。从技术上讲，SVG 较传统的无功补偿装置有如下优势：响应时间更快；抑制电压闪变能力更强；运行范围更宽；补偿功能多样化；谐波含量极低；占地面积较小；设备损耗小。SVC（静止无功功率补偿器）和SVG 设备比较见表1，其中，FC为熔断器－接触器，TCR为晶闸管相控电抗器。

表1 SVC和SVG无功功率补偿方式比较

1.3 SVG的应用

SVG 适用于电力输配电系统内大多数需要应用动态无功补偿的场合，主要用在输电网、配电网或用户侧。其中，输电网中用在电力输电系统的负荷中心变电站、长距离输电线中间的枢纽变电站等，可提高电力系统稳定性、增加系统阻尼、抑制系统振荡，从而大幅度提高电压传输能力。随着我国跨区电网建设的迅速发展，电力系统的无功及动态电压稳定问题日益凸显，装设高压大容量SVG 是有效手段。配电网或用户侧中用在冶金、矿山、石化、电气化铁路、港口、重型工业、风电等电压波动或闪变严重等需要改善电能质量的变电站，可针对波动负载进行快速有效的动态无功补偿，对电压波动与闪变、负荷不平衡、功率因数及谐波进行补偿，在有效改善电能质量同时，可取得明显的节能降耗效益［4］。

目前，SVG 设备已经应用于东北区域的风电场及部分220kV 及以下的变电站中，其主要应用目的为提高受端电压及无功水平，增强系统特别是风电送出系统的电压波动及其稳定性，减少系统的传输损耗。

2 A 变电站现状及无功功率分析

2.1 A变电站现状

A 变电站现有90MVA 主变2台，220kV 出线两回，由E国B变电站供电，220kV 侧两回出线分别接入Ⅰ、Ⅱ段母线，站内共装设2 台20 MVA 的低压电容器。A 变电站现有主变均为双绕组有载变压器，低压侧额定电压为35kV。该变电站所带负荷均为工业冶炼负荷，大部分为单炉8～16 MW 的工业硅冶炼炉，存在启停炉频繁、有功无功负荷波动大、对系统电压扰动大、有电压闪变和谐波污染等问题。

根据无功就地平衡、降低送变电损失的原则及双方购电规程，B 变电站向A 变电站供电的双回220kV 线路无功功率不得超过＋20.0 Mvar，即每回线路最大可输送无功功率不得超过＋10.0 Mvar。在实际运行中，由于用户启停炉频繁，上述2回线路的无功功率经常在30 Mvar以上，尽管目前可通过人工投入电容器暂时缓解该问题，但由于电容器的投切速度较慢，且电容器的开关不允许频繁操作，故仍存在无功受入超过相关规定的情况，亟需采取有效措施以保证跨国购电的安全稳定运行。根据国内外现有无功功率补偿设备的综合比较分析，并结合A 变电站在国际电力合作的重要地位及其供电负荷特点等因素，建议考虑采用SVG 设备，进而进一步推进跨国电力交换合作。

2.2 A变电站历史数据分析

根据A 变电站实际运行数据的整理，其在某年第1、2季度的各小时220kV 母线和35kV 母线电压波动情况详见图1和图2。

图1 A变电站220kV母线波动情况

图2 A变电站35kV母线波动情况

通过数据分析，A 变电站1、2号主变出现的最小功率因数为0.820 2，其2回220kV 受电线路最大无功需求36.9 Mvar，220kV 侧母线电压波动范围为221.3～237.1kV，35kV 侧母线电压波动范围为33.3～38.8kV。结合本次研究的控制目标及相关规程规定要求，本次研究中，A 变电站的主变功率因数分析范围为0.82、0.85、0.90、0.95、1.00。

2.3 无功功率需求分析

在考虑A 变电站1号和2号主变均满载的情况下，分析不同功率因数时的A 变电站无功功率需求（见表2），其2回220kV 受电线路提供的最大无功按20 Mvar计入，A 变电站主变无功损耗－21.6 Mvar，220kV 线路无功损耗－13.6 Mvar，220kV线路充电功率7.7 Mvar，现有容性无功补偿容量40.0 Mvar。结果表明，随着A 变电站主变功率因数的降低，为保证受电线路无功控制在20 Mvar范围内，需要在A 变电站增加的无功容量呈增长趋势。以A 变电站主变功率因数为0.95为例，若主变满载，则需要补偿无功容量将达到56.2 Mvar，无功功率需求量较大，变电站现有无功补偿容量不能满足要求。

表2 变电站不同功率因数时的35kV侧无功功率需求 Mvar

3 稳态仿真计算分析

本实例的稳态仿真分析采用的计算工具为DIgSILENT（15.1版），其中，电网额定电压为220 kV，额定视在功率为100 MVA，A 变电站建模示意图见图3。

图3 A变电站建模示意图

设定B变电站电压变化范围，即按B 变电站输出电压标幺值为1.02、1.07、1.075和1.09四种电压情况，同时将A 变电站220kV 线路出口侧无功受入均控制为10 Mvar。

a.A 变电站1、2号主变均按满载运行考虑。计算结果表明，若功率因数不变，随着B 变电站电压的增加，SVG 出力呈递减状态；若B 变电站电压不变，随着功率因数增加，SVG 出力呈递减状态。以B变电压标幺值为1.07为例，当功率因数接近于1.00时，SVG 出力将由容性转为感性，见图4。

图4 A变电站单台主变时SVG出力变化曲线

上述分析结果表明，为保证A 变电站实际运行满足相关规定要求，当其1号主变和2号主变满载，且功率因数在0.82～1.00变化时，SVG 容量范围为－21.0～＋27.9 Mvar。

b.A变电站1、2号主变均按80MVA和85 MVA 视在功率运行。根据A 变电站现有运行情况的统计结果，当A 变电站1、2号主变功率因数较低时，变电站均未满载。为合理确定SVG 容量，本次研究补充分析如下情况：若A 变电站1、2号主变按80 MVA 和85 MVA 视在功率运行时，功率因数在0.82和0.85的SVG 出力情况（见表3）。计算结果表明，当A 变电站1、2号主变视在功率在80和85 MVA，且功率因数在0.82和0.85时，SVG 容量为15.9～24.2 Mvar。

表3 A变电站SVG出力变化情况

综合以上分析，可考虑在A 变电站1、2号主变各装设20 Mvar的SVG，共计40 Mvar的SVG，并与现有2×20Mvar低压电容联合运行，即可满足实际电网运行需要。

4 暂态仿真计算分析

为校验SVG 对电压波动的抑制效果，体现SVG 应对冲击负荷的能力，利用中国电科院电力系统分析计算软件（BPA 中文4.0版）对本实例无功配置优化方案进行暂态仿真分析，具体分析如下。

4.1 A变电站发生30MW 的冲击负荷变化

计算结果表明，安装SVG 后，A 变电站220kV母线电压得到很好的抑制，电压波动明显变小，电压水平得到很好的控制，且SVG 响应时间及电压恢复水平均较常规投切电容理想，见图5。

4.2 1回受电线路退出运行

图5 30MW 冲击负荷下A变电站220kV母线电压曲线

经计算，当1回受电线路退出运行时，A 变电站220kV 母线电压能够保持稳定，其中投入SVG 对变电站220kV 母线电压恢复均有一定的促进作用，但作用相对不明显，见图6。在初始容性无功出力相同的情况下，其中SVG 可实现无功出力的快速调节，增大无功出力后，故障前后的电压水平基本一致，而普通电容器（无SVG）的无功出力不变，故障后电压水平略有下降。

图6 1回受电线路退出运行后A变电站220kV母线电压曲线

5 结论

a.变电站现有2种常规的电压调整方式，受其自身调整能力及电网建设发展趋势影响，当电压波动较为频繁或存在谐波的情况下，难以实现预期的无功优化效果，有必要采取安装SVG 等动态无功补偿设备予以解决。

b.通过SVG 的原理分析及实例仿真计算，可考虑在A 变电站每台主变下各装设20 Mvar的SVG，并与站内现有2×20 Mvar低压电容器联合运行，可保证A 变电站受电线路出口侧无功受入均不高于10 Mvar，即可满足相关规定要求。

c.通过仿真分析，在A 变电站装设2×20Mvar的SVG 后，对系统电压波动及闪变情况起到了很好的抑制作用。

d.实例分析表明，若考虑在A 变电站等作为国际电力交换的重要节点，采用SVG 这类自动连续可调节的无功补偿设备，将有效提高地区供电质量，进而产生良好的社会影响，提升电力企业形象及地区电网设备水平，推动国际能源合作。

［1］田世力，束龙.电力系统无功优化方案比较［J］.工程技术与产业经济，2009，（6）：35－37.

［2］翁利民，张莉，靳建峰.电网电压稳定与无功功率补偿的研究［J］.江苏电器，2008，（4）：18－21.

［3］黄剑.南方电网±200 Mvar静止同步补偿装置工程实践［J］.南方电网技术，2012，（6）：14－20.

［4］官正强.SVG 技术及其应用［J］.制造业自动化，2010，（10）上：206－215.