基于MCR和MSVC的220kV变电站多电压等级无功电压综合控制

陈柏超 宋继明 周 攀 倪向萍 张亚迪 袁佳歆

（1.武汉大学电气工程学院 武汉 430072 2.国家电网公司交流建设分公司 北京 100140）

0 引言

电压对电网的稳定及设备的安全经济运行有重大影响，是衡量电能质量的重要指标之一。变电站可通过在低压侧装设晶闸管控制电抗器（TCR）型或磁阀式可控电抗器（MCR）型静止无功补偿器（SVC）无功补偿设备来动态调节电压[1,2]。TCR型SVC由于晶闸管等开关器件参数的限制，难以在较高电压等级网络应用和推广。MCR型SVC具有可直接接入高压系统、谐波小和损耗低等优点[3]，能很好地满足智能电网的发展需求，对于电压质量的提高和降低网损具有重要意义。

目前的变电站电压无功综合自动控制装置主要是针对110kV及以下两个电压等级的变电站。通常以主变低压侧母线电压和高压侧注入无功功率（或高压侧功率因数）作为调控考核的目标[4-6]。与110kV及以下的变电站情况不同，220kV变电站是高压输电网中的枢纽变电站，它一般有3个电压等级，既向当地的负荷供电，同时又向下一电压等级变电站供电。文献[7]中指出，不少220kV变电站的电压调控能力难以满足负荷波动需求，缺乏感性补偿，低压侧投入电容器单组容量较大，引起 10kV母线电压升幅较大，也容易造成中压侧电压偏高，这是没有较为清晰地考虑电压与无功功率之间的互动关系[8,9]；文献[7]提出了一种在低压侧接入直接式STATCOM 和并联电容器组组合成的离散与连续综合补偿配置方案，虽然该方法可以通过低压侧无功容量的精细调节来解决低压侧电压波动和改善高压侧功率因数，但没考虑中压侧的负荷波动和投入无功补偿装置后对中压侧电压的影响。文献[10]提出一种电压无功综合控制策略，在电压无功控制过程中以中压侧的电压为主控目标，同时兼顾高压侧的电压水平，采取在中压侧接入连续可调的感性无功补偿装置和并联几组电容器的方式，能够有效解决中压侧负荷波动引起的电压波动。但现在不少220kV变电站的中低压侧负荷波动并不一致，例如由于夜间电费便宜，10kV普通工业负荷增大，110kV铁路负荷减少，就会引起的中压侧电压偏高而低压侧电压偏低的情况，这时如果仅在一侧安装无功补偿装置会无法同时满足两侧电压需求，而如果在两侧都装无功补偿装置，如何进行协同控制和容量选择是问题的关键。

综合以上因素，针对220kV三绕组降压变电站，本文提出一种基于磁控电抗器和MSVC的变电站多电压等级无功电压综合控制方法，在中压侧接入MCR，在低压侧接入MSVC无功补偿装置，考虑变电站中、低压侧之间的相互影响，通过推导出的中低压侧无功补偿容量与中低压侧电压偏移的关系来指导中低压侧所接无功补偿容量的协调控制，并结合高压侧有载调压分接头的作用，实现变电站三侧电压的合格以及总体无功的平衡。

1 三绕组变压器多侧协调控制原理

三电压等级的变电站可以简化为如图1所示的等效电路[11]。Us、Xs为变电站接入系统的等值电压和等值电抗；X1、X2、X3为等值转换到高压侧的变压器阻抗参数；k1、k2为变压器高压侧对中压侧、高压侧对低压侧的电压比；QL2为中压侧磁控电抗器的补偿容量；QL3、QC3为低压侧磁控电抗器和电容器组的补偿容量；P2+jQ2、P3+jQ3为中压侧和低压侧的负荷功率。当改变OLTC分接头和投切无功补偿装置时，系统电压Us保持不变。负荷取恒阻抗模型。

图1 三电压等级变电站等效电路Fig.1 Equivalent circuit of three voltage level substation

为了分析中、低压两侧的无功补偿装置对变电站三侧母线电压的影响，做以下简化：①考虑到变压器上的功率损耗相对于其传输容量而言是非常小的，可忽略不计；②用线路的额定电压代替实际运行电压来近似计算电压降落；③忽略电压降落的横分量。以下的参数均为折算到高压侧的等效值。

以中压侧母线电压为例，分析补偿装置投入前后的影响。当中、低压侧均未投无功补偿装置时，有

中压侧磁控电抗器的无功补偿容量设为QL2，低压侧磁控电抗器和并联电容器组的无功补偿容量设为QL3、QC3。无功补偿装置投入后，中、低压侧母线电压设为、，对应的负载功率变为。

联合式（1）和式（3），并整理得

同理，可以分析出高压侧以及低压侧母线电压的变化情况。各侧电压的变化量与补偿容量之间的关系为

参数a～f均与系统参数及负荷状态有关。

为了简单地看出各侧电压变化与无功补偿容量的大致关系，进行进一步简化处理：忽略变压器励磁支路中的电阻值；因为各个参数均为折算到高压侧的等效值，可得

联合式（5）和式（6），并整理得

其中，Q中=QL2，Q低=QL3−QC3。

从式（7）可以看出，在低压侧进行无功补偿时对低压侧电压影响大于对中压侧电压的影响；在中压侧进行无功补偿时对中压侧电压影响大于对低压侧电压的影响。

由式（7）可以进一步推导出中低压侧无功补偿容量与中低压侧电压偏移的关系

2 控制目标及数学模型

220kV变电站中三绕组变压器的可调分接头均在高压侧，磁控电抗器装在中压侧，MSVC装在低压侧。通过调节这些可控设备，其控制目标是保证高、中、低压侧电压合格，无功基本平衡，尽量减少分接头调节次数及电容器投切次数[12,13]。

通过调节可控电抗器、MSVC的无功补偿容量以及有载调压变压器分接头的档位，即可达到以下控制目标：

（1）U1min＜U1＜U1max，U2min＜U2＜U2max，U3min＜U3＜U3max，即变电站高、中、低三侧母线电压均在允许的波动范围内。

（2）cosφmin＜cosφ＜cosφmax，要求负荷最小时不应向系统倒送无功功率，理论上功率因数最高为1，但实际运行中往往略低一些。

（3）在提高三侧母线电压合格率、优化无功补偿效果的情况下，尽可能地减少变压器分接头的日调节次数和电容器组的日投切次数。

因此变电站电压无功控制是个多限值（分接头和电容器日调节次数、电压、功率因数、其他要求）多目标（电压合格率、功率因数最高）的最优控制数学模型。实际中可根据需要采用综合多目标函数。一般把状态变量写成罚函数的形式，电压V罚函数可写成；功率因数罚函数可以写成Fcosφ=(cosφ− c osφset)2。因此，考虑变电站高、中、低三侧的电压质量以及高压侧功率因数的综合控制函数模型可定为如下的形式

式中，i=1,2,3分别表示变电站的高、中、低压侧；Vi、Viset、Vin分别表示变电站各侧的实际运行电压、设定的目标电压值以及相应的额定电压；cosφ为高压侧的实际功率因数，cosφset为功率因数设定的目标值；λi（i=1～3）表示高、中、低压侧的电压罚系数，λ4表示功率因数的罚系数。各侧母线目标电压值Viset、功率因数设定的目标值cosφset可随运行条件的改变而改变，以满足不同运行工况的需求。

变量约束条件为

式中，QC表示电容器投入的补偿容量；QMCRi（i=2,3）表示中压侧和低压侧磁控电抗器的补偿容量；∑T表示一天内变压器有载调压抽头的动作次数，∑NC表示电容器的投切次数，均应不超过限定值。

3 电压无功控制策略

要实现220kV枢纽变电站多电压等级无功电压的综合控制，需要在不同的运行条件下，根据当地电压和无功的变化情况，调节无功补偿容量以及变压器分接头。

高压侧系统短路容量较大，负荷变化时母线电压波动较小，电压无功综合控制过程中220kV母线电压以 220～231kV为合格范围，即将电压正偏差限制在5%以内。

中压侧和低压侧电压采用分时控制，即根据枢纽变电站的典型负荷曲线，划分高峰与低谷时段，分别采取不同的电压控制范围。根据枢纽变电站对电压质量的严格要求，采取逆调压的控制方式，即峰时段时使母线电压较高；谷时段时使母线电压较低。

根据运行的经验数据以及文献[14]，将110kV侧可初步划分20:00～06:00和06:00～20:00两个时段，分别为轻载和重载情况，母线电压分别控制在110～115kV和112～118kV；10kV侧母线电压划分22:00～08:00和 08:00～22:00两个时段，分别控制在 10～10.5kV和 10.2～10.8kV。考虑到 110kV侧和 10kV侧所带的负载性质不同，相应的重载和轻载时段的划分略有不同。

图2 电压分时段控制效果示意图Fig.2 Schematic diagram of time-segmented voltage control

根据《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》中规定：35～220kV变电站在主变最大负荷时，其一次侧功率因数应不低于0.95；在低谷负荷时功率因数应不高于0.95，且应不低于0.92。由于系统电压允许在一定的范围内波动，在变电站正常运行时首先保证电压合格，再调节无功功率。当电压在允许工作范围之内时，控制系统以高压侧的功率因数为主要控制目标；当电压超出允许工作范围时，控制系统就以电压为主要控制目标。这样可以首先保证电压合格，在此基础上尽量保证线路的功率因数在要求范围内，实现无功功率的就地平衡。

4 仿真研究

4.1 运行工况

某实际变电站有 2台 120MV·A主变压器，三侧分接头为220±8×1.25%/121/10.5kV，220kV侧有4回出线，充电功率21.1Mvar；110kV侧有7回出线，充电功率3.2Mvar；10kV侧装有 4×8Mvar合计32Mvar补偿电容器组。

该变电站无功电压监测与考核系统的统计数据表明，该变电站220kV和110kV侧电压长期处于偏高状态。有时主变压器有载调压开关调至第 I档后110kV母线电压仍然偏高，而 10kV母线电压却偏低。由于该变电站 10kV电容器组单组容量较大，当电容器组投入时，容易造成110kV母线电压越上限，甚至无功倒送至220kV主网。如果不投运补偿电容器组，则 10kV电压越下限运行，使用户端电压偏低，无功电压调节困难。

为解决该220kV变电站110kV侧电压偏高的现象，考虑在110kV侧增设直挂式新一代高性能可控电抗器。为避免电容器组的频繁投切，增设10kV并联可控电抗器，实现无功功率的动态连续调节和电压控制。110kV侧MCR容量定为25Mvar，补偿容量范围为0～25Mvar，10kV侧MCR容量定为8Mvar，MCR与电容器组组成的MSVC补偿容量范围为−32～8Mvar。

针对该变电站的控制框图如图3所示。对于控制框图中有电压越限的情况，可能是低压侧越下限而中压侧电压合格，这时需要在低压侧进行容性无功补偿提升低压侧电压，由式（7）可知这会使中压侧电压有所上升，如果中压侧电压距离中压侧电压上限有较大裕量，中压侧可以不投入无功补偿装置，根据式（7）算出低压侧所需的大致容量并投入；如果中压侧电压距离上限很接近，这时就要限制中压侧电压的偏移量，选择合适的中低压侧电压偏移量并由式（8）计算出所需的MSVC和MCR容量并投入。对于中压侧电压越上限而低压侧电压合格的情况分析与低压侧越下限而中压侧电压合格类似。对于中压侧越上限而低压侧越下限的情况根据式（8）计算出所需的MSVC和MCR容量并投入。在每次采取调压措施之后都得检测中、低压侧电压是否合格。在中低压侧电压都合格时，检测高压侧功率因数，当中低压侧均轻载时，功率因数应该为0.92～0.95；当不是这种情况时，功率因数应该大于0.92；根据该变电站的实际运行情况，中低压侧没有同时满载的情况，即不需要功率因数不小于0.95。如果不合格按框图中方法进行，在两种措施都可行时，优先选择降低无功补偿装置容量的措施，这可减少投入无功补偿的容量。

图3 两侧电压控制框图Fig.3 Two sides voltage control block diagram

4.2 仿真分析

为验证中压侧MCR与低压侧MSVC配合作用对变电站电压无功综合控制的有效性，建立了包含两台主变并且中压侧配置磁控电抗器、低压侧配置MSVC的变电站Matlab/Simulink仿真模型，仿真模型如图4所示，仿真过程中通过负荷的变化以及无功负荷的投切来模拟公共连接点电压的波动现象，就中低压两侧均重载、均轻载、中压侧重载低压侧轻载、中压侧轻载低压侧重载四种典型负载情况，对配合补偿前后三侧的电压变化及高压侧的无功平衡进行仿真分析。

图4 两侧协调控制仿真模型图Fig.4 Simulation model of coordinated control on both sides

4.2.1中、低压侧均重载时的仿真分析

某一时刻测得该变电站 10kV侧带 82.9%的额定负载，110kV侧带 91.2%的额定负载，并且投入了一组8Mvar补偿电容器组，变压器高压侧有载调压开关调至了第 4档，三侧电压分别为225.8kV、117.8kV、10.16kV。根据变压器重载时段的电压允许范围，此时高、中压侧的电压合格，低压侧的电压越下限。

若对变压器各侧单独调节，低压侧电压越下限，所以应该在低压侧另投一组电容器组和MCR，仅在低压侧投入MSVC时，10kV侧电压和110kV侧电压与投入无功补偿容量的关系如图5所示。下图中MSVC的容量是在原来已经投了8Mvar的容性无功之外另外投的，由图5可以看出，将低压侧电压补偿至合格范围，但中压侧电压会越上限，不能同时满足三侧电压的合格。因此，必须在中压侧装设MCR进行感性无功补偿抵消低压侧 MSVC进行容性无功补偿带来的110kV侧的电压升高。

图5 10kV侧投MSVC时两侧电压变化关系Fig.5 Relationship between changes of voltage on 10kV side of the cast MSVC

两侧均重载情况下的仿真分析结果见表 1，只在低压侧控制时，10kV侧所投总电容器组容量为16Mvar，同时该侧MCR的无功出力为6.03Mvar；三侧母线电压可分别补偿至 226.3kV、118.2kV、10.21kV，此时低压侧合格，中压侧越上限；当中低侧协调控制时，110kV侧MCR输出容量调至14Mvar，10kV侧增投容量为24Mvar电容器组，同时低压侧MCR出力调至 2.22Mvar，三侧母线电压可分别补偿至 225.7kV、117.5kV、10.23kV。通过两侧无功补偿装置的配合控制，可以实现三侧电压的合格。

表1 两侧均重载情况下的仿真分析结果Tab.1 Simulation results under heavy load

应该说明的是，并不是中低压两侧均重载，就一定要低压侧MSVC和中压侧MCR都运行。根据中低压侧所带重载的负载率不同，低压侧电压越下限的程度不一样，中压侧电压距离上限的裕度不一样，也可能只需在低压侧投入MSVC就可以补偿低压侧电压到合格范围，而中压侧电压仍没有越上限，此时中压侧MCR不需要进行无功补偿。本文上面所举中低压两侧均重载的例子中，必须中压侧 MCR和低压侧 MSVC协调运行的情况也存在，后面所举情况也有可能只需一侧进行无功补偿，理由与此类似。

4.2.2中、低压侧均轻载时的综合控制

某一时刻测得该变电站110kV侧带35%的额定负载；10kV侧带 24.8%额定负载，中低压两侧均处于轻载状态，投入了一组8Mvar并联电容器组，主变高压侧档位调至了第三档，三侧电压分别为229.5kV、115.9kV和 10.03kV，低压侧满足逆调压的电压要求，而中压侧电压越上限。

若对变压器各侧单独调节，中压侧电压越上限，所以在中压侧投入MCR运行，10kV侧电压和110kV侧电压与投入无功补偿容量的关系如图6所示。从图6中可以看出，要将中压侧电压补偿到合格范围，至少要补偿的感性无功容量大于3.2Mvar，但低压侧电压会越下限，因此，必须在低压侧装设MSVC进行容性无功补偿抵消中压侧 MCR进行感性无功补偿带来的10kV侧的电压降低。

图6 110kV侧投MCR时两侧电压变化关系Fig.6 Relationship between changes of voltage on 110kV side of the cast MCR

两侧均轻载情况下的仿真分析结果见表 2。只在中压侧进行控制，110kV侧 MCR投入 3.5Mvar无功容量时，三侧母线电压可分别补偿至229kV、114.8kV、9.976kV；中低压侧配合控制时，110kV侧投入 15.6Mvar的MCR，同时 10kV侧另投入两组并联补偿电容器组，MCR补偿容量为6.72Mvar，补偿之后三侧电压分别降为229.1kV、114.9kV、10.02kV，此时高压侧功率因数为0.954 4，三侧电压和功率因数都在允许范围内。

表2 两侧均轻载情况下的仿真分析结果Tab.2 Simulation results under light load

4.2.3中压侧轻载、低压侧重载的仿真分析

某一时刻测得该变电站中压侧带 27.5%的额定负载，处于轻载状态；低压侧带 79.9%额定负载，投入了一组电容器组，处于重载状态，变压器有载调压分接头接在第四档。三侧母线电压分别为228.4kV、115.4kV、9.993kV，中压侧电压越上限而低压的电压越下限。显然此时仅靠低压侧单独投入MSVC或中压侧单独投入 MCR均无法同时满足中低压两侧的电压要求。

中压轻载、低压重载情况下的仿真分析结果见表3。在中压侧投入MCR吸收过剩的容性无功，而低压侧投入MSVC补充容性无功，补偿后中压侧电压变为114.9kV，低压侧电压变为10.24kV，均在要求范围内。

表3 中压轻载、低压重载情况下的仿真分析结果Tab.3 Simulation results with medium-voltage side light load and low-voltage side heavy load

4.2.4中压侧重载、低压侧轻载的仿真分析

某一时刻测得该变电站中压侧带 90.4%额定负载，处于重载状态；低压侧带 16.6%额定负载，处于轻载状态；有载调压抽头接第六档。三侧母线电压分别为226.3kV、114.6kV、9.969kV，中压侧电压合格而低压侧电压越下限。在低压侧需投MSVC进行容性无功补偿。

中压重载、低压轻载情况下的仿真分析结果见表 4，仿真分析表明，低压侧只需投入无功容量为15.7Mvar，就可以将低压侧电压补偿至 10.22kV，满足轻载时的电压范围要求；中压侧电压从原来的114.6kV上升至117.1kV，提高了中压侧的电压水平。

表4 中压重载、低压轻载情况下的仿真分析结果Tab.4 Simulation results with medium-voltage side heavy load and low-voltage side light load

需要说明的是，该枢纽变电站中两台主变压器的电压比均为220±8×1.25%/121/10.5kV，且由于降压变压器结构的影响，中压侧的阻抗参数远小于低压侧，这使得实际运行中中压侧母线电压标幺值较之低压母线电压标幺值一般都要大。当中压侧重载而低压侧轻载时，逆调压要求中压侧电压较高而低压侧电压较低，故这种负荷情况下只需在低压侧投入MSVC进行容性无功补偿就能较易实现两侧电压同时合格。

以上的仿真结果表明，在各种不同的运行方式下，110kV侧MCR与10kV侧MSVC相互协调，通过配合补偿均可有效改善三侧母线电压水平，满足枢纽变电站的电压质量要求。

5 结论

本文提出的基于MSVC的变电站多电压等级无功电压多目标综合控制方法，考虑变压器各侧之间的相互影响，通过中、低压侧无功补偿装置的配合作用，可在各种不同的运行方式下实现三侧电压合格以及总体无功的基本平衡。搭建了某实际变电站的仿真模型，通过仿真说明了在中压侧电压越上限而低压侧合格但距低压侧下限很近，低压侧越下限而中压侧合格但距中压侧上限很近，低压侧越下限而中压侧越上限等几种情况下必须使用两侧无功补偿装置协调作用的必要性。同时可减少变压器分接头动作次数以及电容器组的投切次数。

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