一种高压配网变电站多侧电压无功协调优化控制方法

摘要

一种高压配网变电站多侧电压无功协调优化控制方法，步骤包括：建立变电站各侧电压无功协调优化阻抗模型集；计算中低压侧各侧短路阻抗，对变电站协调优化模型集进行修正，并将模型录入协调控制器；选择对应的协调优化阻抗模型；实时测量主变压器三侧母线、低压侧的静止无功补偿装置MSVC和中压侧的可控电抗器MCR的运行数据，优化计算主变分接头档位、中压侧的可控电抗器MCR和低压侧的静止无功补偿装置SVC的投入容量；根据优化结果调节主变压器分接头档位，对两侧无功补偿装置采用双闭环控制，遵循协调优化阻抗模型的外环控制调节两侧的无功补偿装置，在确保中压侧参数不越限的前提下，低压侧的静止无功补偿装置MSVC采用自闭环控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压配网变电站多侧电压无功协调优化控制方法，特别涉及一种以变电 站高中低压侧电压无功为综合控制目标，控制中低压两侧磁控电抗器MCR型静止无功补偿 装置SVC，实现变电站各侧的电压无功综合协调优化控制方法。

背景技术

随着社会经济的发展，大功率整流设备、电弧炉及电力机车等大功率感性和非线性设备 的大量运用，由此带来的电压无功问题越来越严重。电力系统中，电压质量对电力系统的安 全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及用电设备的安全和寿命有重要的影响。 无功优化是实现系统经济运行的要点，而电压和无功功率的调节具有紧密的联系。电力系统 的运行电压水平取决于无功功率的平衡，无功不足会引起电压偏低，反之会使得电压偏高， 因此有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，还能提高电力系统运行的稳 定性和安全性，获得较好的经济效益。

传统的变电站电压无功控制是对单侧（多为低压侧）的无功补偿装置进行的，控制方法 主要有：九区图或五区图控制、电压/功率因素控制和逆调压控制等。其中，最基本的方式是 变电站电压无功控制，而该方式普遍采用调节变压器分接头、投切电容器组等。近年来，静 止无功补偿装置SVC的应用实现了无功的连续平滑调节，达到了电压无功的动态自动补偿控 制。

据相关文献，静止无功补偿装置SVC由电容器组和可控电抗器组成，应用较广的晶闸管 控制电抗器TCR受电力电子器件特性所限，仅用于35kV及以下电压等级。目前应用比较多 的TCR型SVC大多仅以功率因数或是某个等级的电压或功率因数作为目标，控制目标相对 单一，未能充分考虑系统的复杂性，难以实现较好的多目标优化控制。

当静止无功补偿装置SVC用于变电站的某各电压等级的电压无功控制时，静止无功补偿 装置SVC往往经由变压器的低压母线接入系统，在不同的系统运行方式和不同负荷水平下， 静止无功补偿装置SVC对于各侧的电压调节不一定同步，可能出现高压侧偏低而低压侧偏高 或高压侧正常而低压侧偏低等复杂情况。此时，静止无功补偿装置SVC对于低压侧的调节可 能导致其他侧的偏高或偏低，难以兼顾变压器各侧母线的供电电压。

在高压配电网中，220kV变电站多采用三绕组变压器，如：220kV/110kV/10kV或 220kV/110kV/35kV，有多个电压等级的线路。现有的电容器组和静止无功补偿装置SVC多为 35kV及以下电压等级，而中压侧母线的电压无功调节主要通过变压器高压侧分接头和低压无 功补偿装置配合调节来实现。采用这种方式存在的主要缺点在于：一方面，很难应对各侧电 压无功调节不一致的复杂情况，更难以同时兼顾各侧电压无功的精确控制；另一方面，通过 低压侧的无功补偿装置来补偿中压侧的无功导致大量无功穿越变压器，造成大量电能损耗， 影响变压器的经济运行和使用寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高压配网三绕组变压器多侧电压无功协调优化控 制方法，该方法采用中压侧的磁控电抗器MCR和低压侧的MCR型静止无功补偿装置MSVC 进行协调优化控制。协调优化控制系统包括中压侧MCR、低压侧MSVC、中低压母线及各装 置电压电流互感器，由协调优化控制器来监测三侧母线电压、电流和无功功率，并控制多个 装置。本系统的控制方法包括：搭建模型、实时监测、协调优化和控制，具体步骤如下：

1）将主变压器的低压侧的MCR型SVC的安装容量（MCR容量、电容器组总容量和各 组容量配置）和中压侧直挂MCR的安装容量录入协调控制器；

2）按铭牌参数计算主变压器运行等效模型，针对不同运行方式下，高压侧系统短路阻抗 和变压器的运行状态（分列/并列运行），得到不同运行方式下变电站各侧电压无功协调优化 阻抗模型集，以下简称“协调优化模型集”；

3）利用电力系统仿真软件，计算不同运行方式下中低压侧各侧短路阻抗，对变电站协调 优化模型集进行修正，使更符合实际运行状态，以便更精确的实现协调优化控制，并将模型 录入协调控制器；

4）根据主变分接头档位投切信息，变电站系统和主变压器运行方式，实时选择对应的协 调优化阻抗模型。

5）实时测量主变压器三侧母线、低压侧MSVC和中压测MCR的运行数据，优化计算主 变分接头档位、中压侧MCR和低压侧SVC的投入容量；

上述优化条件包括：高中低压三侧母线电压水平，中低压侧功率因数和有功功率。遵循 中压侧功率因数和低压侧母线电压水平优先的原则，再综合考虑各侧电压水平和功率因数。

6）根据优化结果调节主变压器分接头档位，对两侧无功补偿装置采用双闭环控制，遵循 协调优化阻抗模型的外环控制调节两侧的无功补偿装置，在确保中压侧参数不越限的前提下， 低压侧MSVC采用自闭环控制。

本发明采用基于多级虚拟气隙优化技术的新型虚拟气隙可控电抗器，其总谐波含量不超 过2.5%额定电流；响应速度快，过渡过程时间不大于20ms～60ms；损耗降低，额定输出容量 下的有功损耗约为0.8%，而平均损耗约为0.5%。因此，能较好的满足系统控制要求，有较 好的经济运行效益。

附图说明

图1为本发明的多侧电压无功协调优化控制系统框图。

图2为三绕组变压器的等效电路图。

图3为变电站各侧电压无功协调优化阻抗模型图。

图4为基于变电站各侧短路阻抗的协调优化阻抗模型图。

图5为本发明所述的控制方法流程图。

具体实施方法

如图1所示，本发明所述的多侧电压无功协调优化控制系统，协调优化模型如图2、图3 和图4所示，实时监测、协调优化和控制流程如图5所示。具体实施方法如下：

1、根据主变铭牌参数，对变压器参数进行计算并折算到高压侧的等效值，得出三绕组变 压器的等效电路图如图2所示。具体计算过程如下：

（1）首先，将容量较小绕组有关的短路损耗进行折算ΔP_S1-3=n²ΔP'_S1-3，ΔP_S2-3=n²ΔP'_S2-3， 则各绕组的短路损耗ΔP_Sn和电阻R_n为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta P}}_{S1}=\frac{1}{2}({\mathrm{\Delta P}}_{S1-2}+{\mathrm{\Delta P}}_{S1-3}-{\mathrm{\Delta P}}_{S2-3})\\ {\mathrm{\Delta P}}_{S2}=\frac{1}{2}({\mathrm{\Delta P}}_{S1-2}+{\mathrm{\Delta P}}_{S2-3}-{\mathrm{\Delta P}}_{S1-3})\\ {\mathrm{\Delta P}}_{S3}=\frac{1}{2}({\mathrm{\Delta P}}_{S1-3}+{\mathrm{\Delta P}}_{S2-3}-{\mathrm{\Delta P}}_{S1-2})\end{array}\right)\Rightarrow \begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{R}_1=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{S1}{U}_N^2}{S_N^2}\\ R_2=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{S2}{U}_N^2}{S_N^2}\\ R_3=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{S3}{U}_N^2}{S_N^2}\end{array}\right).---\left(1\right)\end{array}$

（2）计算各绕组的短路电压U_Sn%和电抗X_n为：

$\left(\begin{array}{c}{U}_{S1}\%=\frac{1}{2}(U_{S1-2}\%+U_{S1-3}\%-U_{S2-3}\%)\\ U_{S2}\%=\frac{1}{2}(U_{S1-2}\%+U_{S2-3}\%-U_{S1-3}\%)\\ U_{S3}\%=\frac{1}{2}(U_{S1-3}\%+U_{S2-3}\%-U_{S1-2}\%)\end{array}\right)\Rightarrow \begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{X}_1=\frac{U_{S1}\%U_N^2}{S_N}\\ X_2=\frac{U_{S2}\%U_N^2}{S_N}\\ X_3=\frac{U_{S3}\%U_N^2}{S_N}\end{array}\right)---\left(2\right)\end{array}$

（3）计算变压器的励磁电阻R_m、励磁电抗X_m及功率损耗ΔP_o+jΔQ_o为：

$\left(\begin{array}{c}{G}_T=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_o}{U_N^2}\Rightarrow R_m=\frac{1}{G_T}\\ B_T=\frac{I_o\%S_N}{U_N^2}\Rightarrow X_m=\frac{1}{B_T}\end{array}\right)---\left(3\right)$${\mathrm{\Delta P}}_o+{\mathrm{j\Delta Q}}_o={\mathrm{\Delta P}}_o+j\frac{I_o\%}{100}{S}_N---\left(4\right)$

其中，U_N为变压器额定电压，S_N为变压器额定容量，ΔP'_S1-2、ΔP'_S1-3、ΔP'_S2-3为短路损耗， U_S1-2%、U_S1-3%、U_S2-3%为阻抗电压百分数，ΔP_o为空载损耗，I_o%为空载电流百分数。

2、针对不同运行方式下，高压侧系统短路阻抗X_S和变压器的运行状态（分列/并列运行）， 得到变电站各侧电压无功协调优化阻抗模型集。

设中压侧MCR安装容量为为Q_110kV和低压侧MSVC安装容量为Q_10kV，考虑到变压器等值 电路模型中励磁支路阻抗参数远大于负载支路，故略去励磁支路；另外由于R_n<<X_n，所以将 电阻也忽略不计。简化后变电站各侧电压无功协调优化阻抗模型如公式5，其模型图如图3 所示。由公式5中各侧无功投入容量Δ_Q引起电压变化量Δ_U的函数关系，可计算出调节电压 所需无功补偿容量。

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta U}}_{220\mathrm{kV}}=-\frac{({\mathrm{\Delta Q}}_{110\mathrm{kV}}+{\mathrm{\Delta Q}}_{10\mathrm{kV}})X_S}{U_n}\\ {\mathrm{\Delta U}}_{110\mathrm{kV}}=-\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_{110\mathrm{kV}}(X_S+X_1+X_2)+{\mathrm{\Delta Q}}_{10\mathrm{kV}}(X_S+X_1)}{U_n}\\ {\mathrm{\Delta U}}_{10\mathrm{kV}}=-\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_{110\mathrm{kV}}(X_S+X_1)+{\mathrm{\Delta Q}}_{10\mathrm{kV}}(X_S+X_1+X_3)}{U_n}\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，X_S为高压侧系统短路阻抗，X₁、X₂、X₃分别为变压器高中低压侧绕组等值阻抗， ΔU_220kV、ΔU_110kV、ΔU_10kV分别为变压器高中低压侧电压变化量，ΔQ_110kV、ΔQ_10kV分别为中低 压侧无功投入容量，U_n为高压侧母线电压。

3、根据电力系统计算和相关仿真软件，可知不同运行方式下三侧的短路阻抗，对变电站 协调优化模型进行修正，能更好反映实际运行情况。

高中低压侧短路阻抗为X_SC220、X_SC110、X_SC10，由公式6可得系统侧阻抗X_SC-S、高中低 压侧绕组阻抗X_SC-1、X_SC-2、X_SC-3。

$\left(\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{SC}220}\Rightarrow X_{\mathrm{SC}-S}\\ X_{\mathrm{SC}110}\Rightarrow X_{\mathrm{SC}-S}+X_{\mathrm{SC}-1}+X_{\mathrm{SC}-2}\\ X_{\mathrm{SC}10}\Rightarrow X_{\mathrm{SC}-S}+X_{\mathrm{SC}-1}+X_{\mathrm{SC}-3}\end{array}\right)---\left(6\right)$

由短路阻抗得到基于变电站各侧短路阻抗的协调优化阻抗模型图如图4所示，与图3所 示的变电站各侧电压无功协调优化阻抗模型相似。因此，根据不同运行方式下的无功补偿对 电压调整的不同关系，对协调优化模型进行修正，得到修正后的协调优化模型如公式7所示。

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta U}}_{220\mathrm{kV}}=-\frac{({\mathrm{\Delta Q}}_{110\mathrm{kV}}+{\mathrm{\Delta Q}}_{10\mathrm{kV}})X_S^{\prime }}{U_n}+\alpha \\ {\mathrm{\Delta U}}_{110\mathrm{kV}}=-\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_{110\mathrm{kV}}(X_S^{\prime }+X_1^{\prime }+X_2^{\prime })+{\mathrm{\Delta Q}}_{10\mathrm{kV}}(X_S^{\prime }+X_1^{\prime })}{U_n}+\beta \\ {\mathrm{\Delta U}}_{10\mathrm{kV}}=-\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_{110\mathrm{kV}}(X_S^{\prime }+X_1^{\prime })+{\mathrm{\Delta Q}}_{10\mathrm{kV}}(X_S^{\prime }+X_1^{\prime }+X_3^{\prime })}{U_n}+\gamma \end{array}\right)---\left(7\right)$

其中，X'_S为高压侧系统短路阻抗，X'₁、X'₂、X'₃分别为变压器高中低压侧绕组等值阻抗。 增加的常数项α、β、γ，可在实际调试时得到，用于校正无功电压调节中存在的固定电压偏 差。

重复上述步骤，可得不同运行方式下的多个协调优化阻抗模型，组成模型集，便于针对 运行方式实施优化控制。

如图5所示，本发明的协调优化控制流程包括：参数模型录入、实时监测、协调优化和 控制流程。关键实施步骤如下：

1）参数模型录入：录入主变压器参数、无功补偿装置参数和电压无功协调优化阻抗模型 集。根据主变分接头档位投切信息，变电站系统和主变压器运行方式，实时选择对应的协调 优化阻抗模型。

2）实时监测：实时测量主变压器三侧母线、低压侧MSVC和中压测MCR的运行数据， 优化计算主变分接头档位、中压侧MCR和低压侧SVC的投入容量。

3）协调优化和控制：对两侧无功补偿装置采用双闭环控制，遵循协调优化阻抗模型来控 制调节两侧无功补偿装置投入容量。

以功率因数为优化目标则需要功率因数与补偿容量之间的关系，以短时间负荷有功功率P 不变为前提，补偿前后的功率因数cosα和cosβ与所需无功补偿容量ΔQ之间的关系如公式7 所示。

$\mathrm{\Delta Q}=P[\sqrt{\frac{1}{{\left(\cos \alpha \right)}^2}-1}-\sqrt{\frac{1}{{\left(\cos \beta \right)}^2}-1}]---\left(7\right)$