Transmission and Distribution Engineering and Technology
Vol.04 No.03(2015), Article ID:16001,22 pages
10.12677/TDET.2015.43005

Reactive Power Optimization Study on Transmission System in Cape Town, South Africa

Fengzhen Ma

School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing

Email: mfengzhen0509@163.com

Received: Aug. 15th, 2015; accepted: Sep. 5th, 2015; published: Sep. 8th, 2015

Copyright © 2015 by author and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

This paper conducts a study with the view of optimizing the reactive power flow on 400 kV and 765 kV Transmission Lines in the Cape Regions, South Africa. The power flowing on the system has a significant reactive component due to the long transmission distances. The appropriate flow of reactive power and the management of VAr sources are essential in the overall performance of this part of the system since it impacts directly on the available levels of supply capacity. The report will provide specific recommendations on optimal SVC voltage set-points and droop settings, tap-changer reference values and shunt device switching philosophy. As a starting point, the reactive power flow in the year 2006 was examined to establish a “base case” against which “future year” cases could be referenced. Two future dates were considered in the analysis: 2009 and 2012. Results show the reason why a VAr originates in a network and how to deal with these problems. The flow of steady-state reactive power on the system was analysed in 2009 and 2012.

Keywords:Transmission System, Reactive Power Optimization, SVC, Steady-State Study

南非Cape Town输电网络无功功率优化研究

马凤珍

中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京

Email: mfengzhen0509@163.com

收稿日期:2015年8月15日;录用日期:2015年9月5日;发布日期:2015年9月8日

摘 要

本文对南非Cape Town的400 kv和765 kv的输电网络的无功功率优化进行了可行性研究。由于输电距离长,这个系统中存在着不可忽视的无功功率。适当的无功潮流和无功电源的整体性能管理是电力传输系统的一个组成部分,因为它直接影响到系统的输送容量。本文将为此输电网络提供最佳的SVC电压的具体建议设置点和下垂设置、分接开关的参考值和分流器开关原理。采用的研究方法是将2006年作为案例分析的一个起点,对本系统的无功功率进行了分析,建立一个基准,以便对未来几年电网的无功功率进行对比分析。两个用来分析比对的算例是2009年和2012年该系统的无功功率流动情况。研究的结果解释了此系统无功功率产生的原因和怎样优化无功功率,并根据基准对2009年和2012年系统的稳态状况进行了分析。

关键词 :输电网络,无功功率优化,静止型动态无功补偿,稳态分析

1. 介绍

Trans-Africa Projects (TAP)公司联合了Power System Dynamics (PSD),对提供给Cape Regions的400 kv和765 kv输电网络中的无功功率进行调查。通过Mpumalanga省东北部400 kv网络(主要是串联补偿)和765 kv输电线路,Cape Regions的负荷中心地区连接到集中发电池的距离大约是1500公里。本研究的重点是调查Koeberg/Muldersvlei变电站之间的部分系统(南)及Alpha/Zeus变电站(北)。这个系统将被称为Cape Transmission System,按Eskom公司的规划方式,它以跨越西部,东北部和南部(中央部分)网络(参见图1) 为主。由于Cape Transmission System的长距离传输,在忽略其他条件的影响下,仅考虑这个网络的无功因素。因此,适当的无功潮流和无功电源的整体性能管理是Eskom公司电力传输系统的一部分,因为它直接影响到可用的供应能力。Eskom目前专注于扩大Cape Transmission System输电能力。最重要的组成部分是扩展计划,扩展现有765 kv系统到Cape Town (765 kv系统目前终止于Hydra变电站)。计划将于2012年完成765 kv系统的扩展。本文以这一案例研究如何优化无功功率流动。

由于Cape Transmission Network传输距离很长,它有明显的无功功率。通过对并联无功补偿网络有效的控制,可增加兆瓦级电力传输容量,增加的传输容量主要因为I2R损耗的减少 [1] 。此外,这也会减少电压骤降情况的概率,因为增加了电压的稳定裕度。特别是,可以通过并联电容器注入适当的无功功率,适当的调整电压控制设定点和SVC的斜坡,以及选择765/400 kv变压器正确的分接开关位置来优化无功功率。

本文调查的目的是最大限度的减少不适当的流动来优化Cape Transmission Network的无功功率流,只要功率传输能力和可靠性在技术上有可行性。此外,这项研究的一个重要成果是研究Eskom公司如何达到预期的优化目标。特别的,本文将提供最佳的SVC电压的具体建议设置点和下垂设置、分接开关的参考值和分流器开关原理。

采用的研究方法是将2006年作为案例分析的一个起点,对本系统的无功功率进行了分析,建立一个基准,以便对未来几年电网的无功功率进行对比分析。两个用来分析比对的算例是2009年和2012年该系统的无功功率流动情况。

Figure 1. 2009 Network

图1. 2009年网络

注:

1) Eskom公司目前正在升级Perseus,Hydra和Poseidon三处AEG的SVC控制系统。新的控制系统将在2008年底实现。在这个报告结果中考虑到的设定点和外部设备交换理念,将在新的SVC控制器中实施。

2) Cape的765 kv网络的扩展,其中包括Zeus,Mercury,Perseus,Gamma,Kapa和Omega变电站,计划在2012年完成,这些扩展已被列入2012年案例中。这个报告也因此解决了2012年实现765 kv无功功率传输网络扩展的问题。

2. 无功功率流动系统描述

Cape Transmission System中的400 kv线路主要是串联补偿电容提高传输能力。765 kv系统,连接Alpha和Hydra变电站,距离约720公里,覆盖部分400 kv系统。到2012年,765 kv输电网将扩展到Cape Town全市,那时它将完全覆盖现有400 kv系统。

Cape Transmission System可以被分为主干传输网络,连接Koeberg/Muldersvlei变电站到Perseus/Beta变电站(见图1)。本主干网络基本上处于一个单一的电力走廊。主干网络在Perseus/Beta变电站的北部分为400 kv和765 kv的电力走廊。The Greater Eastern Cape Region由三条线路供电,一条是从主干网络分出的400 kv线路,一个双线从Hydra变电站分出的400 kv线路,一个从Beta变电站分出的400 kv线路(一个最近建成的项目)。The Greater Eastern Cape Region的两个主要负荷中心是Port Elizabeth和East London。设想的将要建在Port Elizabeth的Coega工业负荷,也将由三线400 kv系统供电。Hydra变电站有一分叉点,使连接Hydra变电站和Muldersvlei变电站的骨干400 kv系统向南运营,连接Hydra变电站和Koeberg发电站的北部400 kv环网,通过Aries变电站向北运行。所有Perseus和Beta以南的400 kv输电线路都是串联补偿。总共有6个大型SVC系统安装在Cape Transmission System中。其中的5个SVC位于Hydra,Perseus和Poseidon变电站的中间,每个都有−250/250兆乏的调节能力。第五个SVC,负载补偿SVC的范围−150/200兆乏,位于Muldersvlei变电站,接近Western Cape省负载中心。400 kv网络提高传输能力,进行电压调节都需要这些SVC。

出于对2009年和2010年运行状况的考虑,为分析数据做如下准备:

1) 2009年的调查文件模拟现有Cape Transmission Network对400kv网络一些微小的改动。有问题的示意图网络如图1所示。

2) 2012年的调查文件模拟了2009年的网络条件,添加第一个765 kv线路到Cape Town。在系统规划中拟议了765 kv的解决方案。Coega工业负荷和SVC有关项目还包括2012年的研究文件。图2显示了2012年Cape Transmission Network的示意图,和765 kv扩建计划项目。

注:

以下修正了来自Escom公司2012年的案例文件:

1) 总线6024年和2900年通过零阻抗线连接到一块,并且他们都连接有可投切电容器组。为了避免电压控制冲突的问题,将他们连到一个总线上,并在两个控制总线间连一个零阻抗线;

2) 发电机将控制发电机变压器高压侧母线电压。这扰乱了网络中的无功功率。控制模式发生了很大变化,所有的发电机控制发电机变压器低压侧母线电压;

3) Hydra和Perseus的SVC作为发电机(TCR部分的蓝本),并将可投切电容器组与下垂式变压器的低压侧相连(见3.5节)。在“下垂”变压器背后,SVC模型通过适当的MVAr限制变成一个无功电源。

4) 765/400 kV变压器都是固定比例抽头。

在2006年6月2006年12月负荷试验被用作最大值和最低基数的情况下。

3. 研究方法、技术标准及处理假设

3.1. 无功功率(VAr)流动问题

网络中无功不匹配这种情况的产生主要是由于以下两种机制:1) 传输线路的并联阻抗和负载,这主

Figure 2. 2012 Network

图2. 2012年网络

要是涉及到系统电压分布[2] 。2) 传输线路的串联阻抗和变压器,这涉及到网络中功率流。在这两种情况下,无功功率的失配应该放在局部解决。应该独立地应用于不同的电压水平。如果无功功率传输是通过电力网络或从一个电压等级到另一个等级,它增加了功率损失和增加了关键部件不必要的负载;也会增加网络电压发生不稳定扰动事件的可能性。

3.2. 基本解决方案

系统上使用的无功补偿设备大部分都是固定设备。这意味着可以使用并联和串联设备,补偿线路和负荷的无功功率,从而在数值和运行单元上控制电力网络的电压分布;线路电抗器应用于线路补偿(主要是为了限制开关过电压),而不是为了电压调节。同样的道理也适用于母线电抗器,在正常工作条件下,应该用于电压调节的目的,而不是线路补偿。此外,当无功功率在网络中不同点间流动(同一电压等级或不同电压等级),网络电压不容易稳定;例如,突然失去变压器时,高电压系统会向低电压系统注入大量的无功功率,导致系统电压不稳定。保护方案应该是,当线跳闸时,尽可能的使补偿装置同时从系统断开,以适应改变的潮流要求。

网络不同部分的无功功率的管理,理想情况下,应该考虑特定部分的典型需求,使能在本地得到解决。稳态无功可以用静态分流设备解决,而动态无功应由像SVC,AVrs等动态设备来解决。

通过765/400 kV耦合变压器施限制无功功率;无功功率的量应该低于400 MVAr。让400 kvSVC的参考电压跟随765 kv电压是一个可行的解决方案。

3.3. 系统操作

Cape Transmission System的操作是基于考虑发生在Hydra变电站南北的情况。Hydra变电站是Cape Transmission System中的一个关键节点,因为通向西部、南部和Namaqualand地区的所有线路都连接到这个变电站;因此,所有流入这些地区的电力必须通过这一个变电站。Hydra Substation也是一个向the Greater Eastern Cape Region供电的关键连接点。当在Koeberg的其他发电厂被迫中断时,Cape Transmission System将在为消费者提供电力中发挥重要作用。

表1显示了每个研究案例数据来源。

3.4. SVC模型

作为包含在Eskom公司PSS/E案例文件的Hydra和Perseus的SVC模型,它会影响外部连接设备的开关。如下(图3)所示,Eskom模型采用变压器来代表SVC的下垂。该并联电容器被清楚的建模且并联到发电机上(TCR部分),来模拟在SVC的整个范围内,电容器组上二次电压变化的影响。以这种方式对SVC建模的问题是SVC2%的下垂。实际的降压变压器通常是12%,这种方式则少得多。因此,并联电容器上电压的影响没有完全考虑进SVC的设计中,由并联电容器组上电压的影响而造成的任何情况,制造商都要考虑到,以确保设计参数满足高压母线的要求。

图4图5显示了SVC的初级和次级电压0%和5%的下垂。它还表明SVC的输出会根据不同的内部设备而切换。很明显,二次电压的变化不是由下垂决定的,而是由SVC降压变压器的阻抗[3] 。因此提出了模拟SVC,把它作为在仅有的变压器后的一个无功发生器,变压器阻抗代表了SVC下垂。发电机由于SVC的作用可以有兆乏的变化范围,SVC中的分流开关将被正确地模拟。

在实际中,TCR的输出决定外部设备的开关点。在PSSE中不易实现。然而在这个案例中对于SVC中的下垂,外部设备的开关可以配合高压母线的电压变化。例如,从图5中,可以看到,如果外部设备的设定点设定在0.99 pu和1.01 pu的输出电压,SVC的输出会有±0.2的波动。

Table 1. Generation pattern

表1. 产生案例

Figure 3. SVC model

图3. SVC模型

Figure 4. SVC VI-characteristic with 0% droop

图4. SVC 0%下垂时的VI特性曲线

Figure 5. SVC VI-characteristic with 5% droop

图5. SVC 5%下垂时的VI特性曲线

4. 稳态研究

首先分析the Cape Transmission System上稳态无功功率。这种分析指出最敏感地区网络中的无功功率流动。本节一开始就说明了对网络无功功率的测试结果是2006年的。接着是对2009年无功功率的预测分析。正常负载量的增加和新发电厂的加入等重要的因素都考虑到了。最后,调查加入了2012年电网状况的分析。2012年的网络包括前面提到的765kv扩张计划(第一个765 kv到Cape Town)和Coega工业负荷的规划。

4.1. 无功功率流

这个分析显示出了,2006年仅Koeberg发电机工作,高负载情况下电网中无功功率的流动。此分析的结果为网络的功率流提供了一个基准参考,并对2009和2012案例分析提供了方向。

4.1.1. 高负载条件下

图6显示了2006年,最大无功功率流在高负载情况下的各种单一故障停电,并将其列于表2。无功功率的最大值记录在线路或者变压器的一侧。

1) 结果根据线路各自的颜色来分组。这些线路包括765 kv行,Hydra以北400 kv的线路,Cape东部400 kv线路,400 kv线路在北开普,400 kv线路在开普敦南部在开普敦地区400 kv线路。765/400 kV变压器,400千伏SVC也组合在一起。

2) 图6显示了一个无功功率限制,记为“Q限制”(橙色)。这极限值的选择与特定电压水平下一个可调并联设备的大小相匹配。765 kv和400 kv设备的无功功率分别为400 MVAr和100 MVAr。此数值远高于敏感地区显示的限制值。

3) 最大无功功率系统正常运行使用“Healthy Max Q”(红色)表示。

4) 所有突发事件的平均无功功率是“AllAverage Q”(绿色)。

5) 所有突发事件的最大无功功率是“AllMax Q”(蓝色)。

6) 排除北环突发事件的最大无功功率流动,用“Excl north ring Max Q”(黑色)。

Beta-Perseus 400 kv线路总是有很高的无功功率流。这导致765 kv线路产生的无功功率,流入了400 kv线路的电抗器和Perseus的SVC中。这已经被Beta的765/400 kV变压器和Perseus的400 kv线路上的SVC证实了。当Beta-Hydra 765 kv线路退出电网后,Beta-Hydra和Perseus-Hydra 400 kv线路的无功功率会增加。该图的最大价值在于,排除在北环无功功率远低于Hydra南部线路的最大值这一偶然事件。由此可见,网络最为敏感的是北环上的突发事件。

Figure 6. The maximum reactive power flows under 2006 high load

图6. 2006年高负载情况下的最大无功功率

Table 2. List of contingencies and associated losses for 2006 high load case

表2. 2006年高负载情况下的突发事件和相关的损失清单

图7显示了线路、变压器和SVC各自的最大和最小无功功率。正值表示无功功率是流入线、变压器

Figure 7. The maximum and minimum reactive power flows of 2006 high load

图7. 2006年高负载情况下的最大和最小无功功率

或SVC的。第一个变电站描述的名称,是“从”总线(黑色曲线),第二个变电站是“到”总线(蓝色曲线)。只要黑色和蓝色的曲线有不同的信号,就表明有无功功率流过,例如Beta-Perseus 400 kv线路。如果黑色和蓝色曲线有相同的标志和一个较大的幅度,它表明线路有无功功率生成,例如,在Alpha-Beta 765 kv线路。

图8显示的数据来自图7,但现在用来表示线路流动或者产生的无功功率,以与最大无功功率的比例显示,并产生一个排名。“% of max Q flow”表示从线路中流进或流出的无功功率最小值。“% of max Q generation”表示无功功率的总和。

图8确认无功功率的产生,在Beta和Hydra变电站,从765 kv线路流过765/400 kV变压器,更进一步到底层400 kv网络,如图所示的紫色线。

图8还显示了Beta-Perseus-Hydra,Hydra-Kronos-Aries-Helios-Juno-Aurora和Hydra-Droeërivier-Bacchus- Muldersvlei的400 kv线路传输超过200 MVAr的无功功率,用灰色线表示。

4.1.2. 轻载条件

图9显示了在2006年,轻负荷情况下的最大无功功率,突发事件由表3列出。用与绘制高负荷情况的方法来绘制此结果。

通过Alpha和Betha 765 kV的电抗器切换来解决轻载情况。这缓解了在Beta变电站765/400 kV变压器,Beta-Perseus线路,Perseus变电站的无功情况。可见,系统正常情况下和无功功率最大的情况之间并没有显著差异。由此可以得出结论,在轻载情况下,无功功率对突发事件不敏感。

图10显示了各个线路端口、变压器和SVC的最大和最小无功功率。正值表示无功功率流入。第一个变电站描述的名称,是“从”总线(黑色曲线),第二个变电站是“到”总线(蓝色曲线)。

图11显示的数据来自图10,但现在用来表示为线路流动或者产生的无功功率,以与最大无功功率的比例显示,产生一个排名。“% of max Q flow”表示从线路中流进或流出的无功功率最小值。“% of max Q generation”表示无功功率的总和。

Figure 8. The reactive power flows and generation of 2006 high load

图8. 2006年高负载情况下的无功功率的流动和产生

Figure 9. The maximum reactive power flows of 2006 light load

图9. 2006年轻载情况下的最大无功功率

图11可以看出,在网络的北部显示出了很高的无功功率。

4.2. SVC电压设定值对无功功率流的影响

图12显示了在2006年高负载情况下的无功功率流动,在系统正常工作时,不同的SVC电压设定值

Table 3. List of contingencies and associated losses for 2006 light load case

表3. 2006年轻载情况下的突发事件和相关的损耗清单

Figure 10. The maximum and minimum reactive power flows of 2006 low load

图10. 2006年轻载情况下的最大和最小的无功功率

Figure 11. The reactive power flows and generation of 2006 light load

图11. 2006年轻载情况下的无功功率流动和产生

Figure 12. The reactive power flows with different SVC set-points in 2006 high load case

图12. 2006年高负载情况下在不同SVC设定点下的无功功率

表4列出。在系统正常工作时,Perseus的SVC为容性。Perseus SVC产生的无功功率,主要通过Perseus-Beta 400 kv线路,Beta 400/765 kv变压器流入到Beta变电站的765 kv并联电抗器。可以确定Perseus SVC电压设置点的调低,减少了它的容性输出,它也确实增加了网络其他部分的无功功率,反之亦然,Perseus SVC电压设置点的调高,增大了它的容性输出,减少网络其他部分的无功功率,从而使整体损耗减少 [4] 。

改变Perseus处SVC的电压设置点,这并不是一个非常有效的方法去控制Perseus-Beta 400 kV线路和Beta400/765 kV变压器上的无功功率。对于每个SVC的输出,2%的电压变化会导致100 MVr的差异,流经Perseus-Beta的每个400 kv线路都改变了50 MVAr,而Beta变电站的每个变压器改变35 MVAr。图13可以看出,随着SVC电压设置点的变化,Beta 400 kV和765 kV线路总线电压会跟随着Perseus 400 kV线路总线电压变化。

4.3. 分接开关点对无功功率流的影响

图14显示了2006年在高负荷和正常运行情况下,对不同的分接开关设定值对应的无功功率,设置点见表5。在系统正常运行时,Perseus SVC输出为容性,Perseus SVC产生的无功功率,主要通过Perseus-Beta 400 kv线路,Beta 400/765 kv变压器流入到Beta变电站的765 kv并联电抗器。改变分接开关的位置,使765/400 kV变压器变化2%,SVC减少了容性输出。通过改变抽头位置,两个电压之间的差距减小,因而减少了400 kv和765 kv网络之间的无功功率流动。通过这样来减少400 kv和765 kv网络间的无功功率比改变SVC设置点,能减少更多的整体损耗。

对于控制流过Perseus-Beta 400 kV线路和Beta 400/765 kV变压器的无功功率,改变Beta765 kv变压器的分接头触点,比改变Perseus SVC的电压设置点更有效。2%的抽头切换,对于每个SVC会导致35 MVAr无功输出,同时,通过Perseus-Beta 400 kv线路的无功功率变化62 MVAr,且Beta 400/765 kV变压器也会改变65 MVAr。图15还表明,当Beta 400 kv电压跟随分接头触点变化时,Beta 400 kv母线电压会跟随Perseus 400 kv母线电压的变化。

4.4. 未来的无功功率流

2010年和2012年高负载情况下,只有一个Koeberg发电机在网络中,用这个案例来分析确定未来网络上预期的无功功率。当AEG SVC控制升级和765 kv系统扩展到Cape Town时,这为其提供了一种预测无功功率流动的依据。

Figure 13. The busbar voltages for different SVC voltage set- points in 2006 high load case

图13. 2006年高负载情况下,不同SVC电压设置点对应的总线电压

Table 4. List of SVC voltage set-points and associated losses for 2006 high load case

表4. 2006年高负载情况下SVC电压设置点列表和相关的损耗

Table 5. List of tap-changer set-points and associated losses for 2006 high load case

表5. 2006年高负载情况下,分接头触点值的列表和相关的损耗

Figure 14. The reactive power flows with different SVC set-points in 2006 high load case

图14. 2006年高负载情况下,不同SVC设置点时的无功功率

Figure 15. The busbar voltage with different tap-changer set-points in 2006 high load case

图15. 2006年高负载情况下,不同分接头触点值对应的母线电压

4.4.1. 2010高负载情况

图16显示的最大无功功率是2010年的突发事件,这些时间由表6中列出。使用与2006年高负载情况同样的绘制方法。从下面的线路可以很明显看出,变压器和SVC有很高的无功功率.

Beta-Perseus的400 kV和765 kV线路有无功功率流动。经常由765 kv线路产生,在Beta和Perseus的电抗器和SVC中流动。如图所示,这也被Beta和Perseus变电站765/400 kV变压器的无功证实了。此曲线不包括765 kv线路的突发事件,它显示了从完整应急结果列表中得出的变化。可以清楚看到,尽管765 kv线路增强了网络,但在突发事件发生时,它却向并行网络中注入了无功功率。

图17显示了在各自线路、变压器和SVC中的最大和最小无功功率,正值表示无功功率的流入。第一个变电站描述名称为“从”总线(黑色曲线),而第二个变电站是“到”总线(蓝色曲线)。基本曲线(红色和蓝色)为系统正常时的无功功率流。

Figure 16. The maximum reactive power flows in 2010 light load case

图16. 2010年轻载情况下的最大无功功率

Figure 17. The maximum and minimum reactive power flows in 2010 low load case

图17. 2010年轻载情况下的最大和最小的无功功率

Table 6. List of contingencies and associated losses for 2010 light load case

表6. 2010轻载情况下的突发事件和相关的损耗

突发事件时的最大无功功率,又一次的发生在连接Beta,Perseus和Hydra变电站的设备上。

图18数据来自图17,但现在用来表示线路中流动的或者产生的无功功率,以与最大值的百分比显示。显示的结果可以看出排名,最高的值为100%。“% of max Q flow”表示从线路中流进或流出的无功功率最小值。“% of max Q generation”表示无功功率的总和。最高的功率流动发生在Mercury-Perseus和Perseus-Beta 765 kv线路以及Hydra和Omega 765/400 kV变压器中,而最高无功功率产生在Zeus-Mercury,Hydra-Gama和KapaOmega 765 kv线路。

4.4.2. 2012高负载情况

图19显示了2012年,高负载情况下的最大无功功率,突发事件由表7所示。同样的绘制方法用于

Table 7. List of contingencies and associated losses for 2012 high load case

表7. 2012年高负载情况下的突发事件和相关的损耗清单

Figure 18. The reactive power flows and generator in 2010 light load case

图18. 2010年轻载情况下的无功功率流动和产生

Figure 19. The maximum reactive power flows in 2012 high load case

图19. 2012年高负载情况下的最大无功功率

2006年高负载情况。

Beta-Perseus 765 kV和400 kV线路总是有很高的无功功率流动。这是由765 kv线路,和流向400 kv电抗器,Perseus SVC的无功功率造成的。如图所示,这也被Beta和Perseus变电站765/400 kV变压器的无功证实了。此曲线不包括765 kv线路的突发事件,它显示了从完整应急结果列表中得出的变化。可以清楚看到,尽管765 kv线路增强了网络,但它在突发事件发生时,向并行网络中注入了无功功率。

图20显示了各个线路,变压器和SVC的最大和最小无功功率流。正值表明无功功率的流入。第一个变电站的描述名称是“从”总线(黑色曲线),而第二个变电站是“到”总线(蓝色曲线)。基本曲线(红色和蓝色)系统正常运行时的无功功率流。

在2012年案例,所有线路都对无功功率敏感。

图21的数据来自20,但现在用来表示为线路中流动的或者产生的无功功率,以与最大值的百分比显示。显示的结果可以看出排名,最高的值为100%。“% of max Q flow”表示从线路中流进或流出的无功功率最小值。“% of max Q generation”表示无功功率的总和。最高的功率流动发生在Mercury-Perseus和Perseus-Beta 765 kv线路以及Hydra和Omega 765/400 kV变压器中,而最高无功功率产生在Zeus-Mercury,

Figure 20. The maximum and minimum reactive power flows in 2012 high load case

图20. 2012年高负载情况下的最大和最小无功功率

Figure 21. The reactive power flows and generator for 2012 high load

图21. 2012年高负载情况下的无功功率流动和产生

Hydra-Gama和KapaOmega 765kv线路。

4.5. SVC电压设定值对无功功率流的影响

图22显示了在2012年高负载情况下的无功功率流动,在系统正常工作时,不同的SVC电压设定值由表8列出。在系统正常工作时,Perseus的SVC为容性。Perseus SVC产生的无功功率,主要通过Perseus-Beta 400/765 kv变压器流入765 kv网络。可以确定Perseus SVC电压设置点的调低,减少了它的容性输出,它也确实增加了网络其他部分的无功功率,导致整体损耗的增加,反之亦然,Perseus SVC电压设置点的调高,增大了它的容性输出,减少网络其他部分的无功功率,从而使整体损耗减少。

改变Perseus处SVC的电压设置点,这并不是一个非常有效的方法去控制Perseus-Beta400/765 kV变压器上的无功功率。Perseus-Beta 400千伏线路和测试400/765 kV变压器。对于每个SVC的输出,2%的电压变化,会导致100 MVr的差异,流经Perseus 400/765 kv改变了45 MVAr,而Beta变电站的每个变压器改变30 MVAr。图23可以看出,随着SVC电压设置点的变化,Beta 400 kV和765 kV线路总线电压会跟随着Perseus 400 kV线路总线电压变化。

Figure 22. The reactive power flows with different SVC set-points in 2012 high load case

图22. 2012年高负载情况下,不同的SVC设定点对应无功功率

Figure 23. The busbar voltage with different SVC set-points in 2012 high load case

图23. 2012年高负载情况下,不同SVC设置地对应的总线电压

4.6. 分接开关点对无功功率流的影响

图24显示了2012年在高负荷和正常运行情况下,对不同的分接开关设定值对应的无功功率,设置点见表9。在系统正常运行时,Perseus SVC输出为容性,Perseus SVC产生的无功功率,主要通过Perseus-Beta 400/765 kv变压器流入到765kv网络中。改变分接开关的位置,使765/400 kV变压器变化2%,SVC减少了容性输出。通过改变抽头位置,两个电压之间的差距减小,因而减少了400 kv和765 kv网络之间的无功功率流动。通过这样来减少400 kv和765 kv网络间的无功功率比改变SVC设置点,能减少更多的整体损耗[5] 。

对于控制流过Perseus-Beta 400 kV线路和Beta 400/765 kV变压器的无功功率,改变Beta765 kv变压

Table 8. List of SVC set-points and associated losses for 2012 high load

表8. 2012年高负载情况下,无功补偿器的设置点和相关的损耗清单

Table 9. List of tap-changer set-points and associated losses for 2012 high load case

表9. 2012年高负荷情况下,改变分接开关设定点和相关损耗

Figure 24. The reactive power flows with different SVC set-points in 2012 high load case

图24. 2012年高负载情况下,SVC不同设定点对应的无功功率

Figure 25. The busbar voltage with different tap-changer set-points in 2012 high load case

图25. 2012年高负载情况下,不同分接开关设定点对应的母线电压

器的分接头触点,比改变Perseus SVC的电压设置点更有效。2%的抽头切换会导致52 MVAr无功输出对于每个SVC,同时,通过Perseus400/765 kV变压器的无功功率变化82 MVAr,Beta 400/765 kV变压器变化62 MVAr。图25还表明,当Beta 400 kv电压跟随分接头触点变化时,Beta 400 kv母线电压会跟随Perseus 400 kv母线电压的变化。

5. 结论

从得到的潮流结果来看,很明显,与并行的400 kv系统相比,765 kv系统的无功功率占主导地位。此外,接近Perseus和Beta变电站的网络,对无功功率的变化最敏感。敏感性分析的结果表明,控制765 kv和400 kv网络间无功功率的流动,通过调整400/765 kV变压器分接开关位置比通过调整Perseus SVC电压设定值更加有效。这归因于400 kv和765 kv网络之间共享SVC无功功率。另一方面,调整分接开关的方法会断开400 kv和765 kv网络,使得400 kv和765 kv网络的无功功率在管理上更加自主和独立。

文章引用

马凤珍. 南非Cape Town输电网络无功功率优化研究
Reactive Power Optimization Study on Transmission System in Cape Town, South Africa[J]. 输配电工程与技术, 2015, 04(03): 36-57. http://dx.doi.org/10.12677/TDET.2015.43005

参考文献 (References)

  1. 1. 李瑞生, 李燕斌, 周逢权 (2010) 智能变电站功能架构及设计原则. 电力系统保护与控制, 21, 4-6.

  2. 2. 胡毅 (2007) 输电线路运行故障分析与防治. 中国电力出版社, 北京.

  3. 3. 康重庆, 夏清, 张伯明 (2004) 电力系统负荷预测研究综述与发展方向的探讨. 电力系统自动化, 28, 1-11.

  4. 4. 魏伟, 牛东晓 (2002) 负荷预测技术的新进展. 华北电力大学学报, 29, 10-15.

  5. 5. 赵明奇 (2005) 配电网规划研究. 东南大学, 南京.

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