小水電上網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響

李世偉

（甘南供電公司，甘肅合作747000）

1 引言

小水電［1] ［2]（SHP，Small Hydro Power）是農(nóng)村可再生能源項(xiàng)目和農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，大力發(fā)展農(nóng)村小水電具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和顯著的生態(tài)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，甘南州轄區(qū)內(nèi)各河流（段）水能資源理論蘊(yùn)藏量為458.76萬(wàn)kW，其中可開(kāi)發(fā)量為302.26萬(wàn)kW，約占甘肅省水能資源的1／4。目前，全州已建成水電站136座，裝機(jī)總?cè)萘繛?.74萬(wàn)kW。這些小水電站的建設(shè)，既緩解了全州農(nóng)牧民生活用電的供需矛盾，又為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，增加農(nóng)牧民收入，促進(jìn)州域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用。

甘南電網(wǎng)位于甘肅電網(wǎng)的末端，目前有洛大和多合2座330kV輸變電工程，通過(guò)330kV線路與甘肅主電網(wǎng)連接，可有效滿足當(dāng)?shù)赜秒娫鲩L(zhǎng)的需求，解決小水電上網(wǎng)的困難。由于小水電的上網(wǎng)，配電系統(tǒng)將發(fā)生根本性的變化：從一個(gè)輻射式的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€(gè)遍布電源和用戶(hù)負(fù)荷互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，潮流也不再單向地從變電站母線流向用戶(hù)負(fù)荷，且配電系統(tǒng)的控制和管理將變得更加復(fù)雜。小水電并網(wǎng)對(duì)地方配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電能質(zhì)量會(huì)帶來(lái)一定影響。

2 對(duì)配電系統(tǒng)的影響

2.1 對(duì)發(fā)電、輸電系統(tǒng)的影響［3]

小水電上網(wǎng)后，對(duì)新建集中式發(fā)電廠和遠(yuǎn)距離輸電線的需求將減少［4]。首先，新增負(fù)荷相當(dāng)大的部分將由小水電來(lái)供電；其次，由于小水電的削峰填谷、平衡負(fù)荷作用，現(xiàn)有發(fā)電、輸電設(shè)施的利用率將大大提高，那些利用率極低、僅為滿足高峰負(fù)荷需要的發(fā)輸電設(shè)施將不再有建設(shè)的必要。

2.2 對(duì)配電系統(tǒng)可靠性的評(píng)估

配電系統(tǒng)直接聯(lián)系用戶(hù)，電力系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)的供電能力和質(zhì)量都必須通過(guò)配電系統(tǒng)來(lái)體現(xiàn)，配電可靠性指標(biāo)則是整個(gè)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性的集中反映。小水電上網(wǎng)必須進(jìn)行評(píng)估，以確定其對(duì)配電系統(tǒng)供電安全和質(zhì)量的不利影響。

配電網(wǎng)可靠性的評(píng)估方法很多，針對(duì)小水電上網(wǎng)情況，常采用蒙特卡羅模擬法［5]（MCS，Monte-Carlo Simulation，元件狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法），此方法假定元件工作時(shí)間和故障狀態(tài)下修復(fù)時(shí)間服從某種概率分布，通常電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估常用指數(shù)分布，然后根據(jù)元件的故障率和修復(fù)率確定該元件在給定時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)和狀態(tài)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)給定時(shí)間段內(nèi)所有元件的狀態(tài)和狀態(tài)持續(xù)時(shí)間確定后，就可以獲得系統(tǒng)的狀態(tài)序列和持續(xù)時(shí)間。有分析表明［5]，小水電的接入能提高系統(tǒng)的可靠性水平，且隨負(fù)荷點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中位置的不同，小水電的接入對(duì)其可靠性的影響程度會(huì)不同，越接近小水電的負(fù)荷點(diǎn)，可靠性指標(biāo)的提升幅度就越大。

2.3 對(duì)電能質(zhì)量的影響

并網(wǎng)小水電引起配電網(wǎng)的各種擾動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量［6，7]產(chǎn)生影響：

（1）易造成系統(tǒng)的電壓閃變；小水電的啟停與氣候條件等眾多因素有關(guān)，其不確定性易造成配電網(wǎng)明顯的電壓閃變；

（2）對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓的影響；集中供電配電網(wǎng)一般呈輻射狀，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下沿饋線潮流方向電壓逐漸降低。接入小水電后由于饋線上的傳輸功率減少或功率上送，以及小水電輸出無(wú)功的支持，使沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處電壓被抬高，導(dǎo)致一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓偏移超標(biāo)。其電壓被抬高的值與接入小水電的位置及總?cè)萘看笮∶芮嘘P(guān)聯(lián)。

（3）對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響；傳統(tǒng)配電網(wǎng)中有功、無(wú)功負(fù)荷隨著時(shí)間變化會(huì)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)。并網(wǎng)小水電對(duì)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響要視其具體情況：當(dāng)小水電與當(dāng)?shù)刎?fù)荷協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)（負(fù)荷與小水電輸出量同步變化）小水電將抑制系統(tǒng)電壓的波動(dòng)；若小水電與當(dāng)?shù)刎?fù)荷不協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的電壓波動(dòng)將更嚴(yán)重。

國(guó)內(nèi)小水電大部分是涇流電站，其發(fā)電量受季節(jié)影響較大，易造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)，影響電能質(zhì)量；在豐水期小水電機(jī)組大量發(fā)電會(huì)造成系統(tǒng)電壓過(guò)高，枯水期則系統(tǒng)電壓較低，甚至過(guò)低。

2.4 對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響

小水電可能增大或減少網(wǎng)損［8]，這與小水電的位置、容量、負(fù)荷量的相對(duì)大小以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

有分析表明：當(dāng)小水電出力小于線路負(fù)荷時(shí)，不但不會(huì)增加并網(wǎng)線損，而且還會(huì)降低線損；只有當(dāng)小水電出力大于線路負(fù)荷，水電站向系統(tǒng)倒送潮流時(shí)，才會(huì)引起并網(wǎng)線損上升；當(dāng)小水電無(wú)功出力不足甚至從系統(tǒng)吸收無(wú)功時(shí)，并網(wǎng)線損最大。因此，為了降低并網(wǎng)小水電對(duì)線路損耗影響，可從以下方面采取措施：①控制小水電的出力，盡可能的讓小水電的出力能夠就近平衡，盡量減少向系統(tǒng)輸送潮流，對(duì)有調(diào)節(jié)能力的小水電可采取限制低谷時(shí)段發(fā)電的措施；②嚴(yán)格控制小水電的無(wú)功出力，禁止小水電從系統(tǒng)吸取無(wú)功；③做好小水電的并網(wǎng)規(guī)劃，盡可能的選取一定的基本負(fù)荷點(diǎn)并網(wǎng)，以最大限度地保證小水電的出力；④若小水電的出力較大，可采用專(zhuān)線綜合考慮在并網(wǎng)母線上的功率平衡，這樣可以減少系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)網(wǎng)線損。

2.5 對(duì)發(fā)電機(jī)組無(wú)功出力的影響［9]

一般系統(tǒng)電壓和發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)是一定的，對(duì)于采用同步發(fā)電機(jī)發(fā)電的小水電，根據(jù)Eo＝UN+IZN，如果輸電線路越長(zhǎng)，導(dǎo)線截面積越小，即阻抗ZN越大，則發(fā)電機(jī)輸出電流越小。如果發(fā)電機(jī)原動(dòng)力不變，電流中有功電流分量IP基本不變，減少的主要是無(wú)功電流分量IQ，故發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送的無(wú)功功率減少。另一方面，當(dāng)線路輸送有功功率越大，有功電流分量自然變大，相應(yīng)無(wú)功電流分量減少越多，此時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率減少越多。另外，當(dāng)小水電并網(wǎng)處的系統(tǒng)電壓較高時(shí)，為了與系統(tǒng)電壓一致，必然要求發(fā)電機(jī)的端電壓在較高電壓下運(yùn)行，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率因數(shù)也隨之上升，高于發(fā)電機(jī)銘牌上額定功率因數(shù)，若輸出有功功率不變，必然是欠發(fā)無(wú)功功率，即“欠勵(lì)磁”狀態(tài)運(yùn)行。

采用改造勵(lì)磁設(shè)備，增大勵(lì)磁電流；投入發(fā)電設(shè)備，枯水期調(diào)相運(yùn)行；增設(shè)電力電容等措施，一定程度上改善無(wú)功上網(wǎng)電量和提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。

2.6 對(duì)并網(wǎng)變壓器的影響

由于種種原因，并網(wǎng)小水電可能選用配電的降壓變壓器作為升壓變壓器［9] ［10]，通過(guò)較長(zhǎng)線路與大電網(wǎng)并聯(lián)。此時(shí)與并網(wǎng)小水電相聯(lián)的配電變壓器高壓側(cè)電壓UTN既要與大電網(wǎng)潮流電壓平衡，又必須克服線路阻抗產(chǎn)生的壓降ΔU，故UTN常常要高于大電網(wǎng)運(yùn)行電壓1.05UN（UN為線路電壓等級(jí)），即 UTN≥1.05UN+ΔU，ΔU 的大小取決于并網(wǎng)線路的導(dǎo)線截面積、輸電線路長(zhǎng)度及輸送負(fù)荷的大小。如出現(xiàn)低壓機(jī)組處于超額定電壓運(yùn)行的極限狀態(tài)，將嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)和變壓器的絕緣水平。另外，當(dāng)小水電通過(guò)變壓器、線路、開(kāi)關(guān)等與配電網(wǎng)相連時(shí)，配電網(wǎng)發(fā)生故障切斷小水電，若此時(shí)并網(wǎng)變壓器空載運(yùn)行，變壓器一次繞組的線路電抗與線路對(duì)地電容可能發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生不規(guī)則的過(guò)電壓、大電流，嚴(yán)重威脅線路中的電力器件，還可能引起大的電磁力，使變壓器發(fā)生噪聲或損壞。

2.7 對(duì)電網(wǎng)調(diào)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控的影響

甘南州地區(qū)小水電的現(xiàn)狀是點(diǎn)多、面廣，部分小水電通訊聯(lián)系薄弱，不易采集小水電發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率等信息，不利于調(diào)度員的正確決策，調(diào)度命令難以及時(shí)到達(dá)，監(jiān)控難度較大，易造成小水電無(wú)序發(fā)電，難以發(fā)揮相應(yīng)資源優(yōu)勢(shì)和帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，甚至?xí)黾与娋W(wǎng)壓力和發(fā)電行業(yè)整體成本［10]。

2.8 對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響［11] ［12]

由于輻射狀配電網(wǎng)的潮流是單向的，從電源到用戶(hù)，考慮到配電網(wǎng)上80%的故障是瞬時(shí)的，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)計(jì)通常是在變電站處安裝三段式電流保護(hù)或反時(shí)限電流保護(hù)，主饋線上裝設(shè)三相一次自動(dòng)重合閘裝置，分支線上裝設(shè)熔斷器。根據(jù)“僅斷開(kāi)故障支路，對(duì)瞬時(shí)故障進(jìn)行重合閘”的原則，使自動(dòng)重合閘裝置與各側(cè)支路上的熔斷器相互協(xié)調(diào)，每個(gè)熔斷器又分別與其直接相連的上一級(jí)和／或下一級(jí)支路上的熔斷器相互協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)線路的保護(hù)，此種保護(hù)不具有方向性。

小水電并入時(shí)，配電網(wǎng)發(fā)生了根本性變化，輻射式配電網(wǎng)將變?yōu)楸椴茧娫春陀脩?hù)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)成為一個(gè)多電源系統(tǒng)，這將對(duì)原配置的不具有方向性的保護(hù)設(shè)備造成一定的影響。

（1）小水電上網(wǎng)對(duì)三段式電流保護(hù)的影響

小水電上網(wǎng)后系統(tǒng)的潮流將重新分布。小水電上網(wǎng)對(duì)三段式過(guò)流保護(hù)（瞬時(shí)、短延時(shí)和長(zhǎng)延時(shí)）的影響與小水電的容量大小及接入配電系統(tǒng)的位置有關(guān)，并入系統(tǒng)的小水電容量不宜過(guò)大，在小水電容量一定的情況下，并入線路末端時(shí)，對(duì)保護(hù)的影響較小，在小水電容量較大時(shí)，可以事先校驗(yàn)各極端情況下的電流保護(hù)定值及靈敏度，必要時(shí)還可以考慮為電流保護(hù)加設(shè)方向元件。

（2）小水電上網(wǎng)對(duì)反時(shí)限電流保護(hù)的影響

配電系統(tǒng)中并入小水電后，對(duì)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的影響主要有以下兩點(diǎn)：①增大保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，不利于故障的快速切除；②導(dǎo)致非故障線路保護(hù)誤動(dòng)，從而使保護(hù)失去選擇性，擴(kuò)大事故影響范圍。

同時(shí)，小水電上網(wǎng)對(duì)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的影響也與小水電的容量大小及接入配電系統(tǒng)的位置有關(guān)，情況與（1）相同。

（3）小水電上網(wǎng)對(duì)熔斷器保護(hù)的影響

小水電的引入要求其保護(hù)裝置都具備方向性，此要求對(duì)于配電網(wǎng)中的熔斷器來(lái)說(shuō)是根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，需要增加方向繼電器。

（4）小水電上網(wǎng)對(duì)自動(dòng)重合閘的影響

在小水電引入前，配電網(wǎng)為輻射式結(jié)構(gòu)，自動(dòng)重合閘在恢復(fù)瞬時(shí)性故障線路的供電時(shí)，不會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)產(chǎn)生任何沖擊和破壞。小水電引入后，一旦線路因故障而跳閘，故障部分不再與電網(wǎng)相連而失去系統(tǒng)電源。而小水電很有可能在故障后沒(méi)有脫離線路，與配電網(wǎng)相連繼續(xù)工作，則在電網(wǎng)中形成由小水電單獨(dú)供電的電力孤島。

電力孤島保持功率和電壓在額定值附近運(yùn)行。一方面，在系統(tǒng)電源跳開(kāi)至自動(dòng)重合閘動(dòng)作期間內(nèi)，小水電很有可能加速或者減速運(yùn)轉(zhuǎn)，以至于自動(dòng)重合閘動(dòng)作時(shí)，電力孤島與電網(wǎng)不能保持同步，出現(xiàn)很大的相角差，導(dǎo)致非同期重合閘，產(chǎn)生很大的沖擊電流，線路保護(hù)很可能再次動(dòng)作，發(fā)生誤動(dòng)，致使重合閘失去其迅速恢復(fù)瞬時(shí)故障的職能。同時(shí)，沖擊環(huán)流也很有可能對(duì)電網(wǎng)及小水電單元中的設(shè)備帶來(lái)致命的沖擊。另一方面，在失去系統(tǒng)電源以后，小水電可能繼續(xù)維持對(duì)故障點(diǎn)的供電，重合閘發(fā)生時(shí)，小水電所提供的故障電流妨礙了故障點(diǎn)電弧的熄滅，引起故障點(diǎn)持續(xù)電弧。此時(shí)，原本的瞬時(shí)故障變成了永久性故障。長(zhǎng)期的電弧存在會(huì)給設(shè)備的壽命及維護(hù)帶來(lái)很大的困難。

因此，小水電側(cè)需裝設(shè)低周、低壓解裂裝置；同時(shí)為避免非同期重合閘給電網(wǎng)和小水電帶來(lái)的沖擊，系統(tǒng)側(cè)重合閘繼電器需檢測(cè)線路電壓，小水電側(cè)檢測(cè)同期；為避免故障點(diǎn)持續(xù)電弧的影響，重合閘的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

小水電與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，有效降低電力峰荷、緩解電壓驟降、消除過(guò)負(fù)荷和堵塞、增加輸電裕度，使供電可靠性明顯提高。但并網(wǎng)的小水電群在電能質(zhì)量、網(wǎng)損、繼電保護(hù)、無(wú)功電壓等方面也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的影響，本文從發(fā)輸電系統(tǒng)、電網(wǎng)可靠性、電能質(zhì)量、網(wǎng)損、無(wú)功電壓、并網(wǎng)變壓器、電網(wǎng)調(diào)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)繼電保護(hù)等方面，分析了小水電上網(wǎng)所帶來(lái)問(wèn)題的原因，這些問(wèn)題可采取適當(dāng)?shù)拇胧?、控制方法得到解決，其實(shí)束縛小水電發(fā)展的主要問(wèn)題是選址征地難、發(fā)電效率低、并網(wǎng)電價(jià)低等。

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