四川省石棉縣小水電站電壓問題分析

崔晨耕

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,陜西西安 710089)

四川省石棉縣小水電站電壓問題分析

崔晨耕

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,陜西西安 710089)

針對四川省石棉縣小水電站電壓存在的問題,通過對小水電站接入配電網(wǎng)對系統(tǒng)電壓的影響進(jìn)行理論計算和模型構(gòu)建,將小水電站接入到配電網(wǎng)中的容量、位置等因素進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計算和仿真。仿真結(jié)果表明小水電站接入配電網(wǎng)會對系統(tǒng)電壓產(chǎn)生較大的影響,應(yīng)在接入位置和容量等方面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化配置,從而達(dá)到電壓質(zhì)量要求。

小水電站;系統(tǒng)電壓;電壓質(zhì)量

四川省石棉縣水利資源豐富,長江的主要支流大渡河橫穿全縣,境內(nèi)長度達(dá)36 km,此外,集水面積30 km2以上有楠埡河、小水河、松林河、田灣河等27條支流,天然徑流量273×108m3,可開發(fā)水能資源450×104千瓦。據(jù)最新水利普查數(shù)據(jù)顯示,在34 km長的小水河上,就有28座電站,開發(fā)程度可見一斑。建立小水電站能有效緩解當(dāng)?shù)仉娏Σ蛔愕那闆r,但是它也給電網(wǎng)運(yùn)行帶來了一系列問題。變電站母線電壓過高通常越限運(yùn)行,且經(jīng)常燒毀用戶設(shè)備。電能質(zhì)量和可靠性都受到考驗(yàn),較低的電能質(zhì)量直接導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備不能安全運(yùn)行。解決小水電給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來的問題刻不容緩。

電壓問題主要有以下幾種:

(1)豐水期變電所母線電壓過高的問題;(2)小水電T接10kV線路造成電壓偏高的問題;(3)線路輕載造成電網(wǎng)電壓過高的問題;(4)長線路電壓過低的問題。

而且,這些小水電站加入配電網(wǎng)中,給配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來了大量的擾動因素,其啟停和故障常常會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的變化。

1 小水電站對系統(tǒng)電壓影響分析

1.1 電壓計算基本模型[1]

首先,建立理想模型如圖1所示。

圖1 理想模型

為了簡化計算,各段線路的電壓損耗用電壓降落的量來代替,則各段線路的電壓損耗為

UN為額定電壓

線路總的電壓損耗為

節(jié)點(diǎn)2的電壓為

Ps,Qs為接入小水電的有功容量和無功容量。

如果在節(jié)點(diǎn)2接入小水電,則節(jié)點(diǎn)2的電壓變?yōu)?/p>

比較小水電接入前后節(jié)點(diǎn)2的電壓可以看出,小水電接入之后,節(jié)點(diǎn)電壓升,而且小水電的發(fā)電容量不同時,節(jié)點(diǎn)電壓的最大值也不同。還可以看出,小水電的接入位置也會影響配電網(wǎng)的電壓,當(dāng)小水電接入的位置不同時,線路總的電壓損耗是不同的,各節(jié)點(diǎn)電壓也會相應(yīng)的改變。在小水電的支撐下,線路電壓調(diào)節(jié)器通常需要適當(dāng)調(diào)整分接頭,以適合小水電對某些節(jié)點(diǎn)的電壓抬高;若小水電突然退出電網(wǎng),變化率較大的節(jié)點(diǎn)因沒有電壓支撐,會造成低電壓的嚴(yán)重電能質(zhì)量問題。因?yàn)殡妷赫{(diào)節(jié)器動作需要一段時間,等待調(diào)壓器做出調(diào)整,對用戶來說是不能接受的。為避免這種現(xiàn)象,相應(yīng)指標(biāo)變化太大的節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮安裝必要的而且能快速動作的電壓支撐設(shè)備。從另一個角度來看,小水電運(yùn)行應(yīng)盡可能保持在高容量因數(shù),盡量減少無功容量。系統(tǒng)維持電壓所缺額的無功就地由電容器來補(bǔ)償。這樣,即使分布式發(fā)電退出運(yùn)行,相應(yīng)節(jié)點(diǎn)電壓也不會波動太大[2]。

1.2 小水電系統(tǒng)電壓計算[3]

以一個10節(jié)點(diǎn)的實(shí)際配電網(wǎng)為例,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

圖2 10節(jié)點(diǎn)某配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

(1)小水電接入不同的位置[4]

在以下三種情況①未接入小水電;②將單個小水電接入節(jié)點(diǎn)8;③將單個小水電接入節(jié)點(diǎn)10,用潮流程序計算各節(jié)點(diǎn)電壓得到的電壓分布圖如圖3所示。在此,統(tǒng)一假設(shè)小水電有功功率為 0.5 MW,無功功率為0.3MVar。

圖3 接入的位置變化引起的電壓分布變化曲線

從圖3可以看出,在沒有小水電發(fā)電支撐的時,配電網(wǎng)末端多個節(jié)點(diǎn)和某些局部位置的電壓幾乎達(dá)到了安全運(yùn)行的下限,負(fù)荷高峰期,末端電壓很有可能越限。相反,在節(jié)點(diǎn)8和節(jié)點(diǎn)10與小水電并網(wǎng)以后,明顯改善了線路上的電壓。高出低電壓下限3%。于是,分布于配電網(wǎng)中的小水電十分顯著地改善了配電網(wǎng)線路的電壓分布[5]。

(2)小水電電源容量變化試驗(yàn)[6]

相同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和負(fù)荷,小水電也安裝在相同的位置。對接入小水電的容量進(jìn)行隨機(jī)變動,小水電的容量分別假設(shè)為以下兩種情況①小水電的有功功率為0.5 MW,無功功率為0.3 MVar。②小水電的有功功率為1.5MW,無功功率為0.9 MVar。假設(shè)小水電還在節(jié)點(diǎn)8處接入,用潮流程序算出多個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的變化結(jié)果繪制在圖4中。

圖4 接入容量變化引起的電壓分布變化

從仿真結(jié)果看出不改變小水電接入位置的情況下,電壓支撐由小水電的總?cè)萘繘Q定。從節(jié)點(diǎn)8接入大容量的小水電曲線可以看出,部分節(jié)點(diǎn)的電壓升高幅度過大,己經(jīng)高于10 kV,這就表明接入小水電的容量越大,可能導(dǎo)致某些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓大幅度上升?？?cè)萘吭蕉?與負(fù)荷的比值越大,電壓支撐就越大,整體電壓水平就越高[7]。

2 位置和容量設(shè)備的確定

2.1 位置的確定[8]

(1)因?yàn)閱吸c(diǎn)補(bǔ)償效益最佳,所以在一條線路上應(yīng)該采用單點(diǎn)補(bǔ)償。

(2)盡可能采用簡單的控制方式,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)和容量的最優(yōu)化。

(3)為了安全和利于電容器散熱,補(bǔ)償容量不宜過大。

(4)為避免電容器裝置的過電壓和減少電容器的無功功率,每相采用一臺電容器,使得接線簡單。

(5)使用熔絲保護(hù)和氧化鋅避雷器分別用以過電流保擴(kuò)和過電壓保護(hù),從而簡化保護(hù)方式。

(6)為了節(jié)省投資,將配電變壓器與并聯(lián)電容器就近架設(shè)或者同桿架設(shè)。

2.2 容量的確定[9]

(1)根據(jù)線路容量求出10 kV額定電壓下的額定電流,然后計算出線路電壓調(diào)壓器的額定容量。

(2)為了調(diào)控運(yùn)行電壓,應(yīng)正確計算出并聯(lián)電抗器的最大裝置容量。

(3)為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,合理分布并聯(lián)線路間的負(fù)荷,應(yīng)串聯(lián)電容器來提高輸送質(zhì)量。

(4)根據(jù)負(fù)荷或者補(bǔ)償度來確定并聯(lián)電容器組的容量。

2.3 案例分析

以四川省石棉縣松林河流域小水電站為例,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示,負(fù)荷無功曲線如圖6所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖6 日無功負(fù)荷變化曲線

靈敏度是指以狀態(tài)變量表征的系統(tǒng)運(yùn)行狀況對控制變量和擾動變量的變化的敏感性程度。通過計算,該網(wǎng)絡(luò)靈敏度數(shù)據(jù)如表3。

表3 靈敏度系數(shù)計算結(jié)果

通過對靈敏度的分析,通過系統(tǒng)電壓對節(jié)點(diǎn)無功注入的靈敏度進(jìn)行排序,電壓無功的控制點(diǎn)選擇在靈敏度較大的數(shù)個變電站[10]。在滿足《電力系統(tǒng)電壓和無功技術(shù)導(dǎo)則》的前提下,優(yōu)先對這些變電站進(jìn)行電壓無功調(diào)整。

3 總 結(jié)

經(jīng)過理論分析和仿真結(jié)果,對于小水電接入到配電網(wǎng)中的容量、位置等方面的因素,我們可以得到結(jié)論: 小水電接入配電網(wǎng)對系統(tǒng)的電壓有較大的影響。小水電接入配電網(wǎng)能減少網(wǎng)絡(luò)損耗改善節(jié)點(diǎn)電壓,但是也可能使電壓升高而使某些節(jié)點(diǎn)電壓越限,

造成母線電壓過高,因此在小水電接入時,我們必須對小水電的接入位置和容量進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化配置,達(dá)到滿足電壓質(zhì)量的要求。

[1]林勁松.水電站水力學(xué)仿真計算及其工程應(yīng)用研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2011.

[2]張 銘.水電站優(yōu)化運(yùn)行與風(fēng)險分析[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

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Analysis on Voltage Problems of Small Hydropower Stations in Shimian County of Sichuan Province

CUI Chen-geng
(Electronic EngineeringDepartment,Xi'an Vocational and Technical College of Aeronautics,Xi'an,Shaanxi710089,China)

The research is made here on the existing problems of small hydropower stations in Shimian County of Sichuan Province.After the theoretical analysis and mathematical model construction,it is concluded that the small hydropower station connected to the power distribution network would have major influence on the system voltage,so the system optimization should be done in the connecting position and capacity,so as to meet the requirements of voltage quality.

small hydroelectric station;system voltage;voltage quality

TV742

A

1672—1144(2012)05—0165—03

2012-03-01

2012-04-20

崔晨耕(1980—),男(漢族),陜西楊凌人,主要從事電力電子與電力傳動、水電站系統(tǒng)的教學(xué)與科研工作。