含小水電分布式電源的配網(wǎng)線路串聯(lián)補償優(yōu)化

湯項雷

（廣西廣投能源集團有限公司，南寧 530200）

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對發(fā)電技術的經(jīng)濟性、環(huán)保清潔性、能源利用率等方面越來越關注。分布式電源作為其中一種兼具經(jīng)濟性高、清潔環(huán)保性好，以及能源利用率高的發(fā)電技術，逐步在大量并入電網(wǎng)輸送清潔能源，有效避免了傳統(tǒng)能源帶來的環(huán)境污染，同時緩解了傳統(tǒng)化石能源的使用危機，是一種前景可觀的發(fā)電技術。分布式電源還具備消峰填谷的作用，提升了電網(wǎng)運作的靈活及安全性。不過，分布式電源接入電網(wǎng)，也給電網(wǎng)的運作帶來了一定的問題，原有配電網(wǎng)的拓撲結構和相應的潮流分布因其接入而發(fā)生變化，例如含水電式的分布式電源的有功出力輸出隨機性大，給配電網(wǎng)的無功優(yōu)化帶來了一定影響[1,2]。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，但水電站如果處于豐水期大負荷和枯水期大、小負荷這三種電網(wǎng)運行方式下，電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行，但處于豐水期小負荷時，電網(wǎng)的電壓波動較大，相對不穩(wěn)定，不利于電網(wǎng)的正常運行，進而對用戶端產(chǎn)生一定的影響[3-4]。小水電接入電網(wǎng)也將帶來一些問題，比如損耗、潮流和運行電壓等將受到小水電季節(jié)性變化而受到影響。所以，小水電接入電網(wǎng)在帶來經(jīng)濟效益的同時，應當考慮其產(chǎn)生的不良影響，尋找解決小水電帶來不足的辦法，促使小水電發(fā)揮出其最大的經(jīng)濟和社會效益。

1 小水電對系統(tǒng)網(wǎng)損影響分析

1.1 水電站發(fā)電對變壓器損耗的影響

線路空載時電能的損耗值的大小不受負荷的變化影響，主要是受到電壓變化的影響，與電壓值的平方存在變化關系。而且電網(wǎng)電壓值與變壓器中空載損耗之間存在正相關變化關系，小水電所發(fā)出的無功功率較大。變壓器的銅損電能與傳輸功率平方之間存在正相關關系。水電站所發(fā)出的無功功率與系統(tǒng)電壓及變壓器的銅損之間也存在關系，當無功功率增加時，則系統(tǒng)電壓和變壓器銅損耗同樣隨之增加。因此，變壓器耗損和水電站發(fā)出的無功功率成正比關系，不過電網(wǎng)的電壓受到小水電的無功功率影響較小，變壓器的損耗受到小水電的影響也較小。

1.2 水電站發(fā)電對線路損耗的影響

電網(wǎng)的線路損耗電能受到視在功率平方的影響，兩者存在正相關。線路主要由支線和干線兩種形式線路構成。支線是傳輸電力負荷的重要線路，干線則不僅具有支線的功能，還能夠傳輸高壓電網(wǎng)內的剩余功率。如果忽略水電站對電網(wǎng)構成的弊端，則支路損耗將不受水電影響，但是干線損耗將會受到影響。圖1為一條支線負荷示意圖，SLD和支線存在一定的對應關系。SLD則可以由位于支線上的視在功率、線路損耗和變壓器損耗三者之和進行表示。圖1為一條支線，結合圖1分析可知，A是二次變電站，B則是水電站，RL1是A電源到等效負荷SLD之間輸電線路的單相電阻，RL2則為B至SLD的單相電阻。

圖1 支線示意圖

2 小水電的數(shù)學模型

負荷和輸出功率的不穩(wěn)定性直接導致小水電的負荷、潮點方向不穩(wěn)定。這也讓潮流方向計算顯得更為重要。當預估計算潮流值時，小水電以PQ節(jié)點表示，如果有功功率P恒定，則無功功率Q將與電壓U、P兩者之間存在關系。一旦小水電入網(wǎng)，則更多的無功功率將輸入電網(wǎng)中，功率流動程度的增加讓損耗也變大。為了解決這一問題，在線路中增加電容器組，使其能夠達到提升功率的目的，為小水電的接入減少不必要的損耗，當運用串聯(lián)補償技術后，接入小水電所產(chǎn)生的功率因數(shù)變化為：

所必須損耗的無功功率為：

電容器的加入產(chǎn)生的無功功率公式可以利用下面兩個式子進行表示：

式中：φ代表電壓與電流之間的相位差；Pw為小水電輸出所產(chǎn)生的固定有功功率，QC為并聯(lián)電容器組補償?shù)臒o功功率，Qw,0為小水電吸收無功功率；n是投入使用中的組數(shù)；UC,N為并聯(lián)電容器的額定電壓；QC,N代表額定電壓下并聯(lián)電容器的單位容量。

經(jīng)計算后，電壓U修正成Ua，因此，潮流計算迭代的節(jié)點實際無功功率計算式為：

計算時，Pw的值會一直保持不變，在迭代后的Ua，可以結合利用式（2）、（3）兩個計算得到Q″；考慮獲得的功率因數(shù)，對并聯(lián)電容器的組數(shù)n進行計算求解；最后求得節(jié)點實際注入的無功Qre。綜合計算分析后，則可以將小水電轉變?yōu)镻Q節(jié)點順利接入電網(wǎng)中。

3 案例分析

以某地區(qū)小水電接入電網(wǎng)為例展開研究，通過查閱資料可知，所選取的研究地區(qū)主工業(yè)干線總線長為9.71 km，分支線總線長約25.48 km，主干線和分支線總長達35.19 km，該區(qū)域共配備變壓器94臺，總容量為17.370 MVA。最大負荷將能達到配變容量的36%，平均負荷率29%，處于最高負荷時，全線功率因數(shù)在0.85～0.95之間。最大負荷時變電站母線電壓為11.025 kV，末端臺區(qū)電壓降到8.36 kV，超出GB/T12325規(guī)定的范圍，電壓質量不符合實際運行需求。主要負荷分布如表1所示。

表1 某地區(qū)10kV工業(yè)線主要節(jié)點負荷分布

當進入降雨量高峰期時，所有小水電機組均能滿負荷發(fā)電，輸出功率的方向為朝向線路電源方向，P2和Q2兩個參數(shù)取負值，Δu、δu兩個不同電壓參數(shù)可表示為：

位于串聯(lián)補償所定的位置處存在明顯壓降，沿線電壓也存在一定程度下降變化趨勢，因此當小水電進入汛期階段時，接入串聯(lián)補償裝置將解決小水電電壓波動不穩(wěn)定的問題。當線路展開串補的能效分析時，將末端小水電作為PQ節(jié)點進行分析，其余則當成PV節(jié)點展開分析。補償前后電壓分布如圖2所示。由圖2可知，在接入串聯(lián)補償裝置之前，線路電壓呈明顯的上升趨勢，特別是在7#節(jié)點之后，電壓值變化為11.2491 kV，顯著超過了線路極限值11.235 kV，末端電壓則更高。通過分析圖2可知，該值已達11.8275 kV，不利于線路的正常穩(wěn)定運行。在小水電汛期時，接入串聯(lián)補償裝置后，線路電壓過高現(xiàn)象得到緩解，在4#節(jié)點處存在明顯壓降，由11.0187 kV下降到10.9081 kV，補償點之前的電壓升高問題也得到一定改善，5#節(jié)點之后的電壓上升速度不快，均處于可控范圍之內，末端電壓改善效果更佳，直接由11.8257 kV下降到11.2293 kV，滿足運行要求。綜上分析，在小水電汛期時，當接入串補裝置后，能解決末端電壓過高的問題。

圖2 末端T接小水電的10 kV線路豐水期電壓分布

4 結論

以某地區(qū)小水電接入配電網(wǎng)為例展開分析研究，對豐水期的小水電加入串聯(lián)補償裝置后線路電壓的變化情況展開研究，經(jīng)過試驗分析表明，在小水電汛期時，當接入串補裝置后，將能改善末端電壓過高的問題。