雙碳目標(biāo)下電容器配置對(duì)于微電網(wǎng)電壓運(yùn)行的影響

江子桁 孫鉑洋 楊軼凡 趙元

摘 要：二氧化碳過度排放引發(fā)全球變暖，危及全人類生存。中國(guó)控碳時(shí)間表預(yù)計(jì)在2030年目標(biāo)碳達(dá)峰，2060年目標(biāo)碳中和?；陔p碳目標(biāo)，我國(guó)大力發(fā)展清潔能源和分布式能源，進(jìn)而形成微電網(wǎng)。微電網(wǎng)是由各種能量存儲(chǔ)、保護(hù)、轉(zhuǎn)換裝置以及相關(guān)控制系統(tǒng)組成的分布式發(fā)電系統(tǒng)。微電網(wǎng)無功功率平衡和線路電抗大小都將影響電壓偏移，串聯(lián)電容器將改變線路電抗，并聯(lián)電容器將影響無功功率傳輸。本文主要針對(duì)葫蘆島某沿海工業(yè)區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，談?wù)摯⒙?lián)電容器后電壓變化。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰碳中和;微電網(wǎng);電容器

Abstract： Excessive emissions of carbon dioxide cause global warming and endanger the survival of mankind.China’s carbon control timetable is expected to reach carbon peak in 2030 and carbon neutral in 2060.Based on the double carbon target，our country is developing clean energy and distributed energy to form microgrid.Microgrid is a distributed power generation system composed of various energy storage， protection， conversion devices and related control systems.Microgrid reactive power balance and line reactance will affect the voltage offset， series capacitors will change line reactance， shunt capacitors will affect reactive power transmission.In this paper， the voltage variation of series and parallel capacitors is discussed based on the microgrid system model of a coastal industrial zone in Huludao.

Key words： carbon peak carbon neutralization; Micro power grid; capacitor

微電網(wǎng)（Micro-Grid）也譯為微網(wǎng)，是指由 分布式電源 、 儲(chǔ)能裝置 、能量轉(zhuǎn)換裝置、 負(fù)荷 、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1]。 微電網(wǎng)的提出旨在實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效方式，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡。

1? 碳達(dá)峰和碳中和

氣候變化是人類面臨的全球性問題。隨著各國(guó)二氧化碳排放，溫室氣體猛增，對(duì)生命系統(tǒng)形成威脅。在這一背景下，世界各國(guó)以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，中國(guó)由此提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)。

碳排放達(dá)峰并不單指在某一年達(dá)到最大排放量，而是一個(gè)過程，即碳排放首先進(jìn)入平臺(tái)期并可能在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，然后進(jìn)入平穩(wěn)下降階段。碳中和是指在規(guī)定時(shí)期內(nèi)，二氧化碳的人為移除與人為排放相抵消。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）定義，人為排放即人類活動(dòng)造成的二氧化碳排放，包括化石燃料燃燒、工業(yè)過程、農(nóng)業(yè)及土地利用活動(dòng)排放等。人為移除則是人類從大氣中移除二氧化碳，包括植樹造林增加碳吸收、碳捕集等。從氣體排放的角度，中和（neutrality）或凈零排放（net-zeroemissions）基本通用，碳中和或碳凈零排放以為著在進(jìn)入大氣的溫室氣體排放和吸收的匯之間達(dá)到平衡，全球“凈”溫室氣體排放需要大致下降到零。

我國(guó)要實(shí)現(xiàn)碳排放和碳中和的雄心目標(biāo)十分不易，需要付出艱巨的努力。中國(guó)的承諾是迄今為止世界各國(guó)中做出的最大減少全球變暖預(yù)期的氣候承諾。我國(guó)2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，減排總量將遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國(guó)家2050年碳中和。從時(shí)間安排上看，歐美從碳達(dá)峰到碳中和有50～70年過渡期，而中國(guó)只有30年過渡期。我國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，發(fā)展不平衡、不充分問題突出，目前有關(guān)應(yīng)對(duì)氣候變化的很多方面還存在欠缺和短板，加之外部環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)峻，要實(shí)現(xiàn)新達(dá)峰目標(biāo)與碳中和愿景，任務(wù)十分艱巨。推動(dòng)碳達(dá)峰和碳中和是經(jīng)濟(jì)社會(huì)的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)型。

2? 基于分布式能源的微電網(wǎng)

分布式能源系統(tǒng)是相對(duì)于傳統(tǒng)集中式供能能源系統(tǒng)而言的，傳統(tǒng)集中式供能系統(tǒng)采用大容量設(shè)備、集中生產(chǎn)、然后通過專門的輸送設(shè)施將各種能量輸送給較大范圍的眾多用戶;而分布式能源能源系統(tǒng)則是直接面向用戶，按用戶需求就地生產(chǎn)并供應(yīng)能量，具有多種供能，可滿足多重目標(biāo)的中、小型能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)。一般太陽能、風(fēng)能來承擔(dān)能量供給。

圖2可以看出，2021年我國(guó)太陽能和風(fēng)能增機(jī)容量將近60%。分布式能源發(fā)展就促進(jìn)了微電網(wǎng)發(fā)展。微電網(wǎng)（Micro-Grid）也譯為微網(wǎng)，是指由 分布式電源 、 儲(chǔ)能裝置 、能量轉(zhuǎn)換裝置、 負(fù)荷 、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。 微電網(wǎng)的提出旨在實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效方式，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡。

微電網(wǎng)分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨(dú)立型微電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)自我控制和自治管理。并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行;獨(dú)立型微電網(wǎng)不與外部電網(wǎng)連接，電力電量自我平衡[2]。微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式：正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，稱為聯(lián)網(wǎng)模式;當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開而獨(dú)立運(yùn)行，稱為孤島模式。兩者之間的切換必須平滑而快速。微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制。

2.1并網(wǎng)運(yùn)行

并網(wǎng)運(yùn)行就是微電網(wǎng)與公用大電網(wǎng)相連，微網(wǎng)斷路器閉合，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)進(jìn)行電能交換。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。儲(chǔ)能系統(tǒng)可進(jìn)行并網(wǎng)模式下的充電與放電操作。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可通過控制裝置轉(zhuǎn)換到離網(wǎng)運(yùn)行模式。

2.2離網(wǎng)運(yùn)行

離網(wǎng)運(yùn)行也稱孤島運(yùn)行，是指在電網(wǎng)故障或計(jì)劃需要時(shí)，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)斷開，由DG、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷構(gòu)成的運(yùn)行方式。儲(chǔ)能變流器PCS工作于離網(wǎng)運(yùn)行模式為微網(wǎng)負(fù)荷繼續(xù)供電，光伏系統(tǒng)因母線恢復(fù)供電而繼續(xù)發(fā)電，儲(chǔ)能系統(tǒng)通常只向負(fù)載供電。

從應(yīng)用場(chǎng)景上來說，并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)主要集中于城市電網(wǎng)當(dāng)中。離網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)主要集中于海島、西北偏僻地區(qū)以及山村等環(huán)境相對(duì)惡劣，用電條件不便的地區(qū)。

3? 電容器串并聯(lián)對(duì)于微電網(wǎng)電壓的影響

本文以葫蘆島沿海工業(yè)區(qū)作為研究對(duì)象，利用PSCAD軟件建立離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，研究10kV微電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，電容器串并聯(lián)對(duì)于系統(tǒng)電壓偏移的影響情況。

初步潮流分析已完成，上面兩臺(tái)發(fā)電機(jī)分別為等值風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電機(jī)，箭頭代表葫蘆島某沿海工業(yè)區(qū)負(fù)荷，潮流功率如圖所示。

3.1? 串聯(lián)電容器

在電力線路上串聯(lián)電容器抵償線路感抗，可以提高線路末端電壓。串聯(lián)電容器后，電力線路電壓損耗減少了，提高了線路末端電壓。串聯(lián)電容器配置地點(diǎn)與負(fù)荷分布和電源分布有段。其一般原則是應(yīng)使沿電力線路電壓分布盡可能均勻，而且各負(fù)荷點(diǎn)電壓都在允許范圍之內(nèi)。

配電線路的無功補(bǔ)償主要是通過在線路上安裝一定的電容器來進(jìn)行補(bǔ)償應(yīng)用，這種應(yīng)用模式能夠提供線路與公用變壓器所需要的無功功率，從而保障線路傳輸?shù)姆€(wěn)定性[3]。在應(yīng)用的過程中，由于電網(wǎng)線路復(fù)雜，需要在不同的位置設(shè)置相應(yīng)的電容器進(jìn)行補(bǔ)償，但是這種線路的補(bǔ)償點(diǎn)的設(shè)置不宜過多，補(bǔ)償?shù)娜萘恳矐?yīng)該保持在一個(gè)相對(duì)合理而穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而避免因?yàn)檠a(bǔ)償過多而產(chǎn)生過度補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，影響整個(gè)配電線路網(wǎng)的應(yīng)用效能。

3.2? 并聯(lián)電容器

在電力系統(tǒng)無功電源不足時(shí)，需要在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)就地補(bǔ)償無功功率，從而改變電力網(wǎng)中無功功率分布。并聯(lián)電容器只能發(fā)出感性無功功率提高節(jié)點(diǎn)電壓，其容量選擇原則是最大負(fù)荷全部投入，最小負(fù)荷全部退出。

變電站補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)作的無功平衡，從而在運(yùn)作的過程中實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)損耗的全面降低。在這個(gè)集中補(bǔ)償?shù)倪^程中，各種并聯(lián)電容器、靜止補(bǔ)償器的應(yīng)用能夠改善電網(wǎng)應(yīng)用的公用系數(shù)，從而提高運(yùn)作過程中的變電所的母線電壓，從而在無功損耗的過程中通過補(bǔ)償來平衡整個(gè)電網(wǎng)的無功功率。這些裝置的應(yīng)用一般主要是應(yīng)用于變電站10kv的母線上，雖然這種應(yīng)用方式對(duì)于配電網(wǎng)的損耗基本不起到降低的作用，但是其在應(yīng)用的過程中能夠基于智能化的控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)性補(bǔ)償工作，其管理與維護(hù)的成本較低，較為方便快捷，能夠在應(yīng)用的過程中實(shí)現(xiàn)變電站的穩(wěn)定供應(yīng)[4]。

結(jié)語

綜上所述，在碳達(dá)峰和碳中和的雙碳目標(biāo)要求下，我國(guó)大力發(fā)展了太陽能和風(fēng)能等清潔能源，形成了并網(wǎng)型和離網(wǎng)型等微電網(wǎng)系統(tǒng)，電容器串并聯(lián)將影響微電網(wǎng)中潮流分布，進(jìn)而影響母線電壓偏移。

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作者簡(jiǎn)介：

1、江子桁（2002.09 -），男，漢族，黑龍江牡丹江人，學(xué)生，沈陽工程學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院研究方向：電氣工程自動(dòng)化;

2、孫鉑洋（2002.07-），女，漢族，遼寧遼陽人，學(xué)生，沈陽工程學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;

3、楊軼凡（2000.5-），男，漢族，遼寧阜新人，學(xué)生，沈陽工程學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院，講師，研究方向：發(fā)電廠及電力系統(tǒng);

4、趙元（2000.08-），男，滿族，遼寧葫蘆島，學(xué)生，沈陽工程學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院，研究方向：發(fā)電廠及電力系統(tǒng)。