含小水電接入的35 kV 母線電壓優(yōu)化問題分析

陳乃興，馮欣玉，江盼，茍海峰，張仁英

（1.國網(wǎng)隴南供電公司，甘肅 隴南 742500；2.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710048；3.國網(wǎng)文縣供電公司，甘肅 隴南 746400；4.國網(wǎng)兩當(dāng)縣供電公司，甘肅 隴南 742500）

0 引言

作為清潔可再生能源的小水電，不但推動了社會的經(jīng)濟發(fā)展，同時也對節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。豐水期由于水量充足，小水電機組滿發(fā)使得并網(wǎng)點的母線電壓普遍偏高[1-6]。然而在枯水期，處于整個電網(wǎng)末梢的小水電廠電氣聯(lián)系薄弱，會引起作為受端系統(tǒng)的小水電電網(wǎng)其末梢電壓整體偏低的問題。電壓的變化和用電設(shè)備的安全問題息息相關(guān)，小水電系統(tǒng)電壓的升高與降低都會產(chǎn)生相應(yīng)的影響，若影響致使用電設(shè)備安全使之發(fā)生故障，可能會危及到電網(wǎng)的安全運行。針對含有小水電電網(wǎng)豐水期上網(wǎng)點電壓偏高問題的相關(guān)研究是十分必要的。

無功補償對于電能質(zhì)量的優(yōu)化起到了十分重要的作用[7]，從無功補償入手，不但能夠優(yōu)化電壓質(zhì)量，同時也可以大幅度增強并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的輸送能力，對系統(tǒng)的穩(wěn)定起到了重要的作用，同時也有效地降低系統(tǒng)有功損耗，電網(wǎng)整體經(jīng)濟效益的提高也起到了重要的作用。

本文通過對甘肅某供電公司所轄相關(guān)變電站豐水期水電上網(wǎng)點電壓的分析[8-9]，找出母線電壓偏高問題的原因，并且提出可行的改善措施；然后分別分析單獨使用并聯(lián)電抗器以及發(fā)電機進相保護對電壓的改善情況，進而結(jié)合兩種方法發(fā)現(xiàn)對電壓的控制是最優(yōu)的。最后利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP 搭建模型對實例進行驗證，提出的并聯(lián)電容器以及發(fā)電機進相保護對母線電壓的控制是最有效的。

1 母線電壓偏高問題分析

首先分析系統(tǒng)未接入小水電時電壓的情況，然后接入小水電，分析此時電壓降的變化[10]。圖1 所示為輸電線路簡單模型，是一相等值電路，其中，R為一相等值電阻，X為一相等值電抗，V為相電壓，I為相電流，S1為流過線路電阻的功率，S2為流過線路電抗的功率，P2為負(fù)荷節(jié)點有功功率，Q2為負(fù)荷節(jié)點的無功功率。

圖1 輸電線路簡單模型Fig.1 Simple model of transmission line

1）未接入小水電，由等值電路可得

式中，ΔV2為電壓降落的縱分量。

式中，δV2為電壓降落的橫分量。

式中，δ為電壓V1、V2的相位差。

由于ΔV2遠(yuǎn)大于δV2，為了分析方便，忽略δV2的影響[11]。

2）此時，接入小水電，假設(shè)考慮接入的功率是P1+jQ1，則有公式為

式中：ΔV2為此時電壓降，可以看到接入后的電壓降減少，因此接入點處的電壓V2升高，若考慮小水電接入功率P1+jQ1非常大的情況，高于負(fù)荷節(jié)點功率P2+jQ2時，電壓降即為小于零值，表示此時的功率流動方向是從小水電側(cè)向節(jié)點V1側(cè)，即此時電壓V2高于電壓V1，這種情況使得原有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的功率以及傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的電壓分布發(fā)生改變?？梢缘玫浇Y(jié)論：接入的小水電不但使得接入點電壓升高，同時也改變了潮流的流動方向，甚至?xí)懈鼑?yán)重的情況，例如電壓越限的情況，會危及整個供電設(shè)備的安全運行以及用戶的電壓質(zhì)量。

2 電壓偏高解決措施及分析

針對供電半徑比較大，同時含有小水電的配電網(wǎng)，其線路電壓的優(yōu)化調(diào)整是必要的。由于豐水期時，小水電若處于輕載運行的情況，而此時小水電滿發(fā)，必然會導(dǎo)致電壓越限嚴(yán)重，同時也會引起潮流方向改變：受電端為系統(tǒng)一側(cè)，送電端為小水電一側(cè)。此時該線路上任意節(jié)點上電壓均較高，較為嚴(yán)重的線路末端電壓數(shù)值大小甚至處于12 kV 到13 kV 之間[12-13]，這必然嚴(yán)重威脅到了電路上各個電氣設(shè)備的安全運行。

2.1 小水電運行方式調(diào)壓

針對小水電接入后引起的配電網(wǎng)無功功率不平衡的問題，可以通過對小水電站水電機組其勵磁電流的調(diào)節(jié)改變無功功率輸出，實現(xiàn)無功平衡從而達(dá)到調(diào)壓的目的。在這種系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)機組勵磁電流進行調(diào)壓，由于小水電接入范圍內(nèi)，其輸電線路的長度普遍不長，而且小水電發(fā)出的功率一般也不大，因此線路電壓損耗普遍偏小，是一種經(jīng)濟且可靠的調(diào)壓方法。

圖2 所示為電樞電流和勵磁電流關(guān)系的V 形曲線[14]。觀察曲線，表示隨著有功的增加曲線也隨之升高?？梢钥吹剑?dāng)cosφ=1 時，與ifn對應(yīng)的電流I最小，此時曲線所處的頂點為最低點；隨著if降低，也就是當(dāng)ifn＞if時，發(fā)電機組將進相運行，從系統(tǒng)中吸收感性無功功率[12]；隨著if升高，也就是當(dāng)ifn＜if時，發(fā)電機組將遲相運行，向系統(tǒng)發(fā)出感性無功功率。

圖2 V 型曲線Fig.2 V-shaped curve

考慮小水電接入后，若在冬季負(fù)荷較重的情況下，系統(tǒng)對于有功無功的需求量將會大幅度提高，同時小水電接入電網(wǎng)會使線路中功率傳輸增加，也就是會導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓降低，為了電壓的穩(wěn)定，可以通過使勵磁電流增大，發(fā)出更多無功，使功率因數(shù)減小，通過遲相運行給系統(tǒng)增加無功的方式進行調(diào)壓。

在噴口前后回流區(qū)特性方面: 噴口前后分離區(qū)的大小整體上隨進口壓強的減小而增大(具體數(shù)值見表5, Hs表示噴口前分離區(qū)再附點距噴口中心線的距離， Hl表示噴口前回流區(qū)最高點到下壁面的距離)， 這是由于隨著進口靜壓減小, 氫氣噴流與來流靜壓比增大(見表 4), 噴流所具有的壓力能相比于來流增大, 導(dǎo)致噴流對主流的堵塞及干擾效應(yīng)增強. 當(dāng)進口壓強減小到一定程度后(如P∞=59, 51 kPa時), 分離區(qū)出現(xiàn)減小的趨勢, 這可能與氫氣和空氣的化學(xué)當(dāng)量比及氫氣的燃燒效率有關(guān).

豐水期時，小水電若處于輕載運行的情況，而此時小水電滿發(fā)，必然會導(dǎo)致電壓越限嚴(yán)重，同時也會引起潮流方向改變：受電端為系統(tǒng)一側(cè)，送電端為小水電一側(cè)。此時該線路上任意節(jié)點上電壓均較高，較為嚴(yán)重的線路末端電壓數(shù)值大小甚至處于12～13 kV 之間，這必然嚴(yán)重威脅到了電路上各個電氣設(shè)備的安全運行。所以針對供電半徑比較大，同時含有小水電的配電網(wǎng)，其線路電壓的優(yōu)化調(diào)整是必要的。機組人員可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流，使之進相運行，把系統(tǒng)中無法消耗的感性無功吸收，從而達(dá)到控制電壓的目的。通過調(diào)整小水電無功進而控制電壓是一種經(jīng)濟而可靠的方法，根據(jù)分析，通過對機組運行方式的調(diào)整可以穩(wěn)定一定外圍的電壓變化。

2.2 并聯(lián)電抗器調(diào)壓

當(dāng)線路承載較輕負(fù)荷時，可以通過裝設(shè)并聯(lián)電抗器來吸收系統(tǒng)中無法消耗的無功，從而有效地降低電壓。一般會將并聯(lián)電抗器裝設(shè)在線路一側(cè)或變電站一次側(cè)母線處[15]。

針對接入小水電的系統(tǒng)，由于小水電通常坐落在相對較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，而農(nóng)村用電負(fù)荷密度相對偏小，那么處于豐水期時，會出現(xiàn)小水電功率無法消耗，多余的部分將向大電網(wǎng)反向輸送功率的情況，那么會使得接入點區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)電壓偏高的情況出現(xiàn)，這種情況下立刻加裝并聯(lián)電抗器，可以迅速可靠地優(yōu)化電壓偏高的問題，從而確保電壓在安全波動范圍內(nèi)運行。

在裝設(shè)并聯(lián)電抗器需要注意容量選擇，考慮補償容量為QL。公式為

式中：Sdl為安裝側(cè)三相短路容量，MVA；ΔU%為估計母線電壓降百分值；QL為并聯(lián)電抗器的最大裝設(shè)容量，Mvar。

小水電通常接入的35 kV 電站，那么可以通過控制電站母線電壓進而實現(xiàn)對電壓的調(diào)整，這種方式屬于集中控制[16]；若出現(xiàn)接入點電壓嚴(yán)重偏高的情況，則可以通過在用戶側(cè)或10 kV 側(cè)調(diào)整電壓，這種方式稱之為分散控制[17]。集中控制是在低壓側(cè)來補償無功，從而控制整個變電站的電壓在安全范圍內(nèi)，但是會出現(xiàn)局部一些節(jié)點電壓仍然得不到控制的情況，這時就要結(jié)合分散控制，在電壓偏高的位置接入分散補償，見表1。

表1 調(diào)壓措施分析Table 1 Analysis of voltage adjustment measures

3 以甘肅某供電公司電壓偏高問題為例對電壓問題進行分析

2020年，通過“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整治”和“同期線損”問題專項整治，公司所轄35 kV 及以上網(wǎng)損改善明顯，2020年1-6月份35 kV、110 kV 和220 kV 分壓網(wǎng)損同比下降。但由于水電豐水期的來臨，個別10 kV、35 kV 線路高損問題存在。本文以甘肅某供電公司線路一為例，分析線路電壓過高的問題，提出理論控制電壓的措施，利用PASAP 軟件對這條線路進行仿真分析，分析提出的解決措施是否有效可靠。

3.1 線路運行情況分析

甘肅某供電公司所轄線路一于2007年投入使用，由35 kV 變電站1 至35 kV 變電站2，線路全長8.947km，導(dǎo)線型號為LGJ-120。該線路受水電上網(wǎng)影響，呈現(xiàn)明顯的時間性差異，今年5-6月豐水期間隨著水電發(fā)電量增加，線損率也隨之增大；1-4月枯水期隨著水電發(fā)電量減少，線損率也隨之減小。

此外，受水電上網(wǎng)沖擊影響，35 kV 變電站2 母線電壓豐水期長期在38.2 kV 左右波動，35 kV 變電站1 母線電壓在36.5 kV 左右波動。該線路功率因數(shù)長期保持0.97 以上，兩側(cè)電壓相差略大。

甘肅供電公司所轄線一路主要為水電過網(wǎng)線路，35 kV 并網(wǎng)小水電1 座，10 kV 并網(wǎng)小水電13座。涉及該線路的上網(wǎng)關(guān)口水電明細(xì)見表2。

表2 涉及上網(wǎng)關(guān)口水電明細(xì)Table 2 Water and electricity details related to access gateway

3.2 調(diào)壓方案及仿真分析

針對水電豐水期的來臨，水電發(fā)電量增加，甘肅某供電公司所轄線路一電壓偏高的問題，分別采用如下措施對線路進行調(diào)壓，并使用PSASP 軟件進行仿真分析，并比較不同措施的效果。首先采取對變電站2 和變電站m 發(fā)電機單獨進相以及對變電站2 所有發(fā)電機進相運行方式進行調(diào)壓，考慮進相深度為0.95，分別仿真分析并觀察結(jié)果。其次采取單獨裝設(shè)無功補償設(shè)備調(diào)壓方式進行調(diào)壓，在35 kV變電站2 母線集中補償，分別裝設(shè)2、4、6、8、10 Mvar的并聯(lián)電抗器進行分散補償以及在變電站2 的兩條10 kV 母線各接一個5 Mvar 的并聯(lián)電抗器進行分散補償，仿真分析并觀察結(jié)果。最后采用進相深度為0.95 的發(fā)電機進相運行方式與在35 kV 變電站2 母線處加裝并聯(lián)電抗器相結(jié)合的方法進行調(diào)壓，仿真分析并觀察比對調(diào)壓效果。推進機組進相試驗，增加機組調(diào)壓能力，聯(lián)合綜合能源公司開展A 變電站、B 變電站、C 變電站等3 座電站機組進相試驗，待進相試驗完成后，通過AVC 系統(tǒng)改造[20]，通過電壓自動調(diào)整進一步解決電壓越限問題，同時在變電站3 并聯(lián)電抗器裝設(shè)無功設(shè)備補償調(diào)壓。對比3 種措施的調(diào)壓結(jié)果，分析最優(yōu)措施并總結(jié)。

單獨采取發(fā)電機進相運行方式，這種方式是通過調(diào)節(jié)勵磁電流把系統(tǒng)中無法消耗的感性無功吸收進而調(diào)整電壓。這種調(diào)壓方式對于小水電接入系統(tǒng)來說經(jīng)濟且可靠，因為輸電線路長度普遍不長，且小水電發(fā)出的功率一般不高，因此線路電壓損耗也普遍偏小。針對甘肅某供電公司所轄線路一電壓偏高的問題，采取對變電站2 和變電站m 發(fā)電機單獨進相以及對變電站2 所有發(fā)電機進相運行方式進行調(diào)壓，考慮進相度為0.95，利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP 搭建模型對實例進行驗證，發(fā)電機進相運行結(jié)果見表3，可以看到這種方法對于電壓偏高問題有明顯的降低作用。

表3 發(fā)電機進相運行結(jié)果Table 3 Results of leading phase operation of generator

單獨加裝并聯(lián)電抗器的方式，對于線路承載較輕負(fù)載時，可以吸收系統(tǒng)中無法消耗的無功從而有效降低電壓。對于水電豐水期時會出現(xiàn)小水電功率無法消耗，多余的部分將向大電網(wǎng)反向輸送功率的情況，那么會使得接入點區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)電壓偏高的情況出現(xiàn)，這種情況下裝設(shè)并聯(lián)電抗器，可以迅速可靠地優(yōu)化電壓偏高的問題，從而確保電壓在安全波動范圍內(nèi)運行。針對甘肅某供電公司所轄線路一電壓偏高的問題，采取單獨裝設(shè)無功補償設(shè)備調(diào)壓方式進行調(diào)壓，在35 kV變電站2 母線集中補償，分別裝設(shè)2、4、6、8、10 Mvar 的并聯(lián)電抗器進行分散補償以及在變電站2 的兩條10 kV 母線各接一個5 Mvar 的并聯(lián)電抗器進行分散補償，利用電力系統(tǒng)仿真軟PSASP 搭建模型對實例進行驗證，加裝并聯(lián)電抗器的結(jié)果見表4，可以看到這種方法對于電壓偏高問題有明顯的降低作用。

表4 加裝并聯(lián)電抗器結(jié)果Table 4 Results of installing shunt reactor

最后采用進相深度為0.95 的發(fā)電機進相運行方式與在35 kV 變電站2 母線處加裝并聯(lián)電抗器相結(jié)合的方法進行調(diào)壓，利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP搭建模型對實例進行驗證，結(jié)果見表5，可以看到這種方法對于線路降壓效果是最為明顯的。

表5 發(fā)電機進相運行結(jié)合并聯(lián)電抗器運行結(jié)果Table 5 Results of generator leading phase operation combined with shunt reactor operation

將3 種方法的調(diào)壓結(jié)果對比分析，結(jié)果見圖3，3種措施均不同程度地起到了降低電壓的作用，其中最優(yōu)情況對比如圖3 所示，可以看到將發(fā)電機進相運行和加裝并聯(lián)電抗器結(jié)合的方法是對電壓控制效果最好的，無論可靠性還是有效性都是最優(yōu)的調(diào)壓方式。

圖3 3種調(diào)壓措施對比柱狀圖Fig.3 Comparison bar chart of three voltage regulating measures

4 結(jié)語

本文以甘肅某供電公司所轄線路一相關(guān)變電站為例，針對含小水電電網(wǎng)豐水期水電上網(wǎng)點母線電壓偏高嚴(yán)重的問題，提出可行的母線電壓改善措施，利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP 搭建模型對實例進行驗證。從仿真結(jié)果可以得到結(jié)論：通過發(fā)電機進相運行方式以及母線加裝并聯(lián)電抗器的方式進行電壓控制效果明顯，通過發(fā)電機進相運行與母線加裝并聯(lián)電抗器結(jié)合的方式進行電壓控制效果最好，無論從可靠性還是有效性分析都是最優(yōu)的調(diào)壓方式。發(fā)電機進相運行與母線加裝并聯(lián)電抗器結(jié)合的方式進行電壓控制對解決母線電壓偏高問題效果顯著。