含分布式電源的配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方法研究

徐鑫 陳民海

國(guó)網(wǎng)青海省電力公司海北供電公司 青海 海晏 810200

引言

隨著分布式電源的大量部署，中低壓配電網(wǎng)也具備參與調(diào)控的可能性。但是，中低壓配電網(wǎng)電壓質(zhì)量較差，且由單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為多電源供電的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致潮流分布發(fā)生改變，無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題的求解日益復(fù)雜?？紤]臺(tái)區(qū)拓?fù)湫畔⒉蝗默F(xiàn)實(shí)問(wèn)題和傳統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的局限性，文中提出面向中低壓配電網(wǎng)的分布式協(xié)同無(wú)功優(yōu)化策略。

1 分布式電源概述

1.1 定義

分布式電源的供電模式與傳統(tǒng)供電模式有著顯著區(qū)別，主要是由小型功率模塊式獨(dú)立電源構(gòu)成，而這些獨(dú)立電源與周邊環(huán)境兼容性極高，不僅可由公共電力部門(mén)所有，而且也可由用戶個(gè)人擁有，甚至完全由第三方機(jī)構(gòu)所有，屬于一種能夠滿足配電網(wǎng)系統(tǒng)供電要求和用戶特殊用電需求的供電方式。一定數(shù)量的分布式電源為用戶自主安裝的發(fā)電設(shè)備，其中包含熱電﹑冷電聯(lián)產(chǎn)。從這一角度來(lái)看，我國(guó)目前的小機(jī)組發(fā)電設(shè)施﹑火電型發(fā)電設(shè)施均屬于分布式電源。

1.2 分類

立足不同領(lǐng)域去分析分布式電源，會(huì)有不一樣的分類方式。比如在能源可再生應(yīng)用的研究領(lǐng)域，分布式電源可分成兩大類：第一類是利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電的電源，這類電源通常是利用太陽(yáng)能﹑風(fēng)能等清潔型能源發(fā)電；第二類則是利用不可再生能源發(fā)電，主要是指利用固體燃料，比如燃料電池﹑發(fā)電輪機(jī)等。如果按照分布式電源與配電系統(tǒng)的連接形式去分類，分布式電源可分成旋轉(zhuǎn)型與逆變型兩種類型。

1.3 分布式發(fā)電技術(shù)

分布式發(fā)電技術(shù)主要包括三種技術(shù)：第1種技術(shù)是利用太陽(yáng)光伏電池進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)，該類技術(shù)本質(zhì)上是將半導(dǎo)體材料作為發(fā)電基礎(chǔ)，利用材料的特點(diǎn)制造光電效應(yīng)，之后利用光伏效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其能夠作為電能進(jìn)行使用。該類技術(shù)所使用的材料量較少，不會(huì)給周圍環(huán)境帶來(lái)污染，并且使用靈活性水平較高，后期維護(hù)相對(duì)方便，但是轉(zhuǎn)化的效率較低，一般情況下發(fā)電效率大約在7%~15%之間。第2種利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電是指利用風(fēng)能完成發(fā)電，和上一類技術(shù)相同，也屬于清潔能源技術(shù)。風(fēng)力大小和發(fā)電效率之間有著緊密的聯(lián)系，風(fēng)力越大，則發(fā)電效率越高。當(dāng)前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)被應(yīng)用到實(shí)際工作中，并且也成為使用最為廣泛的清潔發(fā)電方式，發(fā)電效率較高，大約為26%。第3種利用燃料電池進(jìn)行發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)和以往的火力發(fā)電相比，發(fā)電燃料不需要進(jìn)行燃燒，而是利用催化劑的作用使其能夠和氧化劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，利用化學(xué)反應(yīng)完成發(fā)電，當(dāng)前可以利用的燃料種類較為豐富，取材也更為便捷。雖然在發(fā)電時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱能損失的現(xiàn)象，但是發(fā)電效率可以超過(guò)40%[1]。

2 分布式電源配電網(wǎng)絡(luò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)母拍?/h2>

配電網(wǎng)是城市供電系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)電網(wǎng)可將電能逐級(jí)配送給用電單位或單個(gè)用戶，然而電能并不像自來(lái)水一樣是順著管道定向流動(dòng)的，受到磁場(chǎng)﹑供電線路﹑用電器其其他因素影響，在配電網(wǎng)中存在著大量的感性負(fù)荷，因此在配電的過(guò)程中就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生無(wú)功功率和有功功率兩種不同類型的功率類型。從市場(chǎng)角度來(lái)說(shuō)，無(wú)功功率不具備相應(yīng)的市場(chǎng)效益或經(jīng)濟(jì)價(jià)值，然而隨著配電距離的增加﹑線路材料的改變等無(wú)功功率會(huì)逐漸增加，大量的無(wú)功功率傳遞會(huì)直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，引起電壓波動(dòng)和用電質(zhì)量問(wèn)題，比如大量無(wú)功功率在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中會(huì)引起電壓的大幅下降，造成電壓損耗，導(dǎo)致變壓器或仙侶元件功率損耗增加，產(chǎn)生不必要的電能損耗導(dǎo)致能源浪費(fèi)問(wèn)題。這種由無(wú)功功率引起的電壓損耗會(huì)隨著配電網(wǎng)電壓增加而增加，但是無(wú)功功率在配電網(wǎng)中并非完全無(wú)意義，當(dāng)配電網(wǎng)無(wú)功功率不足時(shí)用電設(shè)備就無(wú)法建立正常的電磁場(chǎng)從而無(wú)法在額定參數(shù)下正常運(yùn)行，因此在部分電系中通過(guò)降低配電網(wǎng)電壓的方式來(lái)降低電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的需求，此時(shí)就必須要提高電流來(lái)使用電器達(dá)到額定參數(shù)，這也會(huì)增加電能的損耗。但是當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)無(wú)功功率過(guò)高時(shí)，我們就必須要提高電壓來(lái)穩(wěn)定配電網(wǎng)，這會(huì)損害電路的絕緣性，如果是在高壓配電中還可能引起電暈現(xiàn)象﹑無(wú)功倒送等問(wèn)題。因此我們需要通過(guò)相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制，來(lái)穩(wěn)定無(wú)功功率，使其不過(guò)高也不過(guò)低，維持在一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的穩(wěn)定。

3 分布式電源對(duì)配網(wǎng)供電電壓質(zhì)量的影響

3.1 電壓分布

將分布式電源接入到配網(wǎng)供電系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)的供電模式會(huì)從過(guò)去的輻射型供電轉(zhuǎn)變成多電源發(fā)電，而正因?yàn)椴煌攸c(diǎn)﹑不同發(fā)電形式的電源接入，所以會(huì)導(dǎo)致各個(gè)電源形成的電壓分布出現(xiàn)差異。從實(shí)際情況來(lái)看，分布式電源與電源線路末節(jié)越靠近，則會(huì)對(duì)線路電壓分布形成更明顯的影響，分布式電源越靠近配網(wǎng)供電系統(tǒng)的主路線路，則對(duì)電源線路電壓分布的影響越小。

3.2 電壓閃變

通常來(lái)講傳統(tǒng)的配電網(wǎng)發(fā)生電壓閃變情況的主要原因?yàn)殡妷翰环€(wěn)，不過(guò)隨著近些年分布式電源在配電網(wǎng)中的滲透率逐步提高，導(dǎo)致發(fā)生電壓閃變的原因也變得更加復(fù)雜，從這一角度去分析可歸總為如下幾點(diǎn)因素：其一，由于一定數(shù)量的分布式電源模塊管理權(quán)限在用戶手上，但因?yàn)橛脩舯旧淼膶I(yè)能力有限，因此在自主管理過(guò)程中對(duì)分布式電源的運(yùn)維操作不合理，致使電源頻繁出現(xiàn)異常啟停，也就導(dǎo)致電壓閃變的情況出現(xiàn)；其二，分布式電源模塊中會(huì)有大多數(shù)可再生能源如風(fēng)能﹑太陽(yáng)能等等，而這些分布式電源的接入受自然環(huán)境與天氣因素的影響非常大，所以也會(huì)導(dǎo)致電壓閃變的出現(xiàn)；其三，倘若分布式電源模塊相互間的距離非常短，那么也不可避免地彼此形成影響，出現(xiàn)電壓閃變的情況。

3.3 諧波

分布式電源接入配電網(wǎng)需要借助電力設(shè)備構(gòu)件中的變流裝置，而電源開(kāi)關(guān)動(dòng)作的頻發(fā)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)﹑電源周圍出現(xiàn)諧波分量，從而對(duì)配電網(wǎng)形成諧波污染。結(jié)合實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如果分布式電源接入配電網(wǎng)的位置固定，那么配電網(wǎng)饋線所產(chǎn)生的電壓諧波畸變率則會(huì)受到分布式電源總功率的影響，其中總功率占配電網(wǎng)總負(fù)荷的比例越大，那么配電網(wǎng)同條饋線的諧波畸變率也會(huì)越大，甚至?xí)雠潆娋W(wǎng)諧波電壓的限定值和畸變安全值。因?yàn)榉植际诫娫唇尤肱潆娋W(wǎng)時(shí)安裝的位置有所不同且每條饋線的諧波畸變率也存在差別，從具體表現(xiàn)來(lái)看分布式電源安裝越靠近配電網(wǎng)線路尾端，則饋線所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的諧波電壓畸變率越高；而分布式電源離配電網(wǎng)系統(tǒng)母線越近，則饋線所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的小學(xué)電壓畸變率越低。

3.4 供電電壓

配電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型基本為放射性，分布式電源接入配電網(wǎng)系統(tǒng)之后會(huì)對(duì)供電電壓形成影響，主要體現(xiàn)有[2]：①由于分布式電源存在自主開(kāi)合﹑發(fā)電波動(dòng)等情況，一定會(huì)影響到用戶的供電電壓，一般來(lái)講分布式電源會(huì)發(fā)生供電失穩(wěn)﹑不牢固等現(xiàn)象，特殊時(shí)期還有可能起伏波動(dòng)較大，不難看出分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的供電電壓形成一定威脅；②會(huì)提升配電網(wǎng)系統(tǒng)短路容量以及增強(qiáng)系統(tǒng)電壓強(qiáng)度，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)配網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，如果與配網(wǎng)距離相近的部分出現(xiàn)故障，能夠有效把控母線電壓閃變與電壓跌落的情況。盡管分布式電源接入配電網(wǎng)會(huì)帶來(lái)諸多供電質(zhì)量方面的問(wèn)題，但在配電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，備用的分布式電源便能快速且有計(jì)劃地響應(yīng)，大大提高了配網(wǎng)供電的穩(wěn)定性與可靠性。

4 常見(jiàn)無(wú)功補(bǔ)償方式

4.1 集中補(bǔ)償

集中補(bǔ)償就是通過(guò)在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容器組來(lái)實(shí)現(xiàn)感性功率和容性功率的相互轉(zhuǎn)化。在過(guò)去電網(wǎng)規(guī)模較小的時(shí)期，這種補(bǔ)償方式能夠有效調(diào)節(jié)配電網(wǎng)內(nèi)功率因數(shù)，促進(jìn)電能利用效率的提高[3]。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，集中補(bǔ)償?shù)谋锥巳找骘@現(xiàn)，一方面是隨著供電距離的增加，電網(wǎng)內(nèi)無(wú)功功率比例會(huì)逐漸增加，在電容器組連接線路遠(yuǎn)端功率因數(shù)調(diào)節(jié)效果并不明顯，另一方面則是為了適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需要，想要有效調(diào)節(jié)功率因數(shù)就不得不擴(kuò)大并聯(lián)電容器組的容量，導(dǎo)致集中補(bǔ)償?shù)某杀驹黾?。利用?jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，建立分布式電網(wǎng)配電網(wǎng)模型，計(jì)算集中補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)調(diào)節(jié)能力，不難發(fā)現(xiàn)距離電容器組越遠(yuǎn)功率因數(shù)越低，在短距離內(nèi)功率因數(shù)衰減速度較快，隨著距離的進(jìn)一步增加功率因數(shù)衰減速度逐漸降低，直至最后功率因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。這提示電容器組在配電網(wǎng)內(nèi)能夠影響的范圍較為有限，一方面是與電容器組的容量有關(guān)，容量越大的電容器組其影響范圍越廣，另一方面則是與電網(wǎng)的整體負(fù)荷有關(guān)，在電網(wǎng)負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的情況下電網(wǎng)的功率因數(shù)會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)功功率和用功功率的比值處于響度穩(wěn)定狀態(tài)。因此如果整個(gè)分布式電源配電網(wǎng)規(guī)模較小時(shí)，集中補(bǔ)償是一種可行的無(wú)功功率補(bǔ)償方法，但電網(wǎng)規(guī)模較大時(shí)集中補(bǔ)償能夠發(fā)揮的效果較為有限，推薦采取其他的無(wú)功補(bǔ)償方案。

4.2 分組補(bǔ)償

分組補(bǔ)償指的是在配電變壓器和用戶車間配電屏之間并聯(lián)安裝補(bǔ)償電容。這種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的原理脫胎于集中補(bǔ)償，集中補(bǔ)償?shù)暮诵脑谟谑褂么笕萘康碾娙萜鹘M進(jìn)行整個(gè)配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，而分組補(bǔ)償就是將配電網(wǎng)根據(jù)用戶車間分為各個(gè)模塊，在單一模塊中連入電容器組，對(duì)單模塊進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。相較于集中補(bǔ)償，分組補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M在裝配時(shí)的人力投入成本更高，但是在設(shè)計(jì)容量上可能和集中補(bǔ)償相同，這是利用分組的方法降低了集中補(bǔ)償時(shí)設(shè)計(jì)容量要求，本質(zhì)上是通過(guò)縮短用電車間和電容器的距離來(lái)降低無(wú)功補(bǔ)償強(qiáng)度，因此在實(shí)際的資源投入上分組補(bǔ)償和集中補(bǔ)償?shù)牟罹嗖⒉幻黠@，是一種更合理的無(wú)功補(bǔ)償配置。

4.3 就地補(bǔ)償

就地補(bǔ)償是含分組式電源的配電網(wǎng)特有的無(wú)功補(bǔ)償配置，具體來(lái)說(shuō)就是以電動(dòng)機(jī)組為單位進(jìn)行并聯(lián)電容安裝，通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)電動(dòng)機(jī)組的功率因數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)配電網(wǎng)的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的能源利用。在單電機(jī)組節(jié)點(diǎn)安裝并聯(lián)電容器不僅能夠調(diào)節(jié)配電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低配電過(guò)程中的功率損耗，還能夠充分挖掘設(shè)備的輸電與配電潛力，使每個(gè)分布式電源均能夠發(fā)揮出其在電網(wǎng)中的效能，從而有利于降低整個(gè)配電網(wǎng)并聯(lián)的電容容量，降低電網(wǎng)設(shè)置成本。在使用就地補(bǔ)償配置時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)[4]：①電網(wǎng)輕負(fù)荷時(shí)要注意無(wú)功補(bǔ)償?shù)膹?qiáng)度，比如在城市用電的淡季將電容器從線路中斷開(kāi)來(lái)降低過(guò)度補(bǔ)償；②使用就地補(bǔ)償時(shí)要注意做好功率因數(shù)的監(jiān)控工作，并非功率因數(shù)越高無(wú)功補(bǔ)償?shù)男б嬖礁撸且獙⒐β室驍?shù)控制在合理范圍內(nèi)，通常城市配電功率因數(shù)控制在0.95左右效益最高。

4 結(jié)束語(yǔ)

因此，未來(lái)分組式電源配電網(wǎng)普及后，無(wú)功補(bǔ)償可采取就地補(bǔ)償這一配置方案，從而實(shí)現(xiàn)低設(shè)計(jì)容量下的合理無(wú)功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)城市配電的可靠性和用電的安全性，為我國(guó)能源利用率提高做出貢獻(xiàn)。