含小水電分布式電源的配網線路串聯補償優化

湯項雷

（廣西廣投能源集團有限公司，南寧 530200）

引言

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

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

1 小水電對系統網損影響分析

1.1 水電站發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。水電站所發出的無功功率與系統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出的無功功率成正比關系，不過電網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 水電站發電對線路損耗的影響

電網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內的剩余功率。如果忽略水電站對電網構成的弊端，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 小水電的數學模型

負荷和輸出功率的不穩定性直接導致小水電的負荷、潮點方向不穩定。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，則更多的無功功率將輸入電網中，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，當運用串聯補償技術后，接入小水電所產生的功率因數變化為：

所必須損耗的無功功率為：

電容器的加入產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為小水電輸出所產生的固定有功功率，QC為并聯電容器組補償的無功功率，Qw,0為小水電吸收無功功率；n是投入使用中的組數；UC,N為并聯電容器的額定電壓；QC,N代表額定電壓下并聯電容器的單位容量。

經計算后，電壓U修正成Ua，因此，潮流計算迭代的節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，對并聯電容器的組數n進行計算求解；最后求得節點實際注入的無功Qre。綜合計算分析后，則可以將小水電轉變為PQ節點順利接入電網中。

3 案例分析

以某地區小水電接入電網為例展開研究，通過查閱資料可知，所選取的研究地區主工業干線總線長為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，末端臺區電壓降到8.36 kV，超出GB/T12325規定的范圍，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10kV工業線主要節點負荷分布

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

位于串聯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，接入串聯補償裝置將解決小水電電壓波動不穩定的問題。當線路展開串補的能效分析時，將末端小水電作為PQ節點進行分析，其余則當成PV節點展開分析。補償前后電壓分布如圖2所示。由圖2可知，在接入串聯補償裝置之前，線路電壓呈明顯的上升趨勢，特別是在7#節點之后，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定運行。在小水電汛期時，接入串聯補償裝置后，線路電壓過高現象得到緩解，在4#節點處存在明顯壓降，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

以某地區小水電接入配電網為例展開分析研究，對豐水期的小水電加入串聯補償裝置后線路電壓的變化情況展開研究，經過試驗分析表明，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。