含小水电地区电网过电压分析及抑制措施

陈志峰，陈娟，李海锋，钟庆

(1. 广东电网公司韶关供电局，广东省韶关市 512026；2. 华南理工大学电力学院，广州市 510000)

(1. Shaoguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Company, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China;2. Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)



含小水电地区电网过电压分析及抑制措施

陈志峰1，陈娟2，李海锋2，钟庆2

(1. 广东电网公司韶关供电局，广东省韶关市 512026；2. 华南理工大学电力学院，广州市 510000)

在国家大力倡导新能源开发和利用的条件下，小水电的建设得到迅速发展。由于缺乏规范化管理等原因，小水电在运行过程中经常导致地区电网出现过电压情况。为此，结合小水电发电的特点，建立了含小水电电网的等值分析模型，在此基础上针对小水电孤网运行、转供电以及地区进入丰水期这3种情况下所出现的严重过电压过程进行了理论分析，探明其产生机理，并根据不同的过电压情况从技术和管理层面提出了针对性的过电压抑制措施。最后，基于DIgSILENT/PowerFactory仿真平台搭建了含小水电的实际电网模型，验证了理论分析的正确性及抑制措施的效果。

小水电；孤网运行；转供电；过电压控制

0 引 言

我国小水电资源十分丰富，截至2005年底，共建成小水电站近5万座，总装机容量达到3 853 万kW，广泛分布在全国30多个省(区、市)的1 600多个县[1]。小水电主要分布在广大的农村地区，尤其是偏远山区，具有分散布点、就地开发、就近成网、成片供电的特点；其装机容量小，以径流式为主，有功出力取决于河流的径流量，接受电网调度能力差[2]。

受到输电距离、并网线路线径和电网电压钳制等因素的影响，小水电发不出无功和电压偏高的问题普遍存在[3]。而且，现阶段供电管理部门对各水电站采用了功率因数的考核办法[4-5]，使得许多小水电纷纷采用抬高励磁电压的办法来增加其无功输送量，以满足考核要求，进一步恶化了电网电压环境。如从枯水期进入丰水期后，小水电进水量增加，从而多发有功，导致无功送出量大幅减小，功率因数超出考核范围，于是其纷纷通过抬高自身励磁来增发无功，最终导致过电压现象；更值得关注的是，当小水电上网的主供电线路跳闸后，与主网解列的小网带负荷孤网运行，若水电出力大于用电负荷，将出现高频、高压的工况，严重时还将损坏用电设备；另外，当地区电网与主网的连接因设备故障或检修而断开时，为保证地区供电可靠性，通过联络开关使小水电转由路径更长的线路上网时，也将出现过电压现象。

目前对小水电无功电压问题的研究主要有：(1)小水电无功不足、电压偏高的主要原因分析，包括输电损耗大、变压器配置不合理及丰枯矛盾突出等[3-4,7]；(2)基于最优潮流改进小水电无功考核办法[8-15]。上述研究虽然有涉及小水电上网的过电压问题，但都只是针对非故障情况讨论，且已有的分析结论大都基于工程经验和粗略计算，并没有从理论上揭示过电压问题产生的机理，更缺乏对不同过电压问题的全面研究，如孤网运行和转供电所导致的过电压。

因此，本文基于含小水电地区电网的等值简化模型，对其孤网运行、转供电以及进入丰水期这3种情况的过电压产生机理进行理论分析，并借助仿真软件DIgSILENT/PowerFactory对理论分析结果进行验证，同时提出抑制该过电压的相关措施，为含小水电地区电网运行提供相应指导。

1 含小水电的地区电网过电压分析

小水电以径流式为主，出力取决于河流的径流量，且不投入自动励磁调节器，理论分析时可等值成一个带内阻的恒电压源。以图1所示含小水电地区电网的等值简化模型来分析地区电网过电压。

图1 含小水电地区电网的等值简化模型

1.1 孤网过电压分析

主供电线路跳闸后，为保障供电可靠性，地区电网常采取与主网解列的含小水电的小网带负荷孤网运行的策略。根据节点电压方程可得图1中bus3电压为

(1)

雷雨天气多出现在地区丰水期，此时小水电向外网输送功率，即有PV>0、QV>0。断开小网与外网的连接，小水电带负荷孤网运行时，PV和QV均瞬时减小至0，同时由于输送功率减少，功角δ亦减小，因此，从式(1)可知电压VS增大。实际电网中，多个小水电是采用分散接入的形式，但在分析地区电网过电压情况时，总可以采用戴维南定理将其等值为图1所示的单电源形式，则其分析方法与上述简化模型相同，得出的结论也一致。

1.2 转供电电压分析

当地区电网与主网的连接因设备故障或检修断开时，为保障其供电可靠性，有时需要进行转供电。由于对小水电而言，转供电一般相当于通过更长的路径实现与主网的连接，因此只需改变线路L的参数即可同样利用图1进行分析。

图1中，发电机空载电势Eq点的功率P+jQ可表示为

(2)

式中φΣ为阻抗ZΣ的阻抗角。

由于外部电网的钳制作用使母线电压VS基本不变，由式(2)可知，ZΣ增大，则P减小。转供电时，ZΣ增大，发电机电磁功率P减小，而水轮机进水量不变，即机械功率不变，此时发电机转子承受的机械转矩大于电磁转矩，发电机加速运行，使得δ角增大。

配电线路线径小，使其阻抗较大，约占总阻抗的90%以上；另外由于配电线路的电阻与电抗大小相差不多，如配网中型号为LGJ-95的架空输电线路，其线路参数为r1=0.332 Ω/km，x1=0.356 Ω/km，因而总阻抗ZΣ的阻抗角φΣ一般在50°左右。由于发电机δ角不大，因此由式(2)可知，δ角和ZΣ增大均会导致发电机输出的无功功率Q减小，从而功率因数增大。

同理，由图1可得小水电机端电压为

(3)

式中：RS和XS分别为发电机的内电阻和内电抗。

考虑到发电机阻抗中电阻很小，将其忽略后进一步简化为

(4)

由式(4)可知，小水电无功功率Q的减小会导致机端电压VG增大，电网中部分母线电压亦被抬高。

由此可知，转供电将导致小水电电压升高和功率因数增大，加之小水电运行功率因数本就偏高，使得功率因数远超出考核范围。在考核的压力之下，小水电抬高励磁电压以增大其无功输出，使网络中供电线路电压进一步被抬高。同时由于电压升高后，将导致其他小水电输送无功减少，进而形成各小水电之间为增发无功而纷纷抬高励磁的恶性竞争局面，并最终导致严重的系统过电压。

2 丰水期过电压分析

地区小水电受季节影响较大。当某地区由枯水期进入丰水期，由于水轮机进水量增大，而系统负荷量却并未发生相应变化，使发电机δ角变大，由式(2)可知此时小水电发出的无功功率减小，功率因数增大，小水电同样抬高自身励磁电压以满足考核要求，从而导致电压偏高。在这种情况下若再发生孤网或转供电，则将导致严重的过电压事故。

3 仿真分析

韶关电网水电资源丰富，大量变电站有水电上网，其中韶关乳源区必背镇内实际可利用的水电蕴藏量达7.6 万kW。如图2中必背镇内包含有溪水电站、寨面电站等10个水电站，共16台小水电机组，其中横溪电厂包含2台配备调速器的大机组，发电量共计5 130kW，而必背镇内实际负荷约900kW，小水电群发电量远远大于地区负荷量，因此该地区向主网输送功率。仿真中各小水电不投入调速器和励磁控制器，在扰动前其励磁空载电势依潮流而定。

图2 F36必背线和F11大桥线配网

3.1 孤网过电压仿真

在仿真软件DIgSILENT/PowerFactory中搭建如图2所示电网。t=30 s时，设置故障导致图2中大塘坑断路器跳闸，造成必背镇地区孤网运行。仿真得到其中大塘坑、大岭母线的电压结果如图3所示。

图3 大塘坑、大岭母线的孤网运行电压

由图3可以看到，孤网运行导致大岭母线电压从1.039 pu上升至1.142 pu，上升了9.913%；大塘坑母线电压则从1.043 pu上升至1.134 pu，升高了8.725%。因此，孤网运行导致了严重过电压。

3.2 转供电过电压仿真

图2中联络开关长山子开关由冷备用状态转为运行状态，实现必背镇转由大桥站供电。设置t=20 s时断开大塘坑断路器，t=23 s合上长山子开关进行转供电。t为90～100 s时，设置溪水电站、南坑电站等小水电分别抬高其励磁电压，t=200 s时寨面电站抬高励磁，以大岭、长山母线和寨面电站为例对转供电过电压进行说明。仿真结果如图4所示。

从图4可以看到，转供电使得大岭母线的电压从1.037 pu上升至1.075 pu，小水电竞相抬高励磁后其电压升至1.128 pu，寨面电站抬高励磁后其电压继续升高至1.131 pu，最终升高了9.064%；长山母线的电压则从1.000 pu最终上升至1.098 pu，升高了9.8%，过电压严重。从仿真结果可以看到，转供电过程伴随着电压变化的暂态过程，但其持续时间短，而小水电之间因恶性竞争而纷纷抬高励磁电压所导致的稳态过电压才是损坏用户电器的主要原因。同时，寨面电站在转供电时，无功出力从0.108 Mvar减小至0.103 Mvar，各小水电纷纷抬高励磁后其无功降至0.094 Mvar，此时其有功出力为0.256 MW，因此功率因数从0.92升高到0.94，超过考核范围；抬高自身励磁后无功输送量上升至0.110 Mvar，但却造成电压进一步的升高，过电压将更为严重。

3.3 丰水期过电压仿真

韶关地区降雨量主要集中在4—9月，降雨量占全年降雨量的80%。当降雨量剧增后，小水电有功出力也急剧增加，而无功出力减小，功率因数被抬高，不能满足功率因数的考核要求。在无功考核压力之下，小水电抬高其自身励磁，来增发无功。设置t=30 s时增大进水量，t=100 s时抬高小水电励磁，仿真得到寨面电站有功无功曲线和桂坑、大岭母线电压如图5所示。

图4 转供电时大岭、长山母线电压和寨面电站无功功率曲线

从图5可以看到，进水量增大后，寨面电站有功出力由0.256 MW升高到0.383 MW，而无功出力则由0.192 Mvar减小至0.126 Mvar，功率因数从0.8升高至0.95，超过考核要求，该电站抬高励磁后，其无功功率升高至0.209 Mvar，此时功率因数下降为0.878，但同时导致了大岭母线电压升至1.059 pu，上升了1.925%，以及桂坑母线电压升高至1.072 pu，升高了2.29%。若此时发生孤网或转供电等非正常运行状况，将导致更为严重的过电压。

4 含小水电的地区电网过电压抑制措施

4.1 加强对小水电的监管与调度，放宽或放弃对小水电无功功率考核要求

小水电单机容量小，数量众多，产权形式多样。

图5 丰水期大岭、桂坑母线电压和寨面电站功率曲线

尤其在丰水期，各小水电站开足马力，竞相发电，恶化系统无功电压环境。因此，加强对小水电的统一监管与调度十分必要。为此，可实行错峰发电。即根据该条线路或地区的负荷需求，通过合理安排各水电站轮流发电，达到既不造成无功集中上网，又能满足负荷需求，同时兼顾各水电站经济效益的目的，进而有效解决丰水期的过电压问题[6]。同时，运行中小水电为满足无功功率考核要求而抬高励磁电压的行为，严重恶化电压环境，在保证电网稳定经济运行的前提下，放宽对其无功功率考核要求，如将丰水期的考核范围从0.9～0.95提高到0.95～ 0.98，能有效防止因无功功率考核所导致的过电压现象[5]。为保证更好的电压无功环境，还可投入SVC等新型无功补偿装置，实现对电压快速、平滑、准确的调节。

4.2 投入具有自动准同期并网功能的智能型备自投装置

在主供线路跳闸后，孤网运行期间电压、频率极不稳定。常规备自投需待孤网中所有小电源解列、母线失压后才动作，而恢复地区供电。这样，不仅恢复供电的时间过长，且孤网运行期间电能质量低。具有自动准同期并网功能的智能型备自投装置以频率越限为启动条件，在孤网运行时能自动启动准同期并网功能，在小网与主网的角差趋向于允许值时提前发出同期合闸命令，从而实现快速不间断供电，大大改善了孤网的频率、电压运行水平，提高了供电可靠性[7]。

4.3 对小水电投入自动励磁调节器

自动励磁调节器可自动对系统电压进行调节，更好地分配系统无功功率，增强网络运行的稳定性。对投入与不投入自动励磁调节器两种情况进行仿真比较，结果如图6所示。

图6 有、无自动励磁调节器时大岭母线电压曲线

4.4 在负荷侧装设智能配电网电压控制终端

为了有效控制过电压，减小过电压对用户用电设备的损坏，在配网产权分界点处装设智能配电网电压控制终端，其原理图如图7所示。该电压控制终端利用现代电力电子技术中的整流、逆变技术对电压进行控制，同时通过隔离变压器对电压进行隔离，进而达到防止过电压损坏用户用电设备的目的。

图7 智能配电网电压控制终端原理

5 结 论

(1)小水电运行过程中伴随着电压偏高、无功输送艰难的现象，而在孤网、转供电及地区进入丰水期等条件下均会产生严重的过电压。小水电孤网运行时，由于孤网内有功、无功过剩，从而导致孤网内频率和电压升高；转供电时，小水电上网路径变长，将导致机端电压升高，无功输送量减小，在功率因数考核的压力之下，小水电抬高励磁运行，使电网电压升高的同时，抑制了其他小水电发出无功，进而使小水电之间形成了恶性竞争的局面，电网电压环境因此遭到严重恶化。地区电网进入丰水期时，由于小水电发出的有功功率增多，进而无功送出量减小，使其不满足功率因数考核要求，与转供电同样的分析，最终导致过电压现象。

(2)从过电压产生的机理可知，为改善小水电运行环境，抑制过电压，需加强对小水电统一监管，可采取对配网开关投入智能型备自投装置，对小水电投入自动励磁控制器，在负荷端装设智能配电网电压控制终端等措施。

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(编辑:蒋毅恒)

Overvoltage Analysis and Restrain Measures for Grid with Small Hydropower

CHEN Zhifeng1, CHEN Juan2, LI Haifeng2, ZHONG Qing2

Under the condition that the development and utilization of new energy are vigorously advocated in China, the construction of small hydropower has developed rapidly. However, due to the lack of standardized management, the operation of small hydropower often leads to overvoltage in regional power network. Therefore, combined with the characteristics of small hydropower, this paper constructed the equivalent analysis model of power grid with small hydropower. On this basis, the theoretical analysis was carried out on the serious overvoltage process occurred in three situations: the isolated operation of small hydropower, transferring power supply and going into the wet season. The generation mechanism of overvoltage was studied; and the restrain measures were proposed for the overvoltage from the technical and management level, according to different overvoltage conditions. Finally, based on simulation software DIgSILENT/PowerFactory, this paper constructed the model for actual power grid with small hydropower, and verified the correctness of theoretical analysis and the effect of restrain measures.

small hydropower; isolated operation; transferring power supply; overvoltage control

国家自然科学基金项目(51477057)；南方电网公司科技项目(K-GD2011-269)。

(1. Shaoguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Company, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China;2. Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

TM 714

A

1000-7229(2015)04-0021-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.004

2014-10-23

2015-01-19

陈志峰(1976)，男，工程师，工学硕士毕业，从事继电保护运行与整定研究；

陈娟(1989)，女，硕士研究生，从事配网运行方面的研究工作；

李海锋(1976)，男，副教授，博士，主要从事电力系统故障分析与继电保护的教学与科研工作；

钟庆(1978)，男，副教授，博士，主要从事电力系统运行分析与电能质量分析控制的研究工作。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFC)(51477057).