基于串联补偿的小水电并网线路电压治理

2020-08-04马永良崔基荣

科技视界 2020年15期

马永良崔基荣

摘要

小水电并网线路的电压存在季节性的偏高和偏低问题，解决该问题有重要的社会和经济意义。本文深入研究了串联补偿的原理，提出了电压和损耗全局优化的算法。通过仿真分析和优化计算，可以设计出合理的补偿容量和补偿位置，也验证了串联电容补偿装置能有效解决小水电并网线路的电压问题，有一定的推广应用价值。

关键词

小水电;串联补偿;仿真分析;优化

中图分类号： TM53 文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.009

Abstract

The voltage of small hydropower grid-connected lines is seasonally exceeding the standard，which has important social and economic significance to solve this problem.This paper deeply studies the principle of series compensation，and proposes an algorithm for global optimization of voltage and loss.Through simulation analysis and optimization calculation， the compensation capacity and position can be designed reasonably，and it is verified that the series capacitance compensation device can effectively solve the voltage problem of small hydropower grid connection lines，and has the value of popularization and application.

Key Words

Small hydropower;Series compensation;Simulation analysis;Optimization

0 前言

在我国的能源里面，水电是重要组成部分。在我国广阔的乡村，存在着大量的小水电，小水电的单机容量一般不大，但装机数量众多，成为地区清洁能源的重要组成部分[1]。小水电由于单台装机容量小，往往采取直接升压到10kV，就地接入10kV线路，接线方式往往采用简单的T接方式。小水电地理位置较为偏僻，T接到公用10kV线路的末端。随着水库来水量的不同，存在丰水期满负荷发电，枯水期低负荷发电甚至不发电。由于线路截面普遍偏小，半径较长，导致并网线路在枯水期线路出现电压偏高，严重情况下，电压水平高于国家标准，甚至导致部分居民电气设备由于电压偏高出现损毁的情况[2]。在枯水期，小水电出力降低，又有可能导致线路末端电压偏低，影响居民的用电。小水电并网线路的电压在水电不同发电状态下，出现电压偏高或者偏低问题。研究技术措施，解决小水电并网线路的电压问题，有急迫的需求和社会现实意义。

目前在解决小水电并网线路电压治理问题上，国内外的电力工作者和研究人员，研究了多种技术措施，尝试解决线路的电压问题。改造线路，对线路半径过细的导线进行更换，甚至把部分架空导线改造为电缆线路，但效果不明显，经济性较低。加装并联电容补偿器，在负荷端加装电容补偿，可以提高功率因数，降低线路损耗，能够解决功率因素低造成的电压偏低问题，但有其局限性[3]。在线路合适的位置加装调压器，对于末端负荷较大的线路，有较好的效果[2]，但调压器频繁调压，设备的可靠性较低。

在小水电并网线路合适位置上加装串联电容器补偿[4]，利用并联电容器抵消线路感抗，可以有效降低线路阻抗，从而降低线路的电压损失，且串联补偿容量跟随电压变化，有很好的自适应性。本文在研究串联补偿装置治理小水电并网线有效性的基础上，采用基于电压水平约束下最优线损模型，求解最优的补偿容量和补偿位置。

1 配电网串联补偿原理

小水电并网线路等效电路见图1，并网线路忽略对地并联电容，只考虑串联的XL和R，线路串联补偿相当于在等值电路上串联XC。

并網线路在加入串联电容Xc后，降低了线路的电抗X，使得线路的压降降低ΔU。如图2所示，在枯水期，线路接入串联补偿电容后，将使得线路末端电压从U2提高到U2。从公式（1）也可得到，随着串联电容补偿容量的增加，线路末端电压U2将得到提升。补偿效果与补偿容量相关，理想的认为补偿容量越大，补偿效果越明显。补偿效果也跟电压有关，电压高的时候压降降低，电压低的时候压降升高，使得串联电容补偿具有一定的自动调节能力。

2 串联电容补偿的优化方法

2.1 串联补偿的线损计算

根据上一节的分析结果，串联补偿电容的加入，使得线路的压降将，线路的损耗也会随着电压降低而降低，具有节能的效果。假设补偿前后线路传输的功率不变，根据公式（1）和公式（2），可以求出补偿前后的线路损耗，如公式（3）。电容器补偿度越高，线路的损耗越低。

2.2 串联补偿优化方法

国家电能质量标准《GB12325-2008-T电能质量供电电压允许偏差》规定：20kV及以下的三相供电电压偏差为标称电压的±7%[5]。线路进行串联电容补偿后，各节点电压水平应满足该电压标准约束[7]。在运行中，严格控制电容器两端的电压，防止电容器两端电压高压设备的额定值。在此基础上采用优化算法，求解全局电压和线路损耗最优，达到经济安全运行的总体目标。

2.3 补偿优化的流程

在补偿流程设计中，根据电网的实际运行条件进行参数输入，初步计算补偿容量的初始值，按照补偿目标函数的要求，逐节点进行函数计算，寻找最优的配置容量和安装位置，最终输出最优的配置方案。

3 仿真算例

3.1 模型参数

某回线路接于110kV变电站，线径偏小，线路较长，线路末端T接着较多小水电，主要负荷也接于线路末端。小水电的库容量都比较小，发电机组的出力有明显的季节性。在丰水期，小水电满功率发电，导致线路末端电压偏高，存在各机组无序发电情况，导致电压偏高的情况不断恶化。在严重情况下，导致居民用电设备损坏。在枯水期，小水电基本处于停机检修状态，发电机出力为零，从变电站下拉负荷，满足居民用电需求，线路末端容易出现电压偏低情况。线路示意图见图4。

1）线路参数：线路型号为LGJ-120;线路长度16.6km，线路上最高负荷为1250kVA，最低负荷为120kVA，功率因素为0.85。

2）小水电参数：小水电的总装机容量为2800kVA，最大出力为0.9pu，功率因素0.9。

3.2 线路串联电容补偿设计分析

线路接入小水电后，在不同水文条件下[6]，将会出现电压偏高和电压偏低的问题。由于串联电容补偿器的容量为不可调节设计。在设计线路补偿初始容量时，需要统筹考虑串联补偿器在丰水期和枯水期的电压补偿效果。兼顾两种状态下，综合电压水平均需在合理水平下。初步设计补偿容量为320μF，安装位置在6.64公里处，对串联补偿效果进行仿真对比分析。

在丰水期，小水电出力比较稳定，线路上接的负荷主要为居民负荷，为模拟电压偏高最严重的情况，考虑谷期负荷率为10%，进行仿真。仿真结果如图5，补偿前线路末端电压为1.135pu，电压高于1.07pu的标准;安装串联补偿后线路末端电压为1.068pu，电压在合格范围内，且串联补偿装置后方节点3电压为1.015pu，也在合格范围内。

在枯水期，小水电处于停机检修状态，出力基本为零，线路上接的负荷主要为居民负荷，为模拟电压偏低最严重的情况，考虑负荷率为100%，进行仿真。仿真结果如图6，补偿前线路末端电压为1.135pu，电压高于1.07pu的标准;安装串联补偿后线路末端电压为1.068pu，电压在合格范围内，但串联补偿装置后方节点3电压为1.082pu，电压稍微偏高。

通过仿真分析，小水单并网线路安装了补偿装置后，线路上电压水平都控制在合理范围你。证明了串联补偿装置对于小水电并网线路的电压质量治理是有效地，既可以解决丰水期线路末端电压偏高问题，也可以解决枯水期线路末端电压偏低问题。但存在个别节点电压偏高现象，需要进一步优化设计。

3.3 串联补偿的优化

根据本文提出的串联补偿优化算法，针对以全局电压和线损最优为目标，进行串联补偿优化。经过计算，得到两个方案：方案一，串联补偿装置安装于线路节点2，电压偏离额定值均方差为0.281%，但在枯水期节点3电压为1.083pu;方案二，串联补偿装置安装于线路节点3，电压偏离额定值均方差为0.288%，但在丰水期节点3电压为1.088pu。推荐方案一，该方案可以满足线路在丰水期和枯水期，线路的电压全局最优，且线路损耗降低了19.2%。

4 结论

本文主要研究了串联补偿装置应用于小水单并网线路的电压质量治理问题，得到以下几点结论：

1）利用串联补偿技术解决小水单并网线路的电压质量问题具有明显效果，通过仿真分析也证明了通过合理设计，可以解决小水电在丰水期和枯水期出现的电压偏高和偏低问题，具有自适应的调节能力。

2）采用优化算法，可以更合理地安排串联补偿的位置和容量，使得补偿电压和线路损耗得到更优的结果，为实际工程应用提供计算根据。

3）串联补偿的补偿度问题，补偿度越高，补偿效果越好，但要注意过高的补偿度，有可能在某些情况被诱发谐振。

通过本文的研究分析，串联补偿装置可以应用于小水电并网线路进行电压治理，效果显著，工程造价较低，设备可靠性高。具有推广应用的价值。

参考文献

[1]廖云.考虑多流域耦合的梯级水电站群优化运行研究[D].华中科技大学，2019.

[2]闫群民，张航，朱娟娟.小水电接入的变电站母线电压质量分析及治理研究[J].电力电容器与无功补偿，2018，39（02）：110-114.

[3]曾远方.串联电容补偿在配电网中的应用研究[D].华中科技大学，2016.

[4]杨悦，李国庆，王振浩.基于可信性理论的含风电电力系统电压稳定概率评估[J].电力自动化设备，2014，34（12）：6-12.

[5]张显庆，方海垠.电网电能质量分析和控制[J].黑龙江科技信息，2011（17）：25.