含小水电分布式电源的配网线路串联补偿优化

2021-05-07汤项雷

电工材料 2021年2期

汤项雷

（广西广投能源集团有限公司，南宁 530200）

引言

随着经济的发展，人们对发电技术的经济性、环保清洁性、能源利用率等方面越来越关注。分布式电源作为其中一种兼具经济性高、清洁环保性好，以及能源利用率高的发电技术，逐步在大量并入电网输送清洁能源，有效避免了传统能源带来的环境污染，同时缓解了传统化石能源的使用危机，是一种前景可观的发电技术。分布式电源还具备消峰填谷的作用，提升了电网运作的灵活及安全性。不过，分布式电源接入电网，也给电网的运作带来了一定的问题，原有配电网的拓扑结构和相应的潮流分布因其接入而发生变化，例如含水电式的分布式电源的有功出力输出随机性大，给配电网的无功优化带来了一定影响[1,2]。

经研究发现，但水电站如果处于丰水期大负荷和枯水期大、小负荷这三种电网运行方式下，电网能够稳定运行，但处于丰水期小负荷时，电网的电压波动较大，相对不稳定，不利于电网的正常运行，进而对用户端产生一定的影响[3-4]。小水电接入电网也将带来一些问题，比如损耗、潮流和运行电压等将受到小水电季节性变化而受到影响。所以，小水电接入电网在带来经济效益的同时，应当考虑其产生的不良影响，寻找解决小水电带来不足的办法，促使小水电发挥出其最大的经济和社会效益。

1 小水电对系统网损影响分析

1.1 水电站发电对变压器损耗的影响

线路空载时电能的损耗值的大小不受负荷的变化影响，主要是受到电压变化的影响，与电压值的平方存在变化关系。而且电网电压值与变压器中空载损耗之间存在正相关变化关系，小水电所发出的无功功率较大。变压器的铜损电能与传输功率平方之间存在正相关关系。水电站所发出的无功功率与系统电压及变压器的铜损之间也存在关系，当无功功率增加时，则系统电压和变压器铜损耗同样随之增加。因此，变压器耗损和水电站发出的无功功率成正比关系，不过电网的电压受到小水电的无功功率影响较小，变压器的损耗受到小水电的影响也较小。

1.2 水电站发电对线路损耗的影响

电网的线路损耗电能受到视在功率平方的影响，两者存在正相关。线路主要由支线和干线两种形式线路构成。支线是传输电力负荷的重要线路，干线则不仅具有支线的功能，还能够传输高压电网内的剩余功率。如果忽略水电站对电网构成的弊端，则支路损耗将不受水电影响，但是干线损耗将会受到影响。图1为一条支线负荷示意图，SLD和支线存在一定的对应关系。SLD则可以由位于支线上的视在功率、线路损耗和变压器损耗三者之和进行表示。图1为一条支线，结合图1分析可知，A是二次变电站，B则是水电站，RL1是A电源到等效负荷SLD之间输电线路的单相电阻，RL2则为B至SLD的单相电阻。

图1 支线示意图

2 小水电的数学模型

负荷和输出功率的不稳定性直接导致小水电的负荷、潮点方向不稳定。这也让潮流方向计算显得更为重要。当预估计算潮流值时，小水电以PQ节点表示，如果有功功率P恒定，则无功功率Q将与电压U、P两者之间存在关系。一旦小水电入网，则更多的无功功率将输入电网中，功率流动程度的增加让损耗也变大。为了解决这一问题，在线路中增加电容器组，使其能够达到提升功率的目的，为小水电的接入减少不必要的损耗，当运用串联补偿技术后，接入小水电所产生的功率因数变化为：

所必须损耗的无功功率为：

电容器的加入产生的无功功率公式可以利用下面两个式子进行表示：

式中：φ代表电压与电流之间的相位差；Pw为小水电输出所产生的固定有功功率，QC为并联电容器组补偿的无功功率，Qw,0为小水电吸收无功功率；n是投入使用中的组数；UC,N为并联电容器的额定电压；QC,N代表额定电压下并联电容器的单位容量。

经计算后，电压U修正成Ua，因此，潮流计算迭代的节点实际无功功率计算式为：

计算时，Pw的值会一直保持不变，在迭代后的Ua，可以结合利用式（2）、（3）两个计算得到Q″；考虑获得的功率因数，对并联电容器的组数n进行计算求解；最后求得节点实际注入的无功Qre。综合计算分析后，则可以将小水电转变为PQ节点顺利接入电网中。

3 案例分析

以某地区小水电接入电网为例展开研究，通过查阅资料可知，所选取的研究地区主工业干线总线长为9.71 km，分支线总线长约25.48 km，主干线和分支线总长达35.19 km，该区域共配备变压器94台，总容量为17.370 MVA。最大负荷将能达到配变容量的36%，平均负荷率29%，处于最高负荷时，全线功率因数在0.85～0.95之间。最大负荷时变电站母线电压为11.025 kV，末端台区电压降到8.36 kV，超出GB/T12325规定的范围，电压质量不符合实际运行需求。主要负荷分布如表1所示。

表1 某地区10kV工业线主要节点负荷分布

当进入降雨量高峰期时，所有小水电机组均能满负荷发电，输出功率的方向为朝向线路电源方向，P2和Q2两个参数取负值，Δu、δu两个不同电压参数可表示为：

位于串联补偿所定的位置处存在明显压降，沿线电压也存在一定程度下降变化趋势，因此当小水电进入汛期阶段时，接入串联补偿装置将解决小水电电压波动不稳定的问题。当线路展开串补的能效分析时，将末端小水电作为PQ节点进行分析，其余则当成PV节点展开分析。补偿前后电压分布如图2所示。由图2可知，在接入串联补偿装置之前，线路电压呈明显的上升趋势，特别是在7#节点之后，电压值变化为11.2491 kV，显著超过了线路极限值11.235 kV，末端电压则更高。通过分析图2可知，该值已达11.8275 kV，不利于线路的正常稳定运行。在小水电汛期时，接入串联补偿装置后，线路电压过高现象得到缓解，在4#节点处存在明显压降，由11.0187 kV下降到10.9081 kV，补偿点之前的电压升高问题也得到一定改善，5#节点之后的电压上升速度不快，均处于可控范围之内，末端电压改善效果更佳，直接由11.8257 kV下降到11.2293 kV，满足运行要求。综上分析，在小水电汛期时，当接入串补装置后，能解决末端电压过高的问题。