含小水电接入的35 kV 母线电压优化问题分析

陈乃兴，冯欣玉，江盼，苟海峰，张仁英

（1.国网陇南供电公司，甘肃 陇南 742500；2.西安理工大学电气工程学院，西安 710048；3.国网文县供电公司，甘肃 陇南 746400；4.国网两当县供电公司，甘肃 陇南 742500）

0 引言

作为清洁可再生能源的小水电，不但推动了社会的经济发展，同时也对节能减排做出贡献。丰水期由于水量充足，小水电机组满发使得并网点的母线电压普遍偏高[1-6]。然而在枯水期，处于整个电网末梢的小水电厂电气联系薄弱，会引起作为受端系统的小水电电网其末梢电压整体偏低的问题。电压的变化和用电设备的安全问题息息相关，小水电系统电压的升高与降低都会产生相应的影响，若影响致使用电设备安全使之发生故障，可能会危及到电网的安全运行。针对含有小水电电网丰水期上网点电压偏高问题的相关研究是十分必要的。

无功补偿对于电能质量的优化起到了十分重要的作用[7]，从无功补偿入手，不但能够优化电压质量，同时也可以大幅度增强并网联络线的输送能力，对系统的稳定起到了重要的作用，同时也有效地降低系统有功损耗，电网整体经济效益的提高也起到了重要的作用。

本文通过对甘肃某供电公司所辖相关变电站丰水期水电上网点电压的分析[8-9]，找出母线电压偏高问题的原因，并且提出可行的改善措施；然后分别分析单独使用并联电抗器以及发电机进相保护对电压的改善情况，进而结合两种方法发现对电压的控制是最优的。最后利用电力系统仿真软件PSASP 搭建模型对实例进行验证，提出的并联电容器以及发电机进相保护对母线电压的控制是最有效的。

1 母线电压偏高问题分析

首先分析系统未接入小水电时电压的情况，然后接入小水电，分析此时电压降的变化[10]。图1 所示为输电线路简单模型，是一相等值电路，其中，R为一相等值电阻，X为一相等值电抗，V为相电压，I为相电流，S1为流过线路电阻的功率，S2为流过线路电抗的功率，P2为负荷节点有功功率，Q2为负荷节点的无功功率。

图1 输电线路简单模型Fig.1 Simple model of transmission line

1）未接入小水电，由等值电路可得

式中，ΔV2为电压降落的纵分量。

式中，δV2为电压降落的横分量。

式中，δ为电压V1、V2的相位差。

由于ΔV2远大于δV2，为了分析方便，忽略δV2的影响[11]。

2）此时，接入小水电，假设考虑接入的功率是P1+jQ1，则有公式为

式中：ΔV2为此时电压降，可以看到接入后的电压降减少，因此接入点处的电压V2升高，若考虑小水电接入功率P1+jQ1非常大的情况，高于负荷节点功率P2+jQ2时，电压降即为小于零值，表示此时的功率流动方向是从小水电侧向节点V1侧，即此时电压V2高于电压V1，这种情况使得原有传统网络的功率以及传统网络的电压分布发生改变。可以得到结论：接入的小水电不但使得接入点电压升高，同时也改变了潮流的流动方向，甚至会有更严重的情况，例如电压越限的情况，会危及整个供电设备的安全运行以及用户的电压质量。

2 电压偏高解决措施及分析

针对供电半径比较大，同时含有小水电的配电网，其线路电压的优化调整是必要的。由于丰水期时，小水电若处于轻载运行的情况，而此时小水电满发，必然会导致电压越限严重，同时也会引起潮流方向改变：受电端为系统一侧，送电端为小水电一侧。此时该线路上任意节点上电压均较高，较为严重的线路末端电压数值大小甚至处于12 kV 到13 kV 之间[12-13]，这必然严重威胁到了电路上各个电气设备的安全运行。

2.1 小水电运行方式调压

针对小水电接入后引起的配电网无功功率不平衡的问题，可以通过对小水电站水电机组其励磁电流的调节改变无功功率输出，实现无功平衡从而达到调压的目的。在这种系统中，通过调节机组励磁电流进行调压，由于小水电接入范围内，其输电线路的长度普遍不长，而且小水电发出的功率一般也不大，因此线路电压损耗普遍偏小，是一种经济且可靠的调压方法。

图2 所示为电枢电流和励磁电流关系的V 形曲线[14]。观察曲线，表示随着有功的增加曲线也随之升高。可以看到，当cosφ=1 时，与ifn对应的电流I最小，此时曲线所处的顶点为最低点；随着if降低，也就是当ifn＞if时，发电机组将进相运行，从系统中吸收感性无功功率[12]；随着if升高，也就是当ifn＜if时，发电机组将迟相运行，向系统发出感性无功功率。

图2 V 型曲线Fig.2 V-shaped curve

考虑小水电接入后，若在冬季负荷较重的情况下，系统对于有功无功的需求量将会大幅度提高，同时小水电接入电网会使线路中功率传输增加，也就是会导致系统的电压降低，为了电压的稳定，可以通过使励磁电流增大，发出更多无功，使功率因数减小，通过迟相运行给系统增加无功的方式进行调压。

在喷口前后回流区特性方面: 喷口前后分离区的大小整体上随进口压强的减小而增大(具体数值见表5, Hs表示喷口前分离区再附点距喷口中心线的距离， Hl表示喷口前回流区最高点到下壁面的距离)， 这是由于随着进口静压减小, 氢气喷流与来流静压比增大(见表 4), 喷流所具有的压力能相比于来流增大, 导致喷流对主流的堵塞及干扰效应增强. 当进口压强减小到一定程度后(如P∞=59, 51 kPa时), 分离区出现减小的趋势, 这可能与氢气和空气的化学当量比及氢气的燃烧效率有关.

丰水期时，小水电若处于轻载运行的情况，而此时小水电满发，必然会导致电压越限严重，同时也会引起潮流方向改变：受电端为系统一侧，送电端为小水电一侧。此时该线路上任意节点上电压均较高，较为严重的线路末端电压数值大小甚至处于12～13 kV 之间，这必然严重威胁到了电路上各个电气设备的安全运行。所以针对供电半径比较大，同时含有小水电的配电网，其线路电压的优化调整是必要的。机组人员可以通过调节励磁电流，使之进相运行，把系统中无法消耗的感性无功吸收，从而达到控制电压的目的。通过调整小水电无功进而控制电压是一种经济而可靠的方法，根据分析，通过对机组运行方式的调整可以稳定一定外围的电压变化。

2.2 并联电抗器调压

当线路承载较轻负荷时，可以通过装设并联电抗器来吸收系统中无法消耗的无功，从而有效地降低电压。一般会将并联电抗器装设在线路一侧或变电站一次侧母线处[15]。

针对接入小水电的系统，由于小水电通常坐落在相对较为偏远的地区，而农村用电负荷密度相对偏小，那么处于丰水期时，会出现小水电功率无法消耗，多余的部分将向大电网反向输送功率的情况，那么会使得接入点区域的网络电网电压偏高的情况出现，这种情况下立刻加装并联电抗器，可以迅速可靠地优化电压偏高的问题，从而确保电压在安全波动范围内运行。

在装设并联电抗器需要注意容量选择，考虑补偿容量为QL。公式为

式中：Sdl为安装侧三相短路容量，MVA；ΔU%为估计母线电压降百分值；QL为并联电抗器的最大装设容量，Mvar。

小水电通常接入的35 kV 电站，那么可以通过控制电站母线电压进而实现对电压的调整，这种方式属于集中控制[16]；若出现接入点电压严重偏高的情况，则可以通过在用户侧或10 kV 侧调整电压，这种方式称之为分散控制[17]。集中控制是在低压侧来补偿无功，从而控制整个变电站的电压在安全范围内，但是会出现局部一些节点电压仍然得不到控制的情况，这时就要结合分散控制，在电压偏高的位置接入分散补偿，见表1。

表1 调压措施分析Table 1 Analysis of voltage adjustment measures

3 以甘肃某供电公司电压偏高问题为例对电压问题进行分析

2020年，通过“基础数据整治”和“同期线损”问题专项整治，公司所辖35 kV 及以上网损改善明显，2020年1-6月份35 kV、110 kV 和220 kV 分压网损同比下降。但由于水电丰水期的来临，个别10 kV、35 kV 线路高损问题存在。本文以甘肃某供电公司线路一为例，分析线路电压过高的问题，提出理论控制电压的措施，利用PASAP 软件对这条线路进行仿真分析，分析提出的解决措施是否有效可靠。

3.1 线路运行情况分析

甘肃某供电公司所辖线路一于2007年投入使用，由35 kV 变电站1 至35 kV 变电站2，线路全长8.947km，导线型号为LGJ-120。该线路受水电上网影响，呈现明显的时间性差异，今年5-6月丰水期间随着水电发电量增加，线损率也随之增大；1-4月枯水期随着水电发电量减少，线损率也随之减小。

此外，受水电上网冲击影响，35 kV 变电站2 母线电压丰水期长期在38.2 kV 左右波动，35 kV 变电站1 母线电压在36.5 kV 左右波动。该线路功率因数长期保持0.97 以上，两侧电压相差略大。

甘肃供电公司所辖线一路主要为水电过网线路，35 kV 并网小水电1 座，10 kV 并网小水电13座。涉及该线路的上网关口水电明细见表2。

表2 涉及上网关口水电明细Table 2 Water and electricity details related to access gateway

3.2 调压方案及仿真分析

针对水电丰水期的来临，水电发电量增加，甘肃某供电公司所辖线路一电压偏高的问题，分别采用如下措施对线路进行调压，并使用PSASP 软件进行仿真分析，并比较不同措施的效果。首先采取对变电站2 和变电站m 发电机单独进相以及对变电站2 所有发电机进相运行方式进行调压，考虑进相深度为0.95，分别仿真分析并观察结果。其次采取单独装设无功补偿设备调压方式进行调压，在35 kV变电站2 母线集中补偿，分别装设2、4、6、8、10 Mvar的并联电抗器进行分散补偿以及在变电站2 的两条10 kV 母线各接一个5 Mvar 的并联电抗器进行分散补偿，仿真分析并观察结果。最后采用进相深度为0.95 的发电机进相运行方式与在35 kV 变电站2 母线处加装并联电抗器相结合的方法进行调压，仿真分析并观察比对调压效果。推进机组进相试验，增加机组调压能力，联合综合能源公司开展A 变电站、B 变电站、C 变电站等3 座电站机组进相试验，待进相试验完成后，通过AVC 系统改造[20]，通过电压自动调整进一步解决电压越限问题，同时在变电站3 并联电抗器装设无功设备补偿调压。对比3 种措施的调压结果，分析最优措施并总结。

单独采取发电机进相运行方式，这种方式是通过调节励磁电流把系统中无法消耗的感性无功吸收进而调整电压。这种调压方式对于小水电接入系统来说经济且可靠，因为输电线路长度普遍不长，且小水电发出的功率一般不高，因此线路电压损耗也普遍偏小。针对甘肃某供电公司所辖线路一电压偏高的问题，采取对变电站2 和变电站m 发电机单独进相以及对变电站2 所有发电机进相运行方式进行调压，考虑进相度为0.95，利用电力系统仿真软件PSASP 搭建模型对实例进行验证，发电机进相运行结果见表3，可以看到这种方法对于电压偏高问题有明显的降低作用。

表3 发电机进相运行结果Table 3 Results of leading phase operation of generator

单独加装并联电抗器的方式，对于线路承载较轻负载时，可以吸收系统中无法消耗的无功从而有效降低电压。对于水电丰水期时会出现小水电功率无法消耗，多余的部分将向大电网反向输送功率的情况，那么会使得接入点区域的网络电网电压偏高的情况出现，这种情况下装设并联电抗器，可以迅速可靠地优化电压偏高的问题，从而确保电压在安全波动范围内运行。针对甘肃某供电公司所辖线路一电压偏高的问题，采取单独装设无功补偿设备调压方式进行调压，在35 kV变电站2 母线集中补偿，分别装设2、4、6、8、10 Mvar 的并联电抗器进行分散补偿以及在变电站2 的两条10 kV 母线各接一个5 Mvar 的并联电抗器进行分散补偿，利用电力系统仿真软PSASP 搭建模型对实例进行验证，加装并联电抗器的结果见表4，可以看到这种方法对于电压偏高问题有明显的降低作用。

表4 加装并联电抗器结果Table 4 Results of installing shunt reactor

最后采用进相深度为0.95 的发电机进相运行方式与在35 kV 变电站2 母线处加装并联电抗器相结合的方法进行调压，利用电力系统仿真软件PSASP搭建模型对实例进行验证，结果见表5，可以看到这种方法对于线路降压效果是最为明显的。

表5 发电机进相运行结合并联电抗器运行结果Table 5 Results of generator leading phase operation combined with shunt reactor operation

将3 种方法的调压结果对比分析，结果见图3，3种措施均不同程度地起到了降低电压的作用，其中最优情况对比如图3 所示，可以看到将发电机进相运行和加装并联电抗器结合的方法是对电压控制效果最好的，无论可靠性还是有效性都是最优的调压方式。

图3 3种调压措施对比柱状图Fig.3 Comparison bar chart of three voltage regulating measures

4 结语

本文以甘肃某供电公司所辖线路一相关变电站为例，针对含小水电电网丰水期水电上网点母线电压偏高严重的问题，提出可行的母线电压改善措施，利用电力系统仿真软件PSASP 搭建模型对实例进行验证。从仿真结果可以得到结论：通过发电机进相运行方式以及母线加装并联电抗器的方式进行电压控制效果明显，通过发电机进相运行与母线加装并联电抗器结合的方式进行电压控制效果最好，无论从可靠性还是有效性分析都是最优的调压方式。发电机进相运行与母线加装并联电抗器结合的方式进行电压控制对解决母线电压偏高问题效果显著。