含分布式电源的配电网无功补偿方法研究

2022-11-25徐鑫陈民海

科学与信息化 2022年9期

徐鑫陈民海

国网青海省电力公司海北供电公司青海海晏 810200

引言

随着分布式电源的大量部署，中低压配电网也具备参与调控的可能性。但是，中低压配电网电压质量较差，且由单电源辐射状网络发展为多电源供电的复杂网络导致潮流分布发生改变，无功优化问题的求解日益复杂。考虑台区拓扑信息不全的现实问题和传统协同优化的局限性，文中提出面向中低压配电网的分布式协同无功优化策略。

1 分布式电源概述

1.1 定义

分布式电源的供电模式与传统供电模式有着显著区别，主要是由小型功率模块式独立电源构成，而这些独立电源与周边环境兼容性极高，不仅可由公共电力部门所有，而且也可由用户个人拥有，甚至完全由第三方机构所有，属于一种能够满足配电网系统供电要求和用户特殊用电需求的供电方式。一定数量的分布式电源为用户自主安装的发电设备，其中包含热电﹑冷电联产。从这一角度来看，我国目前的小机组发电设施﹑火电型发电设施均属于分布式电源。

1.2 分类

立足不同领域去分析分布式电源，会有不一样的分类方式。比如在能源可再生应用的研究领域，分布式电源可分成两大类：第一类是利用可再生能源进行发电的电源，这类电源通常是利用太阳能﹑风能等清洁型能源发电；第二类则是利用不可再生能源发电，主要是指利用固体燃料，比如燃料电池﹑发电轮机等。如果按照分布式电源与配电系统的连接形式去分类，分布式电源可分成旋转型与逆变型两种类型。

1.3 分布式发电技术

分布式发电技术主要包括三种技术：第1种技术是利用太阳光伏电池进行发电的技术，该类技术本质上是将半导体材料作为发电基础，利用材料的特点制造光电效应，之后利用光伏效应对太阳能进行转化，使其能够作为电能进行使用。该类技术所使用的材料量较少，不会给周围环境带来污染，并且使用灵活性水平较高，后期维护相对方便，但是转化的效率较低，一般情况下发电效率大约在7%~15%之间。第2种利用风力进行发电，风力发电是指利用风能完成发电，和上一类技术相同，也属于清洁能源技术。风力大小和发电效率之间有着紧密的联系，风力越大，则发电效率越高。当前我国风力发电已经被应用到实际工作中，并且也成为使用最为广泛的清洁发电方式，发电效率较高，大约为26%。第3种利用燃料电池进行发电技术，该技术和以往的火力发电相比，发电燃料不需要进行燃烧，而是利用催化剂的作用使其能够和氧化剂产生化学反应，利用化学反应完成发电，当前可以利用的燃料种类较为丰富，取材也更为便捷。虽然在发电时会出现热能损失的现象，但是发电效率可以超过40%[1]。

2 分布式电源配电网络无功补偿的概念

配电网是城市供电系统的核心部分，通过电网可将电能逐级配送给用电单位或单个用户，然而电能并不像自来水一样是顺着管道定向流动的，受到磁场﹑供电线路﹑用电器其其他因素影响，在配电网中存在着大量的感性负荷，因此在配电的过程中就会同时产生无功功率和有功功率两种不同类型的功率类型。从市场角度来说，无功功率不具备相应的市场效益或经济价值，然而随着配电距离的增加﹑线路材料的改变等无功功率会逐渐增加，大量的无功功率传递会直接影响到整个电网的稳定性，引起电压波动和用电质量问题，比如大量无功功率在长距离传输过程中会引起电压的大幅下降，造成电压损耗，导致变压器或仙侣元件功率损耗增加，产生不必要的电能损耗导致能源浪费问题。这种由无功功率引起的电压损耗会随着配电网电压增加而增加，但是无功功率在配电网中并非完全无意义，当配电网无功功率不足时用电设备就无法建立正常的电磁场从而无法在额定参数下正常运行，因此在部分电系中通过降低配电网电压的方式来降低电网对无功功率的需求，此时就必须要提高电流来使用电器达到额定参数，这也会增加电能的损耗。但是当电网内无功功率过高时，我们就必须要提高电压来稳定配电网，这会损害电路的绝缘性，如果是在高压配电中还可能引起电晕现象﹑无功倒送等问题。因此我们需要通过相应的补偿机制，来稳定无功功率，使其不过高也不过低，维持在一个相对平衡的状态，从而实现配电网的稳定。

3 分布式电源对配网供电电压质量的影响

3.1 电压分布

将分布式电源接入到配网供电系统当中，系统的供电模式会从过去的辐射型供电转变成多电源发电，而正因为不同地点﹑不同发电形式的电源接入，所以会导致各个电源形成的电压分布出现差异。从实际情况来看，分布式电源与电源线路末节越靠近，则会对线路电压分布形成更明显的影响，分布式电源越靠近配网供电系统的主路线路，则对电源线路电压分布的影响越小。

3.2 电压闪变

通常来讲传统的配电网发生电压闪变情况的主要原因为电压不稳，不过随着近些年分布式电源在配电网中的渗透率逐步提高，导致发生电压闪变的原因也变得更加复杂，从这一角度去分析可归总为如下几点因素：其一，由于一定数量的分布式电源模块管理权限在用户手上，但因为用户本身的专业能力有限，因此在自主管理过程中对分布式电源的运维操作不合理，致使电源频繁出现异常启停，也就导致电压闪变的情况出现；其二，分布式电源模块中会有大多数可再生能源如风能﹑太阳能等等，而这些分布式电源的接入受自然环境与天气因素的影响非常大，所以也会导致电压闪变的出现；其三，倘若分布式电源模块相互间的距离非常短，那么也不可避免地彼此形成影响，出现电压闪变的情况。

3.3 谐波

分布式电源接入配电网需要借助电力设备构件中的变流装置，而电源开关动作的频发会导致开关﹑电源周围出现谐波分量，从而对配电网形成谐波污染。结合实践发现，如果分布式电源接入配电网的位置固定，那么配电网馈线所产生的电压谐波畸变率则会受到分布式电源总功率的影响，其中总功率占配电网总负荷的比例越大，那么配电网同条馈线的谐波畸变率也会越大，甚至会超出配电网谐波电压的限定值和畸变安全值。因为分布式电源接入配电网时安装的位置有所不同且每条馈线的谐波畸变率也存在差别，从具体表现来看分布式电源安装越靠近配电网线路尾端，则馈线所有网络节点的谐波电压畸变率越高；而分布式电源离配电网系统母线越近，则馈线所有网络节点的小学电压畸变率越低。

3.4 供电电压

配电网系统的结构类型基本为放射性，分布式电源接入配电网系统之后会对供电电压形成影响，主要体现有[2]：①由于分布式电源存在自主开合﹑发电波动等情况，一定会影响到用户的供电电压，一般来讲分布式电源会发生供电失稳﹑不牢固等现象，特殊时期还有可能起伏波动较大，不难看出分布式电源对配电网的供电电压形成一定威胁；②会提升配电网系统短路容量以及增强系统电压强度，导致区域内配网电压出现波动，如果与配网距离相近的部分出现故障，能够有效把控母线电压闪变与电压跌落的情况。尽管分布式电源接入配电网会带来诸多供电质量方面的问题，但在配电网运转负荷过大时，备用的分布式电源便能快速且有计划地响应，大大提高了配网供电的稳定性与可靠性。

4 常见无功补偿方式

4.1 集中补偿

集中补偿就是通过在高低压配电线路中安装并联电容器组来实现感性功率和容性功率的相互转化。在过去电网规模较小的时期，这种补偿方式能够有效调节配电网内功率因数，促进电能利用效率的提高[3]。但随着电网规模的扩大，集中补偿的弊端日益显现，一方面是随着供电距离的增加，电网内无功功率比例会逐渐增加，在电容器组连接线路远端功率因数调节效果并不明显，另一方面则是为了适应电网发展的需要，想要有效调节功率因数就不得不扩大并联电容器组的容量，导致集中补偿的成本增加。利用计算机模拟仿真技术，建立分布式电网配电网模型，计算集中补偿的功率因数调节能力，不难发现距离电容器组越远功率因数越低，在短距离内功率因数衰减速度较快，随着距离的进一步增加功率因数衰减速度逐渐降低，直至最后功率因数逐渐趋于稳定。这提示电容器组在配电网内能够影响的范围较为有限，一方面是与电容器组的容量有关，容量越大的电容器组其影响范围越广，另一方面则是与电网的整体负荷有关，在电网负荷相对稳定的情况下电网的功率因数会保持相对稳定，无功功率和用功功率的比值处于响度稳定状态。因此如果整个分布式电源配电网规模较小时，集中补偿是一种可行的无功功率补偿方法，但电网规模较大时集中补偿能够发挥的效果较为有限，推荐采取其他的无功补偿方案。

4.2 分组补偿

分组补偿指的是在配电变压器和用户车间配电屏之间并联安装补偿电容。这种无功补偿设计的原理脱胎于集中补偿，集中补偿的核心在于使用大容量的电容器组进行整个配电网的无功补偿，而分组补偿就是将配电网根据用户车间分为各个模块，在单一模块中连入电容器组，对单模块进行无功补偿，从而实现整个配电网的无功补偿。相较于集中补偿，分组补偿的电容器组在装配时的人力投入成本更高，但是在设计容量上可能和集中补偿相同，这是利用分组的方法降低了集中补偿时设计容量要求，本质上是通过缩短用电车间和电容器的距离来降低无功补偿强度，因此在实际的资源投入上分组补偿和集中补偿的差距并不明显，是一种更合理的无功补偿配置。

4.3 就地补偿

就地补偿是含分组式电源的配电网特有的无功补偿配置，具体来说就是以电动机组为单位进行并联电容安装，通过调节单个电动机组的功率因数来调节整个配电网的功率因数，实现高质量的能源利用。在单电机组节点安装并联电容器不仅能够调节配电网的功率因数，降低配电过程中的功率损耗，还能够充分挖掘设备的输电与配电潜力，使每个分布式电源均能够发挥出其在电网中的效能，从而有利于降低整个配电网并联的电容容量，降低电网设置成本。在使用就地补偿配置时需要注意以下两点[4]：①电网轻负荷时要注意无功补偿的强度，比如在城市用电的淡季将电容器从线路中断开来降低过度补偿；②使用就地补偿时要注意做好功率因数的监控工作，并非功率因数越高无功补偿的效益越高，而是要将功率因数控制在合理范围内，通常城市配电功率因数控制在0.95左右效益最高。