陳琪瑯，彭 杰，蘇逸凱，周力行，趙啟旸

(1.福建省電力有限公司泉州電力公司，福建泉州362000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東惠州516000；3.福建省電力有限公司漳平市電力公司，福建漳平364400；4.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410015)

季節(jié)性分布式電源對(duì)10 kV配電網(wǎng)電壓質(zhì)量影響

陳琪瑯1，彭 杰2，蘇逸凱3，周力行4，趙啟旸4

(1.福建省電力有限公司泉州電力公司，福建泉州362000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東惠州516000；3.福建省電力有限公司漳平市電力公司，福建漳平364400；4.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410015)

類似小水電站的分布式發(fā)電隨著外部條件的制約有明顯的周期性。這些分布式電源常直接T接入同一條10 kV公用線路，對(duì)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量帶來(lái)了很大的沖擊，利用無(wú)功就地平衡的策略，對(duì)發(fā)電高峰期和發(fā)電低谷期配電網(wǎng)整體電壓質(zhì)量不合格進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了用戶的電壓質(zhì)量，避免了用戶電器設(shè)備燒壞。并以壺瓶山地區(qū)為例進(jìn)行分析，在PSASP平臺(tái)上搭建仿真模型進(jìn)行論證調(diào)節(jié)策略的有效性。

分布式發(fā)電；配電網(wǎng)；電壓質(zhì)量；周期性

小水電是一種季節(jié)性的分布式電源，在富含小水電的山區(qū)這種情況十分普遍。小水電T接入10 kV配電網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)電力能源緊張起到了一定的緩解作用，但由于小水電發(fā)電存在季節(jié)性特點(diǎn)，對(duì)配電網(wǎng)潮流分布、運(yùn)行電壓及網(wǎng)損都有重要影響。全面分析小水電上網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響，提出相應(yīng)的解決措施，提高配電網(wǎng)電壓質(zhì)量，是目前電力部門十分重視的問(wèn)題。

本文結(jié)合湖南常德壺瓶山地區(qū)實(shí)例，對(duì)富含小水電的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行全面的分析。常德石門縣壺瓶山地區(qū)小水電密集，裝機(jī)總?cè)萘肯鄬?duì)較大，因處于偏僻山區(qū)，這些小水電直接T接入同一條10 kV公用線路。由于該地區(qū)配電網(wǎng)供電半徑大、負(fù)荷低等特點(diǎn)，在豐水期，小水電發(fā)出的電能無(wú)法就地平衡，向電網(wǎng)輸送電量，導(dǎo)致該10 kV線路電壓升高，造成用戶電器設(shè)備燒毀事故；而在枯水期，大多徑流式水電站不發(fā)電，該地區(qū)由電網(wǎng)供電，處于線路末端的區(qū)域則出現(xiàn)電壓過(guò)低問(wèn)題，嚴(yán)重影響用電安全。

1 原因分析

壺瓶山地區(qū)裝機(jī)容量為當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷2倍，在豐水期這些小水電一般T接入10 kV公用線的末端，而10 kV公用線往往是首端線徑粗，末端線徑細(xì)。

課題組通過(guò)對(duì)壺瓶山地區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析，利用PSASP軟件進(jìn)行潮流計(jì)算，在豐水期設(shè)置各個(gè)發(fā)電站滿發(fā)，輕負(fù)荷情況為：用戶低壓變額定容量的30%，功率因數(shù)為0.95。重負(fù)荷情況為：負(fù)荷為額定容量的70%，功率因數(shù)為0.9。

根據(jù)壺瓶山地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)豐水期小水電滿發(fā)時(shí)，潮流發(fā)生變化，首末倒置，配電網(wǎng)向系統(tǒng)倒送電能。壺瓶山10 kV線路型號(hào)為L(zhǎng)GJ-50，且線路長(zhǎng)度為48 km，線上壓降較大，其末端線路線徑便成為負(fù)荷輸送瓶頸。小水電采用的發(fā)電機(jī)一般難以進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行。要確保電能順利注入電網(wǎng)，電站必須上調(diào)機(jī)端電壓。所以在豐水期時(shí)，配網(wǎng)電壓偏高，線路末端用戶電壓高達(dá)280 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了允許的范圍。

以泥峰線為例，其豐水期仿真結(jié)果如圖1。

圖1 豐水期輕負(fù)荷泥峰線電壓分布仿真

而在枯水期小水電不發(fā)電的情況下，由系統(tǒng)供電，地處山區(qū)，負(fù)荷分布分散，10 kV公線路供電半徑長(zhǎng)、線徑細(xì)、負(fù)荷低、負(fù)荷損耗大、電壓降較大。線路的末端低壓側(cè)到用戶電壓約為180 V，電壓質(zhì)量是很不理想的。其枯水期仿真結(jié)果如圖2。

圖2 枯水期泥峰線電壓分布仿真

仿真計(jì)算結(jié)果表明，在豐水期時(shí)，10 kV母線電壓為11.79 kV，線路上最高電壓達(dá)到了13.88 kV，遠(yuǎn)超出了允許范圍。而枯水期整體電壓為10 kV以下，線路末端最低電壓為8.1 kV。該配電網(wǎng)的電壓水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的范圍。

2 治理方案與改善措施

通過(guò)對(duì)該配電網(wǎng)的運(yùn)行分析，在豐水期時(shí)由于小水電出力較足，其線路末端電壓偏高，但在冬季時(shí)由于小水電出力不足，線路末端的電壓偏低。針對(duì)該地區(qū)的電壓質(zhì)量具體情況，提出的研究思路如下。

2.1 改善小水電發(fā)電上網(wǎng)管理，提高豐水期各發(fā)電站的功率因數(shù)

正常運(yùn)行時(shí)，其負(fù)荷呈感性，所以水電站發(fā)電機(jī)吸收系統(tǒng)過(guò)剩的感性無(wú)功，或稱發(fā)出容性的無(wú)功功率。若使其發(fā)電機(jī)運(yùn)行在進(jìn)相狀態(tài)，可以將發(fā)電機(jī)超前的功率因數(shù)控制在0.95以上，從而調(diào)整降低線路電壓。

根據(jù)壺瓶山的實(shí)際情況和上級(jí)部門的有關(guān)規(guī)定，從四個(gè)方面著手進(jìn)行改進(jìn)，嘗試建立電壓管理的長(zhǎng)效機(jī)制：(1)加強(qiáng)對(duì)水電站上網(wǎng)管理，利用重新簽訂調(diào)度協(xié)議，對(duì)水電站的電壓、功率因數(shù)和變壓器抽頭范圍作出明確規(guī)定，對(duì)不遵守協(xié)議的情況，約定處罰條款；(2)限制機(jī)端電壓，在水電站安裝過(guò)電壓保護(hù)裝置，這種裝置安裝在發(fā)電機(jī)機(jī)房，一旦機(jī)端電壓升高至整定值，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，既保護(hù)了機(jī)組，又保護(hù)了10 kV用戶的電器；(3)每年的豐水期和枯水期的電壓相差很大，為了使用戶端電壓維持在合理范圍，供電部門需要每年調(diào)整配電變壓器的抽頭，各供電所負(fù)責(zé)調(diào)整；(4)加強(qiáng)對(duì)用戶側(cè)的功率因數(shù)管理，確保用戶功率因數(shù)達(dá)到0.95。

采取上述四項(xiàng)措施，根據(jù)其他地區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了良好的效果。對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，不可能由它來(lái)解決全部調(diào)壓?jiǎn)栴}，但是由于它不需要投資，在一些地區(qū)解決調(diào)壓?jiǎn)栴}，應(yīng)予以優(yōu)先考慮。

2.2 10 kV線路中安裝并聯(lián)電抗器

壺瓶山豐水期10 kV配電網(wǎng)線路電壓過(guò)高，主要原因是無(wú)功不能就地平衡，大量無(wú)功使線路上電壓升高，因此，擬采用并聯(lián)電抗器來(lái)吸收無(wú)功，已達(dá)到降低線路電壓的目的。

并聯(lián)電抗器主要連接在10～500 kV變電站的低壓側(cè)，通過(guò)主變向系統(tǒng)輸送感性無(wú)功，用以補(bǔ)償輸電線路的電容電流，防止輕負(fù)荷線端電壓升高，維持輸電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

電網(wǎng)中的電抗器可用來(lái)吸收線路的電容性無(wú)功，通過(guò)調(diào)整并聯(lián)電抗器的數(shù)量來(lái)調(diào)整運(yùn)行電壓。在以往的工程應(yīng)用中，依靠并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償，則可以負(fù)荷端電壓穩(wěn)定在允許的范圍。

2.3 10 kV線路中安裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器

小水電引起高低電壓波動(dòng)問(wèn)題涉及面廣，采取傳統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)等手段可能難以滿足電壓調(diào)整需求，需充分利用新技術(shù)新設(shè)備，提高線路電壓調(diào)控能力，改善供電質(zhì)量。

BSVR型饋線雙向自動(dòng)調(diào)壓器能針對(duì)雙向供電或多電源供電系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別潮流方向，通過(guò)跟蹤輸入電壓的變化，來(lái)自動(dòng)調(diào)整三相有載分接開(kāi)關(guān)的檔位，在20%的范圍內(nèi)對(duì)輸入電壓進(jìn)行雙向自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持輸出電壓的穩(wěn)定。該項(xiàng)技術(shù)已在福建龍海的10 kV華陽(yáng)線上應(yīng)用，自2008年通過(guò)加裝SVR自動(dòng)調(diào)壓器及無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，提高線路未端電壓效果較為理想。

3 最優(yōu)方案的整合及其仿真結(jié)果

考慮到以上所列的各種方案都有各自優(yōu)勢(shì)和缺陷，整合出最優(yōu)方案。

采取有效的管理措施，在豐水期提高小水電功率因數(shù)，采用錯(cuò)峰發(fā)電方式，可有效降低10 kV線路電壓，防止電壓過(guò)高。而枯水期則可通過(guò)投入電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高線路末端電壓。該方案無(wú)需資金投入，無(wú)建設(shè)周期，但是該方案的實(shí)施難度比較大，很難全面監(jiān)控各個(gè)電站的實(shí)施情況，所以不能作為主要方案。

加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器，實(shí)現(xiàn)豐水期與枯水期線路自動(dòng)調(diào)壓，可有效解決豐水期電壓過(guò)高、枯水期電壓過(guò)低的問(wèn)題。這是技術(shù)層面上合理的方案，但由于雙向自動(dòng)調(diào)壓器的容量需要和其安裝節(jié)點(diǎn)的功率最大值匹配，所以安裝在泥市變低壓側(cè)10 kV出口的調(diào)壓器需要和主變的容量匹配，所以投入的資金較大，需要補(bǔ)充解決該問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)以上方案的比較分析，得出采用雙向自動(dòng)調(diào)壓器、并聯(lián)電抗器(0.8 Mvar+0.8 Mvar)和已經(jīng)安裝的并聯(lián)電容器(0.5 Mvar+0.5 Mvar)整合的方案。在豐水期泥市變10 kV母線上投入并聯(lián)電抗器對(duì)其整體進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，使得豐水期整體電壓降低，然后針對(duì)小水電十分集中的泥峰線的電壓調(diào)整，我們?cè)谀喾寰€三分之一處加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器(調(diào)節(jié)范圍為±10%)，使得在豐水期泥峰線整體電壓滿足要求。如下是在不同功率因數(shù)下該方案的電壓分布仿真情況及之前情況的對(duì)比。

3.1 豐水期最優(yōu)方案的仿真情況

下面分各個(gè)線路進(jìn)行對(duì)比分析。

在考慮所有電站都是以低功率因數(shù)滿發(fā)情況下，泥峰線在采取優(yōu)化方案前的情況：首端電壓為11.72 kV，線路最高電壓(泥峰線466號(hào)桿塔)為13.92 kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電壓的允許范圍。如圖3所示，在加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器前泥峰線各桿塔的電壓明顯要高于加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器后的電壓，所以加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器的方案可以降低線路整體的電壓水平，效果是很明顯的。

圖3 豐水期最優(yōu)方案下泥峰線電壓分布對(duì)比

當(dāng)首端和線路三分之一處各加裝一組調(diào)壓器后，首端電壓下降為9.98 kV，線路最高電壓(泥峰線466號(hào)桿塔)為11.05 kV。該方案的效果最為明顯。電壓分布在10.5 kV左右，本線路改善后電壓水平基本達(dá)到改進(jìn)預(yù)期目標(biāo)，要求沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電壓的情況。

當(dāng)小水電的功率因數(shù)為0.95時(shí) (即小水電按照規(guī)定發(fā)電上網(wǎng))，在泥市變10 kV母線加裝并聯(lián)電抗器0.8 Mvar，在泥峰線三分之一處加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器后的電壓分布情況如下：在首端電壓下降為10.23 kV，線路最高電壓(泥峰線145號(hào)桿塔)為11.23 kV。本方案效果十分明顯，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

當(dāng)小水電的功率因數(shù)為0.9時(shí)(即小水電不全按照規(guī)定發(fā)電上網(wǎng))，在泥市變10 kV母線加裝兩組并聯(lián)電抗器(0.8 Mvar+0.8 Mvar)，并在泥峰線三分之一處加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器后的電壓分布情況如下：在首端電壓下降為10.31 kV，線路最高電壓(泥峰線500號(hào)桿塔)為11.09 kV。本方案效果十分明顯，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.2 枯水期最優(yōu)方案的仿真情況

枯水期重負(fù)荷下，在泥市變10 kV母線加裝1 Mvar并聯(lián)電容器，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為10.44 kV，線路末端電壓為8.16 kV。本方案的調(diào)壓效果十分明顯，但是末端電壓明顯低于要求的范圍，不滿足目標(biāo)，需要其他方法進(jìn)行補(bǔ)充。電壓分布如圖4。

圖4 枯水期最優(yōu)方案下泥峰線電壓分布對(duì)比

枯水期重負(fù)荷下，在泥市變10 kV母線加裝1 Mvar并聯(lián)電容器，并在泥峰線三分之一處加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器(調(diào)壓范圍10%)，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為10.57 kV，線路末端電壓為9.41 kV。本方案的調(diào)壓效果十分明顯，基本能滿足要求。

枯水期負(fù)荷再加重的情況下，在泥市變10 kV母線加裝兩組并聯(lián)電容器(1 Mvar+1 Mvar)，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為10.93 kV，線路末端電壓為8.61 kV。本方案的調(diào)壓效果十分明顯，但是末端電壓明顯低于要求的范圍，不滿足目標(biāo)，需要其他方法進(jìn)行補(bǔ)充。

枯水期負(fù)荷再加重的情況下，在泥市變10 kV母線加裝兩組并聯(lián)電容器(1 Mvar+1 Mvar)，并在泥峰線三分之一處加裝雙向自動(dòng)調(diào)壓器(調(diào)壓范圍10%)，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為11.04 kV，線路末端電壓為9.51 kV。本方案的調(diào)壓效果十分明顯，基本能滿足要求。

4 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果，在豐水期時(shí)，在泥市變10 kV母線上并聯(lián)電抗器做無(wú)功就地補(bǔ)償，能夠把10 kV線路電壓水平整體降低。無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電抗器分為兩組設(shè)置，每組容量為0.8 Mvar，按照配電網(wǎng)的需要分別進(jìn)行投入，在豐水期小水電以不同功率因數(shù)上網(wǎng)的情況都可以滿足要求，同時(shí)也減少了所投入的雙向自動(dòng)調(diào)壓器的范圍，減少了投入。針對(duì)泥峰線上小水電集中度比較高，在泥峰線三分之一處投入雙向自動(dòng)調(diào)壓器(調(diào)節(jié)范圍為±10%)，能夠起到調(diào)節(jié)電壓的作用，電壓集中在10～11 kV，達(dá)到了預(yù)期電壓質(zhì)量治理的目的。

在枯水期，并聯(lián)電抗退出運(yùn)行，投入并聯(lián)電容，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高配電網(wǎng)電壓水平，針對(duì)于泥峰線的供電半徑長(zhǎng)，其末端電壓難以滿足要求，所以在泥峰線三分之一處加裝的雙向自動(dòng)調(diào)壓器可以反向調(diào)壓，以提高線路末端電壓質(zhì)量。但是該負(fù)荷的性質(zhì)主要為生活用電，在一天內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行周期性的變化，輕、重負(fù)荷交替出現(xiàn)，在投入并聯(lián)電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)母線電壓周期性波動(dòng)。在系統(tǒng)中安裝靜止性動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠?qū)崟r(shí)對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。

總而言之，無(wú)功就地調(diào)節(jié)方案在豐水期能降低配電網(wǎng)整體電壓水平，在枯水期能提高配電網(wǎng)整體電壓水平，達(dá)到配電網(wǎng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，是合理的最優(yōu)化整合方案，值得在富含小水電的10 kV線路中推廣[1-6]。

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Quality influence of seasonal distributed generation on distribution network voltage

Similar to the distributed generation of small hydropower station with the external conditions of the constraints had obvious periodicity.These distributed power was often directly T access with a 10 kV public line, great impact was brought by the voltage quality of distribution network.Local reactive power balancing strategy was used,the overall peak power generation and low power distribution network voltage quality unqualified were adjusted. The voltage quality of user was improved,and the user electric equipment was avoided from being burnt out.The pot hill area was taken as an example,then the simulation model was built on the PSASP platform to demonstrate the effectiveness of the control strategy.

distributed generation;power distribution network;voltage quality;periodically

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2236-04

2015-03-11

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10JJ5059)

陳琪瑯(1972—)，男，福建省人，工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娂夹g(shù)管理。