國網四川省電力公司阿壩供電公司 孫 波

配電網線路末端低電壓問題研究

國網四川省電力公司阿壩供電公司 孫 波

低電壓問題是農村配電網以及城市配電網末端經常存在的電能質量問題,給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及電力用戶的設備性能造成了嚴重影響?；诘碗妷簡栴}的產生機理,分析了引起配電網末端低電壓的主要原因,并分別進行了仿真模擬,總結出了各自的特點。最后,提出在線路上加裝低電壓補償裝置的治理措施,實測數(shù)據表明該方法具有較好的補償效果。

配電網;低電壓;補償裝置

0 引言

供電電壓偏差是主要的電能質量問題之一,直接影響到電網的穩(wěn)定運行和用電設備的性能[1],因而受到供、用電雙方的高度重視。電力公司一直以來都將重點放在中高壓系統(tǒng)的電能質量問題治理上,而對低壓配電網的關注較少,尤其是農村低壓配網。隨著我國經濟的發(fā)展和居民生活水平的提高,低壓配電網的負荷類型越來越多、容量越來越大,使得低壓配電網的低電壓問題日益凸顯[2-5]。 2016年2月16日,國務院同意國家發(fā)展改革委關于"十三五"期間實施新一輪農村電網改造升級的意見,該意見要求實現(xiàn)"到2020年,全國農村地區(qū)基本實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的供電服務全覆蓋,供電能力和服務水平明顯提升,農村電網供電可靠率達到99.8%,綜合電壓合格率達到97.9%,戶均配變容量不低于2千伏安"的目標。由此可見,配電網的供電質量問題已經得到足夠的重視,研究配電網低電壓問題的產生機理及其治理措施具有重要的現(xiàn)實意義。

本文從低電壓問題產生機理出發(fā),找出引起配電網末端低電壓問題的主要原因,并對各原因進行了仿真模擬,分析了不同原因導致的低電壓特點。提出了使用低電壓補償裝置來治理低電壓問題,并結合實測數(shù)據說明了其有效性。

1 低電壓機理

對于電力系統(tǒng)來說,負荷功率及發(fā)電機組出力均是時變的,運行方式不同,網絡結構也不同。系統(tǒng)故障、線路參數(shù)、負荷功率變化等均會引起電力系統(tǒng)功率的不平衡,這正是引起系統(tǒng)電壓偏離標稱值的根本原因[6-8]。不計線路分布電容影響時,供電線路的等值電路如圖1所示。

圖1 供電線路等值電路

線路首末段電壓的相量差,即線路的電壓降為:

將式(2)代入式(3)得:

式(4)中ΔUZ為電壓降ΔU的縱分量,ΔUH為電壓降ΔU的橫分量。

規(guī)定電壓損失為線路首末段電壓的方均根值之差,即電壓損失△U為:

由于通常線路首末端電壓相角差很小,由橫分量ΔUZ引起的電壓損失可以忽略不計,所以有電壓損失的近似表達式:

由式(6)可知,供電線路電壓損失主要與下面幾個因素有關: (1)負荷功率。對于低壓線路來說,包括有功功率P和無功功率Q,功率越大,線路電壓損失越大。(2)網絡參數(shù)。如配電線路輸送距離太長,輸送容量太大以及導線橫截面積太小等,這些都會增大線路阻抗,導致電壓損失增加。

2 低電壓現(xiàn)象分析

2.1 負荷功率引起的低電壓

特別是近年來,低壓配電網的負荷種類及容量大大增加,用電負荷對線路電壓損失影響較大,且具有較為復雜的特性:日周期特性,即白天用電低谷時段負荷功率較小,線路電壓損失也較小;而在夜間用電高峰時段負荷功率很大,線路電壓損失也較大。另外還有一定的季節(jié)特性,即夏、冬兩季大量的制冷供暖負荷以及過節(jié)等大功率用電負荷集中使用的時期,線路電壓損失異常嚴重,臺區(qū)末端電壓過低。

在MATLAB/Simulink中建立如圖2所示的三相三線制的低壓380V配電網絡,來模擬負荷功率過大引起的線路電壓損失情況。

圖2 低壓配電網仿真模型

系統(tǒng)短路容量1000kVA,線路電阻1Ω,電抗0.314Ω。輕載(負載有功10kW,無功0.2kW)時線路首端電壓和末端電壓波形如圖2(a)所示,以A相為例,首端電壓有效值為230.2V,末端電壓有效值為215.6V,線路電壓損失很小。重載(負載有功50kW,無功1kW)時線路首端電壓和末端電壓波形如圖2(b)所示,仍以A相為例,首端電壓有效值為228.8V,末端電壓有效值僅為169.3V,線路電壓損失嚴重。

圖2 負載功率引起的線路電壓損失

2.2 系統(tǒng)短路容量引起的低電壓

短路容量是表征電力系統(tǒng)特性的一個重要參數(shù),不僅反映了系統(tǒng)帶負荷的能力和電壓穩(wěn)定性,也表明了短路點與電力系統(tǒng)電源之間聯(lián)系的強弱。

同樣利用2.1節(jié)中的仿真模型,將系統(tǒng)短路容量設為10MVA,同樣在重載條件下,線路電壓損失情況如圖3所示。A相首端電壓有效值為230.8V,末端電壓有效值為202.4V,顯然,增大系統(tǒng)的短路容量,可以有效降低線路電壓損失。

圖3 短路容量引起的線路電壓損失

2.3 線路阻抗引起的低電壓

配電網輸電距離過長以及導線的橫截面積過小,都會導致線路阻抗過大。由式(6)可以看出,當系統(tǒng)的輸送容量一定時,線路阻抗越大,線路電壓損失就越大。同樣利用2.1節(jié)建立的配電網絡,將線路電阻調整為0.5Ω,線路電抗調整為0.157Ω,線路電壓損失情況如圖4所示,A相首端電壓有效值為227V,末端電壓有效值為193.2V?？梢?在系統(tǒng)短路容量和負荷容量一定時,減小線路阻抗,可以有效降低線路電壓損失。

圖4 線路阻抗引起的線路電壓損失

3 低電壓治理措施

3.1 電壓補償裝置原理

對于城市末端以及農村的低壓配電網來說,整體用電負荷較小,且負荷不穩(wěn)定,具有日周期性及季節(jié)特性。如果采用增大系統(tǒng)短路容量或者更換線徑較大的輸電線,所需成本較高;而且在多數(shù)時間內系統(tǒng)處于低負荷運行情況,這就造成了大大的資源浪費。另外,考慮到有些農村地區(qū),特別是山區(qū)的用電負荷比較分散,供電距離通常較長,所以減小供電距離的方法也不實用。

綜上考慮,采用在配電線路上加安裝電壓補償裝置的方法來提升線路末端的電壓。單相升壓裝置的原理如圖5所示。

電壓補償裝置由整流電路、儲能電容以及逆變電路組成。其中整流電路并聯(lián)接入電網,為儲能電容充電;由IGBT組成的橋式電路以串聯(lián)方式接入電網,作為同步電壓源。控制器實時檢測線路電壓,并與標稱電壓比對,使得電壓補償裝置能夠及時將線路末端電壓補償?shù)秸Ｋ健?/p>

圖5 線路電壓補償裝置原理圖

3.2 補償效果測試

某鄉(xiāng)村臺區(qū)供電網絡如圖6所示,配電變壓器容量為50kVA,供電半徑約為1600m,用戶約50戶,其中1#桿到12#桿為三相四線制供電線路,12#桿到17#桿為單相供電線路。1#桿為線路始端, 17#桿為線路末端并有電力用戶5戶。

圖6 某臺區(qū)供電網絡

該臺區(qū)由于供電半徑較大,導致線路末端電壓跌落嚴重,在未安裝補償裝置時,不能保證家用電器正常工作。所以決定在12#桿處安裝電壓補償裝置,并監(jiān)測了配電線路始端、電壓補償點以及線路末端一天之內的電壓數(shù)據,結果如圖7所示。

圖7 電壓監(jiān)測結果

從圖7可以看出,由于臺區(qū)供電半徑過大,導致線路電壓損失較大,且在用電高峰時段末端電壓跌落嚴重。加入補償裝置之后,線路末端電壓得到了明顯提升,基本達到了標稱值。

4 結論

由于低壓配電網存在供電半徑大,階段性過負荷以及導線線徑與供電容量不匹配等問題,導致線路末端電壓跌落嚴重,影響到了電力用戶的正常用電,給電力公司及用戶均造成了較大損失。

本文首先分析了低壓配電網線路末端電壓降低的機理,然后針對幾種引起配電網低電壓的主要原因,仿真模擬了相應的電壓波形,分析了電壓降低的程度。最后針對城市末端配電網以及農村低壓配電網的低電壓特點,提出了在線路上安裝電壓補償裝置的方法來進行治理,實測數(shù)據證明了該方法具有較好的補償效果。

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孫波(1985-),大學本科,畢業(yè)于長春工程學院,國網四川省電力公司阿壩供電公司電力工程師,研究方向:電力系統(tǒng)及其自動化。

Research on the low voltage of the terminal of distribution network

Sun Bo
(A Ba power supply company of Sichuan Power Electric Corporation of State Grid)

The problem of low voltage is the power quality problem which often exists in the rural power distribution network and the urban distribution network, which has a serious impact on the stable operation of the power system and the equipment performance of the power users。 Based on the generation mechanism of the low voltage problem, the main reason of the low voltage of the distribution network is analyzed, and the simulation is carried out, and the characteristics of the system are summarized。 Finally, the control measures are put forward to add the low voltage compensation device on the line, the measured data show that the method has a good compensation effect。

distribution network; low voltage; compensation device