梁雅莉，秦科源，郁嬌山，雷亞斌，劉海鵬

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730030；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192；3.國網(wǎng)甘肅省電力公司白銀供電公司,甘肅 白銀 730600；4.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300000)

在我國南方地區(qū)小水電大規(guī)模的接入農(nóng)村配電網(wǎng)，由于小水電自身調(diào)節(jié)能力差，其大規(guī)模的接入直接影響到配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、潮流分布及無功電壓[1]。同時，小水電的發(fā)電量受季節(jié)影響突出，在枯水期負荷較大時，由于小水電發(fā)電量少或不發(fā)電，造成配電網(wǎng)末端電壓偏低甚至低于電壓下限值；而在豐水期負荷較小時，由于小水電的滿負荷運行改變了系統(tǒng)潮流方向，導(dǎo)致線路末端電壓升高甚至高于電壓上限值[2]。因此，研究含小水電的配電網(wǎng)電壓越限問題具有很強的工程應(yīng)用價值。

目前，針對含小水配電網(wǎng)電壓越限問題，國內(nèi)外專家學(xué)者提出的調(diào)壓措施主要有調(diào)壓器調(diào)壓[3]、并聯(lián)補償裝置[4,5]，無功補償優(yōu)化[6-8]，勵磁改造[9]，改變機組電壓勵磁的控制[10-12]，開發(fā)電網(wǎng)電壓優(yōu)化軟件等方面[13]。這些研究主要集中在某一方面缺少在實際工程應(yīng)用環(huán)境下對各個調(diào)壓方案的對比和應(yīng)用研究。文章采用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建小水電以串行形式接入的配電網(wǎng)線路，分析小水電在不同運行方式下對電網(wǎng)電壓的影響及相應(yīng)調(diào)壓措施，結(jié)合茂名地區(qū)新華線10 kV配電網(wǎng)的實際工程環(huán)境，全面的對比研究各調(diào)壓方案在實際工程環(huán)境中的可行性。

1 含小水電配電網(wǎng)仿真模型的搭建

1.1 小水電模型的搭建

小水電模型是仿真系統(tǒng)建模的核心，主要包括電機、調(diào)速器、電壓調(diào)節(jié)器及勵磁系統(tǒng)4部分。在PSCAD環(huán)境下搭建的小水電模型如圖1所示。勵磁系統(tǒng)采用IEEEAC8B建模，系統(tǒng)包含一個帶旋轉(zhuǎn)鎮(zhèn)流器的獨立交流發(fā)電機，為發(fā)電機提供直流電源。電壓調(diào)節(jié)器以發(fā)電機的實際電壓Vt和參考電壓Vref的差值作為輸入值經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后為勵磁機提供電流，以保證端電壓的穩(wěn)定。調(diào)速器為一個PI控制器模塊，隨著負荷功率的變化，以發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速ω和設(shè)計轉(zhuǎn)速ωref的差值作為輸入來調(diào)節(jié)機械轉(zhuǎn)矩的大小。

圖1 小水電發(fā)電機組PSCAD仿真模型

1.2 配電網(wǎng)模型的搭建

為分析含小水電線路的電壓特性在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立9節(jié)點的配電網(wǎng)等效模型如圖2所示。其中線路采用Bergeron型模型，小水電以裝機容量0.8 MW接入8號節(jié)點。

圖2 含小水電的9節(jié)點配電網(wǎng)PSCAD模型

電網(wǎng)基本參數(shù)為：①線路型號為LGJ-70，節(jié)點之間的間距為 3.5 km；②各母線基準電壓設(shè)置為10 kV，平衡節(jié)點的母線電壓標準值大小為1.05；③每個負荷節(jié)點的容量為150 kVA。

2 含小水電線路調(diào)壓策略仿真分析

2.1 豐水期小負荷調(diào)壓策略

小水電運行在豐水期時，設(shè)定電網(wǎng)中負荷為配電變壓器容量的1/10，功率因數(shù) 0.9(滯后)，小水電滿發(fā)運行上網(wǎng)功率因數(shù)為1。仿真得到豐水期線路各節(jié)點電壓見圖3。

圖3 豐水期小負荷各方案調(diào)壓結(jié)果

由圖3中可知，當(dāng)小水電運行在豐水期且線路處于輕載狀況時，只有節(jié)點1和 2 的電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，其余節(jié)點電壓均越出電壓上限。小水電的接入節(jié)點電壓達到 11.34 kV，遠遠超出10.7 kV電壓上限。針對線路末端電壓過高的問題，制定3種調(diào)壓方案得到調(diào)壓如表1所示。通過仿真計算得到各個方案下電壓的變化情況如圖3。

表1 豐水期小負荷調(diào)壓方案

仿真結(jié)果表明：

(1)當(dāng)接入并聯(lián)電抗器后線路中所有節(jié)點均恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，基本消除了電壓越限的情況。

(2)當(dāng)線路型號改為 LGJ-95 后，一定程度上緩解了電壓越上限的問題，但4節(jié)點后面的節(jié)點電壓還處于偏高狀態(tài)，不滿足電壓規(guī)定的范圍；當(dāng)線路型號變?yōu)?LGJ-120 后，電壓降幅比較明顯，線路中前四個節(jié)點的電壓均在電壓上限范圍內(nèi)，雖然后面節(jié)點仍處于越限狀況，但所有節(jié)點的越限幅度也限制在 0.3 kV以內(nèi)，因此更換橫截面較大的線路對電壓優(yōu)化效果比較明顯。但是，由于更換電纜的成本較高，施工難度較大，改變電纜線徑的方法電纜很少應(yīng)用在在實際的工程改造中。

(3)改變機組進相運行后，調(diào)壓效果非常明顯，線路上有一半節(jié)點電壓已達到規(guī)定范圍內(nèi)，但線路后面的電壓仍處于越限狀態(tài)。

結(jié)合實際的工程應(yīng)用情況，并入電抗器的成本和效果較好。

2.2 枯水期大負荷調(diào)壓策略

枯水期大負荷時，小水電發(fā)電量很少甚至不發(fā)電，小水電的輸出功率遠小于當(dāng)?shù)刎摵晒β?。設(shè)定電網(wǎng)滿負荷運行，功率因數(shù) 0.9(滯后)，小水電以滿發(fā)的1/10功率接入配電網(wǎng)中，功率因數(shù)為 0.9(滯后)。仿真得到枯水期各節(jié)點的電壓如表2所示，節(jié)點5以后的節(jié)點電壓都已經(jīng)低于最低標準值9.3 kV。針對末端電壓越限的問題，如表2所示采用3種調(diào)壓方法提高線路末端電壓，得到仿真結(jié)果如圖4所示。

表2 枯水期大負荷調(diào)壓方案

圖4 枯水期各方案調(diào)壓結(jié)果

仿真結(jié)果表明：

(1)并聯(lián)電容器調(diào)壓后整條線路的電壓恢復(fù)到規(guī)定值。

(2)變電站母線電壓提高后，線路各節(jié)點的電壓變化非常明顯，節(jié)點1到節(jié)點6之間的電壓均在標準值之內(nèi)，節(jié)點7、8、9的電壓值略微低于電壓下限，但越線值均小于0.1 kV，基本達到了調(diào)壓的要求。顯然，該方法只適用于線路較短的情況，對于線路較長的線路變電站母線調(diào)壓的效果不理想，需要其他方式的配合。

(3)更換電纜后，線路各節(jié)點的電壓均有不同程度的提高，電壓值都在9.3 kV以上，滿足線路運行的最低電壓要求。這是由于線徑變大，線路阻抗變小，系統(tǒng)輸出的功率前后相差不大，電壓降落值減小，電壓恢復(fù)到標準范圍內(nèi)。

3 案例分析

10 kV新華線是茂名地區(qū)110 kV大成變電站的一條出線，線路主線型號為LGJ-70，全長約32 km，分支線型號為LGJ-35，系統(tǒng)配變總?cè)萘考s 12 MVA，如圖5所示。A水電站、B電站和C水電站T 接在線路的中后段，其額定容量為0.8、0.7、2.1 MVA。根據(jù)線路情況在PSCAD中搭建仿真系統(tǒng)。

圖5 新華線接線示意圖

3.1 枯水期大負荷線路電壓變化情況

依據(jù)新華線潮流分布及小水電出力情況，設(shè)置枯水期變電站母線出線電壓為 10.4 kV，A水電站出力144 kW，B水電站出力146 kW，C水電站出力 378 kW，三座小水電總共出力 668 kW，為滿額出力的 20%，功率因數(shù)為0.9(滯后)，通過仿真計算得到新華線主干線路高壓側(cè)和配變低壓側(cè)節(jié)點電壓的仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 主干線路高壓側(cè)電壓

圖7 配變低壓側(cè)節(jié)點電壓

根據(jù)仿真結(jié)果，新華線線路電壓在枯水期小負荷時下降很快，大部分節(jié)點的電壓低于標準值，且線路末端電壓偏低嚴重。主干線路高壓側(cè)電壓在6號節(jié)點后都已處于越下限狀況， 21號節(jié)點處的電壓低至 7.7 kV，偏差率為23%，遠低于供電電壓合格值。配變低壓側(cè)節(jié)點電壓大部分也都沒有在規(guī)定的范圍內(nèi)運行，9號節(jié)點以后的配變低壓側(cè)節(jié)點開始出現(xiàn)越限情況，20號節(jié)點處的線電壓甚至低到 286 V，偏差率為24.73%。

3.2 枯水期大負荷線路調(diào)壓方案

為了解決枯水期末端線路偏低的問題，根據(jù)10 kV新華線實際工程環(huán)境將變電站母線電壓設(shè)定為10.7 kV，小水電以0.85(滯后)的功率因數(shù)接入配電網(wǎng)，制定4種調(diào)壓方案如表3所示。

表3 新華線枯水期調(diào)壓方案

固定補償一般在10 kV線路全長的2/3處并聯(lián)電容器。根據(jù)新華線容量和線路長度在17號節(jié)點上并入0.8 Mvar的電容器。在線路低壓側(cè)上選取6個額定容量大于100 kVA 的配電變壓器進行低壓補償，如表4。

表4 新華線低壓補償方案

調(diào)壓器的容量根據(jù)安裝位置后面線路的配變?nèi)萘亢臀磥?年當(dāng)?shù)刎摵傻脑黾恿縼磉x擇。調(diào)壓器1安裝在距離線路首端約10 km的12號節(jié)點處，后面線路的配變?nèi)萘考s為7 MV；調(diào)壓器 2 安裝在距離線路首端約25 km的20號節(jié)點處，后面線路的配變?nèi)萘考s為3 MV。線路的負荷率按照60%計算，當(dāng)?shù)刎摵梢话阋悦磕?3%的速度增長，調(diào)壓器裝置又要滿足5年內(nèi)發(fā)展要求得到：調(diào)壓器1的容量為：7×0.6×(1+3%)4=4.72 MVA，確定容量為 5 MVA；調(diào)壓器2的容量為2 MVA。

通過仿真計算得到各方案的電壓調(diào)節(jié)結(jié)果如圖6和圖7所示。當(dāng)調(diào)高變電站出線母線電壓為 10.7 kV，增大小水電無功出力后，每種方案都能起到一定的優(yōu)化效果，基本能使線路電壓在規(guī)定范圍內(nèi)運行。方案1、2、3都能起到良好的調(diào)壓效果，方案4的調(diào)壓效果雖然提高各線路的整體電壓水平，但在線路中段仍有部分節(jié)點處于電壓越限的情況。綜合高壓和低壓側(cè)的調(diào)壓效果方案 3 串入兩組調(diào)壓器并在配變低壓側(cè)進行無功補償，相比其他4種方案起到的調(diào)壓效果較好，電壓平均達到 10.0 kV，配變低壓側(cè)的線電壓基本保持在380 V左右，接近配電線路的電壓標準值。

3.3 豐水期小負荷線路電壓變化情況

根據(jù)新華線豐水期的小水電出力情況，設(shè)置豐水期變電站母線出線電壓為 10.4 kV，小水電滿額出力，率因數(shù)為0.9(滯后)，通過仿真計算得到新華線各節(jié)點電壓的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 主干線路高壓側(cè)電壓

圖9 配變低壓側(cè)節(jié)點電壓

圖8和9顯示在豐水期小負荷運行時，無論是主干線路高壓側(cè)電壓還是配變低壓側(cè)電壓均有不同程度的越限情況。從圖8中看到在配變高壓側(cè)24號節(jié)點電壓達到13.04 kV，偏差率為30.4%，遠遠超過電壓上限要求。低壓側(cè)在6號節(jié)點后出現(xiàn)電壓越限的情況，最高線電壓達到466 V，最大偏差率為22.6%。

3.4 豐水期小負荷線路電壓調(diào)壓方案

針對10 kV新華線豐水期末端線路偏高的問題，根據(jù)10 kV新華線實際工程環(huán)境制定2種調(diào)壓方案。

方案 1：①調(diào)整變電站出線母線電壓為 10.0 kV；②調(diào)壓器 1 容量為5 MVA，安裝在新華線中前段9號節(jié)點處，調(diào)壓器2的容量為2 MVA，安裝在新華線中后段17號桿塔處。

方案 2：在方案1的基礎(chǔ)上調(diào)高小水電功率因數(shù)至 0.95；對兩種方案進行仿真運算，可以得到各節(jié)點電壓特性如圖8和圖9所示。方案 1的調(diào)壓效果比較明顯基本能夠在規(guī)定的范圍內(nèi)運行。方案 2中只有末端個別節(jié)點存在電壓越限情況?？傮w上方案 2 的調(diào)壓效果要好于方案 1。即通過引入兩組雙向自動調(diào)壓器、調(diào)整變電站出線母線電壓并改變小水電功率因數(shù)能夠解決小水電在豐水期小負荷運行造成的電壓偏高問題。

4 結(jié) 語

本文為了解決含小水電配電網(wǎng)電壓越限的現(xiàn)實工程問題，在PSCAD環(huán)境下搭建小水電和配電網(wǎng)的模型，分別仿真計算在豐水期小負荷和枯水期大負荷兩種運行模式下調(diào)壓措施的可行性并制定可應(yīng)用在新華線的調(diào)壓方案，得出以下結(jié)論。

在枯水期時，采用低壓分組補償和安裝2組雙向調(diào)壓器的方法取得的調(diào)壓效果最好。

在豐水期時，通過調(diào)整變電站出線母線電壓、提高小水電功率因數(shù)并安裝2組雙向自動調(diào)壓器的調(diào)壓方案可以有效地解決線路末端電壓過高的問題。

本文提出的調(diào)壓方案具有可行性和適用性，對實際工程具有一定的參考意義，并為其他含小水電配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)和建設(shè)提供借鑒和參考。