馬永良 崔基榮

摘 要

小水電并網(wǎng)線路的電壓存在季節(jié)性的偏高和偏低問題，解決該問題有重要的社會和經(jīng)濟意義。本文深入研究了串聯(lián)補償?shù)脑?，提出了電壓和損耗全局優(yōu)化的算法。通過仿真分析和優(yōu)化計算，可以設計出合理的補償容量和補償位置，也驗證了串聯(lián)電容補償裝置能有效解決小水電并網(wǎng)線路的電壓問題，有一定的推廣應用價值。

關鍵詞

小水電;串聯(lián)補償;仿真分析;優(yōu)化

中圖分類號： TM53 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.009

Abstract

The voltage of small hydropower grid-connected lines is seasonally exceeding the standard，which has important social and economic significance to solve this problem.This paper deeply studies the principle of series compensation，and proposes an algorithm for global optimization of voltage and loss.Through simulation analysis and optimization calculation， the compensation capacity and position can be designed reasonably，and it is verified that the series capacitance compensation device can effectively solve the voltage problem of small hydropower grid connection lines，and has the value of popularization and application.

Key Words

Small hydropower;Series compensation;Simulation analysis;Optimization

0 前言

在我國的能源里面，水電是重要組成部分。在我國廣闊的鄉(xiāng)村，存在著大量的小水電，小水電的單機容量一般不大，但裝機數(shù)量眾多，成為地區(qū)清潔能源的重要組成部分[1]。小水電由于單臺裝機容量小，往往采取直接升壓到10kV，就地接入10kV線路，接線方式往往采用簡單的T接方式。小水電地理位置較為偏僻，T接到公用10kV線路的末端。隨著水庫來水量的不同，存在豐水期滿負荷發(fā)電，枯水期低負荷發(fā)電甚至不發(fā)電。由于線路截面普遍偏小，半徑較長，導致并網(wǎng)線路在枯水期線路出現(xiàn)電壓偏高，嚴重情況下，電壓水平高于國家標準，甚至導致部分居民電氣設備由于電壓偏高出現(xiàn)損毀的情況[2]。在枯水期，小水電出力降低，又有可能導致線路末端電壓偏低，影響居民的用電。小水電并網(wǎng)線路的電壓在水電不同發(fā)電狀態(tài)下，出現(xiàn)電壓偏高或者偏低問題。研究技術措施，解決小水電并網(wǎng)線路的電壓問題，有急迫的需求和社會現(xiàn)實意義。

目前在解決小水電并網(wǎng)線路電壓治理問題上，國內外的電力工作者和研究人員，研究了多種技術措施，嘗試解決線路的電壓問題。改造線路，對線路半徑過細的導線進行更換，甚至把部分架空導線改造為電纜線路，但效果不明顯，經(jīng)濟性較低。加裝并聯(lián)電容補償器，在負荷端加裝電容補償，可以提高功率因數(shù)，降低線路損耗，能夠解決功率因素低造成的電壓偏低問題，但有其局限性[3]。在線路合適的位置加裝調壓器，對于末端負荷較大的線路，有較好的效果[2]，但調壓器頻繁調壓，設備的可靠性較低。

在小水電并網(wǎng)線路合適位置上加裝串聯(lián)電容器補償[4]，利用并聯(lián)電容器抵消線路感抗，可以有效降低線路阻抗，從而降低線路的電壓損失，且串聯(lián)補償容量跟隨電壓變化，有很好的自適應性。本文在研究串聯(lián)補償裝置治理小水電并網(wǎng)線有效性的基礎上，采用基于電壓水平約束下最優(yōu)線損模型，求解最優(yōu)的補償容量和補償位置。

1 配電網(wǎng)串聯(lián)補償原理

小水電并網(wǎng)線路等效電路見圖1，并網(wǎng)線路忽略對地并聯(lián)電容，只考慮串聯(lián)的XL和R，線路串聯(lián)補償相當于在等值電路上串聯(lián)XC。

并網(wǎng)線路在加入串聯(lián)電容Xc后，降低了線路的電抗X，使得線路的壓降降低ΔU。如圖2所示，在枯水期，線路接入串聯(lián)補償電容后，將使得線路末端電壓從U2提高到U2。從公式（1）也可得到，隨著串聯(lián)電容補償容量的增加，線路末端電壓U2將得到提升。補償效果與補償容量相關，理想的認為補償容量越大，補償效果越明顯。補償效果也跟電壓有關，電壓高的時候壓降降低，電壓低的時候壓降升高，使得串聯(lián)電容補償具有一定的自動調節(jié)能力。

2 串聯(lián)電容補償?shù)膬?yōu)化方法

2.1 串聯(lián)補償?shù)木€損計算

根據(jù)上一節(jié)的分析結果，串聯(lián)補償電容的加入，使得線路的壓降將，線路的損耗也會隨著電壓降低而降低，具有節(jié)能的效果。假設補償前后線路傳輸?shù)墓β什蛔?，根?jù)公式（1）和公式（2），可以求出補償前后的線路損耗，如公式（3）。電容器補償度越高，線路的損耗越低。

2.2 串聯(lián)補償優(yōu)化方法

國家電能質量標準《GB12325-2008-T電能質量供電電壓允許偏差》規(guī)定：20kV及以下的三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%[5]。線路進行串聯(lián)電容補償后，各節(jié)點電壓水平應滿足該電壓標準約束[7]。在運行中，嚴格控制電容器兩端的電壓，防止電容器兩端電壓高壓設備的額定值。在此基礎上采用優(yōu)化算法，求解全局電壓和線路損耗最優(yōu)，達到經(jīng)濟安全運行的總體目標。

2.3 補償優(yōu)化的流程

在補償流程設計中，根據(jù)電網(wǎng)的實際運行條件進行參數(shù)輸入，初步計算補償容量的初始值，按照補償目標函數(shù)的要求，逐節(jié)點進行函數(shù)計算，尋找最優(yōu)的配置容量和安裝位置，最終輸出最優(yōu)的配置方案。

3 仿真算例

3.1 模型參數(shù)

某回線路接于110kV變電站，線徑偏小，線路較長，線路末端T接著較多小水電，主要負荷也接于線路末端。小水電的庫容量都比較小，發(fā)電機組的出力有明顯的季節(jié)性。在豐水期，小水電滿功率發(fā)電，導致線路末端電壓偏高，存在各機組無序發(fā)電情況，導致電壓偏高的情況不斷惡化。在嚴重情況下，導致居民用電設備損壞。在枯水期，小水電基本處于停機檢修狀態(tài)，發(fā)電機出力為零，從變電站下拉負荷，滿足居民用電需求，線路末端容易出現(xiàn)電壓偏低情況。線路示意圖見圖4。

1）線路參數(shù)：線路型號為LGJ-120;線路長度16.6km，線路上最高負荷為1250kVA，最低負荷為120kVA，功率因素為0.85。

2）小水電參數(shù)：小水電的總裝機容量為2800kVA，最大出力為0.9pu，功率因素0.9。

3.2 線路串聯(lián)電容補償設計分析

線路接入小水電后，在不同水文條件下[6]，將會出現(xiàn)電壓偏高和電壓偏低的問題。由于串聯(lián)電容補償器的容量為不可調節(jié)設計。在設計線路補償初始容量時，需要統(tǒng)籌考慮串聯(lián)補償器在豐水期和枯水期的電壓補償效果。兼顧兩種狀態(tài)下，綜合電壓水平均需在合理水平下。初步設計補償容量為320μF，安裝位置在6.64公里處，對串聯(lián)補償效果進行仿真對比分析。

在豐水期，小水電出力比較穩(wěn)定，線路上接的負荷主要為居民負荷，為模擬電壓偏高最嚴重的情況，考慮谷期負荷率為10%，進行仿真。仿真結果如圖5，補償前線路末端電壓為1.135pu，電壓高于1.07pu的標準;安裝串聯(lián)補償后線路末端電壓為1.068pu，電壓在合格范圍內，且串聯(lián)補償裝置后方節(jié)點3電壓為1.015pu，也在合格范圍內。

在枯水期，小水電處于停機檢修狀態(tài)，出力基本為零，線路上接的負荷主要為居民負荷，為模擬電壓偏低最嚴重的情況，考慮負荷率為100%，進行仿真。仿真結果如圖6，補償前線路末端電壓為1.135pu，電壓高于1.07pu的標準;安裝串聯(lián)補償后線路末端電壓為1.068pu，電壓在合格范圍內，但串聯(lián)補償裝置后方節(jié)點3電壓為1.082pu，電壓稍微偏高。

通過仿真分析，小水單并網(wǎng)線路安裝了補償裝置后，線路上電壓水平都控制在合理范圍你。證明了串聯(lián)補償裝置對于小水電并網(wǎng)線路的電壓質量治理是有效地，既可以解決豐水期線路末端電壓偏高問題，也可以解決枯水期線路末端電壓偏低問題。但存在個別節(jié)點電壓偏高現(xiàn)象，需要進一步優(yōu)化設計。

3.3 串聯(lián)補償?shù)膬?yōu)化

根據(jù)本文提出的串聯(lián)補償優(yōu)化算法，針對以全局電壓和線損最優(yōu)為目標，進行串聯(lián)補償優(yōu)化。經(jīng)過計算，得到兩個方案：方案一，串聯(lián)補償裝置安裝于線路節(jié)點2，電壓偏離額定值均方差為0.281%，但在枯水期節(jié)點3電壓為1.083pu;方案二，串聯(lián)補償裝置安裝于線路節(jié)點3，電壓偏離額定值均方差為0.288%，但在豐水期節(jié)點3電壓為1.088pu。推薦方案一，該方案可以滿足線路在豐水期和枯水期，線路的電壓全局最優(yōu)，且線路損耗降低了19.2%。

4 結論

本文主要研究了串聯(lián)補償裝置應用于小水單并網(wǎng)線路的電壓質量治理問題，得到以下幾點結論：

1）利用串聯(lián)補償技術解決小水單并網(wǎng)線路的電壓質量問題具有明顯效果，通過仿真分析也證明了通過合理設計，可以解決小水電在豐水期和枯水期出現(xiàn)的電壓偏高和偏低問題，具有自適應的調節(jié)能力。

2）采用優(yōu)化算法，可以更合理地安排串聯(lián)補償?shù)奈恢煤腿萘?，使得補償電壓和線路損耗得到更優(yōu)的結果，為實際工程應用提供計算根據(jù)。

3）串聯(lián)補償?shù)难a償度問題，補償度越高，補償效果越好，但要注意過高的補償度，有可能在某些情況被誘發(fā)諧振。

通過本文的研究分析，串聯(lián)補償裝置可以應用于小水電并網(wǎng)線路進行電壓治理，效果顯著，工程造價較低，設備可靠性高。具有推廣應用的價值。

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