朱娟娟

(陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723000)

含有小水電群的區(qū)域配電網(wǎng)電壓質(zhì)量研究

朱娟娟

(陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723000)

針對小水電供電的季節(jié)性特點，對陜西省城固縣北部配電網(wǎng)中的小水電站運行工況進行了分析，分別研究小水電在夏季豐水期和冬季枯水期的運行情況，利用相關(guān)歷史數(shù)據(jù)對配電網(wǎng)在不同運行工況進行理論計算，提出不同季節(jié)特性下配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的措施和方法。最后對該模型的配電網(wǎng)提出電壓質(zhì)量治理的建議，對確保含有小水電群的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量治理有一定的借鑒意義。

小水電群； 配電網(wǎng)； 電壓質(zhì)量； 研究

提高含有小水電群的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量，不僅保證用戶的電能質(zhì)量，對充分利用水力資源也具有重要意義。小水電作為一種清潔的可再生能源得到了國家的大力支持與發(fā)展，小水電在負擔偏遠山區(qū)供電的同時，在夏季豐水期也可以將剩余電能外送帶動社會經(jīng)濟的發(fā)展。但是小水電大部分遠離負荷中心，地處偏遠山區(qū)地帶，大部分水電機組就近接入10 kV配電網(wǎng)。在這些地區(qū)變電站分布較少、主變?nèi)萘坎淮?，配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，10 kV輸電線路過長等。加之小水電的季節(jié)性特點，這些客觀因素導致在夏季豐水期，小水電滿發(fā)情況下受制于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)電能不能大量外送，導致棄水現(xiàn)象存在[1-2]。在冬季枯水期，小水電停發(fā)或少發(fā)的情況下，因線路過長導致負荷電量供應(yīng)不足，電壓無功存在波動，電能質(zhì)量不合格等現(xiàn)象[3-5]。同時，由于小水電不受調(diào)度統(tǒng)一管制，小水電的電壓、無功、有功及功率流向等數(shù)據(jù)難以監(jiān)測，給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來不利影響。本文對陜南城固縣北部區(qū)域含有小水電群的配電網(wǎng)運行情況進行分析，著重研究小水電在夏季豐水期如何有效進行電能外送，以及在冬季枯水期如何保證配電網(wǎng)末端用戶的電能質(zhì)量，并利用歷史數(shù)據(jù)進行分析計算，以提出相應(yīng)的措施和方法。

1 區(qū)域配電網(wǎng)概況

陜西省城固縣北部配電網(wǎng)主要由110 kV司家鋪變電站、35 kV桔園變電站、35 kV小河變電站、恒發(fā)三級電站(包含馬家溝水電站、白果樹水電站、獅壩水電站)及110 kV廉莊變電站等，其配電網(wǎng)總體示意圖如圖1所示。

該區(qū)域配電網(wǎng)由110 kV司家鋪變電站經(jīng)1回35 kV司桔線至35 kV桔園變電站，35 kV桔園變電站引1回35 kV桔文線與35 kV文川變電站相連，35 kV桔園變電站通過1回35 kV桔小線與35 kV小河變電站相連，35 kV小河變電站與恒發(fā)三級電站通過35 kV獅壩線相連，同時恒發(fā)三級電站也通過110 kV廉白線與110 kV廉莊變電站相連，目前廉莊變電站負荷較小，遠期與洋縣的110 kV垣門變電站聯(lián)網(wǎng)。該區(qū)域配電網(wǎng)主要由35 kV司桔線及入網(wǎng)的小水電來完成供電，其中恒發(fā)三級電站裝機容量5.2萬千瓦，其余幾座小水電裝機容量較小，只有400 kW。

圖1 區(qū)域配電網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

在夏季豐水期，恒發(fā)三級電站所有水電機組滿發(fā)運行，由于110 kV廉莊變電站負荷過小，發(fā)電機組的大部分電能只能通過35 kV桔小線、35 kV司桔線向110 kV司家鋪變電站倒送。同時由于輸電線路過長，35 kV司桔線線徑較小，導致了小河變電站35 kV母線電壓嚴重偏高，有時甚至高達41.6 kV。在冬季枯水期，恒發(fā)三級電站基本不發(fā)電，小河變電站所帶電力負荷需全部從110 kV司家鋪變電站提供，同時也由于輸電線路過長，負荷較重，導致小河變電站35 kV母線電壓過低，嚴重時電壓低至29.6 kV。所以，小水電的季節(jié)性和配電網(wǎng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)引起無論是在夏季豐水期還是冬季枯水期，區(qū)域含有小水電群的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量均不合格[6-8]，必須采取積極有效的解決措施以保證滿足電壓質(zhì)量要求。

2 夏季過壓運行分析

在夏季豐水期，水電廠發(fā)電量多，恒發(fā)三級水電站總裝機容量為5.2萬千瓦，年設(shè)計發(fā)電量19 240萬千瓦時，主要依靠35 kV司桔線、110 kV廉白線上網(wǎng)。因35 kV司桔線、35 kV桔小線線徑小，而目前110 kV廉莊變電站基本負荷偏小，引起水電站電能不能大量外送，造成水力資源嚴重浪費；同時也造成35 kV小河變電站母線電壓升高，嚴重時母線運行電壓達41.6 kV。2015年恒發(fā)三級水電站上網(wǎng)結(jié)算電量為7359萬千瓦時，配電網(wǎng)夏季潮流流向示意圖如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)夏季潮流流向示意圖

目前110 kV廉莊變電站最大負荷達1.4萬千瓦，獅壩水電站110 kV側(cè)直配變壓器最大負荷為1.0萬千瓦，滿發(fā)剩余功率須通過獅壩水電站主變壓器，經(jīng)獅壩線送往35 kV小河變電站，再經(jīng)35 kV桔小線送往35 kV桔園變電站，由桔園變電站將一部分送往35 kV文川變電站，最后經(jīng)35 kV司桔線送往110 kV司家鋪變電站。2015年8月35 kV小河變電站、桔園變電站功率月運行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 35 kV小河變電站、桔園變電站功率月運行數(shù)據(jù)

從表1可知，獅壩線傳輸最大功率為：

S=15 297+j5 203.6；

桔小線傳輸最大功率為：

S=14 418+j3920.3；

司桔線傳輸最大功率為：

S=6711+j4761。

豐水期水電廠發(fā)電功率達4.5萬千瓦，區(qū)域配電網(wǎng)目前最大負荷為2.4萬千瓦，可由水電站全部負擔，剩余功率則倒送至主網(wǎng)大系統(tǒng)。

由于35kV桔小線導線型號為LGJ-95，其允許載流量為272A(40 ℃)，最大負荷為：

即1.5664萬千瓦，不能將剩余電能2.1萬千瓦完全送出。

3 冬季欠壓運行分析

在冬季枯水期，水電站基本不發(fā)電，線路負荷全部由主網(wǎng)系統(tǒng)供電。冬季北部最大負荷2.3萬千瓦，35kV司桔線導線型號為LGJ-120，最多能帶1.6萬千瓦負荷。北部電網(wǎng)用電缺口達0.7萬千瓦，會造成對工業(yè)用戶限電生產(chǎn)，引起供需矛盾；同時由于線路過長也造成35kV小河變電站母線電壓偏低，嚴重時出現(xiàn)過母線運行電壓為29.13kV。冬季枯水期配電網(wǎng)潮流流向示意圖如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)冬季潮流流向示意圖

根據(jù)2015年2月2日桔園變電站運行數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 桔園變電站日運行數(shù)據(jù)表

圖4 配電網(wǎng)35 kV系統(tǒng)潮流分布圖

圖5 系統(tǒng)等值電路圖

由表2可知：司桔線傳輸功率為：

S1=16 035+j4739.8;

假設(shè)獅壩線傳輸功率為零，則配電網(wǎng)35kV系統(tǒng)潮流分布如圖4所示，系統(tǒng)等值電路如圖5所示。

桔文線傳輸功率為：

S2=7021.0+j2059.8;

桔小線傳輸功率為：

S3=8305.7+j3920.3;

司桔線參數(shù)：

R1=0.27×13.46=3.63 Ω,X1=0.347×13.46=4.67 Ω;

桔文線參數(shù)：

R2=0.65×14.35=9.32 Ω,X2=0.351×14.35=5.03 Ω;

桔小線參數(shù)：

R3=0.33×27.81=9.17 Ω,X3=0.354×27.81=9.84 Ω。

電網(wǎng)電壓損耗計算如下：

司桔線電壓損耗：

△U1=(P1R1+Q1X1)/U=2.295 kV;

桔小線電壓損耗：

△U3=(P3R3+Q3X3)/U=3.278 kV;

系統(tǒng)線路電壓損耗為：

△U=△U1+△U3=5.573 kV;

電壓損耗百分值為：

△U%=5.573/35=15.9%。

計算可知，小河變電站電壓為35-5.573=29.427kV，電壓明顯偏低，不能滿足運行要求。

4 電壓質(zhì)量治理措施

小水電的季節(jié)性特點，導致了含有小水電群的區(qū)域配電網(wǎng)在運行方式和安全穩(wěn)定方面需要在不同的時刻采取不同的解決措施，從而保證配電網(wǎng)的可靠運行和經(jīng)濟運行，現(xiàn)對含有小水電群的區(qū)域配電網(wǎng)在夏季、冬季運行如何保證電壓質(zhì)量符合要求提出如下解決方式。

(1)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中110kV廉垣線未并入主網(wǎng)系統(tǒng)，加之110kV廉莊變電站只有較小的部分10kV負荷，要將水電廠電能外送，就必須增加35kV桔小線的輸電導線截面，這樣既保證在夏季豐水期消化所有水電電能，又可保證在冬季枯水期配電網(wǎng)末端負荷的電壓質(zhì)量要求。

35kV桔小線線徑選擇：

35kV桔小線原來輸電導線型號LGJ-95，最大負荷為1.5664萬千瓦。

若三級小水電發(fā)電功率提高到4.5萬千瓦，110kV廉莊變電站最大負荷達1.4萬千瓦，獅壩水電站110kV側(cè)直配變壓器最大負荷1.0萬千瓦，而小河變電站負荷基本為零，因此送入桔小線最大負荷為2.1萬千瓦。

方案1：35kV桔小線型號改為LGJ-150，其允許載流量為360A(40 ℃)，最大負荷為：

方案2：35kV桔小線型號改為LGJ-185，其允許載流量為416A(40℃)，最大負荷為：

考慮到后期負荷的增加及沿線可能有小水電的接入，35kV桔小線輸電線路型號選擇LGJ-185比較合適。同時在夏季豐水期運行時，35kV小河變電站所有的無功功率設(shè)備應(yīng)全部退出運行。

(2)根據(jù)冬季欠壓運行分析可知，35kV小河變電站冬季最大負荷時電壓為29.427kV，電壓嚴重偏低，不能滿足系統(tǒng)運行要求。為了達到系統(tǒng)電壓運行要求，必須采用無功補償裝置[9-10]以提高電壓質(zhì)量。目前35kV小河變站已有無功功率補償容量1200kvar，無法滿足提高運行電壓要求，還必須追加無功功率補償容量。

按提高運行電壓質(zhì)量要求確定補償容量值，增加的補償電容容量為：

由于補償點在35 kV小河變電站變壓器的低壓側(cè)，所以電抗X應(yīng)含有變壓器自身電抗。變壓器自身電抗為：

折算至高壓側(cè)電抗為：11.48×3.52=140.63 Ω。

代入數(shù)據(jù)得補償電容容量為：

目前35kV小河變電站已有無功功率補償容量1200kvar，因此還需增加補償電容器容量為： 2299-1200=1099 kvar。

根據(jù)電容器的規(guī)格和標準容量，最終選取增加的電容器容量為1200 kvar。

5 結(jié)束語

通過對城固北部含有小水電群的區(qū)域配電網(wǎng)進行分析，在夏季豐水期過壓運行和冬季枯水期欠壓運行時對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響，提出了相應(yīng)的解決方法和措施。為了保證該類型的含有小水電群的配電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟的運行，針對該配電網(wǎng)模型提出以下建議：

(1)小水電的季節(jié)性特點及地理位置，決定了該類型配電網(wǎng)存在運行上的電壓質(zhì)量不合格等缺陷，為了消除這些缺陷帶來的配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行問題，應(yīng)積極做好配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃，優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。同時在小水電的接入過程中，接入點的位置、容量等對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行及電壓情況也影響很大，應(yīng)在前期進行有效論證。

(2)夏季豐水期，配電網(wǎng)沿線的所有小水電為了提高經(jīng)濟效益，都在搶發(fā)有功功率，導致配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量不滿足要求。因此必須對配電網(wǎng)中的所有小水電做統(tǒng)一調(diào)度和協(xié)調(diào)運行工作，通過調(diào)整小水電機組的運行方式，參與配電網(wǎng)的電壓調(diào)整，以達到穩(wěn)定電壓質(zhì)量和配電網(wǎng)的安全可靠運行。

(3)冬季枯水期，在負荷較重的情況下，處于配電網(wǎng)輸電線路末端的電壓會嚴重偏離電壓的合格水平。就此應(yīng)積極做好全網(wǎng)的電壓無功功率補償?shù)囊?guī)劃工作，優(yōu)化全網(wǎng)無功功率補償?shù)娜萘?、位置，同時在中、低壓配電網(wǎng)實施動態(tài)無功功率補償，來滿足重負荷、遠距離輸電電壓質(zhì)量的要求。

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[責任編輯：張存鳳]

Study on voltage quality of regional distribution network containing small hydropower groups

ZHU Juan-juan

(School of Electrical Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,China)

According to the seasonal characteristics of small hydropower,this paper analyzes and studies the operation condition of small hydropower station in the northern distribution network of Chenggu. The operation of small hydropower in the wet season in summer and the dry season in winter are studied respectively. The relevant historical data are used to theoretically calculate the distribution network under different operating conditions; the paper also proposes the measures and methods of safe and stable operation of distribution network under different seasonal characteristics. In the end,the suggestion of voltage quality control is put forward for the distribution network of the model,which can be used for reference to ensure voltage quality control of distribution network containing small hydropower group.

small hydropower stations； distribution network； voltage quality； research

2096-3998(2017)03-0025-06

2016-10-26

2016-12-30

陜西省教育廳科學研究計劃項目(16JK1140)

朱娟娟(1979—)，女，陜西省禮泉縣人，陜西理工大學實驗師，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與電氣控制技術(shù)。

TM714.2

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