馬永良 崔基榮

摘 要

小水電并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓存在季節(jié)性的偏高和偏低問(wèn)題，解決該問(wèn)題有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。本文深入研究了串聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑?，提出了電壓和損耗全局優(yōu)化的算法。通過(guò)仿真分析和優(yōu)化計(jì)算，可以設(shè)計(jì)出合理的補(bǔ)償容量和補(bǔ)償位置，也驗(yàn)證了串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置能有效解決小水電并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓?jiǎn)栴}，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞

小水電;串聯(lián)補(bǔ)償;仿真分析;優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： TM53 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)的能源里面，水電是重要組成部分。在我國(guó)廣闊的鄉(xiāng)村，存在著大量的小水電，小水電的單機(jī)容量一般不大，但裝機(jī)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(tái)裝機(jī)容量小，往往采取直接升壓到10kV，就地接入10kV線(xiàn)路，接線(xiàn)方式往往采用簡(jiǎn)單的T接方式。小水電地理位置較為偏僻，T接到公用10kV線(xiàn)路的末端。隨著水庫(kù)來(lái)水量的不同，存在豐水期滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電，枯水期低負(fù)荷發(fā)電甚至不發(fā)電。由于線(xiàn)路截面普遍偏小，半徑較長(zhǎng)，導(dǎo)致并網(wǎng)線(xiàn)路在枯水期線(xiàn)路出現(xiàn)電壓偏高，嚴(yán)重情況下，電壓水平高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，甚至導(dǎo)致部分居民電氣設(shè)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(dǎo)致線(xiàn)路末端電壓偏低，影響居民的用電。小水電并網(wǎng)線(xiàn)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(wèn)題。研究技術(shù)措施，解決小水電并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓?jiǎn)栴}，有急迫的需求和社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。

目前在解決小水電并網(wǎng)線(xiàn)路電壓治理問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外的電力工作者和研究人員，研究了多種技術(shù)措施，嘗試解決線(xiàn)路的電壓?jiǎn)栴}。改造線(xiàn)路，對(duì)線(xiàn)路半徑過(guò)細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行更換，甚至把部分架空導(dǎo)線(xiàn)改造為電纜線(xiàn)路，但效果不明顯，經(jīng)濟(jì)性較低。加裝并聯(lián)電容補(bǔ)償器，在負(fù)荷端加裝電容補(bǔ)償，可以提高功率因數(shù)，降低線(xiàn)路損耗，能夠解決功率因素低造成的電壓偏低問(wèn)題，但有其局限性[3]。在線(xiàn)路合適的位置加裝調(diào)壓器，對(duì)于末端負(fù)荷較大的線(xiàn)路，有較好的效果[2]，但調(diào)壓器頻繁調(diào)壓，設(shè)備的可靠性較低。

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

1 配電網(wǎng)串聯(lián)補(bǔ)償原理

小水電并網(wǎng)線(xiàn)路等效電路見(jiàn)圖1，并網(wǎng)線(xiàn)路忽略對(duì)地并聯(lián)電容，只考慮串聯(lián)的XL和R，線(xiàn)路串聯(lián)補(bǔ)償相當(dāng)于在等值電路上串聯(lián)XC。

并網(wǎng)線(xiàn)路在加入串聯(lián)電容Xc后，降低了線(xiàn)路的電抗X，使得線(xiàn)路的壓降降低ΔU。如圖2所示，在枯水期，線(xiàn)路接入串聯(lián)補(bǔ)償電容后，將使得線(xiàn)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(bǔ)償容量的增加，線(xiàn)路末端電壓U2將得到提升。補(bǔ)償效果與補(bǔ)償容量相關(guān)，理想的認(rèn)為補(bǔ)償容量越大，補(bǔ)償效果越明顯。補(bǔ)償效果也跟電壓有關(guān)，電壓高的時(shí)候壓降降低，電壓低的時(shí)候壓降升高，使得串聯(lián)電容補(bǔ)償具有一定的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。

2 串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化方法

2.1 串聯(lián)補(bǔ)償?shù)木€(xiàn)損計(jì)算

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

2.2 串聯(lián)補(bǔ)償優(yōu)化方法

國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《GB12325-2008-T電能質(zhì)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(biāo)稱(chēng)電壓的±7%[5]。線(xiàn)路進(jìn)行串聯(lián)電容補(bǔ)償后，各節(jié)點(diǎn)電壓水平應(yīng)滿(mǎn)足該電壓標(biāo)準(zhǔn)約束[7]。在運(yùn)行中，嚴(yán)格控制電容器兩端的電壓，防止電容器兩端電壓高壓設(shè)備的額定值。在此基礎(chǔ)上采用優(yōu)化算法，求解全局電壓和線(xiàn)路損耗最優(yōu)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的總體目標(biāo)。

2.3 補(bǔ)償優(yōu)化的流程

在補(bǔ)償流程設(shè)計(jì)中，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行參數(shù)輸入，初步計(jì)算補(bǔ)償容量的初始值，按照補(bǔ)償目標(biāo)函數(shù)的要求，逐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)計(jì)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(xiàn)路接于110kV變電站，線(xiàn)徑偏小，線(xiàn)路較長(zhǎng)，線(xiàn)路末端T接著較多小水電，主要負(fù)荷也接于線(xiàn)路末端。小水電的庫(kù)容量都比較小，發(fā)電機(jī)組的出力有明顯的季節(jié)性。在豐水期，小水電滿(mǎn)功率發(fā)電，導(dǎo)致線(xiàn)路末端電壓偏高，存在各機(jī)組無(wú)序發(fā)電情況，導(dǎo)致電壓偏高的情況不斷惡化。在嚴(yán)重情況下，導(dǎo)致居民用電設(shè)備損壞。在枯水期，小水電基本處于停機(jī)檢修狀態(tài)，發(fā)電機(jī)出力為零，從變電站下拉負(fù)荷，滿(mǎn)足居民用電需求，線(xiàn)路末端容易出現(xiàn)電壓偏低情況。線(xiàn)路示意圖見(jiàn)圖4。

1）線(xiàn)路參數(shù)：線(xiàn)路型號(hào)為L(zhǎng)GJ-120;線(xiàn)路長(zhǎng)度16.6km，線(xiàn)路上最高負(fù)荷為1250kVA，最低負(fù)荷為120kVA，功率因素為0.85。

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

3.2 線(xiàn)路串聯(lián)電容補(bǔ)償設(shè)計(jì)分析

線(xiàn)路接入小水電后，在不同水文條件下[6]，將會(huì)出現(xiàn)電壓偏高和電壓偏低的問(wèn)題。由于串聯(lián)電容補(bǔ)償器的容量為不可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)線(xiàn)路補(bǔ)償初始容量時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮串聯(lián)補(bǔ)償器在豐水期和枯水期的電壓補(bǔ)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(shè)計(jì)補(bǔ)償容量為320μF，安裝位置在6.64公里處，對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償效果進(jìn)行仿真對(duì)比分析。

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

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

通過(guò)仿真分析，小水單并網(wǎng)線(xiàn)路安裝了補(bǔ)償裝置后，線(xiàn)路上電壓水平都控制在合理范圍你。證明了串聯(lián)補(bǔ)償裝置對(duì)于小水電并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓質(zhì)量治理是有效地，既可以解決豐水期線(xiàn)路末端電壓偏高問(wèn)題，也可以解決枯水期線(xiàn)路末端電壓偏低問(wèn)題。但存在個(gè)別節(jié)點(diǎn)電壓偏高現(xiàn)象，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 串聯(lián)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化

根據(jù)本文提出的串聯(lián)補(bǔ)償優(yōu)化算法，針對(duì)以全局電壓和線(xiàn)損最優(yōu)為目標(biāo)，進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償優(yōu)化。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到兩個(gè)方案：方案一，串聯(lián)補(bǔ)償裝置安裝于線(xiàn)路節(jié)點(diǎn)2，電壓偏離額定值均方差為0.281%，但在枯水期節(jié)點(diǎn)3電壓為1.083pu;方案二，串聯(lián)補(bǔ)償裝置安裝于線(xiàn)路節(jié)點(diǎn)3，電壓偏離額定值均方差為0.288%，但在豐水期節(jié)點(diǎn)3電壓為1.088pu。推薦方案一，該方案可以滿(mǎn)足線(xiàn)路在豐水期和枯水期，線(xiàn)路的電壓全局最優(yōu)，且線(xiàn)路損耗降低了19.2%。

4 結(jié)論

本文主要研究了串聯(lián)補(bǔ)償裝置應(yīng)用于小水單并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓質(zhì)量治理問(wèn)題，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）利用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)解決小水單并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓質(zhì)量問(wèn)題具有明顯效果，通過(guò)仿真分析也證明了通過(guò)合理設(shè)計(jì)，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(wèn)題，具有自適應(yīng)的調(diào)節(jié)能力。

2）采用優(yōu)化算法，可以更合理地安排串聯(lián)補(bǔ)償?shù)奈恢煤腿萘?，使得補(bǔ)償電壓和線(xiàn)路損耗得到更優(yōu)的結(jié)果，為實(shí)際工程應(yīng)用提供計(jì)算根據(jù)。

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

通過(guò)本文的研究分析，串聯(lián)補(bǔ)償裝置可以應(yīng)用于小水電并網(wǎng)線(xiàn)路進(jìn)行電壓治理，效果顯著，工程造價(jià)較低，設(shè)備可靠性高。具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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