小水電集中上網電網無功電壓建模分析與控制策略

彭熾剛，陳曉華

（廣東電網公司江門供電局，廣東 江門 529000）

小水電集中上網電網無功電壓建模分析與控制策略

彭熾剛，陳曉華

（廣東電網公司江門供電局，廣東 江門 529000）

在國家倡導節(jié)能減排、科學發(fā)展的新形勢下，作為分布式發(fā)電及清潔能源之一的小水電有巨大的發(fā)展機遇。但是大量小水電集中上網，向電網輸送功率的同時,會給電網電能質量、繼電保護等造成較為嚴重的影響，也給電網正常安全供電帶來了一系列問題。結合恩平地區(qū)電網的現(xiàn)狀，分析了造成小水電上網電壓偏高的原因，并對電網進行了建模分析計算，針對性的提出了提高電壓合格率的運行方式及技術調整方案。計算結果表明，所提方案對改善恩平地區(qū)電網電壓偏高有明顯的作用。

小水電；電壓合格率；變壓器分接頭；分布式發(fā)電

近年來，分布式發(fā)電（DG—distributed generation）技術以其獨有的環(huán)保性和經濟性引起人們越來越多的關注。英國、美國、日本等發(fā)達國家，在進行能源結構調整過程中，已經把DG技術放在了相當重要的位置上。在我國，充足保障電力供應對經濟的持續(xù)發(fā)展必將起到決定性作用，在已建中央電站及電網的基礎上，大力發(fā)展DG技術將是我國電力系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢。

分布式發(fā)電并不是一個全新的概念，分布式發(fā)電電源包括:小型水電站，太陽能發(fā)電站、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電站、地熱發(fā)電裝置、微型燃氣輪機、生物質發(fā)電裝置以及儲能裝置等[1]。分布式發(fā)電裝置可實現(xiàn)備用電站、電力調峰、熱電聯(lián)供電站以及邊遠地區(qū)的獨立發(fā)電等多種用途。

小水電由于受河流流量及落差的控制，一般小水電站裝機容量小，從幾kW到幾萬kW，庫容小，電站調節(jié)性能差，多為徑流式發(fā)電。電站分散布點，就地開發(fā)，就近供電。因此小水電規(guī)模小，分布廣，成分布式電源狀態(tài)[2]。

恩平地區(qū)小水電資源豐富，利用山澗溪谷筑起小水壩引水發(fā)電，既利用資源又能為當?shù)靥峁┮欢ǖ慕洕б?。這些小水電站變電容量較小，它們只有并上10kV、35kV或110kV電網才能穩(wěn)定運行，所以小水電站并網發(fā)電在山區(qū)非常普遍。于是輻射式的網絡變?yōu)橐槐椴茧娫春陀脩艋ヂ?lián)的網絡[3]。隨著恩平地區(qū)小水電的裝機容量迅速擴大和集中上網，在豐水期方式下，，潮流不再單向地從變電站母線流向各負荷，而是大量功率通過10kV線路外送，配電網將發(fā)生根本性的變化。這樣的話，原來以負荷定義建設的電網和運行方式不能滿足現(xiàn)在的要求，出現(xiàn)了無功分配不合理，電壓偏高等一系列問題。

1 小水電接入對電網的主要影響

1.1 對電能質量的影響

配電系統(tǒng)直接聯(lián)系用戶，電力系統(tǒng)對用戶的供電能力和質量都必須通過配電系統(tǒng)來體現(xiàn)，配電可靠性指標則是整個電力系統(tǒng)結構和運行特性的集中反映。

并網小水電引起配電網的各種擾動會對系統(tǒng)電能質量[4,5]產生影響：

（1）易造成系統(tǒng)的電壓閃變；小水電的起動和停運與氣候條件等眾多因素有關，其不確定性易造成配電網明顯的電壓閃變；

（2）對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓的影響；集中供電配電網一般呈輻射狀，穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下沿饋線潮流方向電壓逐漸降低。接入小水電后由于饋線上的傳輸功率減少或功率上送以及小水電輸出無功的支持，使沿饋線的各負荷節(jié)點處電壓被抬高，導致一些負荷節(jié)點的電壓偏移超標。其電壓被抬高多少與接入小水電的位置及總容量大小密切關聯(lián)。

（3）對系統(tǒng)電壓波動的影響；傳統(tǒng)配電網中有功、無功負荷隨著時間變化會引起系統(tǒng)電壓波動。并網小水電對配電網電壓波動的影響要視其具體情況:當小水電與當?shù)刎摵蓞f(xié)調運行時（負荷與小水電輸出量同步變化）小水電將抑制系統(tǒng)電壓的波動;若小水電與當?shù)刎摵刹粎f(xié)調運行時系統(tǒng)的電壓波動將更嚴重[6]。綜上所述，我國小水電產業(yè)大部分是涇流電站，其發(fā)電量受季節(jié)影響較大，易造成系統(tǒng)電壓波動，不穩(wěn)定，影響電能質量；在豐水期小水電機組大量發(fā)電而造成系統(tǒng)電壓過高，枯水期則系統(tǒng)電壓較低，甚至過低。

1.2 對系統(tǒng)保護的影響

輻射狀的配電網，其潮流從電源到用戶單向流動的傳統(tǒng)供電模式，系統(tǒng)保護設計通常在變電站處安裝反向過流斷電器，主饋線上裝設自動重合閘裝置，支路上裝設熔斷器。自動重合閘裝置與熔斷器相互協(xié)調以實現(xiàn)配電網線路的保護，這種保護不具有方向性。但小水電并入時配電網發(fā)生了根本性變化，輻射式配電網將變?yōu)橐槐椴茧娫春陀脩艋ヂ?lián)的網絡，潮流不再單向地從變電站母線流向用戶負荷，配電網各種保護定值與機理發(fā)生了深刻變化[6,7]。由于熔斷器和傳統(tǒng)的自動重合閘并不具備方向性,配電網中已有大量的繼電保護裝置，不可能為了新增小電源而做大量改動，故并網小水電必須與配電網配合并適應它。當配電網的繼電保護裝置具有重合閘功能時，為了確保熄弧，使重合閘成功，小水電的切除時間必須早于重合時間。當小水電的功率注入電網時，會使一些繼電器保護區(qū)縮小，從而影響繼電保護裝置正常工作[8]。

1.3 對電網調度和實時監(jiān)控的影響

一些地區(qū)的小水電因點多、面廣使部分小水電通訊聯(lián)系薄弱，不易采集小水電發(fā)電過程中產生的實時電流、電壓、有功功率、無功功率等信息，不利于調度員的正確決策，調度命令難以及時到達，監(jiān)控難度較大，易造成小水電無序發(fā)電，難以發(fā)揮相應資源優(yōu)勢和帶動地方經濟增長，甚至會增加電網壓力和發(fā)電行業(yè)整體成本[9]。

2 恩平地區(qū)電網的現(xiàn)狀與原因分析

2.1 恩平地區(qū)電網的現(xiàn)狀

江門恩平電力公司所屬地區(qū)截止2009年，已有60多座小水電站與江門供電局簽訂購、售電合同，小水電站的總裝機容量為51.444MW。

恩平地區(qū)電網上網小水電站滿發(fā)滿供的同時，也造成了本地區(qū)電網各等級的電壓偏高的問題。如110kV大田、大槐變電站在2009年8月其110kV側電壓分別為117.83kV、116.41kV，10kV側電壓分別為10.96kV、10.56kV，這成為10kV配網線路上小水電上網電壓偏高的直接原因。其它110kV變電站110kV側，10kV側電壓均在合理范圍內；恩平及圣堂兩座220kV變電站三側電壓也在合理范圍內（220kV等級電壓合格范圍是223.1～246.1，110kV等級電壓合格范圍是111.55～123.05，10kV等級電壓合格范圍是10～11kV）。

為解決電壓偏高問題，恩平地區(qū)積極采取措施來控制電壓，如調整變壓器分接頭，但效果并不明顯，因此有必要針對恩平地區(qū)無功及電壓情況及網絡規(guī)劃、設備改造措施進行計算驗證，調整運行方式，以更好地解決恩平地區(qū)電壓偏高問題。

2.2 原因分析

（1）豐枯矛盾突出

小水電機組運行方式與來水情況關系密切，豐水期恩平地區(qū)大量剩余電力由聯(lián)絡線向省網輸送，枯水期恩平電網供電負荷大部分須依靠從省網由聯(lián)絡線下送的功率，造成豐水期與枯水期的年度運行方式變化大。嚴重影響電能質量，使得該地區(qū)電網電壓水平難以維持合格的水平,對省網的安全經濟運行形成較大的沖擊。

（2）小水電缺乏統(tǒng)一的監(jiān)管與調度。

由于小水電單機容量小、數(shù)量眾多、分布很廣，所屬地域分散、產權形式多樣、監(jiān)測控制困難、其運行受氣候季節(jié)影響大，缺乏統(tǒng)一的調度與控制，所以局部的調整對電壓的改善效果不明顯。因此，必須研究含有大量小水電源的電網運行特性，優(yōu)化調度和控制策略，包括枯水期運行方式和豐水期運行方式。

（3）恩平電網部分小水電集中在同一條10kV線路上網，且線路較長，豐水期小水電上網使得線路上的傳輸功率減少或功率上送以及小水電輸出無功的支持使沿線路的各負荷節(jié)點處電壓被抬高。

（4）恩平地區(qū)電網只有兩條220kV的輸電線路與江門主網相連。由于功率上送，線路上的電壓降大，送端電壓高于受端電壓。因此，單獨調整恩平地區(qū)的運行方式，其調節(jié)能力是有限的。

3 計算分析與改造方案

針對恩平電網小水電上網電壓偏高的問題，根據無功分層分區(qū)，就地平衡的原則和調壓要求，我們運用PSASP建立了恩平電網模型。分析最具代表性的電壓偏高的運行方式—恩平2009年豐水期小負荷方式，在現(xiàn)有小水電出力及變壓器分接頭檔位調整基礎上復現(xiàn)恩平地區(qū)母線電壓情況，分析運行方式中存在的問題及導致電壓越限的原因，有針對性的提出在現(xiàn)有設備及運行方式基礎上的調整運行方案及變壓器改造方案。

在復現(xiàn)恩平電網母線電壓情況后，發(fā)現(xiàn)小水電上網電壓偏高線路集中在大田、大槐兩個110kV變電站10kV出線上，兩個變電站10kV側電壓分別為10.96kV、10.56kV，小水電使沿線路的各負荷節(jié)點處電壓被抬高，這樣負荷處電壓會高至12kV，嚴重影響了用戶的正常用電。調節(jié)原理是：在其所連接變電站高壓側電壓合格的情況下，調節(jié)變壓器分接頭，使變電站10kV側電壓盡可能低，但又不低于下限（10kV），這樣可以使線路末端小水電側上網電壓盡可能低。若這樣調節(jié)后電壓還是不合格，則應采用小水電與負荷分線架設的方式來降低小水電上網電壓偏高對負荷端帶來的影響。電壓調節(jié)步驟如下：

（1）先采用調節(jié)變壓器分接頭

（2）若分接頭調整后電壓仍達不到要求，則

①在變電站側加裝電抗器

②改造變壓器抽頭

（3）其中有個別線路，若經步驟（1）（2）調節(jié)后小水電上網電壓仍偏高，可采用小水電與負荷分線架設的方式來降低小水電上網電壓偏高對負荷端帶來的影響。以恩平地區(qū)小水電集中上網的典型線路——大槐站那農線電壓合格為目標，根據調整運行方案及電壓調節(jié)具體步驟對全網進行了調整，并進行調整后校驗計算，調整前后的電壓對比見表1。統(tǒng)合計算分析后得到恩平電網運行方案和調整方式對電網電壓有明顯的改善作用。那農線上負荷集中在大槐至七星壙T處，線路后段部分東坑盤龍灣T至天源鴨頸T處只有個別負荷，故電壓偏高（超過11kV）對負荷影響很小。

表1 大槐那農線調整前后電壓對比

4 結語

恩平地區(qū)小水電機組豐水期都是滿發(fā)，枯水期大部分停機，總出力很??；這樣對線路的潮流和電壓波動很大，且部分變壓器的抽頭數(shù)目較少，這都給調壓帶來了一定的困難。在對應的運行方式下，通過調節(jié)變壓器分接頭改變變比，在線路中串聯(lián)電容電抗器改變無功Q的分布等方式來調節(jié)電壓，使其在合格的范圍內。計算分析發(fā)現(xiàn)恩平電網采用相應調壓措施后，明顯的改善了豐水期小負荷方式下小水電上網電壓偏高的問題，地區(qū)電網絕大部分母線電壓均調至合理范圍內，對于極個別電壓仍偏高的線路，只能采用負荷與小水電分網架設的方法來限制電壓偏高帶來的影響。同時，也要加強對小水電站監(jiān)控和協(xié)調調度，對于無監(jiān)測與計量裝置的小水電必須進行改造。

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Reactive voltage control of power grid with small hydropower stations intensively connected

PENG Chi-gang, CHEN Xiao-hua

（Guangdong Grid Company Jiangmen Power Supply Bureau, Jiangmen 529000, China）

The small hydro power, as one way of utilizing distributed generation and clean energy, has enormous opportunities for development at the new situation of energy-saving emission reduction and scientific development. When a large number of small distributed hydropower stations intensively connect to the power transmission grid, they produce a great impact on power quality of the region grid and security. In this paper，the reasons that the voltage value is over limit are analyzed according to the status of regional power network in Enping. Based on modeling and computing of the grid，the operating modes and adjustment programs are presented to improve voltage qualification rate. The calculation results show that the proposed programs have significant effect for the improvement of voltage problem in Enping power network.

small hydro power; voltage qualification rate; transformer tap; distributed generation

TV737

B

1672-5387（2010）02-0018-03

2010-01-26

彭熾剛（1963-）,碩士研究生,高級工程師,從事電網運行管理工作。