基于電壓質(zhì)量的小水電準(zhǔn)入容量計算分析

張博

【摘要】針對茂名地區(qū)小水電發(fā)電現(xiàn)狀，通過理論計算分析了小水電對配網(wǎng)電壓的影響。為確保在小水電接入后，配電網(wǎng)系統(tǒng)仍能安全穩(wěn)定運行并維持供電電能質(zhì)量，需要考慮不同的供電距離以及小水電發(fā)電規(guī)律，本文從理論及實際分析計算角度提出了適合茂名電網(wǎng)的具體實用計算模型和方法。

【關(guān)鍵詞】電壓質(zhì)量；小水電；準(zhǔn)入容量；計算

1、引言

1998年以來，多輪“農(nóng)網(wǎng)改造”給茂名農(nóng)村電網(wǎng)帶來了極大的改觀，但是不少偏遠(yuǎn)山村仍然存在著電壓質(zhì)量較差的問題。有的配電線路末端電壓偏低，而含有大量小水電并網(wǎng)的配電線路末端電壓又非常高，造成用戶投訴較多，本文將基于該問題展開小水電的準(zhǔn)入容量分析。

2、小水電接入及電壓質(zhì)量情況

截至2013年底，茂名地區(qū)接入10千伏電網(wǎng)的小水電站達(dá)421座，裝機容量為204.9MW。小水電受自然條件以及人為因素影響明顯，多數(shù)電力是在豐水期期間比較集中發(fā)出，加上負(fù)荷峰谷波動大，因此低壓配電網(wǎng)電壓不合格的現(xiàn)象特別突出。尤其是豐小期電壓偏高，枯大期電壓偏低的現(xiàn)象極其嚴(yán)重。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，絕大部分的小水電站是以T接10千伏混供方式接入系統(tǒng)。由于小水電站大都屬于裝機容量小、可調(diào)節(jié)能力差的徑流式水電站，存在豐水期多發(fā)搶發(fā)、枯水期少發(fā)停發(fā)的特點，其上網(wǎng)電量存在極大的不確定性，波動幅度巨大，對電網(wǎng)的穩(wěn)定及電力調(diào)度造成巨大的影響。

實際運行數(shù)據(jù)顯示，全地區(qū)有小水電接入的10千伏線路條數(shù)為126條，出現(xiàn)電壓偏高的線路數(shù)為77條，占比達(dá)61%，出現(xiàn)電壓偏高的時刻大多處于豐水期小負(fù)荷時段，這種現(xiàn)象符合小水電發(fā)電功率對配電線路電壓波動的影響機理。

3、小水電對電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響機理

3.1對穩(wěn)態(tài)電壓分布影響機理

小水電是自然能源，受自然環(huán)境和天氣等因素影響，電源的功率會有較大波動，將引起農(nóng)村電網(wǎng)電壓的波動閃變[1]。農(nóng)村電網(wǎng)中配電系統(tǒng)的基本單元是饋線，配電網(wǎng)的電壓分布計算以饋線為單位，小水電并入后，配電系統(tǒng)變?yōu)槎嚯娫聪到y(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)電壓分布將復(fù)雜化。一種簡單的方法是將多電源系統(tǒng)變換為單電源系統(tǒng)，然后根據(jù)疊加原理進(jìn)行疊加，對其穩(wěn)態(tài)電壓分布進(jìn)行簡單分析[2]。

3.1.1簡單配電系統(tǒng)模型

在實際農(nóng)村電網(wǎng)中，負(fù)荷沿10千伏饋線離散分布，可以認(rèn)為是集中在各臺配電變壓器上的集中負(fù)荷。假設(shè)N個負(fù)荷沿饋線均勻分布，每個負(fù)荷大小為P0+jQ0，故可以沿饋線將每一集中負(fù)荷視為一個節(jié)點并加以編號，從變電站的低壓母線開始編號，每一小段線路的阻抗和電抗分別為Ri、Xi。在上述配電系統(tǒng)中的節(jié)點k處引入小水電，小水電的大小為PDG+jQDG，等效電路如圖1所示。小水電單獨作用時，將系統(tǒng)電源等效為電壓源，根據(jù)疊加定理可以將其短路。

3.1.2無小水電時線路電壓計算

在配電線路中，線路的電壓相角差很小，忽略電壓降落的橫分量，配電線路中任一點i處的電壓損耗（近似等于電壓降落的縱分量）為：

ΔUi1是由i點之后的等效綜合負(fù)荷引起的，ΔUi2是由i點之前的均勻負(fù)荷引起的，設(shè)r0、x0分別為相鄰兩個負(fù)荷節(jié)點之間的單位電阻值和電抗值，UN為線路的額定電壓。

3.1.3僅小水電單獨作用時線路電壓計算

根據(jù)圖1，小水電單獨作用時系統(tǒng)電源側(cè)短路，而線路中的阻抗相對于負(fù)荷來說很小，小水電對電壓損耗的作用在小水電到系統(tǒng)這一段，即i點之前的線路。小水電并入系統(tǒng)后，對電壓有升高作用，故在此處規(guī)定小水電對電壓的損耗為負(fù)。

3.1.4小水電和系統(tǒng)電源共同作用下的配電線路電壓分布計算

3.1.5理論分析

（1）小水電電源的容量對穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響。當(dāng)小水電位置確定的情況下，由上述分析可知節(jié)點電壓和小水電的容量呈線性關(guān)系。

（2）小水電的位置對穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響。令A(yù)1=（P0r0+Q0x0）/UN，A2=（PDGr0+QDGx0）/UN，將單個小水電站作用下的電壓分布公式轉(zhuǎn)化為以下形式，即

當(dāng)時，

由上式可知，Ui是i的二次函數(shù)。當(dāng)其對稱軸i0=N+1/2-A2/A1在區(qū)間 [0，k]的右邊時，Ui在區(qū)間[0，k]是i的單調(diào)遞減二次函數(shù)，此時對應(yīng)的是小水電的有功和無功出力小于其后面總的有功和無功需求，從母線到小水電接入點的電壓依次降低。當(dāng)對稱軸落在區(qū)間[0，k]時，Ui在區(qū)間[0，N+1/2-A2/A1]是i的單調(diào)遞增二次函數(shù)，在區(qū)間[0，N+1/2-A2/A1，k]是i的單調(diào)遞減二次函數(shù)，此時對應(yīng)的是小水電的有功和無功出力大于其后面總的負(fù)荷有功和無功需求，從母線到i=N+1/2-A2/A1節(jié)點，饋線電壓依次減??；從i=N+1/2-A2/A1節(jié)點到小水電接入點，饋線的電壓依次增加。饋線上電壓最低點出現(xiàn)在節(jié)點i=N+1/2-A2/A1節(jié)處。不管小水電出力如何，在區(qū)間[0，k]上，各點的電壓與沒有接入小水電之前相比都增加了iA2。

當(dāng)時，

其對稱軸i0=N+1/2在區(qū)間[k，N]的右邊，Ui在區(qū)間[k，N]內(nèi)關(guān)于i是單調(diào)遞減的。故小水電之后饋線上的各點電壓依次降低，但是與無小水電時相比，其各點電壓上升量為kA2。

通過分析，單個小水電電源情況下配電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布，可以看出小水電的容量和接入位置對配電系統(tǒng)影響最大，采用同樣的方法可以分析多小水電情況下配電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布（此處不再詳細(xì)計算）。

3.2對電壓波動影響的作用機理

農(nóng)村電網(wǎng)中負(fù)荷的變化和電源注入功率的變化都會引起電網(wǎng)各母線節(jié)點的電壓波動，小水電接入農(nóng)村配電網(wǎng)引起電壓波動的根本原因是分布式電源輸出功率的波動，下面分析并網(wǎng)小水電輸出功率波動引起電壓波動的機理。

3.2.1影響電壓波動的數(shù)學(xué)模型

小水電并網(wǎng)示意圖如圖2所示，其中為機組出口電壓向量；為電網(wǎng)電壓向量，為線路阻抗，為線路上流動的功率向量。

3.2.2小水電的功率波動

引起小水電功率波動的因素主要有三個方面：①分布式電源的調(diào)度和運行由其產(chǎn)權(quán)所有者控制，可能出現(xiàn)隨機啟停機組的情況。②對于自然能發(fā)電系統(tǒng)，外界能源輸入的變動是導(dǎo)致其功率波動主要的原因；同時，控制器的算法和參數(shù)整定也可能導(dǎo)致功率的周期性波動。③小水電接入10千伏配電網(wǎng)，其短路容量相對較小，功率波動時導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生較大的電壓變化。

4、中壓線路的小水電準(zhǔn)入容量計算

4.1小水電準(zhǔn)入容量與接入位置的關(guān)系

通過靜態(tài)模型分析得出，接入小水電的配電網(wǎng)局部極大電壓只可能出現(xiàn)在小水電的接入點處，因此，以電壓不越限為約束條件的小水電準(zhǔn)入容量研究將以該處電壓作為約束。如圖3所示，實際配電網(wǎng)中負(fù)荷為離散分布，在K點接入輸出有功功率Pdg、無功功率Qdg的分布式電源。

其中，N 為饋線節(jié)點總數(shù)；U0為平衡點（變電站側(cè)節(jié)點）電壓；Pi、Qi為節(jié)點i的有功、無功負(fù)荷，如果節(jié)點i存在分支線，則包括分支線所有負(fù)荷；Pdg、Qdg為小水電的有功、無功出力，不同小水電有功、無功出力特性將很大程度上影響其準(zhǔn)入容量。UK達(dá)到極限電壓UKmax時，小水電達(dá)到該接入位置處的最大準(zhǔn)入容量。根據(jù)我國電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定，10千伏電網(wǎng)節(jié)點電壓不得超過1.07p.u。設(shè)小水電功率因數(shù)恒定，用功率因數(shù)λ代替Qdg，解上述方程中Pdg即得小水電準(zhǔn)入容量與接入位置之間的函數(shù)關(guān)系。

4.2典型負(fù)荷分布下小水電準(zhǔn)入容量與接入位置的簡化函數(shù)

可以針對常見的配電網(wǎng)負(fù)荷分布對式（4-1）進(jìn)行進(jìn)一步簡化。常見的配電網(wǎng)負(fù)荷分布包括沿負(fù)荷饋線均勻分布、遞增分布與遞減分布等。

其中，UKmax為線路節(jié)點的電壓上限，U0為變電站側(cè)節(jié)點電壓，一般可視變壓器分接頭確定；P、Q為線路總負(fù)荷，R、X 為線路總阻抗，k為小水電在饋線上的接入位置，首端與末端對應(yīng)為[0，1]之間；λ為小水電功率因數(shù)；由于在上述推算過程中忽略了線路損耗，按上式計算得出的準(zhǔn)入容量偏小，因此引入修正因子α，視配電網(wǎng)正常運行時的網(wǎng)損而定，一般在1.03-1.08之間。

5、小水電準(zhǔn)入容量實例計算分析

為了驗證上述計算方法，選取10千伏合水線為例進(jìn)行分析，節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。由于線路負(fù)荷基本均勻分布在線路各處，所以計算采用均勻分布模型。根據(jù)均勻分布的準(zhǔn)入容量計算式（4-3），可計算出合水線的理論總裝機容量應(yīng)為2.8781MW，而實際接入為2.785MW，在理論允許范圍之內(nèi)。

為保證小水電有最大的出力，計算理論最大準(zhǔn)入容量所用的功率為豐水期時的最大負(fù)荷。實際上，由于用電負(fù)荷與小水電出力的隨機性，在小水電出力達(dá)到最大時，用電負(fù)荷不一定達(dá)到最大，甚至很小，即所謂的“豐小期”。從這個角度考慮，小水電的總出力在某個時間點會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)時的用電負(fù)荷。所以解決由于小水電發(fā)電的隨機性帶來的電壓質(zhì)量問題的關(guān)鍵，還在于優(yōu)化電壓控制措施或者小水電的并網(wǎng)方式，比如分季節(jié)對線路末端配變的變比實行不同管理。在枯水期時，適當(dāng)調(diào)低配變變比，如使其運行在-5%的分接頭上，當(dāng)配變高壓側(cè)電壓為9.3kV時，配變低壓側(cè)電壓能夠維持在230V左右；在豐水期時，適當(dāng)調(diào)高變壓器變比，如使其運行在+5%的分接頭上，當(dāng)配變高壓側(cè)電壓為10.5kV時，配變低壓側(cè)電壓能夠維持在238V左右[3]。

6、小結(jié)

農(nóng)村地區(qū)小水電的接入是引起農(nóng)村配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題的重要因素，其發(fā)電具有隨機性、季節(jié)性的特點，受自然條件和人為因素影響較大。但同時其又是分布式電源發(fā)展的重要組成部分。所以，研究小水電接入對電壓的影響以及如何對其進(jìn)行控制具有重要意義。

由于小水電大多數(shù)是T接10千伏配電線路，在要求電壓質(zhì)量合格的前提下，其入容量與接入位置受線路的負(fù)荷分布以及負(fù)荷類型的影響。但由于農(nóng)村負(fù)荷的波動性大，在計算準(zhǔn)入容量時只能采用靜態(tài)的模型，在實際運行中，其計算結(jié)果具有一定的局限性。

參考文獻(xiàn)

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