含小水電地區電網過電壓分析及抑制措施

陳志峰，陳娟，李海鋒，鐘慶

(1. 廣東電網公司韶關供電局，廣東省韶關市 512026；2. 華南理工大學電力學院，廣州市 510000)

(1. Shaoguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Company, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China;2. Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

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含小水電地區電網過電壓分析及抑制措施

陳志峰1，陳娟2，李海鋒2，鐘慶2

(1. 廣東電網公司韶關供電局，廣東省韶關市 512026；2. 華南理工大學電力學院，廣州市 510000)

在國家大力倡導新能源開發和利用的條件下，小水電的建設得到迅速發展。由于缺乏規范化管理等原因，小水電在運行過程中經常導致地區電網出現過電壓情況。為此，結合小水電發電的特點，建立了含小水電電網的等值分析模型，在此基礎上針對小水電孤網運行、轉供電以及地區進入豐水期這3種情況下所出現的嚴重過電壓過程進行了理論分析，探明其產生機理，并根據不同的過電壓情況從技術和管理層面提出了針對性的過電壓抑制措施。最后，基于DIgSILENT/PowerFactory仿真平臺搭建了含小水電的實際電網模型，驗證了理論分析的正確性及抑制措施的效果。

小水電；孤網運行；轉供電；過電壓控制

0 引 言

我國小水電資源十分豐富，截至2005年底，共建成小水電站近5萬座，總裝機容量達到3 853 萬kW，廣泛分布在全國30多個省(區、市)的1 600多個縣[1]。小水電主要分布在廣大的農村地區，尤其是偏遠山區，具有分散布點、就地開發、就近成網、成片供電的特點；其裝機容量小，以徑流式為主，有功出力取決于河流的徑流量，接受電網調度能力差[2]。

受到輸電距離、并網線路線徑和電網電壓鉗制等因素的影響，小水電發不出無功和電壓偏高的問題普遍存在[3]。而且，現階段供電管理部門對各水電站采用了功率因數的考核辦法[4-5]，使得許多小水電紛紛采用抬高勵磁電壓的辦法來增加其無功輸送量，以滿足考核要求，進一步惡化了電網電壓環境。如從枯水期進入豐水期后，小水電進水量增加，從而多發有功，導致無功送出量大幅減小，功率因數超出考核范圍，于是其紛紛通過抬高自身勵磁來增發無功，最終導致過電壓現象；更值得關注的是，當小水電上網的主供電線路跳閘后，與主網解列的小網帶負荷孤網運行，若水電出力大于用電負荷，將出現高頻、高壓的工況，嚴重時還將損壞用電設備；另外，當地區電網與主網的連接因設備故障或檢修而斷開時，為保證地區供電可靠性，通過聯絡開關使小水電轉由路徑更長的線路上網時，也將出現過電壓現象。

目前對小水電無功電壓問題的研究主要有：(1)小水電無功不足、電壓偏高的主要原因分析，包括輸電損耗大、變壓器配置不合理及豐枯矛盾突出等[3-4,7]；(2)基于最優潮流改進小水電無功考核辦法[8-15]。上述研究雖然有涉及小水電上網的過電壓問題，但都只是針對非故障情況討論，且已有的分析結論大都基于工程經驗和粗略計算，并沒有從理論上揭示過電壓問題產生的機理，更缺乏對不同過電壓問題的全面研究，如孤網運行和轉供電所導致的過電壓。

因此，本文基于含小水電地區電網的等值簡化模型，對其孤網運行、轉供電以及進入豐水期這3種情況的過電壓產生機理進行理論分析，并借助仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory對理論分析結果進行驗證，同時提出抑制該過電壓的相關措施，為含小水電地區電網運行提供相應指導。

1 含小水電的地區電網過電壓分析

小水電以徑流式為主，出力取決于河流的徑流量，且不投入自動勵磁調節器，理論分析時可等值成一個帶內阻的恒電壓源。以圖1所示含小水電地區電網的等值簡化模型來分析地區電網過電壓。

圖1 含小水電地區電網的等值簡化模型

1.1 孤網過電壓分析

主供電線路跳閘后，為保障供電可靠性，地區電網常采取與主網解列的含小水電的小網帶負荷孤網運行的策略。根據節點電壓方程可得圖1中bus3電壓為

(1)

雷雨天氣多出現在地區豐水期，此時小水電向外網輸送功率，即有PV>0、QV>0。斷開小網與外網的連接，小水電帶負荷孤網運行時，PV和QV均瞬時減小至0，同時由于輸送功率減少，功角δ亦減小，因此，從式(1)可知電壓VS增大。實際電網中，多個小水電是采用分散接入的形式，但在分析地區電網過電壓情況時，總可以采用戴維南定理將其等值為圖1所示的單電源形式，則其分析方法與上述簡化模型相同，得出的結論也一致。

1.2 轉供電電壓分析

當地區電網與主網的連接因設備故障或檢修斷開時，為保障其供電可靠性，有時需要進行轉供電。由于對小水電而言，轉供電一般相當于通過更長的路徑實現與主網的連接，因此只需改變線路L的參數即可同樣利用圖1進行分析。

圖1中，發電機空載電勢Eq點的功率P+jQ可表示為

(2)

式中φΣ為阻抗ZΣ的阻抗角。

由于外部電網的鉗制作用使母線電壓VS基本不變，由式(2)可知，ZΣ增大，則P減小。轉供電時，ZΣ增大，發電機電磁功率P減小，而水輪機進水量不變，即機械功率不變，此時發電機轉子承受的機械轉矩大于電磁轉矩，發電機加速運行，使得δ角增大。

配電線路線徑小，使其阻抗較大，約占總阻抗的90%以上；另外由于配電線路的電阻與電抗大小相差不多，如配網中型號為LGJ-95的架空輸電線路，其線路參數為r1=0.332 Ω/km，x1=0.356 Ω/km，因而總阻抗ZΣ的阻抗角φΣ一般在50°左右。由于發電機δ角不大，因此由式(2)可知，δ角和ZΣ增大均會導致發電機輸出的無功功率Q減小，從而功率因數增大。

同理，由圖1可得小水電機端電壓為

(3)

式中：RS和XS分別為發電機的內電阻和內電抗。

考慮到發電機阻抗中電阻很小，將其忽略后進一步簡化為

(4)

由式(4)可知，小水電無功功率Q的減小會導致機端電壓VG增大，電網中部分母線電壓亦被抬高。

由此可知，轉供電將導致小水電電壓升高和功率因數增大，加之小水電運行功率因數本就偏高，使得功率因數遠超出考核范圍。在考核的壓力之下，小水電抬高勵磁電壓以增大其無功輸出，使網絡中供電線路電壓進一步被抬高。同時由于電壓升高后，將導致其他小水電輸送無功減少，進而形成各小水電之間為增發無功而紛紛抬高勵磁的惡性競爭局面，并最終導致嚴重的系統過電壓。

2 豐水期過電壓分析

地區小水電受季節影響較大。當某地區由枯水期進入豐水期，由于水輪機進水量增大，而系統負荷量卻并未發生相應變化，使發電機δ角變大，由式(2)可知此時小水電發出的無功功率減小，功率因數增大，小水電同樣抬高自身勵磁電壓以滿足考核要求，從而導致電壓偏高。在這種情況下若再發生孤網或轉供電，則將導致嚴重的過電壓事故。

3 仿真分析

韶關電網水電資源豐富，大量變電站有水電上網，其中韶關乳源區必背鎮內實際可利用的水電蘊藏量達7.6 萬kW。如圖2中必背鎮內包含有溪水電站、寨面電站等10個水電站，共16臺小水電機組，其中橫溪電廠包含2臺配備調速器的大機組，發電量共計5 130kW，而必背鎮內實際負荷約900kW，小水電群發電量遠遠大于地區負荷量，因此該地區向主網輸送功率。仿真中各小水電不投入調速器和勵磁控制器，在擾動前其勵磁空載電勢依潮流而定。

圖2 F36必背線和F11大橋線配網

3.1 孤網過電壓仿真

在仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory中搭建如圖2所示電網。t=30 s時，設置故障導致圖2中大塘坑斷路器跳閘，造成必背鎮地區孤網運行。仿真得到其中大塘坑、大嶺母線的電壓結果如圖3所示。

圖3 大塘坑、大嶺母線的孤網運行電壓

由圖3可以看到，孤網運行導致大嶺母線電壓從1.039 pu上升至1.142 pu，上升了9.913%；大塘坑母線電壓則從1.043 pu上升至1.134 pu，升高了8.725%。因此，孤網運行導致了嚴重過電壓。

3.2 轉供電過電壓仿真

圖2中聯絡開關長山子開關由冷備用狀態轉為運行狀態，實現必背鎮轉由大橋站供電。設置t=20 s時斷開大塘坑斷路器，t=23 s合上長山子開關進行轉供電。t為90～100 s時，設置溪水電站、南坑電站等小水電分別抬高其勵磁電壓，t=200 s時寨面電站抬高勵磁，以大嶺、長山母線和寨面電站為例對轉供電過電壓進行說明。仿真結果如圖4所示。

從圖4可以看到，轉供電使得大嶺母線的電壓從1.037 pu上升至1.075 pu，小水電競相抬高勵磁后其電壓升至1.128 pu，寨面電站抬高勵磁后其電壓繼續升高至1.131 pu，最終升高了9.064%；長山母線的電壓則從1.000 pu最終上升至1.098 pu，升高了9.8%，過電壓嚴重。從仿真結果可以看到，轉供電過程伴隨著電壓變化的暫態過程，但其持續時間短，而小水電之間因惡性競爭而紛紛抬高勵磁電壓所導致的穩態過電壓才是損壞用戶電器的主要原因。同時，寨面電站在轉供電時，無功出力從0.108 Mvar減小至0.103 Mvar，各小水電紛紛抬高勵磁后其無功降至0.094 Mvar，此時其有功出力為0.256 MW，因此功率因數從0.92升高到0.94，超過考核范圍；抬高自身勵磁后無功輸送量上升至0.110 Mvar，但卻造成電壓進一步的升高，過電壓將更為嚴重。

3.3 豐水期過電壓仿真

韶關地區降雨量主要集中在4—9月，降雨量占全年降雨量的80%。當降雨量劇增后，小水電有功出力也急劇增加，而無功出力減小，功率因數被抬高，不能滿足功率因數的考核要求。在無功考核壓力之下，小水電抬高其自身勵磁，來增發無功。設置t=30 s時增大進水量，t=100 s時抬高小水電勵磁，仿真得到寨面電站有功無功曲線和桂坑、大嶺母線電壓如圖5所示。

圖4 轉供電時大嶺、長山母線電壓和寨面電站無功功率曲線

從圖5可以看到，進水量增大后，寨面電站有功出力由0.256 MW升高到0.383 MW，而無功出力則由0.192 Mvar減小至0.126 Mvar，功率因數從0.8升高至0.95，超過考核要求，該電站抬高勵磁后，其無功功率升高至0.209 Mvar，此時功率因數下降為0.878，但同時導致了大嶺母線電壓升至1.059 pu，上升了1.925%，以及桂坑母線電壓升高至1.072 pu，升高了2.29%。若此時發生孤網或轉供電等非正常運行狀況，將導致更為嚴重的過電壓。

4 含小水電的地區電網過電壓抑制措施

4.1 加強對小水電的監管與調度，放寬或放棄對小水電無功功率考核要求

小水電單機容量小，數量眾多，產權形式多樣。

圖5 豐水期大嶺、桂坑母線電壓和寨面電站功率曲線

尤其在豐水期，各小水電站開足馬力，競相發電，惡化系統無功電壓環境。因此，加強對小水電的統一監管與調度十分必要。為此，可實行錯峰發電。即根據該條線路或地區的負荷需求，通過合理安排各水電站輪流發電，達到既不造成無功集中上網，又能滿足負荷需求，同時兼顧各水電站經濟效益的目的，進而有效解決豐水期的過電壓問題[6]。同時，運行中小水電為滿足無功功率考核要求而抬高勵磁電壓的行為，嚴重惡化電壓環境，在保證電網穩定經濟運行的前提下，放寬對其無功功率考核要求，如將豐水期的考核范圍從0.9～0.95提高到0.95～ 0.98，能有效防止因無功功率考核所導致的過電壓現象[5]。為保證更好的電壓無功環境，還可投入SVC等新型無功補償裝置，實現對電壓快速、平滑、準確的調節。

4.2 投入具有自動準同期并網功能的智能型備自投裝置

在主供線路跳閘后，孤網運行期間電壓、頻率極不穩定。常規備自投需待孤網中所有小電源解列、母線失壓后才動作，而恢復地區供電。這樣，不僅恢復供電的時間過長，且孤網運行期間電能質量低。具有自動準同期并網功能的智能型備自投裝置以頻率越限為啟動條件，在孤網運行時能自動啟動準同期并網功能，在小網與主網的角差趨向于允許值時提前發出同期合閘命令，從而實現快速不間斷供電，大大改善了孤網的頻率、電壓運行水平，提高了供電可靠性[7]。

4.3 對小水電投入自動勵磁調節器

自動勵磁調節器可自動對系統電壓進行調節，更好地分配系統無功功率，增強網絡運行的穩定性。對投入與不投入自動勵磁調節器兩種情況進行仿真比較，結果如圖6所示。

圖6 有、無自動勵磁調節器時大嶺母線電壓曲線

4.4 在負荷側裝設智能配電網電壓控制終端

為了有效控制過電壓，減小過電壓對用戶用電設備的損壞，在配網產權分界點處裝設智能配電網電壓控制終端，其原理圖如圖7所示。該電壓控制終端利用現代電力電子技術中的整流、逆變技術對電壓進行控制，同時通過隔離變壓器對電壓進行隔離，進而達到防止過電壓損壞用戶用電設備的目的。

圖7 智能配電網電壓控制終端原理

5 結 論

(1)小水電運行過程中伴隨著電壓偏高、無功輸送艱難的現象，而在孤網、轉供電及地區進入豐水期等條件下均會產生嚴重的過電壓。小水電孤網運行時，由于孤網內有功、無功過剩，從而導致孤網內頻率和電壓升高；轉供電時，小水電上網路徑變長，將導致機端電壓升高，無功輸送量減小，在功率因數考核的壓力之下，小水電抬高勵磁運行，使電網電壓升高的同時，抑制了其他小水電發出無功，進而使小水電之間形成了惡性競爭的局面，電網電壓環境因此遭到嚴重惡化。地區電網進入豐水期時，由于小水電發出的有功功率增多，進而無功送出量減小，使其不滿足功率因數考核要求，與轉供電同樣的分析，最終導致過電壓現象。

(2)從過電壓產生的機理可知，為改善小水電運行環境，抑制過電壓，需加強對小水電統一監管，可采取對配網開關投入智能型備自投裝置，對小水電投入自動勵磁控制器，在負荷端裝設智能配電網電壓控制終端等措施。

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(編輯:蔣毅恒)

Overvoltage Analysis and Restrain Measures for Grid with Small Hydropower

CHEN Zhifeng1, CHEN Juan2, LI Haifeng2, ZHONG Qing2

Under the condition that the development and utilization of new energy are vigorously advocated in China, the construction of small hydropower has developed rapidly. However, due to the lack of standardized management, the operation of small hydropower often leads to overvoltage in regional power network. Therefore, combined with the characteristics of small hydropower, this paper constructed the equivalent analysis model of power grid with small hydropower. On this basis, the theoretical analysis was carried out on the serious overvoltage process occurred in three situations: the isolated operation of small hydropower, transferring power supply and going into the wet season. The generation mechanism of overvoltage was studied; and the restrain measures were proposed for the overvoltage from the technical and management level, according to different overvoltage conditions. Finally, based on simulation software DIgSILENT/PowerFactory, this paper constructed the model for actual power grid with small hydropower, and verified the correctness of theoretical analysis and the effect of restrain measures.

small hydropower; isolated operation; transferring power supply; overvoltage control

國家自然科學基金項目(51477057)；南方電網公司科技項目(K-GD2011-269)。

(1. Shaoguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Company, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China;2. Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

TM 714

A

1000-7229(2015)04-0021-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.004

2014-10-23

2015-01-19

陳志峰(1976)，男，工程師，工學碩士畢業，從事繼電保護運行與整定研究；

陳娟(1989)，女，碩士研究生，從事配網運行方面的研究工作；

李海鋒(1976)，男，副教授，博士，主要從事電力系統故障分析與繼電保護的教學與科研工作；

鐘慶(1978)，男，副教授，博士，主要從事電力系統運行分析與電能質量分析控制的研究工作。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFC)(51477057).