季節性分布式電源對10 kV配電網電壓質量影響

陳琪瑯，彭 杰，蘇逸凱，周力行，趙啟旸

(1.福建省電力有限公司泉州電力公司，福建泉州362000；2.廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東惠州516000；3.福建省電力有限公司漳平市電力公司，福建漳平364400；4.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410015)

季節性分布式電源對10 kV配電網電壓質量影響

陳琪瑯1，彭 杰2，蘇逸凱3，周力行4，趙啟旸4

(1.福建省電力有限公司泉州電力公司，福建泉州362000；2.廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東惠州516000；3.福建省電力有限公司漳平市電力公司，福建漳平364400；4.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410015)

類似小水電站的分布式發電隨著外部條件的制約有明顯的周期性。這些分布式電源常直接T接入同一條10 kV公用線路，對配電網的電壓質量帶來了很大的沖擊，利用無功就地平衡的策略，對發電高峰期和發電低谷期配電網整體電壓質量不合格進行調節，提高了用戶的電壓質量，避免了用戶電器設備燒壞。并以壺瓶山地區為例進行分析，在PSASP平臺上搭建仿真模型進行論證調節策略的有效性。

分布式發電；配電網；電壓質量；周期性

小水電是一種季節性的分布式電源，在富含小水電的山區這種情況十分普遍。小水電T接入10 kV配電網運行，對電力能源緊張起到了一定的緩解作用，但由于小水電發電存在季節性特點，對配電網潮流分布、運行電壓及網損都有重要影響。全面分析小水電上網對配電網的影響，提出相應的解決措施，提高配電網電壓質量，是目前電力部門十分重視的問題。

本文結合湖南常德壺瓶山地區實例，對富含小水電的配電網電壓質量問題進行全面的分析。常德石門縣壺瓶山地區小水電密集，裝機總容量相對較大，因處于偏僻山區，這些小水電直接T接入同一條10 kV公用線路。由于該地區配電網供電半徑大、負荷低等特點，在豐水期，小水電發出的電能無法就地平衡，向電網輸送電量，導致該10 kV線路電壓升高，造成用戶電器設備燒毀事故；而在枯水期，大多徑流式水電站不發電，該地區由電網供電，處于線路末端的區域則出現電壓過低問題，嚴重影響用電安全。

1 原因分析

壺瓶山地區裝機容量為當地的負荷2倍，在豐水期這些小水電一般T接入10 kV公用線的末端，而10 kV公用線往往是首端線徑粗，末端線徑細。

課題組通過對壺瓶山地區配電網進行仿真分析，利用PSASP軟件進行潮流計算，在豐水期設置各個發電站滿發，輕負荷情況為：用戶低壓變額定容量的30%，功率因數為0.95。重負荷情況為：負荷為額定容量的70%，功率因數為0.9。

根據壺瓶山地區的運行經驗，當豐水期小水電滿發時，潮流發生變化，首末倒置，配電網向系統倒送電能。壺瓶山10 kV線路型號為LGJ-50，且線路長度為48 km，線上壓降較大，其末端線路線徑便成為負荷輸送瓶頸。小水電采用的發電機一般難以進行進相運行。要確保電能順利注入電網，電站必須上調機端電壓。所以在豐水期時，配網電壓偏高，線路末端用戶電壓高達280 V，遠遠超出了允許的范圍。

以泥峰線為例，其豐水期仿真結果如圖1。

圖1 豐水期輕負荷泥峰線電壓分布仿真

而在枯水期小水電不發電的情況下，由系統供電，地處山區，負荷分布分散，10 kV公線路供電半徑長、線徑細、負荷低、負荷損耗大、電壓降較大。線路的末端低壓側到用戶電壓約為180 V，電壓質量是很不理想的。其枯水期仿真結果如圖2。

圖2 枯水期泥峰線電壓分布仿真

仿真計算結果表明，在豐水期時，10 kV母線電壓為11.79 kV，線路上最高電壓達到了13.88 kV，遠超出了允許范圍。而枯水期整體電壓為10 kV以下，線路末端最低電壓為8.1 kV。該配電網的電壓水平遠遠超出了長期穩定運行的范圍。

2 治理方案與改善措施

通過對該配電網的運行分析，在豐水期時由于小水電出力較足，其線路末端電壓偏高，但在冬季時由于小水電出力不足，線路末端的電壓偏低。針對該地區的電壓質量具體情況，提出的研究思路如下。

2.1 改善小水電發電上網管理，提高豐水期各發電站的功率因數

正常運行時，其負荷呈感性，所以水電站發電機吸收系統過剩的感性無功，或稱發出容性的無功功率。若使其發電機運行在進相狀態，可以將發電機超前的功率因數控制在0.95以上，從而調整降低線路電壓。

根據壺瓶山的實際情況和上級部門的有關規定，從四個方面著手進行改進，嘗試建立電壓管理的長效機制：(1)加強對水電站上網管理，利用重新簽訂調度協議，對水電站的電壓、功率因數和變壓器抽頭范圍作出明確規定，對不遵守協議的情況，約定處罰條款；(2)限制機端電壓，在水電站安裝過電壓保護裝置，這種裝置安裝在發電機機房，一旦機端電壓升高至整定值，過電壓保護動作，既保護了機組，又保護了10 kV用戶的電器；(3)每年的豐水期和枯水期的電壓相差很大，為了使用戶端電壓維持在合理范圍，供電部門需要每年調整配電變壓器的抽頭，各供電所負責調整；(4)加強對用戶側的功率因數管理，確保用戶功率因數達到0.95。

采取上述四項措施，根據其他地區的實踐經驗，達到了良好的效果。對電網來說，不可能由它來解決全部調壓問題，但是由于它不需要投資，在一些地區解決調壓問題，應予以優先考慮。

2.2 10 kV線路中安裝并聯電抗器

壺瓶山豐水期10 kV配電網線路電壓過高，主要原因是無功不能就地平衡，大量無功使線路上電壓升高，因此，擬采用并聯電抗器來吸收無功，已達到降低線路電壓的目的。

并聯電抗器主要連接在10～500 kV變電站的低壓側，通過主變向系統輸送感性無功，用以補償輸電線路的電容電流，防止輕負荷線端電壓升高，維持輸電系統的電壓穩定。

電網中的電抗器可用來吸收線路的電容性無功，通過調整并聯電抗器的數量來調整運行電壓。在以往的工程應用中，依靠并聯電抗器的補償，則可以負荷端電壓穩定在允許的范圍。

2.3 10 kV線路中安裝雙向自動調壓器

小水電引起高低電壓波動問題涉及面廣，采取傳統無功調節等手段可能難以滿足電壓調整需求，需充分利用新技術新設備，提高線路電壓調控能力，改善供電質量。

BSVR型饋線雙向自動調壓器能針對雙向供電或多電源供電系統自動識別潮流方向，通過跟蹤輸入電壓的變化，來自動調整三相有載分接開關的檔位，在20%的范圍內對輸入電壓進行雙向自動調節，保持輸出電壓的穩定。該項技術已在福建龍海的10 kV華陽線上應用，自2008年通過加裝SVR自動調壓器及無功自動補償裝置投運后，提高線路未端電壓效果較為理想。

3 最優方案的整合及其仿真結果

考慮到以上所列的各種方案都有各自優勢和缺陷，整合出最優方案。

采取有效的管理措施，在豐水期提高小水電功率因數，采用錯峰發電方式，可有效降低10 kV線路電壓，防止電壓過高。而枯水期則可通過投入電容器進行無功補償，提高線路末端電壓。該方案無需資金投入，無建設周期，但是該方案的實施難度比較大，很難全面監控各個電站的實施情況，所以不能作為主要方案。

加裝雙向自動調壓器，實現豐水期與枯水期線路自動調壓，可有效解決豐水期電壓過高、枯水期電壓過低的問題。這是技術層面上合理的方案，但由于雙向自動調壓器的容量需要和其安裝節點的功率最大值匹配，所以安裝在泥市變低壓側10 kV出口的調壓器需要和主變的容量匹配，所以投入的資金較大，需要補充解決該問題。

通過對以上方案的比較分析，得出采用雙向自動調壓器、并聯電抗器(0.8 Mvar+0.8 Mvar)和已經安裝的并聯電容器(0.5 Mvar+0.5 Mvar)整合的方案。在豐水期泥市變10 kV母線上投入并聯電抗器對其整體進行無功補償，使得豐水期整體電壓降低，然后針對小水電十分集中的泥峰線的電壓調整，我們在泥峰線三分之一處加裝雙向自動調壓器(調節范圍為±10%)，使得在豐水期泥峰線整體電壓滿足要求。如下是在不同功率因數下該方案的電壓分布仿真情況及之前情況的對比。

3.1 豐水期最優方案的仿真情況

下面分各個線路進行對比分析。

在考慮所有電站都是以低功率因數滿發情況下，泥峰線在采取優化方案前的情況：首端電壓為11.72 kV，線路最高電壓(泥峰線466號桿塔)為13.92 kV，遠遠超出了電壓的允許范圍。如圖3所示，在加裝雙向自動調壓器前泥峰線各桿塔的電壓明顯要高于加裝雙向自動調壓器后的電壓，所以加裝雙向自動調壓器的方案可以降低線路整體的電壓水平，效果是很明顯的。

圖3 豐水期最優方案下泥峰線電壓分布對比

當首端和線路三分之一處各加裝一組調壓器后，首端電壓下降為9.98 kV，線路最高電壓(泥峰線466號桿塔)為11.05 kV。該方案的效果最為明顯。電壓分布在10.5 kV左右，本線路改善后電壓水平基本達到改進預期目標，要求沒有出現過電壓的情況。

當小水電的功率因數為0.95時 (即小水電按照規定發電上網)，在泥市變10 kV母線加裝并聯電抗器0.8 Mvar，在泥峰線三分之一處加裝雙向自動調壓器后的電壓分布情況如下：在首端電壓下降為10.23 kV，線路最高電壓(泥峰線145號桿塔)為11.23 kV。本方案效果十分明顯，基本達到預期目標。

當小水電的功率因數為0.9時(即小水電不全按照規定發電上網)，在泥市變10 kV母線加裝兩組并聯電抗器(0.8 Mvar+0.8 Mvar)，并在泥峰線三分之一處加裝雙向自動調壓器后的電壓分布情況如下：在首端電壓下降為10.31 kV，線路最高電壓(泥峰線500號桿塔)為11.09 kV。本方案效果十分明顯，基本達到預期目標。

3.2 枯水期最優方案的仿真情況

枯水期重負荷下，在泥市變10 kV母線加裝1 Mvar并聯電容器，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為10.44 kV，線路末端電壓為8.16 kV。本方案的調壓效果十分明顯，但是末端電壓明顯低于要求的范圍，不滿足目標，需要其他方法進行補充。電壓分布如圖4。

圖4 枯水期最優方案下泥峰線電壓分布對比

枯水期重負荷下，在泥市變10 kV母線加裝1 Mvar并聯電容器，并在泥峰線三分之一處加裝雙向自動調壓器(調壓范圍10%)，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為10.57 kV，線路末端電壓為9.41 kV。本方案的調壓效果十分明顯，基本能滿足要求。

枯水期負荷再加重的情況下，在泥市變10 kV母線加裝兩組并聯電容器(1 Mvar+1 Mvar)，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為10.93 kV，線路末端電壓為8.61 kV。本方案的調壓效果十分明顯，但是末端電壓明顯低于要求的范圍，不滿足目標，需要其他方法進行補充。

枯水期負荷再加重的情況下，在泥市變10 kV母線加裝兩組并聯電容器(1 Mvar+1 Mvar)，并在泥峰線三分之一處加裝雙向自動調壓器(調壓范圍10%)，泥峰線電壓分布情況：在首端電壓為11.04 kV，線路末端電壓為9.51 kV。本方案的調壓效果十分明顯，基本能滿足要求。

4 結論

根據仿真結果，在豐水期時，在泥市變10 kV母線上并聯電抗器做無功就地補償，能夠把10 kV線路電壓水平整體降低。無功補償的并聯電抗器分為兩組設置，每組容量為0.8 Mvar，按照配電網的需要分別進行投入，在豐水期小水電以不同功率因數上網的情況都可以滿足要求，同時也減少了所投入的雙向自動調壓器的范圍，減少了投入。針對泥峰線上小水電集中度比較高，在泥峰線三分之一處投入雙向自動調壓器(調節范圍為±10%)，能夠起到調節電壓的作用，電壓集中在10～11 kV，達到了預期電壓質量治理的目的。

在枯水期，并聯電抗退出運行，投入并聯電容，對配電網進行無功補償，提高配電網電壓水平，針對于泥峰線的供電半徑長，其末端電壓難以滿足要求，所以在泥峰線三分之一處加裝的雙向自動調壓器可以反向調壓，以提高線路末端電壓質量。但是該負荷的性質主要為生活用電，在一天內負荷進行周期性的變化，輕、重負荷交替出現，在投入并聯電容進行無功補償后，會導致系統母線電壓周期性波動。在系統中安裝靜止性動態無功補償裝置能夠實時對無功進行補償。

總而言之，無功就地調節方案在豐水期能降低配電網整體電壓水平，在枯水期能提高配電網整體電壓水平，達到配電網長期安全穩定運行的要求，是合理的最優化整合方案，值得在富含小水電的10 kV線路中推廣[1-6]。

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[6]李穎峰.自動調壓器在10 kV線路中的應用[J].廣東電力，2013, 26(3)：63-64.

Quality influence of seasonal distributed generation on distribution network voltage

Similar to the distributed generation of small hydropower station with the external conditions of the constraints had obvious periodicity.These distributed power was often directly T access with a 10 kV public line, great impact was brought by the voltage quality of distribution network.Local reactive power balancing strategy was used,the overall peak power generation and low power distribution network voltage quality unqualified were adjusted. The voltage quality of user was improved,and the user electric equipment was avoided from being burnt out.The pot hill area was taken as an example,then the simulation model was built on the PSASP platform to demonstrate the effectiveness of the control strategy.

distributed generation;power distribution network;voltage quality;periodically

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2236-04

2015-03-11

湖南省自然科學基金項目(10JJ5059)

陳琪瑯(1972—)，男，福建省人，工程師，主要研究方向為配電技術管理。