含光伏電源的10kV線路串聯補償

張禹墨 張牧桑 周力行

關鍵詞：配電網;串聯補償;光伏并網

分布式光伏發電具有出力間歇性特點，經過逆變器作用后接入配電網，可能會造成電網系統出現多重電能狀況，常見的有電壓不穩定、諧波與諧振等。嚴重影響供電質量，甚至造成配網鐵磁諧振，危及電網安全。

許多集成光伏電站建在遠離負荷中心的偏遠地區，甚至處于線路末端，滿發電時可能使接入點處電壓過高;而不出力時又可能出現低電壓問題，一般采取無功補償方式來進行電壓調整。目前已有將串聯補償技術用于配電線路的研究和應用，取得了研究成果及運行經驗積累。然而，電壓異常的電路與電線長度有關，出現問題的電路大概率是配電線路較長的系統。補償設備效果與布放位置密切相關，要求探索出確保電壓盡可能穩定，且需要的補償設備最少，效果最佳的方案。。目前通常采用潮流計算選取合適位置和容量，尚無確定含光伏及風電接人線路最佳補償度的理論模型和具體方案。基于此，本文結合綜合能效質量，構建此類線路串聯補償優化模式來明確補償度。

1光伏并網線路潮流計算方法

典型輻射型10kV線路，其潮流計算采用前推回代法。對于風電或光伏此類分布式接入配電網方法，最為關鍵內容是怎樣處理風電場及光伏節點位置。通過對以往電網潮流統計發現，常見節點有PV節點、PQ節點和平衡節點三類形式。結合風電光伏特點，我們將采用PQ節點，即根據給定的相關參數求出風電機組的有功和無功功率。但因為風電光伏穩定性較差，如果容量規模較大，將其看成PQ節點將會出現限制，計算誤差大。因此，對于光伏并網線路的潮流計算，應首先對光伏節點做預處理。

由于光伏借助逆變器進入配電網，同時采取電流控制逆變器方法，那么輸出功率與電流表達式如下：

上式中：I為電源注入配電網的電流幅值，V為節點電壓幅值。式（1）即為PI模型。潮流計算時，能夠通過迭代法來計算出電壓大小，結合式（1）得到注入的無用功率，再進行迭代處理，便可以轉換成PQ節點。

2串聯補償優化模型

顯然，可以調節補償度k來控制末端電壓。若負載保持不變，降低電流可以明顯減少串補線路的損耗，并且也將降低線路電抗值，降低縣域無功功率，進而可以減少線路無功損耗。

通過潮流計算，我們可以發現安裝補償裝置后，線路電壓是符合GB/T 12325-2008標準的。同時，線路極限輸送功率占比率也符合最小阻值，降耗效果最明顯，可見優化模型是符合要求的。下面，需要計算最佳補償位置和相應補償容量。

定義AP（K）為串補度K下的網損，k是指電壓符合最低限值的補償度，A（cos0）是指輸送功率占比率，也就是補償度K情況下極限輸送功率和負載功率因數cos0的極限輸送功率最大值的比值，A（（cos0）是指極限輸送功率占比率最低限值，kpm=是指功率符合最小限值時的串補度。則串聯補償度最優值k：實際應用中，按下述步驟求解（3）式獲得最優補償度。①結合具體線路來設計極限輸送功率和電壓限值;

②計算潮流，挑選出首個不合格電壓節點，或者以電壓下降最快節點來作為補償設備安裝位置;

③計算阻抗，若初始補償度是1，對補償點線路來完成串聯補償;

④計算潮流，主要對補償后電壓分布、線路耗損、首端輸送功率進行計算;

⑤以K=0.01的間隔來擴大補償度，直至節點電壓質量、線路極限輸送功率符合標準，確保節點損耗最低，盡可能實現最優補償度;

⑥以此對補償位置進行處理，直至得到補償位置相應補償度和綜合能效;

⑦將各個補償位置補償度和能耗進行比較，選出合適補償點位置和補償容量。

3光伏并網線路的串聯補償案例分析

結合以上操作過程，本文借助Maflab軟件來對線路補償能耗進行分析。結合光伏電站末端電壓可能會出現電壓不穩定或電壓較低問題，我們將適當提高末端電壓，來挑選出合適串聯補償點位置及補償容量，并給出補償綜合能效分析結果;再分析光伏電站全容量出力時線路電壓分布是否滿足要求。一般光伏電站的容量不大，其出力有利于線路電壓分布而不會越限。典型算例為湖南某地10kV線路，該線路末端的#170桿塔處有光伏電站接入，容量為1MW。當光伏滿出力時，在沒有補償情況下線路節點電壓分布如圖3。顯然光伏接入有利于該線路電壓分布，提高了線路末端電壓。但在光伏不出力時，線路末端的觀測點電壓過低，考慮在10kV主干線上安裝補償裝置。

在串聯補償計算前對線路進行簡化。首先將支線全部負荷轉移到主干線路，不考慮支線的線路阻抗。同時，不考慮變壓器影響。其次，確保主干線路總長度相同，可以適當縮減主干線路的負荷節點，或者可以將多個節點合并成一個節點，同時負荷大小是兩者之和，若距離周圍節點較遠，可以適當降低阻抗。其中，下表表示簡化線路觀測點負荷分布狀況。

據調研，確定該線路的最大負荷率0.40、平均負荷率0.3，取重負荷運行時功率因數0.9以上、輕負荷運行時的功率因數0.7以下的情況作為研究特例。

補償前線路在重負荷時電壓分布如圖2虛線，線路多個節點電壓低于標準要求;經計算，將串聯補償點位置放在第5觀測點（#125桿塔）處，補償容量為5.8，電壓分布如圖2實線，其補償效果明顯。

但如果是集成光伏電站，其容量大到6MW時，仿真得到其接入點后節點的電壓過高越限。對線路進行串聯補償，由于串聯補償的自適應性，能根據線路負荷變化自動調整補償容量，串補后一般不會出現電壓越限情況。

式（5）的第3個分量是指串聯電容器補償電壓量，不難發現可以起到很好降低AU效果，換言之確保了電壓差穩定，避免出現電壓突然變化情況。那么，若處于光伏滿出力情況下，串聯電容器將可以很好縮減電壓升高量，進而改善整體的電壓，確保電壓穩定性。補償的電壓量可寫為：

I.是指負載電流，0是指功率因數角。式（6）反映電壓補償量和線路負載電流將呈現正相關，若負荷增加，那么電壓補償量也需要增大;反之，若線路負荷降低，那么電壓補償量也將下降，不會有過補償情況出現。在整個串聯補償電路中，線路電流將實時響應，可以很好確保整個線路安全，也可以起到降低能耗效果。

串聯電容器可以起到降低等效電抗作用，可以產生首末端電壓相反的電壓補償量，有效補充電壓差，進而可以提升線路的供電能力與功率因素，避免損耗，確保線路控制符合要求.也就是維持在+5%-7%范圍。

串聯補償出現的補償效果將與符合補償能力密切相關，呈現正相關，造成的補償無功也將自動隨著負荷電流改變而改變，適應性較強。

4結論

（1）串補線路可以有效保持線路電壓穩定，可以將其應用于光伏、風電等新能源配電線路。換言之，串補線路可以在電壓不足時提供電壓，也可以在線路滿出力狀態時降低線路過高的電壓，確保整個線路電壓穩定。

（2）通過建立綜合能效優化模型計算補償點位置和補償容量，在滿足全線電壓質量要求的前提下，可顯著提高線路負荷容量;同時還降低了有功損耗，獲得較好的經濟效益。