雙碳目標下電容器配置對于微電網電壓運行的影響

江子桁 孫鉑洋 楊軼凡 趙元

摘 要：二氧化碳過度排放引發全球變暖，危及全人類生存。中國控碳時間表預計在2030年目標碳達峰，2060年目標碳中和。基于雙碳目標，我國大力發展清潔能源和分布式能源，進而形成微電網。微電網是由各種能量存儲、保護、轉換裝置以及相關控制系統組成的分布式發電系統。微電網無功功率平衡和線路電抗大小都將影響電壓偏移，串聯電容器將改變線路電抗，并聯電容器將影響無功功率傳輸。本文主要針對葫蘆島某沿海工業區微電網系統模型，談論串并聯電容器后電壓變化。

關鍵詞：碳達峰碳中和;微電網;電容器

Abstract： Excessive emissions of carbon dioxide cause global warming and endanger the survival of mankind.China’s carbon control timetable is expected to reach carbon peak in 2030 and carbon neutral in 2060.Based on the double carbon target，our country is developing clean energy and distributed energy to form microgrid.Microgrid is a distributed power generation system composed of various energy storage， protection， conversion devices and related control systems.Microgrid reactive power balance and line reactance will affect the voltage offset， series capacitors will change line reactance， shunt capacitors will affect reactive power transmission.In this paper， the voltage variation of series and parallel capacitors is discussed based on the microgrid system model of a coastal industrial zone in Huludao.

Key words： carbon peak carbon neutralization; Micro power grid; capacitor

微電網（Micro-Grid）也譯為微網，是指由 分布式電源 、 儲能裝置 、能量轉換裝置、 負荷 、監控和保護裝置等組成的小型發配電系統[1]。 微電網的提出旨在實現分布式電源的靈活、高效應用，解決數量龐大、形式多樣的分布式電源并網問題。開發和延伸微電網能夠充分促進分布式電源與可再生能源的大規模接入，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現主動式配電網的一種有效方式，使傳統電網向智能電網過渡。

1? 碳達峰和碳中和

氣候變化是人類面臨的全球性問題。隨著各國二氧化碳排放，溫室氣體猛增，對生命系統形成威脅。在這一背景下，世界各國以全球協約的方式減排溫室氣體，中國由此提出碳達峰和碳中和目標。

碳排放達峰并不單指在某一年達到最大排放量，而是一個過程，即碳排放首先進入平臺期并可能在一定范圍內波動，然后進入平穩下降階段。碳中和是指在規定時期內，二氧化碳的人為移除與人為排放相抵消。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）定義，人為排放即人類活動造成的二氧化碳排放，包括化石燃料燃燒、工業過程、農業及土地利用活動排放等。人為移除則是人類從大氣中移除二氧化碳，包括植樹造林增加碳吸收、碳捕集等。從氣體排放的角度，中和（neutrality）或凈零排放（net-zeroemissions）基本通用，碳中和或碳凈零排放以為著在進入大氣的溫室氣體排放和吸收的匯之間達到平衡，全球“凈”溫室氣體排放需要大致下降到零。

我國要實現碳排放和碳中和的雄心目標十分不易，需要付出艱巨的努力。中國的承諾是迄今為止世界各國中做出的最大減少全球變暖預期的氣候承諾。我國2060年實現碳中和，減排總量將遠超發達國家2050年碳中和。從時間安排上看，歐美從碳達峰到碳中和有50～70年過渡期，而中國只有30年過渡期。我國作為最大的發展中國家，發展不平衡、不充分問題突出，目前有關應對氣候變化的很多方面還存在欠缺和短板，加之外部環境復雜嚴峻，要實現新達峰目標與碳中和愿景，任務十分艱巨。推動碳達峰和碳中和是經濟社會的系統性轉型。

2? 基于分布式能源的微電網

分布式能源系統是相對于傳統集中式供能能源系統而言的，傳統集中式供能系統采用大容量設備、集中生產、然后通過專門的輸送設施將各種能量輸送給較大范圍的眾多用戶;而分布式能源能源系統則是直接面向用戶，按用戶需求就地生產并供應能量，具有多種供能，可滿足多重目標的中、小型能量轉換利用系統。一般太陽能、風能來承擔能量供給。

圖2可以看出，2021年我國太陽能和風能增機容量將近60%。分布式能源發展就促進了微電網發展。微電網（Micro-Grid）也譯為微網，是指由 分布式電源 、 儲能裝置 、能量轉換裝置、 負荷 、監控和保護裝置等組成的小型發配電系統。 微電網的提出旨在實現分布式電源的靈活、高效應用，解決數量龐大、形式多樣的分布式電源并網問題。開發和延伸微電網能夠充分促進分布式電源與可再生能源的大規模接入，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現主動式配電網的一種有效方式，使傳統電網向智能電網過渡。

微電網分為并網型微電網和獨立型微電網，可實現自我控制和自治管理。并網型微電網既可以與外部電網并網運行，也可以離網獨立運行;獨立型微電網不與外部電網連接，電力電量自我平衡[2]。微電網存在兩種典型的運行模式：正常情況下微電網與常規配電網并網運行，稱為聯網模式;當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時，微電網將及時與電網斷開而獨立運行，稱為孤島模式。兩者之間的切換必須平滑而快速。微電網相對于外部大電網表現為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等方面的要求。微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，并提供必要的控制。

2.1并網運行

并網運行就是微電網與公用大電網相連，微網斷路器閉合，與主網配電系統進行電能交換。光伏系統并網發電。儲能系統可進行并網模式下的充電與放電操作。并網運行時可通過控制裝置轉換到離網運行模式。

2.2離網運行

離網運行也稱孤島運行，是指在電網故障或計劃需要時，與主網配電系統斷開，由DG、儲能裝置和負荷構成的運行方式。儲能變流器PCS工作于離網運行模式為微網負荷繼續供電，光伏系統因母線恢復供電而繼續發電，儲能系統通常只向負載供電。

從應用場景上來說，并網運行的微電網主要集中于城市電網當中。離網運行的微電網主要集中于海島、西北偏僻地區以及山村等環境相對惡劣，用電條件不便的地區。

3? 電容器串并聯對于微電網電壓的影響

本文以葫蘆島沿海工業區作為研究對象，利用PSCAD軟件建立離網型微電網系統模型，研究10kV微電網系統當中，電容器串并聯對于系統電壓偏移的影響情況。

初步潮流分析已完成，上面兩臺發電機分別為等值風力發電機和光伏發電機，箭頭代表葫蘆島某沿海工業區負荷，潮流功率如圖所示。

3.1? 串聯電容器

在電力線路上串聯電容器抵償線路感抗，可以提高線路末端電壓。串聯電容器后，電力線路電壓損耗減少了，提高了線路末端電壓。串聯電容器配置地點與負荷分布和電源分布有段。其一般原則是應使沿電力線路電壓分布盡可能均勻，而且各負荷點電壓都在允許范圍之內。

配電線路的無功補償主要是通過在線路上安裝一定的電容器來進行補償應用，這種應用模式能夠提供線路與公用變壓器所需要的無功功率，從而保障線路傳輸的穩定性[3]。在應用的過程中，由于電網線路復雜，需要在不同的位置設置相應的電容器進行補償，但是這種線路的補償點的設置不宜過多，補償的容量也應該保持在一個相對合理而穩定的范圍內，從而避免因為補償過多而產生過度補償的現象，影響整個配電線路網的應用效能。

3.2? 并聯電容器

在電力系統無功電源不足時，需要在適當地點就地補償無功功率，從而改變電力網中無功功率分布。并聯電容器只能發出感性無功功率提高節點電壓，其容量選擇原則是最大負荷全部投入，最小負荷全部退出。

變電站補償的應用能夠實現電網運作的無功平衡，從而在運作的過程中實現配電網損耗的全面降低。在這個集中補償的過程中，各種并聯電容器、靜止補償器的應用能夠改善電網應用的公用系數，從而提高運作過程中的變電所的母線電壓，從而在無功損耗的過程中通過補償來平衡整個電網的無功功率。這些裝置的應用一般主要是應用于變電站10kv的母線上，雖然這種應用方式對于配電網的損耗基本不起到降低的作用，但是其在應用的過程中能夠基于智能化的控制系統進行相應的技術性補償工作，其管理與維護的成本較低，較為方便快捷，能夠在應用的過程中實現變電站的穩定供應[4]。

結語

綜上所述，在碳達峰和碳中和的雙碳目標要求下，我國大力發展了太陽能和風能等清潔能源，形成了并網型和離網型等微電網系統，電容器串并聯將影響微電網中潮流分布，進而影響母線電壓偏移。

參考文獻：

[1]劉迪迪，孫浩天，肖佳文，Frank Jiang，鄭鯤鯤.智能電網中終端用戶的雙向能量交易算法[J/OL].西安電子科技大學學報：1-7[2021-01-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.tn.20210105.1734.014.html.

[2]周兵凱，楊曉峰，李繼成，農仁飚，陳騫.多元融合高彈性電網關鍵技術綜述[J].浙江電力，2020，39（12）：35-43.

[3]張倩.智能電網中的無功補償技術探討[J].黃岡職業技術學院學報，2020，22（06）：136-138.

[4]張凌，田珂，張巍，孫玉明.智能電網環境下電力營銷管理系統的優化設計[J].計算技術與自動化，2020，39（04）：138-141.

作者簡介：

1、江子桁（2002.09 -），男，漢族，黑龍江牡丹江人，學生，沈陽工程學院國際教育學院研究方向：電氣工程自動化;

2、孫鉑洋（2002.07-），女，漢族，遼寧遼陽人，學生，沈陽工程學院國際教育學院，研究方向：電氣工程及其自動化;

3、楊軼凡（2000.5-），男，漢族，遼寧阜新人，學生，沈陽工程學院國際教育學院，講師，研究方向：發電廠及電力系統;

4、趙元（2000.08-），男，滿族，遼寧葫蘆島，學生，沈陽工程學院國際教育學院，研究方向：發電廠及電力系統。