基于PSASP的小水電配電網的單一調壓措施研究

桑興勇，李穎峰，史騰肖，庫城銀

(陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723000)

隨著社會經濟的快速發展，人們對電能的需求越來越大。但是傳統生產電能的方式對環境的影響日益嚴重[1]，因此亟待尋求一種輔助或替代使用傳統能源發電的發電形式。小水電一般是徑流式水電站，受降雨量和季節的影響較大，因此會容易影響系統電壓的穩定性，從而影響用戶用電設備的壽命[2]；在豐水期小水電機組功率滿發，多余功率會輸送至主電網從而造成系統電壓過高，枯水期則與其相反。小水電接入后會改變系統原來的拓撲結構，從而改變潮流流向，繼而系統拓撲結構更加復雜[3]。因此需要進一步采取相應的措施來調整電壓[4]，否則將會影響系統的正常運行。

國內外學者對小水電配電網的調壓措施的研究取得了長足進展，小水電的調壓措施主要分為兩類：一類是以使用自身設備來進行調整電壓，主要有小水電運行方式調壓[5]、改變變壓器變比調壓[6]、更改線路型號調壓[7]；另一類是以電網中其他設備來調整電壓，主要有并聯無功補償設備調壓[8]、加裝BSVR雙向自動調壓器調壓[9]等。以上兩類都有各自適用的條件，需要根據相應的情況采用相應的調壓措施。郭雙權[10]提出的基于9節點配電網模型來驗證在豐水期和枯水期下電壓越限問題，根據調壓措施分別電壓調整，結果表明措施可行。梁雅莉等[11]提出了一種基于在PSCAD/EMTDC建立9節點的配電網，通過不同的調壓措施表明了措施的可行性。本文通過采取不同單一調壓措施并求出相應的敏感度系數，同時分析不同的單一調壓措施下對節點電壓敏感度的大小，其次通過PSASP建立陜南某地區電力模型，對提出的單一調壓措施方案進行仿真分析。

1 小水電接入配電網后的常用調壓措施

1.1 改變線路型號調壓

輸電線路型號不同，則表示輸電線路的橫截面積不同。隨著輸電線路型號的變大，線路的橫截面積變大，從而線路的阻抗變小，使輸電線路的壓降變小，進而提高線路末端節點電壓。表1為幾種不同線路型號的阻抗值大小。通過建立單個小水電發電機組并網理想模型，具體分析了改變線路型號對節點電壓的影響，模型如圖1所示。

表1 不同型號線路的阻抗

圖1 單個水電發電機組并網模型

圖1中：P3和Q3分別為小水電發電機組的有功和無功功率，P1和Q1分別為變電站的有功和無功功率，P2和Q2分別為負荷的有功和無功功率，R1和X2分別為輸電線路的電阻和電抗，U1和U2分別為節點1和節點2的電壓，ΔU1為節點1到節點2的電壓損耗，參考潮流方向為從母線節點2流向母線節點1。此時節點1的母線電壓如式(1)所示，電壓降落的縱分量如式(2)所示。

U1=U2-ΔU1

(1)

(2)

保持小水電的有功和無功功率及負荷功率一定時，當增大輸電線路的型號時，線路的電阻R1和電抗X1會變小，根據公式(2)可得電壓降落的縱分量ΔU1會變小，則式(1)中的U1將會變大，進而可以提高節點1電壓。

1.2 改變小水電發電機機組運行方式

保持小水電發電機組的有功功率不變，可得小水電發電機組的電樞電流I與勵磁電流If的V形曲線如圖2所示，圖中Ifn為小水電發電機組功率因數cosφ0=1時的勵磁電流，此時Ifn對應的電樞電流I最小。小水電發電機組在實際運行中一般為過勵的運行狀態，此時發電機組的勵磁電流為If>Ifn，同時向主網注入有功功率和無功功率。但當豐水期到來時，小水電機組功率滿發，造成系統無功功率過剩，從而引起節點電壓偏高，此時應該減小勵磁電流，使其勵磁電流If

圖2 V形曲線

1.3 改變變壓器變比調壓

由于小水電一般位于偏遠的山區，所以一般就近接入附近的變電站，通過改變變電站的變壓器變比來達到對系統節點電壓的調整。小水電接入變電站示意圖如圖3所示。

圖3 小水電接入變電站示意圖

設圖3中a為小水電接入變電站的變壓器，其中節點1的節點電壓為Uh，則節點2的電壓如式(3)所示。

Um=Uh/k=(Uh-ΔUm)/k

(3)

式(3)中，k為變壓器a一次側和二次側的匝數之比，Uh和Um分別為節點1和節點2的節點電壓，ΔUm為功率流動在變壓器中產生的電壓損耗。

當電網中無功功率過多、供電線路長、負荷變動較大時，線路側節點2的電壓會升高，此時應該增大變比k，從而抑制節點電壓上升。然而對于無功功率不充足的電網，如果改變變壓器變比調壓，有可能會起到適得其反的效果，嚴重的情況甚至可以造成變壓器損壞。

1.4 并聯無功補償裝置調壓

由于電網中自身設備調壓具有一定的局限性，因此需要選用專門的無功補償設備來對系統中無功功率進行補償，且需要在合適的位置加裝無功補償設備來達到較好的調壓效果[13]。無功補償設備調壓主要是改變公式(2)中的無功功率Q來達到調節節點電壓，當并聯電抗器時，由于電抗器是抵消系統中的過剩的容性無功，從而會使無功功率Q變大，從而達到使調節的節點電壓變?。划敳⒙撾娙萜鲿r，由于電容器是抵消系統中的過剩的感性無功，從而會使無功功率Q變小，從而達到使調節的節點電壓變大[14]。

2 單一調壓措施敏感度的理論分析

單一調壓措施的敏感度矩陣有關變量可分為三類：第一類是以不同調壓措施的調整量為控制變量；第二類是以負荷的變化量為擾動變量；第三類是以線路節點電壓和無功功率為狀態變量，由于無功功率的改變總會影響著電壓的變化，需將線路無功功率的因變量考慮進狀態變量中。為了清晰分析出不同單一調壓措施的調壓效果，那么就需要分析單一調壓措施的敏感度矩陣，因此可列寫出如式(4)所示。

(4)

式(4)中ΔU、ΔQ分別為節點電壓變化量和節點無功功率變化量，ΔUG、Δk、ΔQc分別代表不同的小水電發電機組電壓變化量、變壓器的變比和并聯無功補償裝置的補償量，ΔPL、ΔQL分別是負荷的有功和無功功率變化量。

當控制變量和擾動變量變化很小時，式(4)中的所有偏導數變化也不大，因此可以看作是定值。當負荷保持不變時，即式(4)中的ΔPL、ΔQL為零。并且本文主要研究的是對電壓的變化量ΔU的影響，所以可忽略ΔQ。即敏感度矩陣如式(5)所示。

(5)

3 實驗驗證分析

3.1 算例概述

陜南某變電站電氣接線圖如圖4所示。其中斑桃電站有兩臺1.6MW和一臺1MW的發電機組、新坪埡電站有兩臺1.25MW的發電機組、界嶺電站有兩臺1.25MW和一臺1MW的發電機組、燈芯橋電站有兩臺2MW和一臺1MW的發電機組、牛頸項電站有一臺1MW發電機組。小水電的電氣接線圖的線路參數如表2所示，小水電各個電站的有功及無功出力參數如表3所示。當小水電并網后，配電網的拓撲結構相比原來更為復雜，并且由之前的單電源變為多電源供電，這在一定程度上保證了電能的可靠性。然而小水電一般受當地季節的影響，在夏季豐水期時，小水電發電機組滿發將導致電壓運行范圍超過國家規定的電壓標準。在冬季枯水期時，部分小水電的功率少發或者不發，節點電壓有可能低于額定電壓的下限。以其中35kV母線1、2、3、4、5、6、7、8、9及10kV母線10、11、12、13、14節點電壓為研究對象。

圖4 陜南某變電站與部分小水電群電氣接線圖

表2 部分線路參數

表3 小水電各個電站有功及無功出力參數

3.2 仿真結果分析

陜南某變電站接入的小水電按照本文電氣接線圖和相關數據，通過在PSASP中仿真，得出如圖5、表4所示的夏季豐水期和冬季枯水期的節點電壓和功率損耗。

圖5 小水電夏季豐水期和冬季枯水期的節點電壓

表4 小水電夏季豐水期和冬季枯水期的系統功率損耗

由圖5可知，在夏季豐水期時，節點電壓最高為節點10且高達1.180pu，即有名值為11.8kv，節點10的電壓不符合國家電壓質量標準±7%波動范圍的要求，會在一定程度上影響用電設備的使用壽命；在冬季枯水期時，節點1到節點14的節點電壓相對于夏季豐水期來說，電壓波動較為平緩，其最高電壓節點為節點8，其標幺值為1.051pu，最低電壓節點為節點10，其標幺值為1.037pu；在夏季豐水期時，節點電壓波動的范圍較大，最高電壓節點10和最低電壓節點8相差0.110pu。節點1到節點9的基準電壓為35kv，最高節點電壓為1.178pu，相當于有名值為41.23kv，遠遠大于國家電壓質量標準±5%波動范圍的要求。

由圖5和表4可得，在冬季枯水期，由于河流的水流量減小，部分發電機組減發或停發，且最高節點電壓為1.037pu并且相對于夏季豐水期其功率損耗較小，基本可以保證節點電壓在安全運行范圍之內，因此對于小水電冬季運行下電壓調整可不做進一步的研究。

3.3 單一調壓措施的敏感度矩陣求取

由上文可得，以陜南某變電站為模型，選擇電氣接線圖中的電壓節點1、3、4、5、6為參考節點，其相應的節點電壓變化量為ΔU1、ΔU2、ΔU3、ΔU4、ΔU5。并聯電抗器的補償位置分別在1、10、11、12、13、14節點，分別用ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3、ΔQ4、ΔQ5、ΔQ6表示補償的容量大小，進相運行的發電機組為牛頸項電站、燈芯橋電站、新坪埡電站、界嶺電站分別用ΔG1、ΔG2、ΔG3、ΔG4、ΔG5表示進相容量大小。選擇更換節點1到節點7的輸電線路，用Δk2代表線路參數的變化量。選擇的變壓器為紫陽變的T1，用Δk1表示變壓器T1變比的變化量，則可寫出節點電壓變化量的矩陣方程如式(6)所示。

(6)

3.3.1 改變線路型號的敏感度矩陣

由上節中的式(6)可得改變線路型號的敏感度矩陣式如式(7)所示。

(7)

通過上節的仿真分析可知小水電豐水期未調壓之前選擇的參考節點電壓為表5所示。

表5 未采取調壓措施之前的節點電壓

改變節點1到節點7的輸電線路型號，由原來的LGJ-120變為LGJ-150，通過仿真可得改變線路型號后的各個節點電壓如表6所示。

表6 改變線路型號后的節點電壓

將表5和表6數據帶入式(7)中，可得出改變線路型號后的敏感度矩陣如式(8)所示。

(8)

由式(8)可知，改變節點1到節點7的線路型號對系統節點電壓影響較為明顯。其中對節點1電壓的敏感度最高，對節點6電壓的敏感度最低。隨著離節點1越來越遠，對相應節點的敏感度越來越低，從而調整電壓的效果會越來越差。

3.3.2 小水電發電機組進相運行的敏感度矩陣

由式(6)可得小水電發電機組進相運行的敏感度矩陣如式(9)所示。

(9)

在系統中，分別設置牛頸項電站進相容量為0.320Mvar、燈芯橋電站進相容量為0.545Mvar、新坪埡電站進相容量為0.390Mvar、界嶺電站進相容量為0.605Mvar、斑桃電站進相容量為0.640Mvar、仿真后得到部分系統節點電壓如表7所示。

表7 電站進相運行后的各個節點電壓

將表5和表7數據帶入式(9)中，可得小水電發電機組運行后的敏感度矩陣如式(10)所示。

(10)

由式(10)可得，界嶺電站和斑桃電站進相運行時，對節點1電壓的敏感度較高；當界嶺進相運行時對節點4電壓的敏感度較高。燈芯橋電站進相運行時，對節點1、3、4、5、6的敏感度基本相同?？傮w上各個電站進相運行對節點調壓效果基本相同。

3.3.3 改變變壓器變比的敏感度矩陣

由式(6)可得變壓器變比的敏感度矩陣如式(11)所示。

調整變壓器T1的分接頭的擋位為2，即變壓器T1的高壓側實際電壓與低壓側實際電壓之比為1.025，故可得變比變化率為0.025。改變變壓器變比后的節點電壓如表8所示。

(11)

表8 改變變壓器變比后的節點電壓

將表5和表8數據帶入式(11)中，可得改變變壓器變比的敏感度矩陣如式(12)所示。

(12)

由式(12)可得，調整變壓器變比對系統節點電壓影響較為明顯，能夠達到對全局系統節點電壓的要求，同時其敏感度隨著母線節點越來越遠離變壓器變低，調整電壓的效果會越來越差。

3.3.4 并聯電抗器的敏感度矩陣

由式(6)可以寫出并聯電抗器的敏感度矩陣，如下式(13)所示。

(13)

設置并聯電抗器的補償容量為3Mvar且基準容量為10MVA，節點1的基準電壓為35kV，節點10、11、12、13、14基準電壓為10kV，則在PSASP中節點1處并聯電抗器的正序電抗和零序電抗的標幺值都為33.333pu，節點10到14處并聯電抗器的正序電抗和零序電抗的標幺值都為50pu，在電氣接線圖的不同補償位置處并聯電抗器的節點電壓如表9所示。

表9 不同節點并聯電抗器后的電壓值

將表5和表9數據帶入式(13)中，可得到并聯電抗器的敏感度系數矩陣如式(14)所示。

(14)

由式(14)的敏感度系數矩陣可知，在補償節點10和節點11的設置并聯電抗器，得到補償后的節點電壓較好；相對于其他節點，補償節點1對整體節點電壓控制相對平滑；在補償節點14并聯電抗器對節點3的電壓敏感度相對較高；在補償節點1、12、13、14任意一處并聯電抗器對節點4的電壓敏感度相對較低。在補償節點1并聯電抗器相當于集中補償，對系統整體調壓效果好，其他節點則是分散補償點，對節點電壓的控制較為明顯。

3.4 提出的不同單一調壓措施的方案仿真對比分析

通過上文對單一調壓措施的敏感度分析，可得到采取不同的單一調壓措施對節點電壓敏感度不同，由此提出對不同節點采用對其節點電壓敏感度最高的單一調壓措施，使系統節點電壓能夠在安全范圍之內運行。不同單一調壓措施方案分別為：改變節點1到節點7的線路型號，由原來的線路型號LGJ-120改為LGJ-185；界嶺電站進相運行，進相容量為0.605Mvar、斑桃電站進相容量為0.640Mvar、燈芯橋電站進相容量為0.545Mvar；改變變壓器的變比為1.05；在節點10、節點11并聯容量為2Mvar的電抗器。通過在PSASP中仿真，得到在采用不同單一調壓措施方案后的節點電壓曲線如圖6所示。

圖6 采用不同單一調壓措施方案后的調壓效果

由圖6可得，改變輸電線路型號、改變小水電發電機組的運行方式、改變變壓器變比、并聯電抗器均可在一定程度上抑制節點電壓的升高，保證系統能夠安全的運行。改變輸電線路型號雖然可以使節點電壓降低，但是小水電配電網的輸電線路一般為較長的線路，這會造成耗費大量的資金，一般要根據實際工程情況來考慮。改變變壓器變比相對于改變輸電線路的型號來說較為經濟，同時由圖6可看出調壓效果相對于改變輸電線路較好，但是變壓器變比僅可適用在系統無功功率充足的情況。如果系統無功功率較少，選擇改變變壓器變比則不能達到預期的調壓效果。并聯電抗器是一種較為經濟的常用調壓手段，通過在節點電壓敏感度高的節點并聯電抗器，可以達到一定的調壓效果。并聯電抗器一般分為集中補償和分散補償，并聯電抗器集中補償是為了降低整體的電壓，但是某些節點仍然相對較高，因此需要進行分散補償使節點電壓降低，但在實際工程中分散補償的后期維護和管理較為麻煩。由圖6可得，改變小水電發電機組的運行方式較改變輸電線路型號、改變變壓器變比和并聯電抗器有著較為平滑的調壓曲線。一般小水電發電機組都具備由原來的過勵運行轉換為欠勵運行，調壓較為方便經濟。

結語

本文主要以小水電的單一調壓措施理論為基礎，以陜南某變電站的夏季豐水期和冬季枯水期的典型運行方式為研究對象，通過單一調壓措施的敏感度系數矩陣得出不同節點的電壓敏感度，通過在不同節點的單一調壓措施方案的調壓效果對比，改變小水電發電機組的運行方式具有較好的調壓效果，為其他含小水電配電網的電壓調整提供了一定的借鑒意義。