含分布式电源的配电网电压调整策略研究

黄科文，李鹏鹏，彭显刚，殷豪

（1.广东电网公司汕尾供电局，广东汕尾 516600；2.广东工业大学自动化学院，广东广州 510006）

满足用户特定的需要、支持现存配电网的经济运行或同时满足这两方面的要求，且在用户现场或靠近用户现场配置功率为几kW到50 MW的小型、与环境兼容的发电机组。按发电能源是否可再生将其分为两类[1-2]：一类称为利用可再生能源的DG，主要包括太阳能光伏、风能、地热能、海洋能等发电形式；另一类称为利用不可再生能源的DG，主要包括内燃机、热电联产、燃动机、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。

DG接入对配网产生了重要影响，使得整个系统电量参数发生变化，运行控制变得更加复杂[3-4]。特别是对于配网电压，若不进行合理的控制与调整，任其随意接入与退出，再加上大部分的DG发电具有随意性，风机出力受风力影响[5]，小水电出力受库容或降雨量影响[6]，将很难保证配网电压合格、电能质量良好。所以首先需要分析DG接入对配网系统电压分布造成的影响。文献[7]通过分析DG对配电网电压分布的影响，总结了DG正确接入位置和出力限制等运行规律。文献[8]分析了不同形式DG并网对馈线段电压分布的影响，但并未给出其详细的变化规律。文献[9]分析了DG对稳态电压分布的影响，并提出利用在DG接入处安装SVC来稳定配网电压。然而以上文献在分析了DG对配网电压影响后，并未进一步深入探讨如何有效地利用综合电压调整措施来达到改善电压的目的，本文以汕尾地区星云片网为例，分析各种电压调整手段对配网电压的影响，进而提出综合调整策略来改善配网电压。

1 汕尾地区星云片网概述

星云片网主要包括陆河县和陆丰市，分别处于汕尾市的北部和东部，是汕尾地区分布式电源资源较丰富的片网。该片网有3座风电厂，分别为甲湖风电厂（48 MW）、甲东风电厂（20.4 MW）和华润风电厂（48 MW）；该片网除丰富的风力资源外，还有丰富的水力资源，小水电站星罗棋布，据统计[10]，该片网总装机容量78.09 MW，若分布式电源满发，则将解决汕尾电网一半的负荷需求。星云片网是典型的含分布式电源的配网系统，选其作为研究对象具有一定的代表性，星云片网地理接线图如图1所示。

图1 汕尾地区星云片网地理接线示意图Fig.1 Geographic connection diagram of Xingyun regional power network in Shanwei power grid

2 DG对配电网电压的影响

传统的配电网是一个放射状结构的无源网络，潮流是单向流动的，为了使配网在不同的负荷下维持相对稳定的电压水平，其电压调整主要依靠上级变电站内变压器有载调压分接开关的切换及无功补偿电容器的投退来实现。DG接入后，其注入的有功功率和无功功率改变了无源配网的本质，扰乱了原来的潮流流向，很难用传统的控制策略执行电压调整，其影响超过调压能力时将导致配网部分节点的电压水平超标，DG接入电网后对电压的影响主要通过改变电网阻抗上有功及无功潮流来实现。下面以汕尾地区星云片网为例，综合考虑DG分布式电源在配网潮流计算中的能源类型和并网形式建模，建立含分布式电源的配网潮流计算模型[11-12]，利用BPA潮流仿真软件来分析DG对配网电压调整的影响。

2.1 风机、小水电出力对配网电压的影响

规定文中：夏大（丰）方式为电网运行在夏季大方式，且小水电满发；夏大（枯）方式为电网运行在夏季大方式，且小水电仅出力20%。

下面将从小水电出力、风机出力2个方面来分析DG出力对配网电压的影响，前者选取夏大方式，保持风机出力恒定，比较枯水期和丰水期小水电附近节点电压情况，并分析其现象产生的原因；后者选取夏大丰水期方式，比较风机不同出力对附近节点电压的影响，并分析其现象产生的原因。观察点选择在具代表性的河田站、马田站、博美站、南塘站10 kV低压侧，结果如图2、图3所示。

图2 比较风机满发时夏大(丰)和夏大(枯)方式10 kV侧电压Fig.2 Comparison of 10 kV side voltage per-unit value between high water period summer heavy way and low water period with full output of the wind power generation

图3 不同风机出力时夏大(丰)方式10 kV侧电压Fig.310 kV side voltage per-unit value at different wind power generation output on high water period summer heavy way

结果分析：

1）从图2可以看出，在相同风机出力的情况下，夏大（丰）运行方式下监测点的电压比夏大（枯）运行方式下监测点的电压高。主要由下面2个原因引起，其一，由于水电有功出力的不同导致无功的变化，当水电出力增大时，在满足就地无功平衡的情况下还有多余的无功输入系统，使附近节点电压增高。其二，由于观察站点的中低压侧接入容量可观的小水电。当夏大（枯）方式运行时，小水电所发电量十分有限，无法满足当地用电，潮流方向依旧从高电压等级往低电压等级流动，河田站中低压侧可被视为供电末端，这也导致了夏大枯水期时，小水电附近站点电压偏低（如河田站低压侧0.938 pu）。而一旦丰水期到来，小水电满发，潮流逆向流动，这些站点的中低压侧反而变为输电首段，电压立即被抬升至接近1.05 pu的上限。

2）从图3可以看出，在相同运行方式下，风机出力每增加50%，监测点电压被抬高2%左右。这是由于风机的无功功率随有功变化而变化的，而风机的功率因数皆设为0.98的恒功率因数，所以有功的增大导致流入系统的无功增大，电压随风机出力的增大而有所增大。

2.2 小水电功率因数对配网电压的影响

在夏大（丰）方式下，当风机不出力情况下，星云片网小水电发电功率因数分别为0.80和0.85时，河田站、马田站、博美站、南塘站10 kV低压侧电压变化情况如图4所示。

图4 不同功率因数下10 kV侧电压Fig.410 kV side voltage per-unit value at different power factor

从图4可以看出，在电网运行方式和风机出力百分比条件同等的情况下，小水电功率因数为0.8比0.85时，附近节点电压水平提高近2%。这是因为当小水电运行在不同的功率因数下，小水电提供给系统的无功功率不同，从而导致监测点的电压不同。

2.3 无功补偿容量对配网电压的影响

在夏大（丰）方式下，当风机出力100%，星云片网各个变电站投入的无功补偿分别为各站总容量的0%、25%、50%时，观察河田站、马田站、博美站、南塘站低压10 kV侧电压变化情况，结果如图5所示，并对其现象进行了分析。

图5 不同补偿容量下10 kV侧电压Fig.510 kV side voltage per-unit value at different capacity of reactive power compensation

从图5可以看出，当无功补偿每提高25%，观察点电压水平近抬高5%，变化幅度相当可观。当投入的无功补偿容量越大，监测点的电压增大比例越高；当系统无功比较充足的情况下再投入无功补偿容量，将导致电压越限。

2.4 变压器抽头档位对配网电压的影响

在夏大（丰）方式下，当风机出力100%时，马田站和河田站主变抽头设置为+6档、+7档、+8档时，观察河田站、马田站、博美站、南塘站10 kV低压侧电压变化情况，结果如图6所示，并对其现象进行了分析。

图6 各抽头档位下10 kV侧电压Fig.610 kV side voltage per-unit value at different tap position

从图6的结果可看出，河田站和马田站低压侧随着本站抽头档位下调，电压抬高，每下调一档，低压侧电压升高1%左右。所以改变变压器抽头也是一种很好的电压调整手段，从上图6可以看出，改变马田站和河田站抽头对另外2个站低压侧电压基本无影响。因为调节本站变压抽头档位，主要对本站低压侧和低压侧所在该电压等级电网产生影响。

2.5 综合电压调整措施应用

以2011年汕尾地区星云片网夏大方式为例，利用综合电压调整手段来调整潮流计算中电压不合格的节点，使之全部处于0.95～1.05的合理范围。

1）综合调整前（运行方式一）。汕尾电网运行在夏季大方式下，此时风机出力均为装机容量25%，小水电满发（功率因数0.85），220 kV星云站主变抽头位于+7档位置（243.1 kV），无功补偿2×4 MV·A。

2）综合调整后（运行方式二）。汕尾电网运行在夏季大方式下，此时风机出力为装机容量50%，小水电满发（功率因数0.8），220 kV星云站主变抽头位于+6档位置（239.8 kV），无功补偿2×8 MV·A。

综合调整前后各监测点电压变化结果如图7所示。

图7 综合调整前后各监测点电压变化Fig.7 Comparison of the voltage per-unit value change of each monitoring point before and after comprehensive adjustment

通过使用综合电压调整后，电压有5%左右的提高，配网中原来电压不合格的节点均达到0.95～1.05的合理范围，结果如表1所示。当然电压提升的幅度与抽头档位调整大小、有功出力多少、无功补偿多少有密切关系。

表1 综合调整前后监测点电压比较Tab.1 Comparison of the voltage per-unit value change of each monitoring point before and after comprehensive adjustment

2.6 不同电压调整策略特点

改变小水电功率因数调整电压是含小水电配网中特有的一种电压调整策略，它的局限是调整的区域小，对远离小水电站的节点调整能力差。改变无功补偿容量是电压调整的主要策略之一，当某节点电压偏低时，可以就地投电容器组，其优点是操作简便，目的性强，调整效果好。改变变压器档位调整电压也是经常使用的一种电压调整策略，其中有载调压得到了较广泛的使用，其特点是仅对其下一电压等级节点电压产生影响。改变DG出力的电压调整，虽然它也有一定的电压调整能力，但是较少单独采用此方法来调整电压，因为仅仅通过调整DG出力来调整电压，会打破电力平衡，因此，该方法往往结合其他调整手段进行。在实际电网运行时，电压调整多采用综合调整策略，而非单一电压调整策略。

3 DG对配网电压调整的控制策略

从上面的分析可知，含DG配网的电压调整控制策略有：

1）研究新DG自动发电控制策略，使其参与DG的运行控制，以调整DG本身的出口电压，从而调整并网点的电压。

2）丰水大发时要对上网小水电出力进行压减；线路在重载下运行时，电压偏高，无功盈余较大；枯水期小水电欠发无功较严重，常造成电网无功缺额过大，应分时段合理组织部分电站多发无功，以减少线损。对有条件的水电站适当进相运行，减少系统无功，以免电压过高。通过长线路输出功率的水电机组应适当减少无功输出，其一为保持其机端电压合格，其二为减少功率损耗。

3）改善目前小水电的励磁系统，增加自动励磁调节的功能，加强小水电的管理，尽量避免值班人员有意关掉自动励磁调节系统，而启用手动励磁装置，使励磁电流减少，这种状态当发电机满载输出有功功率时必然为“欠励磁”运行状态，而“欠励磁”状态时发电机中能向电网吸收感性无功，从而本片区无功缺乏，配电网节点电压偏低。

4）根据第2小节单独电压调整手段的分析结果和现场运行经验来看，调节风机、小水电出力；控制小水电机组的功率因数；改变变压器抽头位置；投切无功补偿容量皆可以对电压进行调整。若个别变电站和线路出现电压不合格时，应首先通过投退该站无功补偿来调整电压，因为此手段针对性强，调整效果佳，再辅之以其他调整手段。若某电压等级出现大面积区域电压不合格时，首先应当考虑改变上一电压等级高压侧抽头档位来调整电压，因其调整范围大，效率高，再辅之以其他调整手段。值得注意的是，在系统无功缺乏的情况下，不允许通过改变变压器的抽头来提高电压，否则将有导致系统崩溃的危险。而当电压不合格区域发生在分布式电源附近，在系统能满足有功平衡的前提下，改变功率因数和DG出力往往能达到快速恢复区域电压的效果。所以，在实际运行中，因视电压不合格具体位置、范围、程度发生改变等情况，综合利用不同的调整电压的策略有先后，有针对地来调整配网电压，使其快速、高效、经济地完成电压调整。

4 结语

尽管分布式电源如今仍然存在一些并网问题，但是分布式电源与大电网的融合仍被业界所看好，这要求我们解决分布式电源和大电网之间的兼容问题，做到大电网不会因为分布式电源的接入而降低了电能质量。本文以汕尾地区星云片区电网为例，分析了DG对配网电压调整的影响，提出了相应的电压调整策略，并用电压综合调整策略进行实例分析和验证。它为含DG的配网提供了电压调整的参考依据，从而避免了对含DG的配网盲目地进行电压调整，导致电压调整效率低下。下阶段应该进一步探究分布式电源与大电网兼容，更加全面的去考虑各种形式分布式电源接入配网的电压调整策略及DG对配网网损的影响，使得兼容更具安全性、稳定性、经济性，从而加快分布式电源与大电网相融合。

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