季节性分布式电源对10 kV配电网电压质量影响

陈琪琅，彭 杰，苏逸凯，周力行，赵啟旸

(1.福建省电力有限公司泉州电力公司，福建泉州362000；2.广东电网有限责任公司惠州供电局，广东惠州516000；3.福建省电力有限公司漳平市电力公司，福建漳平364400；4.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410015)

季节性分布式电源对10 kV配电网电压质量影响

陈琪琅1，彭 杰2，苏逸凯3，周力行4，赵啟旸4

(1.福建省电力有限公司泉州电力公司，福建泉州362000；2.广东电网有限责任公司惠州供电局，广东惠州516000；3.福建省电力有限公司漳平市电力公司，福建漳平364400；4.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410015)

类似小水电站的分布式发电随着外部条件的制约有明显的周期性。这些分布式电源常直接T接入同一条10 kV公用线路，对配电网的电压质量带来了很大的冲击，利用无功就地平衡的策略，对发电高峰期和发电低谷期配电网整体电压质量不合格进行调节，提高了用户的电压质量，避免了用户电器设备烧坏。并以壶瓶山地区为例进行分析，在PSASP平台上搭建仿真模型进行论证调节策略的有效性。

分布式发电；配电网；电压质量；周期性

小水电是一种季节性的分布式电源，在富含小水电的山区这种情况十分普遍。小水电T接入10 kV配电网运行，对电力能源紧张起到了一定的缓解作用，但由于小水电发电存在季节性特点，对配电网潮流分布、运行电压及网损都有重要影响。全面分析小水电上网对配电网的影响，提出相应的解决措施，提高配电网电压质量，是目前电力部门十分重视的问题。

本文结合湖南常德壶瓶山地区实例，对富含小水电的配电网电压质量问题进行全面的分析。常德石门县壶瓶山地区小水电密集，装机总容量相对较大，因处于偏僻山区，这些小水电直接T接入同一条10 kV公用线路。由于该地区配电网供电半径大、负荷低等特点，在丰水期，小水电发出的电能无法就地平衡，向电网输送电量，导致该10 kV线路电压升高，造成用户电器设备烧毁事故；而在枯水期，大多径流式水电站不发电，该地区由电网供电，处于线路末端的区域则出现电压过低问题，严重影响用电安全。

1 原因分析

壶瓶山地区装机容量为当地的负荷2倍，在丰水期这些小水电一般T接入10 kV公用线的末端，而10 kV公用线往往是首端线径粗，末端线径细。

课题组通过对壶瓶山地区配电网进行仿真分析，利用PSASP软件进行潮流计算，在丰水期设置各个发电站满发，轻负荷情况为：用户低压变额定容量的30%，功率因数为0.95。重负荷情况为：负荷为额定容量的70%，功率因数为0.9。

根据壶瓶山地区的运行经验，当丰水期小水电满发时，潮流发生变化，首末倒置，配电网向系统倒送电能。壶瓶山10 kV线路型号为LGJ-50，且线路长度为48 km，线上压降较大，其末端线路线径便成为负荷输送瓶颈。小水电采用的发电机一般难以进行进相运行。要确保电能顺利注入电网，电站必须上调机端电压。所以在丰水期时，配网电压偏高，线路末端用户电压高达280 V，远远超出了允许的范围。

以泥峰线为例，其丰水期仿真结果如图1。

图1 丰水期轻负荷泥峰线电压分布仿真

而在枯水期小水电不发电的情况下，由系统供电，地处山区，负荷分布分散，10 kV公线路供电半径长、线径细、负荷低、负荷损耗大、电压降较大。线路的末端低压侧到用户电压约为180 V，电压质量是很不理想的。其枯水期仿真结果如图2。

图2 枯水期泥峰线电压分布仿真

仿真计算结果表明，在丰水期时，10 kV母线电压为11.79 kV，线路上最高电压达到了13.88 kV，远超出了允许范围。而枯水期整体电压为10 kV以下，线路末端最低电压为8.1 kV。该配电网的电压水平远远超出了长期稳定运行的范围。

2 治理方案与改善措施

通过对该配电网的运行分析，在丰水期时由于小水电出力较足，其线路末端电压偏高，但在冬季时由于小水电出力不足，线路末端的电压偏低。针对该地区的电压质量具体情况，提出的研究思路如下。

2.1 改善小水电发电上网管理，提高丰水期各发电站的功率因数

正常运行时，其负荷呈感性，所以水电站发电机吸收系统过剩的感性无功，或称发出容性的无功功率。若使其发电机运行在进相状态，可以将发电机超前的功率因数控制在0.95以上，从而调整降低线路电压。

根据壶瓶山的实际情况和上级部门的有关规定，从四个方面着手进行改进，尝试建立电压管理的长效机制：(1)加强对水电站上网管理，利用重新签订调度协议，对水电站的电压、功率因数和变压器抽头范围作出明确规定，对不遵守协议的情况，约定处罚条款；(2)限制机端电压，在水电站安装过电压保护装置，这种装置安装在发电机机房，一旦机端电压升高至整定值，过电压保护动作，既保护了机组，又保护了10 kV用户的电器；(3)每年的丰水期和枯水期的电压相差很大，为了使用户端电压维持在合理范围，供电部门需要每年调整配电变压器的抽头，各供电所负责调整；(4)加强对用户侧的功率因数管理，确保用户功率因数达到0.95。

采取上述四项措施，根据其他地区的实践经验，达到了良好的效果。对电网来说，不可能由它来解决全部调压问题，但是由于它不需要投资，在一些地区解决调压问题，应予以优先考虑。

2.2 10 kV线路中安装并联电抗器

壶瓶山丰水期10 kV配电网线路电压过高，主要原因是无功不能就地平衡，大量无功使线路上电压升高，因此，拟采用并联电抗器来吸收无功，已达到降低线路电压的目的。

并联电抗器主要连接在10～500 kV变电站的低压侧，通过主变向系统输送感性无功，用以补偿输电线路的电容电流，防止轻负荷线端电压升高，维持输电系统的电压稳定。

电网中的电抗器可用来吸收线路的电容性无功，通过调整并联电抗器的数量来调整运行电压。在以往的工程应用中，依靠并联电抗器的补偿，则可以负荷端电压稳定在允许的范围。

2.3 10 kV线路中安装双向自动调压器

小水电引起高低电压波动问题涉及面广，采取传统无功调节等手段可能难以满足电压调整需求，需充分利用新技术新设备，提高线路电压调控能力，改善供电质量。

BSVR型馈线双向自动调压器能针对双向供电或多电源供电系统自动识别潮流方向，通过跟踪输入电压的变化，来自动调整三相有载分接开关的档位，在20%的范围内对输入电压进行双向自动调节，保持输出电压的稳定。该项技术已在福建龙海的10 kV华阳线上应用，自2008年通过加装SVR自动调压器及无功自动补偿装置投运后，提高线路未端电压效果较为理想。

3 最优方案的整合及其仿真结果

考虑到以上所列的各种方案都有各自优势和缺陷，整合出最优方案。

采取有效的管理措施，在丰水期提高小水电功率因数，采用错峰发电方式，可有效降低10 kV线路电压，防止电压过高。而枯水期则可通过投入电容器进行无功补偿，提高线路末端电压。该方案无需资金投入，无建设周期，但是该方案的实施难度比较大，很难全面监控各个电站的实施情况，所以不能作为主要方案。

加装双向自动调压器，实现丰水期与枯水期线路自动调压，可有效解决丰水期电压过高、枯水期电压过低的问题。这是技术层面上合理的方案，但由于双向自动调压器的容量需要和其安装节点的功率最大值匹配，所以安装在泥市变低压侧10 kV出口的调压器需要和主变的容量匹配，所以投入的资金较大，需要补充解决该问题。

通过对以上方案的比较分析，得出采用双向自动调压器、并联电抗器(0.8 Mvar+0.8 Mvar)和已经安装的并联电容器(0.5 Mvar+0.5 Mvar)整合的方案。在丰水期泥市变10 kV母线上投入并联电抗器对其整体进行无功补偿，使得丰水期整体电压降低，然后针对小水电十分集中的泥峰线的电压调整，我们在泥峰线三分之一处加装双向自动调压器(调节范围为±10%)，使得在丰水期泥峰线整体电压满足要求。如下是在不同功率因数下该方案的电压分布仿真情况及之前情况的对比。

3.1 丰水期最优方案的仿真情况

下面分各个线路进行对比分析。

在考虑所有电站都是以低功率因数满发情况下，泥峰线在采取优化方案前的情况：首端电压为11.72 kV，线路最高电压(泥峰线466号杆塔)为13.92 kV，远远超出了电压的允许范围。如图3所示，在加装双向自动调压器前泥峰线各杆塔的电压明显要高于加装双向自动调压器后的电压，所以加装双向自动调压器的方案可以降低线路整体的电压水平，效果是很明显的。

图3 丰水期最优方案下泥峰线电压分布对比

当首端和线路三分之一处各加装一组调压器后，首端电压下降为9.98 kV，线路最高电压(泥峰线466号杆塔)为11.05 kV。该方案的效果最为明显。电压分布在10.5 kV左右，本线路改善后电压水平基本达到改进预期目标，要求没有出现过电压的情况。

当小水电的功率因数为0.95时 (即小水电按照规定发电上网)，在泥市变10 kV母线加装并联电抗器0.8 Mvar，在泥峰线三分之一处加装双向自动调压器后的电压分布情况如下：在首端电压下降为10.23 kV，线路最高电压(泥峰线145号杆塔)为11.23 kV。本方案效果十分明显，基本达到预期目标。

当小水电的功率因数为0.9时(即小水电不全按照规定发电上网)，在泥市变10 kV母线加装两组并联电抗器(0.8 Mvar+0.8 Mvar)，并在泥峰线三分之一处加装双向自动调压器后的电压分布情况如下：在首端电压下降为10.31 kV，线路最高电压(泥峰线500号杆塔)为11.09 kV。本方案效果十分明显，基本达到预期目标。

3.2 枯水期最优方案的仿真情况

枯水期重负荷下，在泥市变10 kV母线加装1 Mvar并联电容器，泥峰线电压分布情况：在首端电压为10.44 kV，线路末端电压为8.16 kV。本方案的调压效果十分明显，但是末端电压明显低于要求的范围，不满足目标，需要其他方法进行补充。电压分布如图4。

图4 枯水期最优方案下泥峰线电压分布对比

枯水期重负荷下，在泥市变10 kV母线加装1 Mvar并联电容器，并在泥峰线三分之一处加装双向自动调压器(调压范围10%)，泥峰线电压分布情况：在首端电压为10.57 kV，线路末端电压为9.41 kV。本方案的调压效果十分明显，基本能满足要求。

枯水期负荷再加重的情况下，在泥市变10 kV母线加装两组并联电容器(1 Mvar+1 Mvar)，泥峰线电压分布情况：在首端电压为10.93 kV，线路末端电压为8.61 kV。本方案的调压效果十分明显，但是末端电压明显低于要求的范围，不满足目标，需要其他方法进行补充。

枯水期负荷再加重的情况下，在泥市变10 kV母线加装两组并联电容器(1 Mvar+1 Mvar)，并在泥峰线三分之一处加装双向自动调压器(调压范围10%)，泥峰线电压分布情况：在首端电压为11.04 kV，线路末端电压为9.51 kV。本方案的调压效果十分明显，基本能满足要求。

4 结论

根据仿真结果，在丰水期时，在泥市变10 kV母线上并联电抗器做无功就地补偿，能够把10 kV线路电压水平整体降低。无功补偿的并联电抗器分为两组设置，每组容量为0.8 Mvar，按照配电网的需要分别进行投入，在丰水期小水电以不同功率因数上网的情况都可以满足要求，同时也减少了所投入的双向自动调压器的范围，减少了投入。针对泥峰线上小水电集中度比较高，在泥峰线三分之一处投入双向自动调压器(调节范围为±10%)，能够起到调节电压的作用，电压集中在10～11 kV，达到了预期电压质量治理的目的。

在枯水期，并联电抗退出运行，投入并联电容，对配电网进行无功补偿，提高配电网电压水平，针对于泥峰线的供电半径长，其末端电压难以满足要求，所以在泥峰线三分之一处加装的双向自动调压器可以反向调压，以提高线路末端电压质量。但是该负荷的性质主要为生活用电，在一天内负荷进行周期性的变化，轻、重负荷交替出现，在投入并联电容进行无功补偿后，会导致系统母线电压周期性波动。在系统中安装静止性动态无功补偿装置能够实时对无功进行补偿。

总而言之，无功就地调节方案在丰水期能降低配电网整体电压水平，在枯水期能提高配电网整体电压水平，达到配电网长期安全稳定运行的要求，是合理的最优化整合方案，值得在富含小水电的10 kV线路中推广[1-6]。

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[5]陈衍.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2007.

[6]李颖峰.自动调压器在10 kV线路中的应用[J].广东电力，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

湖南省自然科学基金项目(10JJ5059)

陈琪琅(1972—)，男，福建省人，工程师，主要研究方向为配电技术管理。