双碳目标下电容器配置对于微电网电压运行的影响

江子桁 孙铂洋 杨轶凡 赵元

摘 要：二氧化碳过度排放引发全球变暖，危及全人类生存。中国控碳时间表预计在2030年目标碳达峰，2060年目标碳中和。基于双碳目标，我国大力发展清洁能源和分布式能源，进而形成微电网。微电网是由各种能量存储、保护、转换装置以及相关控制系统组成的分布式发电系统。微电网无功功率平衡和线路电抗大小都将影响电压偏移，串联电容器将改变线路电抗，并联电容器将影响无功功率传输。本文主要针对葫芦岛某沿海工业区微电网系统模型，谈论串并联电容器后电压变化。

关键词：碳达峰碳中和;微电网;电容器

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

微電网（Micro-Grid）也译为微网，是指由 分布式电源 、 储能装置 、能量转换装置、 负荷 、监控和保护装置等组成的小型发配电系统[1]。 微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。

1  碳达峰和碳中和

气候变化是人类面临的全球性问题。随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命系统形成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，中国由此提出碳达峰和碳中和目标。

碳排放达峰并不单指在某一年达到最大排放量，而是一个过程，即碳排放首先进入平台期并可能在一定范围内波动，然后进入平稳下降阶段。碳中和是指在规定时期内，二氧化碳的人为移除与人为排放相抵消。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）定义，人为排放即人类活动造成的二氧化碳排放，包括化石燃料燃烧、工业过程、农业及土地利用活动排放等。人为移除则是人类从大气中移除二氧化碳，包括植树造林增加碳吸收、碳捕集等。从气体排放的角度，中和（neutrality）或净零排放（net-zeroemissions）基本通用，碳中和或碳净零排放以为着在进入大气的温室气体排放和吸收的汇之间达到平衡，全球“净”温室气体排放需要大致下降到零。

我国要实现碳排放和碳中和的雄心目标十分不易，需要付出艰巨的努力。中国的承诺是迄今为止世界各国中做出的最大减少全球变暖预期的气候承诺。我国2060年实现碳中和，减排总量将远超发达国家2050年碳中和。从时间安排上看，欧美从碳达峰到碳中和有50～70年过渡期，而中国只有30年过渡期。我国作为最大的发展中国家，发展不平衡、不充分问题突出，目前有关应对气候变化的很多方面还存在欠缺和短板，加之外部环境复杂严峻，要实现新达峰目标与碳中和愿景，任务十分艰巨。推动碳达峰和碳中和是经济社会的系统性转型。

2  基于分布式能源的微电网

分布式能源系统是相对于传统集中式供能能源系统而言的，传统集中式供能系统采用大容量设备、集中生产、然后通过专门的输送设施将各种能量输送给较大范围的众多用户;而分布式能源能源系统则是直接面向用户，按用户需求就地生产并供应能量，具有多种供能，可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。一般太阳能、风能来承担能量供给。

图2可以看出，2021年我国太阳能和风能增机容量将近60%。分布式能源发展就促进了微电网发展。微电网（Micro-Grid）也译为微网，是指由 分布式电源 、 储能装置 、能量转换装置、 负荷 、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。 微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。

微电网分为并网型微电网和独立型微电网，可实现自我控制和自治管理。并网型微电网既可以与外部电网并网运行，也可以离网独立运行;独立型微电网不与外部电网连接，电力电量自我平衡[2]。微电网存在两种典型的运行模式：正常情况下微电网与常规配电网并网运行，称为联网模式;当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开而独立运行，称为孤岛模式。两者之间的切换必须平滑而快速。微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制。

2.1并网运行

并网运行就是微电网与公用大电网相连，微网断路器闭合，与主网配电系统进行电能交换。光伏系统并网发电。储能系统可进行并网模式下的充电与放电操作。并网运行时可通过控制装置转换到离网运行模式。

2.2离网运行

离网运行也称孤岛运行，是指在电网故障或计划需要时，与主网配电系统断开，由DG、儲能装置和负荷构成的运行方式。储能变流器PCS工作于离网运行模式为微网负荷继续供电，光伏系统因母线恢复供电而继续发电，储能系统通常只向负载供电。

从应用场景上来说，并网运行的微电网主要集中于城市电网当中。离网运行的微电网主要集中于海岛、西北偏僻地区以及山村等环境相对恶劣，用电条件不便的地区。

3  电容器串并联对于微电网电压的影响

本文以葫芦岛沿海工业区作为研究对象，利用PSCAD软件建立离网型微电网系统模型，研究10kV微电网系统当中，电容器串并联对于系统电压偏移的影响情况。

初步潮流分析已完成，上面两台发电机分别为等值风力发电机和光伏发电机，箭头代表葫芦岛某沿海工业区负荷，潮流功率如图所示。

3.1  串联电容器

在电力线路上串联电容器抵偿线路感抗，可以提高线路末端电压。串联电容器后，电力线路电压损耗减少了，提高了线路末端电压。串联电容器配置地点与负荷分布和电源分布有段。其一般原则是应使沿电力线路电压分布尽可能均匀，而且各负荷点电压都在允许范围之内。

配电线路的无功补偿主要是通过在线路上安装一定的电容器来进行补偿应用，这种应用模式能够提供线路与公用变压器所需要的无功功率，从而保障线路传输的稳定性[3]。在应用的过程中，由于电网线路复杂，需要在不同的位置设置相应的电容器进行补偿，但是这种线路的补偿点的设置不宜过多，补偿的容量也应该保持在一个相对合理而稳定的范围内，从而避免因为补偿过多而产生过度补偿的现象，影响整个配电线路网的应用效能。

3.2  并联电容器

在电力系统无功电源不足时，需要在适当地点就地补偿无功功率，从而改变电力网中无功功率分布。并联电容器只能发出感性无功功率提高节点电压，其容量选择原则是最大负荷全部投入，最小负荷全部退出。

变电站补偿的应用能够实现电网运作的无功平衡，从而在运作的过程中实现配电网损耗的全面降低。在这个集中补偿的过程中，各种并联电容器、静止补偿器的应用能够改善电网应用的公用系数，从而提高运作过程中的变电所的母线电压，从而在无功损耗的过程中通过补偿来平衡整个电网的无功功率。这些装置的应用一般主要是应用于变电站10kv的母线上，虽然这种应用方式对于配电网的损耗基本不起到降低的作用，但是其在应用的过程中能够基于智能化的控制系统进行相应的技术性补偿工作，其管理与维护的成本较低，较为方便快捷，能够在应用的过程中实现变电站的稳定供应[4]。

结语

综上所述，在碳达峰和碳中和的双碳目标要求下，我国大力发展了太阳能和风能等清洁能源，形成了并网型和离网型等微电网系统，电容器串并联将影响微电网中潮流分布，进而影响母线电压偏移。

参考文献：

[1]刘迪迪，孙浩天，肖佳文，Frank Jiang，郑鲲鲲.智能电网中终端用户的双向能量交易算法[J/OL].西安电子科技大学学报：1-7[2021-01-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.tn.20210105.1734.014.html.

[2]周兵凯，杨晓峰，李继成，农仁飚，陈骞.多元融合高弹性电网关键技术综述[J].浙江电力，2020，39（12）：35-43.

[3]张倩.智能电网中的无功补偿技术探讨[J].黄冈职业技术学院学报，2020，22（06）：136-138.

[4]张凌，田珂，张巍，孙玉明.智能电网环境下电力营销管理系统的优化设计[J].计算技术与自动化，2020，39（04）：138-141.

作者简介：

1、江子桁（2002.09 -），男，汉族，黑龙江牡丹江人，学生，沈阳工程学院国际教育学院研究方向：电气工程自动化;

2、孙铂洋（2002.07-），女，汉族，辽宁辽阳人，学生，沈阳工程学院国际教育学院，研究方向：电气工程及其自动化;

3、杨轶凡（2000.5-），男，汉族，辽宁阜新人，学生，沈阳工程学院国际教育学院，讲师，研究方向：发电厂及电力系统;

4、赵元（2000.08-），男，满族，辽宁葫芦岛，学生，沈阳工程学院国际教育学院，研究方向：发电厂及电力系统。