基于PSASP的小水电配电网的单一调压措施研究

桑兴勇，李颖峰，史腾肖，库城银

(陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中 723000)

随着社会经济的快速发展，人们对电能的需求越来越大。但是传统生产电能的方式对环境的影响日益严重[1]，因此亟待寻求一种辅助或替代使用传统能源发电的发电形式。小水电一般是径流式水电站，受降雨量和季节的影响较大，因此会容易影响系统电压的稳定性，从而影响用户用电设备的寿命[2]；在丰水期小水电机组功率满发，多余功率会输送至主电网从而造成系统电压过高，枯水期则与其相反。小水电接入后会改变系统原来的拓扑结构，从而改变潮流流向，继而系统拓扑结构更加复杂[3]。因此需要进一步采取相应的措施来调整电压[4]，否则将会影响系统的正常运行。

国内外学者对小水电配电网的调压措施的研究取得了长足进展，小水电的调压措施主要分为两类：一类是以使用自身设备来进行调整电压，主要有小水电运行方式调压[5]、改变变压器变比调压[6]、更改线路型号调压[7]；另一类是以电网中其他设备来调整电压，主要有并联无功补偿设备调压[8]、加装BSVR双向自动调压器调压[9]等。以上两类都有各自适用的条件，需要根据相应的情况采用相应的调压措施。郭双权[10]提出的基于9节点配电网模型来验证在丰水期和枯水期下电压越限问题，根据调压措施分别电压调整，结果表明措施可行。梁雅莉等[11]提出了一种基于在PSCAD/EMTDC建立9节点的配电网，通过不同的调压措施表明了措施的可行性。本文通过采取不同单一调压措施并求出相应的敏感度系数，同时分析不同的单一调压措施下对节点电压敏感度的大小，其次通过PSASP建立陕南某地区电力模型，对提出的单一调压措施方案进行仿真分析。

1 小水电接入配电网后的常用调压措施

1.1 改变线路型号调压

输电线路型号不同，则表示输电线路的横截面积不同。随着输电线路型号的变大，线路的横截面积变大，从而线路的阻抗变小，使输电线路的压降变小，进而提高线路末端节点电压。表1为几种不同线路型号的阻抗值大小。通过建立单个小水电发电机组并网理想模型，具体分析了改变线路型号对节点电压的影响，模型如图1所示。

表1 不同型号线路的阻抗

图1 单个水电发电机组并网模型

图1中：P3和Q3分别为小水电发电机组的有功和无功功率，P1和Q1分别为变电站的有功和无功功率，P2和Q2分别为负荷的有功和无功功率，R1和X2分别为输电线路的电阻和电抗，U1和U2分别为节点1和节点2的电压，ΔU1为节点1到节点2的电压损耗，参考潮流方向为从母线节点2流向母线节点1。此时节点1的母线电压如式(1)所示，电压降落的纵分量如式(2)所示。

U1=U2-ΔU1

(1)

(2)

保持小水电的有功和无功功率及负荷功率一定时，当增大输电线路的型号时，线路的电阻R1和电抗X1会变小，根据公式(2)可得电压降落的纵分量ΔU1会变小，则式(1)中的U1将会变大，进而可以提高节点1电压。

1.2 改变小水电发电机机组运行方式

保持小水电发电机组的有功功率不变，可得小水电发电机组的电枢电流I与励磁电流If的V形曲线如图2所示，图中Ifn为小水电发电机组功率因数cosφ0=1时的励磁电流，此时Ifn对应的电枢电流I最小。小水电发电机组在实际运行中一般为过励的运行状态，此时发电机组的励磁电流为If>Ifn，同时向主网注入有功功率和无功功率。但当丰水期到来时，小水电机组功率满发，造成系统无功功率过剩，从而引起节点电压偏高，此时应该减小励磁电流，使其励磁电流If

图2 V形曲线

1.3 改变变压器变比调压

由于小水电一般位于偏远的山区，所以一般就近接入附近的变电站，通过改变变电站的变压器变比来达到对系统节点电压的调整。小水电接入变电站示意图如图3所示。

图3 小水电接入变电站示意图

设图3中a为小水电接入变电站的变压器，其中节点1的节点电压为Uh，则节点2的电压如式(3)所示。

Um=Uh/k=(Uh-ΔUm)/k

(3)

式(3)中，k为变压器a一次侧和二次侧的匝数之比，Uh和Um分别为节点1和节点2的节点电压，ΔUm为功率流动在变压器中产生的电压损耗。

当电网中无功功率过多、供电线路长、负荷变动较大时，线路侧节点2的电压会升高，此时应该增大变比k，从而抑制节点电压上升。然而对于无功功率不充足的电网，如果改变变压器变比调压，有可能会起到适得其反的效果，严重的情况甚至可以造成变压器损坏。

1.4 并联无功补偿装置调压

由于电网中自身设备调压具有一定的局限性，因此需要选用专门的无功补偿设备来对系统中无功功率进行补偿，且需要在合适的位置加装无功补偿设备来达到较好的调压效果[13]。无功补偿设备调压主要是改变公式(2)中的无功功率Q来达到调节节点电压，当并联电抗器时，由于电抗器是抵消系统中的过剩的容性无功，从而会使无功功率Q变大，从而达到使调节的节点电压变小；当并联电容器时，由于电容器是抵消系统中的过剩的感性无功，从而会使无功功率Q变小，从而达到使调节的节点电压变大[14]。

2 单一调压措施敏感度的理论分析

单一调压措施的敏感度矩阵有关变量可分为三类：第一类是以不同调压措施的调整量为控制变量；第二类是以负荷的变化量为扰动变量；第三类是以线路节点电压和无功功率为状态变量，由于无功功率的改变总会影响着电压的变化，需将线路无功功率的因变量考虑进状态变量中。为了清晰分析出不同单一调压措施的调压效果，那么就需要分析单一调压措施的敏感度矩阵，因此可列写出如式(4)所示。

(4)

式(4)中ΔU、ΔQ分别为节点电压变化量和节点无功功率变化量，ΔUG、Δk、ΔQc分别代表不同的小水电发电机组电压变化量、变压器的变比和并联无功补偿装置的补偿量，ΔPL、ΔQL分别是负荷的有功和无功功率变化量。

当控制变量和扰动变量变化很小时，式(4)中的所有偏导数变化也不大，因此可以看作是定值。当负荷保持不变时，即式(4)中的ΔPL、ΔQL为零。并且本文主要研究的是对电压的变化量ΔU的影响，所以可忽略ΔQ。即敏感度矩阵如式(5)所示。

(5)

3 实验验证分析

3.1 算例概述

陕南某变电站电气接线图如图4所示。其中斑桃电站有两台1.6MW和一台1MW的发电机组、新坪垭电站有两台1.25MW的发电机组、界岭电站有两台1.25MW和一台1MW的发电机组、灯芯桥电站有两台2MW和一台1MW的发电机组、牛颈项电站有一台1MW发电机组。小水电的电气接线图的线路参数如表2所示，小水电各个电站的有功及无功出力参数如表3所示。当小水电并网后，配电网的拓扑结构相比原来更为复杂，并且由之前的单电源变为多电源供电，这在一定程度上保证了电能的可靠性。然而小水电一般受当地季节的影响，在夏季丰水期时，小水电发电机组满发将导致电压运行范围超过国家规定的电压标准。在冬季枯水期时，部分小水电的功率少发或者不发，节点电压有可能低于额定电压的下限。以其中35kV母线1、2、3、4、5、6、7、8、9及10kV母线10、11、12、13、14节点电压为研究对象。

图4 陕南某变电站与部分小水电群电气接线图

表2 部分线路参数

表3 小水电各个电站有功及无功出力参数

3.2 仿真结果分析

陕南某变电站接入的小水电按照本文电气接线图和相关数据，通过在PSASP中仿真，得出如图5、表4所示的夏季丰水期和冬季枯水期的节点电压和功率损耗。

图5 小水电夏季丰水期和冬季枯水期的节点电压

表4 小水电夏季丰水期和冬季枯水期的系统功率损耗

由图5可知，在夏季丰水期时，节点电压最高为节点10且高达1.180pu，即有名值为11.8kv，节点10的电压不符合国家电压质量标准±7%波动范围的要求，会在一定程度上影响用电设备的使用寿命；在冬季枯水期时，节点1到节点14的节点电压相对于夏季丰水期来说，电压波动较为平缓，其最高电压节点为节点8，其标幺值为1.051pu，最低电压节点为节点10，其标幺值为1.037pu；在夏季丰水期时，节点电压波动的范围较大，最高电压节点10和最低电压节点8相差0.110pu。节点1到节点9的基准电压为35kv，最高节点电压为1.178pu，相当于有名值为41.23kv，远远大于国家电压质量标准±5%波动范围的要求。

由图5和表4可得，在冬季枯水期，由于河流的水流量减小，部分发电机组减发或停发，且最高节点电压为1.037pu并且相对于夏季丰水期其功率损耗较小，基本可以保证节点电压在安全运行范围之内，因此对于小水电冬季运行下电压调整可不做进一步的研究。

3.3 单一调压措施的敏感度矩阵求取

由上文可得，以陕南某变电站为模型，选择电气接线图中的电压节点1、3、4、5、6为参考节点，其相应的节点电压变化量为ΔU1、ΔU2、ΔU3、ΔU4、ΔU5。并联电抗器的补偿位置分别在1、10、11、12、13、14节点，分别用ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3、ΔQ4、ΔQ5、ΔQ6表示补偿的容量大小，进相运行的发电机组为牛颈项电站、灯芯桥电站、新坪垭电站、界岭电站分别用ΔG1、ΔG2、ΔG3、ΔG4、ΔG5表示进相容量大小。选择更换节点1到节点7的输电线路，用Δk2代表线路参数的变化量。选择的变压器为紫阳变的T1，用Δk1表示变压器T1变比的变化量，则可写出节点电压变化量的矩阵方程如式(6)所示。

(6)

3.3.1 改变线路型号的敏感度矩阵

由上节中的式(6)可得改变线路型号的敏感度矩阵式如式(7)所示。

(7)

通过上节的仿真分析可知小水电丰水期未调压之前选择的参考节点电压为表5所示。

表5 未采取调压措施之前的节点电压

改变节点1到节点7的输电线路型号，由原来的LGJ-120变为LGJ-150，通过仿真可得改变线路型号后的各个节点电压如表6所示。

表6 改变线路型号后的节点电压

将表5和表6数据带入式(7)中，可得出改变线路型号后的敏感度矩阵如式(8)所示。

(8)

由式(8)可知，改变节点1到节点7的线路型号对系统节点电压影响较为明显。其中对节点1电压的敏感度最高，对节点6电压的敏感度最低。随着离节点1越来越远，对相应节点的敏感度越来越低，从而调整电压的效果会越来越差。

3.3.2 小水电发电机组进相运行的敏感度矩阵

由式(6)可得小水电发电机组进相运行的敏感度矩阵如式(9)所示。

(9)

在系统中，分别设置牛颈项电站进相容量为0.320Mvar、灯芯桥电站进相容量为0.545Mvar、新坪垭电站进相容量为0.390Mvar、界岭电站进相容量为0.605Mvar、斑桃电站进相容量为0.640Mvar、仿真后得到部分系统节点电压如表7所示。

表7 电站进相运行后的各个节点电压

将表5和表7数据带入式(9)中，可得小水电发电机组运行后的敏感度矩阵如式(10)所示。

(10)

由式(10)可得，界岭电站和斑桃电站进相运行时，对节点1电压的敏感度较高；当界岭进相运行时对节点4电压的敏感度较高。灯芯桥电站进相运行时，对节点1、3、4、5、6的敏感度基本相同。总体上各个电站进相运行对节点调压效果基本相同。

3.3.3 改变变压器变比的敏感度矩阵

由式(6)可得变压器变比的敏感度矩阵如式(11)所示。

调整变压器T1的分接头的挡位为2，即变压器T1的高压侧实际电压与低压侧实际电压之比为1.025，故可得变比变化率为0.025。改变变压器变比后的节点电压如表8所示。

(11)

表8 改变变压器变比后的节点电压

将表5和表8数据带入式(11)中，可得改变变压器变比的敏感度矩阵如式(12)所示。

(12)

由式(12)可得，调整变压器变比对系统节点电压影响较为明显，能够达到对全局系统节点电压的要求，同时其敏感度随着母线节点越来越远离变压器变低，调整电压的效果会越来越差。

3.3.4 并联电抗器的敏感度矩阵

由式(6)可以写出并联电抗器的敏感度矩阵，如下式(13)所示。

(13)

设置并联电抗器的补偿容量为3Mvar且基准容量为10MVA，节点1的基准电压为35kV，节点10、11、12、13、14基准电压为10kV，则在PSASP中节点1处并联电抗器的正序电抗和零序电抗的标幺值都为33.333pu，节点10到14处并联电抗器的正序电抗和零序电抗的标幺值都为50pu，在电气接线图的不同补偿位置处并联电抗器的节点电压如表9所示。

表9 不同节点并联电抗器后的电压值

将表5和表9数据带入式(13)中，可得到并联电抗器的敏感度系数矩阵如式(14)所示。

(14)

由式(14)的敏感度系数矩阵可知，在补偿节点10和节点11的设置并联电抗器，得到补偿后的节点电压较好；相对于其他节点，补偿节点1对整体节点电压控制相对平滑；在补偿节点14并联电抗器对节点3的电压敏感度相对较高；在补偿节点1、12、13、14任意一处并联电抗器对节点4的电压敏感度相对较低。在补偿节点1并联电抗器相当于集中补偿，对系统整体调压效果好，其他节点则是分散补偿点，对节点电压的控制较为明显。

3.4 提出的不同单一调压措施的方案仿真对比分析

通过上文对单一调压措施的敏感度分析，可得到采取不同的单一调压措施对节点电压敏感度不同，由此提出对不同节点采用对其节点电压敏感度最高的单一调压措施，使系统节点电压能够在安全范围之内运行。不同单一调压措施方案分别为：改变节点1到节点7的线路型号，由原来的线路型号LGJ-120改为LGJ-185；界岭电站进相运行，进相容量为0.605Mvar、斑桃电站进相容量为0.640Mvar、灯芯桥电站进相容量为0.545Mvar；改变变压器的变比为1.05；在节点10、节点11并联容量为2Mvar的电抗器。通过在PSASP中仿真，得到在采用不同单一调压措施方案后的节点电压曲线如图6所示。

图6 采用不同单一调压措施方案后的调压效果

由图6可得，改变输电线路型号、改变小水电发电机组的运行方式、改变变压器变比、并联电抗器均可在一定程度上抑制节点电压的升高，保证系统能够安全的运行。改变输电线路型号虽然可以使节点电压降低，但是小水电配电网的输电线路一般为较长的线路，这会造成耗费大量的资金，一般要根据实际工程情况来考虑。改变变压器变比相对于改变输电线路的型号来说较为经济，同时由图6可看出调压效果相对于改变输电线路较好，但是变压器变比仅可适用在系统无功功率充足的情况。如果系统无功功率较少，选择改变变压器变比则不能达到预期的调压效果。并联电抗器是一种较为经济的常用调压手段，通过在节点电压敏感度高的节点并联电抗器，可以达到一定的调压效果。并联电抗器一般分为集中补偿和分散补偿，并联电抗器集中补偿是为了降低整体的电压，但是某些节点仍然相对较高，因此需要进行分散补偿使节点电压降低，但在实际工程中分散补偿的后期维护和管理较为麻烦。由图6可得，改变小水电发电机组的运行方式较改变输电线路型号、改变变压器变比和并联电抗器有着较为平滑的调压曲线。一般小水电发电机组都具备由原来的过励运行转换为欠励运行，调压较为方便经济。

结语

本文主要以小水电的单一调压措施理论为基础，以陕南某变电站的夏季丰水期和冬季枯水期的典型运行方式为研究对象，通过单一调压措施的敏感度系数矩阵得出不同节点的电压敏感度，通过在不同节点的单一调压措施方案的调压效果对比，改变小水电发电机组的运行方式具有较好的调压效果，为其他含小水电配电网的电压调整提供了一定的借鉴意义。