（电力系统及其自动化专业论文）小水电系统电压无功问题及控制方案研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 在能源日益短缺和污染日益严重的今天，作为分布式能源的小水电开发利用具 有十分重要的意义。小水电站的问题是智能电网的关键之一。本文主要研究小水电 系统的电压无功问题及控制方案。本文分析了目前小水电机组的运行特点和福建南 靖县小水电运行存在的主要问题，通过仿真计算，给出典型小水电系统对电网电压、 网损及无功影响的评估结果；从三个方面提出了富含小水电系统电压的控制技术， 针对每种技术方案进行优缺点分析，给出方案可行的仿真结果。最后，针对福建南 靖电网需要解决的问题，完成了采用电压调节器、并联电抗器等治理新技术的电压无 功控制方案，给出了南靖电网的技术改造建议。本文应用m a t l a b ，b p a ，p s c a d 建立仿真模型进行仿真分析。仿真结果表明文中提出的方案能够解决富含小水电的 南靖电网的主要问题，为南靖电网的技术改造提供可靠参考。 关键词：小水电，电压，电压调节器，并联电抗器 a b s t r a ；i i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n tt od e v e l o ps m a l lh y d r o p o w e r , w h i c hi sr e n e w a b l ea n d w i t h o u tp o l l u t i o nw h e ne n e r g yr e s o u r c es c a r c i t ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni sm o r e s e r i o u s t h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fs m a l lh y d r o p o w e ri sak e yf a c t o rt ob u i l ds m a r t 鲥d t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ro fs m a l lh y d r o p o w e rs y s t e m a n di t sc o n t r o ls t r a t e g y i ta n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lh y d r o p o w e ro p e r a t i o na n dt h e p r o b l e m sn e e dt ob es o l v e do fn a n j i n gp o w e r 鲥d i ts i m u l a t e ss m a l lh y d r o p o w e r si n f l u e n c e o nv o l t a g e ，n e t w o r kl o s sa n dr e a c t i v ep o w e r t h i sp a p e rp u tf o r w a r ds o m ev o l t a g ec o n t r o l t e c h n o l o g y , a n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sf o re a c ht e c h n o l o g yp r o g r a m a tl a s t , w ec o m p l e t et h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g yu s i n gv o l t a g er e g u l a t o r s ，s h u n t r e a c t o r sa n do t h e rn e wt r e a t m e n tt e c h n o l o g y ，a n d g i v es u g g e s t i o no ft h et e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o nt o n a n j i n gp o w e rs y s t e m t h i sp a p e rb u i l d su pt h es i m u l a t i o nm o d e li n m a t l a b ，b p a ，p s c a dt oc o m p l e t et h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h e m e t h o d sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra l ea b l et os o l v et h em a j o rp r o b l e mo f n a n j i n gp o w e rs y s t e m r i c h i ns m a l lh y d r o p o w e r , a sp r o v i d er e l i a b l er e f e r e n c et op r a c t i c a le n g i n e e r i n g z h a n gh o n g l a n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i ul i a n g u a n g k e yw o r d s ：s m a l lh y d r o p o w e r ，v o l t a g e ， v o l t a g er e g u l a t o r s ，s h u n tr e a c t o r s 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 本文主要工作2 第二章我国小水电系统的运行现状分析3 2 1 小型水电站机组运行特点3 2 2 富含小水电站电网的问题3 2 2 1 系统布局不合理3 2 2 2 继电保护装置不配套4 2 2 3 自动化水平不高4 2 3 南靖电网的主要问题5 2 3 1 电压问题5 2 3 2 小水电机组无功问题5 2 3 3 小水电机组突然甩负荷问题5 2 3 4 小水电监测不足的问题5 2 4 本章小结5 第三章富含小水电系统电压无功计算分析7 3 1 小水电对系统电压影响分析7 3 1 1 电压计算基本模型7 3 1 2 单个小水电系统电压计算8 3 1 3 多个小水电系统电压计算1 0 3 2 小水电对系统网损影响分析1 4 3 2 1 小水电对网损的影响1 4 3 2 2 网损影响仿真算例1 7 3 3 小水电对系统无功影响分析1 8 3 3 1 小水电无功不足的原因分析1 8 3 3 2 小水电无功不足的解决方法1 9 3 4 本章小结2 0 第四章富含小水电系统电压控制技术研究2 1 4 1 基于电网结构的调压技术研究2 l 4 1 1 采用专线并网2 l 4 1 2 采用集中变电站调压2 l 4 2 借助电网设备调压技术的研究2 2 4 2 1 调节变压器的分接头调压2 2 4 2 2 小水电发电机组进相调压2 2 4 3 采用专用设备的调压技术研究2 3 4 3 1 电压调节器调压2 3 4 3 2 并联电抗器调压2 5 4 3 3 电容器调压2 7 华北电力犬学硕十学位论文 4 4 本章小结2 9 第五章福建南靖电网的电压无功控制方案3 0 5 1 线路t 接电压问解决方案3 0 5 2 丰水期电压问题的解决方案3 4 5 3 日负荷电压变化问题解决方案3 5 5 4 长线路电压问题解决方案3 7 5 5 小水电机组无功问题的解决方案4 2 5 6 水电机组突然启停问题的解决方案4 4 5 7 本章小结4 5 第六章结论与展望4 6 参考文献4 7 致谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 1 华北电力人学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着能源危机和环保压力的增大，小水电的开发、利用开始受到人们的广泛关 注n 2 3 】。但是，由于小水电大多分布在远离负荷中心的山区，因输电距离远和导线 截面小，多数系统存在因系统侧电压封锁水轮发电机的无功出力，导致系统电压合 格率低和无功功率流向不合理等问题h 1 ；而提高机端电压运行，可能危及水轮发电 机组的安全，也影响电网运行的经济性瞄1 。例如，福建南靖梅林变电站，由于梅二 水电站的接入，经常使该电网的电压过高或过低，经常出现烧毁用户设备的事件； 另外，由于受系统侧电压的钳制，梅二水电站机组很难向系统输出无功，仅仅通过 依靠调节变压器的分接头，不可能有效解决这种供电系统的电压、及无功问题。因 此，小水电站系统的电压和无功是需要研究的课题。 小水电站系统的电压过高或过低，影响用电设备的安全，用电设备事故可能引 发电网事故，影响整个电网的安全运行。而水电站机组不发无功，电网低功率因数 运行，将导致整个电网损耗增大；大规模电网无功缺乏还可能带来电网的稳定问题。 另外，小水电的接入也使得配电网的结构变得复杂，给电网规划设计、运行调度带 来了很多困难。因为，小水电站运行不受电力公司控制，在调度中心很难监测到小 水电站出力、电压、功率流向等数据，出现问题也不能及时处理。尤其是径流式小 水电站，其出力的变化受降雨量的影响，运行方式变化容易造成电网电压的波动， 某些节点电压甚至可能越限。这些问题也是未来智能电网建设必须解决的问题，因 此本论文的工作具有重要意义和学术价值。 1 2 国内外研究现状 小水电站属于一种分布式发电设备。分布式发电与传统大电网并联运行后，大 量电力电子设备和电容、电感的引入，将改变传统电力系统的网络拓扑，从而影响 潮流的分布，给电网的稳定性带来了不确定性呻1 ，现阶段研究分布式发电对电网的 影响主要有1 ) 对网损的影响h 叫；2 ) 对稳态电压分布的影响n 2 1 ；3 ) 对线路潮 流的影响n 6 2 们；4 ) 对电能质量的影响，主要体现在电压c i j 变和谐波两个方面乜卜2 钔； 5 ) 对故障电流的影响瞳5 2 ；6 ) 其他还有对系统保护、可靠性的影响乜引。 小水电系统通常属于地方配电网或农网。目前国内也初步开展了关于小水电系 统无功出力对网损及潮流的影响心9 1 ，以及小水电并入配电网的可靠性的研究仉3 。 但是由于电压等级低和问题复杂等原因，人们的关注程度和开展的研究工作都不 华北电力大学硕+ 学位论文 够。按照当今电力科技的发展，本论文提出的问题也属于分布式发电( d g ) 系统的 问题口2 | ，d g 系统并网、保护、控制等问题是国家“8 6 3 计划”资助研究的课题。因 此，随着可再生能源的开发、利用，本论文的问题无疑是需要研究的学术问题。 从应用的角度，福建是我国的小水电基地之一，小水电系统的规模大，项目研 究成果极具推广价值。本项目针对国家、国网公司能源领域的科学技术发展，结合 福建电网小水电多、并将得到更大发展的实际，提出从小水电系统的规划设计、运 行管理角度，研究、解决小水电系统存在的实际问题，对福建电网的发展具有指导 意义和实际应用价值。目前，未见有与论文完全相同的研究成果报道。 1 3 本文主要工作 本论文根据电网技术发展和福建省电力有限公司要求，通过对小水电电网问题 的分析，以及电压控制、配电串补等技术的分析计算，给出漳州南靖县电网高质量 供电的可行性方案，为南靖智能电网工程的实施奠定基础。 l 、现状电网运行情况和主要问题的分析 基于小水电分布式电源的属性，本文阐述了目前小水电机组的运行的特点，分 析了福建南靖县小水电运行存在的主要问题，论述了论文工作的重要性和紧迫性。 2 、小水电对系统电压无功的计算分析 在掌握了漳州典型小水电系统运行特征的基础上，通过m a t l a b ，b p a 等仿真软 件计算，给出典型系统对电网电压，网损及无功的影响评估结果：小水电接入到配 电网中的容量、位置因素，对系统的电压和网络损耗都有较大的影响。小水电接入一 方面可以减少网络损耗改善节点电压，另一方面也可能使得电压被抬高而使某些节点电 压越限，造成母线电压偏高，因此我们应该对小水电的接入位置和容量进行系统优化配 置，从而达到满足网损和电压质量的要求。 3 、富含小水电系统电压控制技术研究 基于小水电对系统电压无功网损的影响计算，针对南靖电网的具体问题，从三 个方面提出了富含小水电系统电压的控制技术：基于电网结构的调压技术；借助电 网设备的调压技术；采用专用设备的调压技术。针对每种技术方案进行优缺点分析， 给出仿真结果。 4 、福建南靖电网的电压无功控制方案 根据提出的需要解决的问题，利用b p a 、b l a t l a b 仿真软件，完成采用电压调节 器、并联电抗器等改造及治理新技术的研究和解决方案：线路t 接电压问题，丰水期电 压问题，日负荷电压变化问题，长线路电压问题，小水电机组无功问题及小水电机组突 然启停等问题的解决方案。 2 华北电力人学硕十学位论文 第二章我国小水电系统的运行现状分析 2 1 小型水电站机组运行特点 小水电分布在广大的农村地区，尤其是偏僻边远的山区。溪流纵横，水流落差 大，水能资源丰富，小水电适合分散布点，就地开发，就近成网，成片供电。小水 电站机组大都为径流式，其输出功率随着降水量变化，导致其输出功率不确定。 ( 1 ) 分散布点，就地开发，就近供电 小水电由于受河流流量及落差的控制，一般小水电站装机容量小，从几千千瓦 到几万千瓦，库容小，电站调节性能差，多为径流式发电。电站分散布点，就地开 发，就近供电。因此小水电规模小，分布广，成分布式电源状态。例如，福建漳州 南靖县小水电站达1 0 0 余座。 ( 2 ) 小水电就近成网，成片供电 由于小水电站装机容量小，单机容量也小，供电电压等级相应低，一般为3 5k v 以下电压就近供电，供电半径短由于水库的库容小，水能调节性能差，为了提高 供电可靠性和发电机组运行稳定性，各个小水电站就近联网，电能相互补缺，相互 调剂，形成一个小配电网，成片供电。 ( 3 ) 小水电运行维护简单 小水电站如分布电源一样，由于装机容量小，输出线路的电压等级较低，有1 1 0 k v 、3 5k v 、1 0k v 等，输出线路的导线截面积随之小，电杆和铁塔相对2 2 0k v 和 5 0 0k v 的铁塔矮多了。因此线路运行维护相对超高压的简单容易，不需要大量的人 力和大型机械设备，遇到自然灾害容易修复。在2 0 0 8 年中国南方的冰雪灾害中， 大电源、超高压线路5 0 0k v 线路倒塔、断线，大电站的电能送不出，恢复5 0 0k v 线路调集了大量的人力物力，设备支援才得以恢复，而且恢复时间相对长，同样情 况下，分布式的小水电比大电网可靠性还高。 ( 4 ) 小水电站作为大电网的黑启动电源 2 0 0 8 年1 月中国南方各省遭受5 0 年来持续半月的极端冰冻灾害，大电网的5 0 0 k v 和2 2 0k v 线路纷纷断线倒塔，外部电能送不进，一个县甚至一个市成为电力孤 岛，停电数日，地区电网全网崩溃全黑，大电源由于断线有电送不出，不能黑启动 电网，只能就近以小水电站作为黑启动电源，启动电网。逐步恢复电网运行。 2 2 富含小水电站电网的问题 2 2 1 系统布局不合理 华北电力人学硕十学位论文 系统布局不合理，线路损耗大，故障率较高，经济效益差。随着农村用电不断 普及，系统供电量逐年增加，一些新增用户都就近接用电源，致使系统网络呈“树 枝 型向纵深发展延伸。早年建设的配电线路逐渐变为输电线路，造成供电半径过 大，线路导线截面偏小。局部线路超负荷运行，损耗增加：随着运行年限的延长， 系统绝缘水平逐年下降，故障率较高。系统中任一环节事故均会波及整个网络，产 生连锁反应，甚至造成系统瓦解，根本无供电可靠性可言。既给地方国民经济带来 损失，也影响小水电企业本身的经济效益。 2 2 2 继电保护装置不配套 继电保护装置与系统不配套，整定不合理，不能满足运行要求。地方小水电系 统因设备简单，继电保护装置亦较简单，般均不设专门的“继保 机构，故整个 系统的继电保护从型式选择、整定计算以及各级保护之间的互相配合等设计、安装、 调试工作无专人负责。由于供用电负荷同益增加，系统各种参数随之改变，而继保 整定值仍停留在原来的数值上没有作相应调整当系统发生事故时，保护装置的误 动、拒动或者越级跳闸的现象时有发生，造成不应有的大面积停电损失。 2 2 3 自动化水平不高 与电网联网的地方小水电系统，因设备简单，自动化水平不高并网与解网的一 系列操作均由值班员手动进行，劳动强度大，事故机率高，t 当发生事故解网时，小 水电系统将不可避免地受到影响。 负荷大于发电能力的地方小网，并网后部分负荷由大网负担，如突然脱网，这 部分负荷将全部压向地方小网，引起地方小网电压频率急剧下降，最后不堪重负， 势必造成各小水电站机组跳闸停机，地方小水电系统随之崩溃瓦解。 地方小水电系统在丰水期电能盈余并网后向大网输送有功功率，如此时突然 脱网，即相当于发电机甩负荷：机组过速，电压频率很快升高，直接威胁系统设备 绝缘与安全。 解网后，地方小水电系统经过一系列调整操作，逐步恢复局部运行，但如大网 恢复送电又需并网时，地方系统调度必须先通知各小水电机组停机，然后再通知联 网开关合闸，将大网电压送到各小水电机组母线后，各小水电机组才能逐一开机并 网。这一停电过程快则数分钟慢则数十分钟才能结束，除给工农业生产用电和群 众生活用电造成损失外，对部分厂用电要求较高的发电站来说，停电时间过长，也 是一种潜在的事故隐患。上述种种，严重影响地方小水电系统的安全生产与稳定运 行，也严重制约着地方国民经济建设的发展和小水电企业本身的经济效益。 4 华北电力人学硕士学位论文 2 3 南靖电网的主要问题 2 3 1 电压问题 小水电站的建立缓解了当地电力不足的情况，但是它也给电网的运行带来了一 些问题。变电站母线电压偏高经常越限运行，且电力公司经常接到用户设备烧毁的 举报，电网公司供电的电能质量和可靠性都受到考验。电能质量低直接影响着系统 设备的安全运行。小水电的存在给电网的运行带来的问题需要迫切地解决。 主要的电压问题有以下几种： 1 丰水期变电所母线电压偏高的问题； 2 小水电t 接l o k v 线路导致电压偏高的问题； 3 线路轻载导致电网电压偏高的问题； 4 长线路电压偏低的问题。 另外，由于配电网中加入的这些小水电站，无疑给配电网的安全可靠运行加入 了许多的扰动因素。其启停、故障必然会导致电网电压的变化。 2 3 2 小水电机组无功问题 据调查，小水电站的功率因数高达0 9 8 - - - 0 9 9 ，其不发无功或者是无功发不出 的现象普遍存在，且较为严重。 2 3 3 小水电机组突然甩负荷问题 系统因某种原因而甩掉部分负荷的时候，小水电机组与部分负荷形成一个微 网，如果此时，小水电机组发电功率大于负荷功率将导致发电机转子加速旋转，导 致电压升高，严重时候烧毁设备，发电机飞车。 2 3 4 小水电监测不足的问题 小水电站监测不足，导致调度中心在进行停电检修等操作的时候，没有办法调 度小水电而增添了安全隐患问题。 另外，由于小水电带来的诸多问题，也由于监测控制的不足，而使得许多问题 得不到根本的解决。 2 4 本章小结 本章从我国小水电系统的运行现状出发，总结了小型水电站机组的运行特点， 阐述了富含小水电站电网的主要问题，同时在调研南靖电网的基础上，分析了南靖 5 华北电力大学硕士学位论文 电网存在的电压问题，无功问题，监测问题等主要问题，归结为分布式电源对于辐 射型配电网电压和无功的影响。基于以上南靖电网存在的主要问题，本文将从电网 方面考虑，通过加装一些设备对其潮流和电压的控制和调节；从电站方面考虑，从 小水电站现有的设备条件下，对其站内的一些设备以及其并网的线路做出调整，以 解决富含小水电站的南靖复杂电网的各种问题。 6 华北电力人学硕士学位论文 第三章富含小水电系统电压无功计算分析 上一章我们分析了富含小水电站电网存在的问题及南靖电网的主要问题，归结 为分布式电源对于辐射型配电网电压和无功的影响。小水电系统是一个复杂的分布 式供电系统。小水电接入电网，改变电网的潮流分布，从而对节点电压，无功，网 络损耗产生重大影响。 3 1 小水电对系统电压影响分析 3 1 1 电压计算基本模型 首先，建立理想模型如图3 1 所示 图3 - i 理想模型 为了简化计算，各段电路的电压损耗可用电压降落的纵分量来代替，则各段电路的 电压损耗为 a u ：墨墨垒兰, u n 为额定电压。 线路总的电压损耗为 u = u + = 半+ 半 节点2 的电压为 = - a u = 一等等一鼍等 如果在节点i 接入小水电，则节点2 的电压变为 = - a u = 一型鼍笋必一半 ，q j 为接a 4 , 水电的有功出力和无功出力。 队。，1110 一 尥曷罡 一 u rii_=u q舄耻 。一 v 卜 华北电力人学硕士学位论文 如果在节点2 接入小水电，则节点2 的电压变为 以：以一u ：玑一墨坠燮一竺三旦丝2 卫蔓型墨 、 u nu n 比较小水电接入前后节点2 的电压可以得出，小水电接入以后，节点电压被抬高了，并 且小水电的发电容量不同时，节点电压的幅值是不同的。同时也可以看出，小水电的接 入位置对配电网的电压也会造成影响，当小水电接入位置不同时，线路总的电压损耗是 不同的，各节点电压也会相应的变化。 在小水电的支撑下，往往线路电压调节器不得不适当调整分接头，以适应小水 电对某些节点的电压抬高；若小水电突然退出运行，变化率指标较大的节点因缺少 电压支撑，会遭受低电压的严重电能质量问题。因为电压调节器动作需要一定时间， 等待调压器做出调整，对用户而言是不能接受的。为避免出现这种现象，相应指标 变化剧烈的节点还应考虑安装必要的能够快速动作的电压支撑设备。从另一个角度 也说明，小水电运行应尽可能维持在高功率因数，尽量减少无功出力。系统维持电 压所缺额的无功就地由电容器来提供。这样，即使分布式发电退出运行，相应节点 都电压也不至于波动太大。 3 1 2 单个小水电系统电压计算 以一个1 6 节点的实际配电网为例，网络结构如图3 2 所示，网络结构参数如表 3 1 、3 2 所示。 1 图3 21 6 节点某配电网网络结构图 8 8 6 华北电力人学硕十学位论文 表3 - 1 网络结构参数 ( 1 ) 小水电接入位置不同 在以下的三种情况下：1 ) 未接入小水电；2 ) 将单个小水电接入节点8 ；3 ) 将 单个小水电接入节点1 5 ，用潮流程序计算各节点电压得到电压分布图如图3 3 所示。 在此，统一假设小水电都有功出力为o 5 0 0 m w ，无功出力为0 3 0 0 m v a r 。 负荷节点 图3 3 接入位置变化引起的电压分布变化曲线 从图3 3 中可以看出，在没有小水电发电支撑的情况下，配电网未端多个节点 和某些局部位置的电压已接近安全运行的下限，负荷高峰期，末端电压极有可能越 9 华北电力人学硕士学位论文 限。相反，在节点8 和节点15 有小水电并网以后，线路上的电压有了明显的改善， 比低电压下限高3 。于是，分布于配电网中的小水电对配电网线路的电压分布的 改善作用非常明显。 ( 2 ) 小水电电源出力变化试验 同样的网络数据和负荷，小水电也安装在相同的地点。对接入小水电的出力进 行随机变动，小水电的出力分别假设为以下两种情况1 ) 小水电的有功出力为 0 5 m w ，无功出力为0 3 m v a r 。2 ) 小水电的有功出力为1 5 m w ，无功出力为0 9 m v a r 。假设小水电还在节点8 处接入，用潮流程序算出个负荷节点电压的变化结 果绘制在图3 4 中。 幽 删 # 糖 图3 4 接入容量变化引起的电压分布变化曲线 仿真结果表明不改变小水电接入位置的情况下，电压支撑由小水电的总出力情 况决定。从节点8 接入大容量的小水电曲线可以看出，部分节点的电压被抬高幅度 较大，已经高于1 0 k v , ，这就说明接入小水电的容量越大，可能造成某些负荷节点 的电压大幅度增加。总出力越多，与负荷的比值越高，电压支撑就越大，整体电压 水平就越高。 3 1 3 多个小水电系统电压计算 为了更直接清楚的看到多个小水电运行对配电网的影响，现在选择多点链式的 配电网络为研究对象。 沿馈线将每一个集中负荷视为一个节点并加以编号，从变电所的0 母线开始， 1 0 华北电力人学硕士学位论文 一次变为1 ，2 ，n 。每一小段线路的电阻和阻抗分别为r ，五，形成的配电网络 如图3 5 所示，选择系统母线为参考节点。 日+ q i昱+ q 2b + _ ，q 3只+ j f q 图3 5 多节点链式配电网络 算例中每一段线路的阻抗、各节点负荷大小以及并入小水电的出力数据分别 见表3 3 和表3 4 。系统母线电压取为1 0 2 。所有的负荷与小水电电源出力均是相对 与1 0 m v a 基值的标幺值，电压基值为l o k v 。 表3 3 线路阻抗和节点负荷数据 ( 1 ) 未接入小水电与接入小水电 华北电力大学硕十学位论文 按照表3 4 给定的小水电的位置和容量分两次进行仿真：1 ) 未接入小水电电源， 用潮流程序计算配电网各节点的电压。2 ) 所有的小水电电源都投入运行，用潮流 程序计算配电网各节点的电压。得到电压分布曲线如图3 - 6 所示。 图3 - 6 接入多个小水电前后的电压分布 由图3 6 可以看出，在没有小水电发电接入配电网的情况下，馈线末端多个节 点的电压已接近安全运行的下限。负荷高峰期，末端电压极有可能越限。接入小水 电发电后，线路上的电压有了明显改善。由此可见，分布于配电网中的小水电电源 对馈线的电压分布的改善作用非常明显。 ( 2 ) 改变小水电的接入位置 保持每个小水电电源出力不变，只改变它们在网络中的位置。首先分两种情况 进行仿真：1 ) 小水电电源的数量为5 个，接入位置如表3 5 所示，分别进行潮流计 算，得到仿真结果如图3 7 所示。2 ) 将5 个小水电集中放置在一个节点上，观察接 入位置与平衡点距离不同时，电压的变化。节点位置如表3 - 6 所示，分别进行潮流 计算，得到仿真结果如图3 8 所示。 表3 5 小水电电源的分布位置 1 2 华北电力人学硕+ 学位论文 负荷节点 图3 7 接入位置变化引起的电压分布变化曲线 由图3 7 可以看出，小水电电源出力不变的情况下，接入配电网的位置变化时， 得到的电压分布也有着较大的差异。曲线2 和曲线5 末端电压在被抬高以后，不再 是整条馈线上的电压的极小点。在线路末端接入小水电的电压分布曲线如曲线5 中， 电压抬高的效果要优于接入点在系统母线附近的组合如曲线3 所示。 表3 石小水电电源的接入位置 从图3 8 可以看出，小水电集中在一个节点上，或者说当小水电大容量接入时， 接入节点位置不同所形成的电压分布有很大的差别。小水电的接入位置越接近于系 统母线，对线路电压分布的影响越小；小水电电源集中在同一个节点上对电压的抬 高不如分散在多个节点上；当小水电在配电网的馈线末端接入的时候，还有可能使 得节点电压过高，从而造成越限的可能性。如图在节点2 0 处接入大容量小水电的 电压分布变化曲线，如果位置选择不当，小水电的电压支撑会使得某些节点的电压 高于额定电压，甚至高于送端系统母线电压。如果末端节点的小水电发电退出运行， 线路末端的电压变化幅度将过大。 华北电力人学硕士学位论文 051 01 5 负荷节点 图3 - 8 集中在一个节点上位置变化引起的电压分布变化曲线 根据本算例的数据，局部极大电压出现在末节点，但大量仿真表明，如果较大 容量的小水电发电接人在馈线中部，局部极大电压也就出现在线路中部。比较图3 8 中的曲线3 和图3 7 中的曲线l ，曲线l 可以视为曲线3 向系统母线逼近的极限组 合，两者的电压分布依然存在相当的差别。精心比较可以发现：分布式发电越接 近系统母线，对线路电压分布的影响越小；分布式发电集中在同一节点，对电压 的支持效果要弱于分布在多个节点上；从减小电压变化率的角度，分布式发电并 不适宜在末节点接人系统，相反，可选择在线路中间偏末端的位置或位置组合。 3 2 小水电对系统网损影响分析 3 2 1 小水电对网损的影响 网损是由变压器损耗似和线路损耗m 两部分组成。忽略变压器的漏感损耗， 当电网电压变化不大，铁芯饱和影响可以不计时，在给定时间丁内，网损为： 鲋= m + m = r c 叱等+ 哦苦，出+ 喜r 串。3 出 式中：，晶是配电变压器的额定电压( k v ) 和额定容量( k v a ) ： 叱，屹是每f 台配电变压器的空载和短路损耗( k w ) ； 1 4 华北电力人学硕+ 学位论文 u ，墨是第i 台配电变压器高压侧的实际线电压( k v ) 和传递视在功率( k v a ) ； u ，s ，是第，段导线末端线电压( k v ) 和传输的视在功率( k v a ) ； 刀，所是指网内配电变压器的台数和线路的段数； 尺，是指第，段单相导线的电阻q 。 ( 1 ) 水电站发电对变压器损耗的影响 上式中的第一项为刀台变压器分别在实际电压o = l ，2 ，力) 和传递实际视在 功率s ( f = 1 ，2 ，刀) 时总损耗电能。第一部分为空载损耗电能，与负荷大小无关， 而与电压的平方成正比。当水电站发出的无功功率( 滞后) 增加时，将使电网电压 有所上升，变压器的空载损耗也将随之增大。第二部分为变压器的铜损电能，与 传递的功率的平方成正比。在负荷标称功率不变的情况下，由于电阻性负荷( 如照 明、加热器等) 消耗的功率与电压的平方成正比，所以当水电站发出无功功率增大 而使电网电压升高时，这部分损耗也将随之有所增大。由此可见，水电站发出的 无功功率增大时，变压器损耗也随之增加，但由于电网电压随小水电站的无功功 率的变化波动不大，所以变压器损耗受水电站影响并不大。 ( 2 )水电站发电对线路损耗的影响 上式中的第二项为电网的线路损耗电能，与其传输的视在功率的平方成正比。 线路可分为两部分，即干线和支线。干线为水电站与二次变电所之间的输电线路， 其作用是将电力通过支线传送给负荷和网内剩余功率通过二次变电所送入高压输 电网络，这部分损耗受水电站的影响较大。支线为从干线至配电变压器之间的线 路，其作用是将电力通过配电变压器送给负荷，所以若忽略水电站对电网电压的 影响，则支路损耗与水电站基本无关。下面重点分析干线损失。 对于干线而言，一个支线相当于一个负荷墨d 。s 在数值上为该支线上变压器 损耗、线路损耗和负荷视在功率的代数和。为便于说明，以一个支线为例，如图3 1 0 所示，进行分析。在图3 - 9 中，a 为二次变电所，b 为水电站，r ，r ：分别为a 、b 两电源至等效负荷& d 之间输电线路单相电阻。 尺 彳口 图3 - 9 电网示意图 ( 3 ) 功率分析 当仅由变电所a 供电时，干线损耗有功功率为 华北电力人学硕十学位论文 叱d = 争r 。 小水电b 发电，电网变成双侧供电，小水电b 发电后， s l d = sa + s b 上式中，邑和& 分别为由a ，b 电源经r 。，吃：提供给负荷的视在功率。相应的干线有 功功率损耗为 蝇s = 等吃。+ 等吃： 将置d 用s a 与& 之和表示，则有： 叱d = 掣驴趾警丛雹。 如果置。= 心：，则刖乞 蝇s 。 上式说明，在此条件下，只要小水电提供的视在功率小于负载的视在功率，小水电 的接入将使线损下降。 如果吃。吃：，那么使叱d 刖的条件为： j 冀吃。+ r ：( 霹+ 2 e & + ) 吃 b l d 2 s + s b 即 品彘 或者 s 8s s + i r l i - 瓦r 2 s 上面两式取等号时为由b 电源提供至节点c 的临界视在功率毫对应的小水电发电的临 界视在功率为 = 砖+ 荸r ： 综合分析以上几式，可以得出如下结论： 1 ) 当r 。 即在线损出不大于4 甜的条件下，该网的负荷不仅 可完全由水电站供电，而且还可将部分剩余功率送入高压输电网络； 3 ) 在保证龇s 龇d 的条件下，也：愈小，水电站发电的临界视在功率愈大，所以 如果水电站b 的装机容量较大，为增大，必须增大由b 站至c 节点输电线的截面， 以降低吃：； 4 ) 负荷愈大，愈大。 3 2 2 网损影响仿真算例 从上一节的分析可以知道，小水电的接入位置是影响网损的主要因素之一。以 2 1 3 节提到的含2 0 个节点的配电网进行仿真，系统总的有功负荷为4 9 6 3 m w ，无 功负荷为5 0 6 7m v a r 。当系统任何位置都为接入小水电的时候，系统的网络损耗为 1 0 6 5 m w 。为了研究小水电接入位置对网络损耗的影响，分别在负荷1 ，2 ，按表 3 7 所示的容量接入单个小水电电源，设基准功率为1 0 0 m w a ，将计算的有功功率 损耗结果绘制如图3 1 0 ，四种情况下网损最小值及其对应节点信息如表3 8 由图3 1 0 和表3 7 可以看出，当小水电电源的容量不同时，网损最小值出现对 应的接入位置不同。引入小容量的小水电，网损的变化图基本上呈现下降趋势，接 入小水电电源的位置离母线越远，网损降低的越多，因此应该尽量将小容量的小水 电电源配置在输电线末段附近，这样可以大幅度的减少输电线上的损耗。对于大容 量的小水电电源，小水电接入不同位置时的网络损耗成u 型，因此尽量将小水电电 源配置变电所即母线附近合适的位置，否则可能会增大网络损耗。当小水电电源集 中分布于配电网的前端时，当小水电的有功输出小于负荷的容量范围内时，增加小 水电的有功输出可以减少配电网的网损，但随着小水电容量的增加，减少程度是趋 向于饱和的；而当小水电的有功输出大于负荷容量时，再增加小水电的有功输出， 配电网网损减少率将下降，因为此时小水电不单是只是承担地区性负荷，还反向上 一级电网输出功率，地区性变电站流出电流方向将变为反向、流向电源；再增加小 水电有功输出将使配电网的网损增加。当小水电电源集中分布在配电网的末端时， 且小水电的有功输出大于负荷容量时，网络损耗开始增加。 表3 7 小水电出力容量 1 7 华北电力大学硕十学位论文 表3 8 网损最小值及其对应节点 t a b l em i n i m u ml o s sa n di t sc o r r e s p o n d i n gn o d e c a s e网损最小时接入位置网损值( m w )网损变化率 小水电接入节点 图3 1 0 接入位置不同的网络损耗曲线 3 3 小水电对系统无功影响分析 因受到并网线路线径、发电机励磁系统、电网电压的钳制，小水电站发不出无 功的问题普遍存在。 3 3 1 小水电无功不足的原因分析 ( 1 ) 线路参数不合适 线路参数不合适，致使发动机发不出无功。由于小水电大多处于偏远山区，通 过l o k v 配电线路或分支线入网，线路较长、电压等级不高、导线截面偏小等问题。 同步发电机的空载电动势可简化由如下公式表示： e 0 2 u n + l z n 式中：瓦为发电机的空载电势( v 或k v ) ： ，为发电机输出电流( a ) ； 电网电压可以认为是恒定的，而发电机的空载电势也可以说是一定的。从上式 中可以看出：如果输电线路越长导线截面越小，亦即阻抗越大，则发电机输出电流 就越小；如果发电机的原动力不变，电流中的有功分量也基本不变，减小的主要是 无功分量，所以发电机向电网输送的无功功率减小。 ( 2 ) 升压变压器选用不当 小水电在配置主变压器时，由于种种原因，购不到合适的升压变压器，而采用 降压变压器，又由于输电线路比较长其降压比较大，而大电网为了确保l o k v 供电 区的各条线路末端电压合格，其l o k v 线路以1 0 5 k v 电压运行，因此当小水电站以 降压变压器作升压变压器使用，这是升压变压器端电压既要与大电网潮流电压平 衡，又必须克服线路阻抗产生的压降u ，因而并网小水电的升压变压器的高压侧 端电压常要高于运行电压( 【，) 1 0 5 k v 水平，即【厂+ a u = 1 0 5 + a u ，这 时有可能使发电机的机端电压要升高约额定电压的1 1 1 1 5 倍左右才能并网发 电。发电机机端电压升高，甚至超过额定电压运行的极限状态，因而导致发电机的 功率因数值也随之升高，功率因数上升，从而也就限制了无功的输出。 ( 3 ) 发电机的励磁系统容量不足。 运行中，随着并网机组所带负荷的增加，机端电压相应升高，当机端电压达到 1 0 5 以时，定子铁芯已经相当饱和，在电枢反应去磁作用下，所需励磁电流较大， 但是继续增加励磁电流虽然武功出力和机端电压稍有增加，但发热严重，限制了励 磁调节，也就限制了无功输出。 3 3 2 小水电无功不足的解决方法 ( 1 ) 整改输电线路或在较近处并网。改造陈旧、导线截面较小的输电线路，更 换较大截面的导线。在较近处并网可以减少并网线路的阻抗，降低线路压降，以降 低发电机的运行电压，保持发电机应有的出力。 ( 2 ) 调换或改造现行的升压变压器。为解决小水电无功欠发的问题，对现行 小水电站以使用普通降压变压器作为升压变压器者，在条件允许的情况下，可考虑 调换l 台符合要求的升压变压器。必要时可与厂家商量，采用非标生产加工，使这台 变压器运行时能降低低压侧电压。其次是对现行的变压器进行改造，在铁芯空间允 许的情况下，可采用增加变压器绕组匝数，以原绕组的1o 为限，匝数增加后，将三 档的抽头按原要求进行改接。 ( 3 ) 改善发电机的励磁系统，增加无功功率。要使发电机在额定有功出力下 能发出额定的无功功率，就必须提高发电机的励磁电流，则要调节和改善发电机的 1 9 华北电力人学硕士学位论文 励磁系统，增加励磁系统的容量或者配备自动励磁装置。使之在允许的前提下，使 发电机获得足够的励磁电流。 并网发电机在有功功率一定的情况下，由于电网电压不变，通过增加励磁电流 后，磁通增加。但由于发电机端电压受电网电压限制不能升高，即发电机磁通增加 后，电枢绕组就出现一个滞后于电势的电流，并产生去磁的电枢反应，以抵消主磁 通的增加，此时发电机即发出感性无功，从而多发无功功率。 ( 4 ) 安装并联电容器，进行无功补偿。我县小水电大多为0 4 k v 的低压发电机 组，可以采用整套的低压电容器补偿屏。在小水电站的低压母线上进行无功补偿。 补偿容量按功率因数不大于o 8 5 为标准。这样既保证小水电送出总的有功功率只是 在较高功率因数下的损耗。既体现节能又满足小水电站的功率因数符合标准。 ( 5 ) 安排适当的调相机组。对靠近负荷中心和处在电网末端的农村小水电站， 可考虑设置容量为5 0 左右的专用调相机组，以便就近向电力用户供应无功，这对 县电网的节能降损和提高县电网末端电压，改善供电质量是极为有利的。对径流式 电站，因电站无调节能力，电站要多发有功以减少弃水，为了使该电站在非枯水期也 能向电网输送足够的无功，以弥补电网的无功不足，也须根据电站及电网的实际情 况，相应设置一定容量的备用调相机组。 ( 6 ) 为小水电安装带无功补偿控制箱的计量箱。安装此计量箱可保证各小水 电在其上网期间功率因数不大于0 8 5 时，正确计量上网的电量：当功率因数大于 0 8 5 时，该计量箱能中止计量上网电量，即自动中止发电机上网发电。因此，要求 小水电站在上网时必须随时输出一定的无功电能，保证小水电顺利上网发电。 3 4 本章小结 通过前面的理论分析和算例的仿真结果，针对小水电接入到配电网中的容量、 位置等方面的因素，我们可以得出这样的结论：小水电接入配电网对系统的电压和 网络损耗都有较大的影响。小水电接入配电网一方面可以减少网络损耗改善节点电 压，但是另一方面也可能使得电压被抬高而使某些节点电压越限，造成母线电压偏 高，因此在小水电接入时，我们应该对小水电