張禹墨 張牧桑 周力行

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);串聯(lián)補(bǔ)償;光伏并網(wǎng)

分布式光伏發(fā)電具有出力間歇性特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)逆變器作用后接入配電網(wǎng)，可能會(huì)造成電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)多重電能狀況，常見的有電壓不穩(wěn)定、諧波與諧振等。嚴(yán)重影響供電質(zhì)量，甚至造成配網(wǎng)鐵磁諧振，危及電網(wǎng)安全。

許多集成光伏電站建在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的偏遠(yuǎn)地區(qū)，甚至處于線路末端，滿發(fā)電時(shí)可能使接入點(diǎn)處電壓過(guò)高;而不出力時(shí)又可能出現(xiàn)低電壓?jiǎn)栴}，一般采取無(wú)功補(bǔ)償方式來(lái)進(jìn)行電壓調(diào)整。目前已有將串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)用于配電線路的研究和應(yīng)用，取得了研究成果及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累。然而，電壓異常的電路與電線長(zhǎng)度有關(guān)，出現(xiàn)問(wèn)題的電路大概率是配電線路較長(zhǎng)的系統(tǒng)。補(bǔ)償設(shè)備效果與布放位置密切相關(guān)，要求探索出確保電壓盡可能穩(wěn)定，且需要的補(bǔ)償設(shè)備最少，效果最佳的方案。。目前通常采用潮流計(jì)算選取合適位置和容量，尚無(wú)確定含光伏及風(fēng)電接人線路最佳補(bǔ)償度的理論模型和具體方案?；诖耍疚慕Y(jié)合綜合能效質(zhì)量，構(gòu)建此類線路串聯(lián)補(bǔ)償優(yōu)化模式來(lái)明確補(bǔ)償度。

1光伏并網(wǎng)線路潮流計(jì)算方法

典型輻射型10kV線路，其潮流計(jì)算采用前推回代法。對(duì)于風(fēng)電或光伏此類分布式接入配電網(wǎng)方法，最為關(guān)鍵內(nèi)容是怎樣處理風(fēng)電場(chǎng)及光伏節(jié)點(diǎn)位置。通過(guò)對(duì)以往電網(wǎng)潮流統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，常見節(jié)點(diǎn)有PV節(jié)點(diǎn)、PQ節(jié)點(diǎn)和平衡節(jié)點(diǎn)三類形式。結(jié)合風(fēng)電光伏特點(diǎn)，我們將采用PQ節(jié)點(diǎn)，即根據(jù)給定的相關(guān)參數(shù)求出風(fēng)電機(jī)組的有功和無(wú)功功率。但因?yàn)轱L(fēng)電光伏穩(wěn)定性較差，如果容量規(guī)模較大，將其看成PQ節(jié)點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)限制，計(jì)算誤差大。因此，對(duì)于光伏并網(wǎng)線路的潮流計(jì)算，應(yīng)首先對(duì)光伏節(jié)點(diǎn)做預(yù)處理。

由于光伏借助逆變器進(jìn)入配電網(wǎng)，同時(shí)采取電流控制逆變器方法，那么輸出功率與電流表達(dá)式如下：

上式中：I為電源注入配電網(wǎng)的電流幅值，V為節(jié)點(diǎn)電壓幅值。式（1）即為PI模型。潮流計(jì)算時(shí)，能夠通過(guò)迭代法來(lái)計(jì)算出電壓大小，結(jié)合式（1）得到注入的無(wú)用功率，再進(jìn)行迭代處理，便可以轉(zhuǎn)換成PQ節(jié)點(diǎn)。

2串聯(lián)補(bǔ)償優(yōu)化模型

顯然，可以調(diào)節(jié)補(bǔ)償度k來(lái)控制末端電壓。若負(fù)載保持不變，降低電流可以明顯減少串補(bǔ)線路的損耗，并且也將降低線路電抗值，降低縣域無(wú)功功率，進(jìn)而可以減少線路無(wú)功損耗。

通過(guò)潮流計(jì)算，我們可以發(fā)現(xiàn)安裝補(bǔ)償裝置后，線路電壓是符合GB/T 12325-2008標(biāo)準(zhǔn)的。同時(shí)，線路極限輸送功率占比率也符合最小阻值，降耗效果最明顯，可見優(yōu)化模型是符合要求的。下面，需要計(jì)算最佳補(bǔ)償位置和相應(yīng)補(bǔ)償容量。

定義AP（K）為串補(bǔ)度K下的網(wǎng)損，k是指電壓符合最低限值的補(bǔ)償度，A（cos0）是指輸送功率占比率，也就是補(bǔ)償度K情況下極限輸送功率和負(fù)載功率因數(shù)cos0的極限輸送功率最大值的比值，A（（cos0）是指極限輸送功率占比率最低限值，kpm=是指功率符合最小限值時(shí)的串補(bǔ)度。則串聯(lián)補(bǔ)償度最優(yōu)值k：實(shí)際應(yīng)用中，按下述步驟求解（3）式獲得最優(yōu)補(bǔ)償度。①結(jié)合具體線路來(lái)設(shè)計(jì)極限輸送功率和電壓限值;

②計(jì)算潮流，挑選出首個(gè)不合格電壓節(jié)點(diǎn)，或者以電壓下降最快節(jié)點(diǎn)來(lái)作為補(bǔ)償設(shè)備安裝位置;

③計(jì)算阻抗，若初始補(bǔ)償度是1，對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)線路來(lái)完成串聯(lián)補(bǔ)償;

④計(jì)算潮流，主要對(duì)補(bǔ)償后電壓分布、線路耗損、首端輸送功率進(jìn)行計(jì)算;

⑤以K=0.01的間隔來(lái)擴(kuò)大補(bǔ)償度，直至節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量、線路極限輸送功率符合標(biāo)準(zhǔn)，確保節(jié)點(diǎn)損耗最低，盡可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)補(bǔ)償度;

⑥以此對(duì)補(bǔ)償位置進(jìn)行處理，直至得到補(bǔ)償位置相應(yīng)補(bǔ)償度和綜合能效;

⑦將各個(gè)補(bǔ)償位置補(bǔ)償度和能耗進(jìn)行比較，選出合適補(bǔ)償點(diǎn)位置和補(bǔ)償容量。

3光伏并網(wǎng)線路的串聯(lián)補(bǔ)償案例分析

結(jié)合以上操作過(guò)程，本文借助Maflab軟件來(lái)對(duì)線路補(bǔ)償能耗進(jìn)行分析。結(jié)合光伏電站末端電壓可能會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定或電壓較低問(wèn)題，我們將適當(dāng)提高末端電壓，來(lái)挑選出合適串聯(lián)補(bǔ)償點(diǎn)位置及補(bǔ)償容量，并給出補(bǔ)償綜合能效分析結(jié)果;再分析光伏電站全容量出力時(shí)線路電壓分布是否滿足要求。一般光伏電站的容量不大，其出力有利于線路電壓分布而不會(huì)越限。典型算例為湖南某地10kV線路，該線路末端的#170桿塔處有光伏電站接入，容量為1MW。當(dāng)光伏滿出力時(shí)，在沒有補(bǔ)償情況下線路節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖3。顯然光伏接入有利于該線路電壓分布，提高了線路末端電壓。但在光伏不出力時(shí)，線路末端的觀測(cè)點(diǎn)電壓過(guò)低，考慮在10kV主干線上安裝補(bǔ)償裝置。

在串聯(lián)補(bǔ)償計(jì)算前對(duì)線路進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先將支線全部負(fù)荷轉(zhuǎn)移到主干線路，不考慮支線的線路阻抗。同時(shí)，不考慮變壓器影響。其次，確保主干線路總長(zhǎng)度相同，可以適當(dāng)縮減主干線路的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，或者可以將多個(gè)節(jié)點(diǎn)合并成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)負(fù)荷大小是兩者之和，若距離周圍節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，可以適當(dāng)降低阻抗。其中，下表表示簡(jiǎn)化線路觀測(cè)點(diǎn)負(fù)荷分布狀況。

據(jù)調(diào)研，確定該線路的最大負(fù)荷率0.40、平均負(fù)荷率0.3，取重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)0.9以上、輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)0.7以下的情況作為研究特例。

補(bǔ)償前線路在重負(fù)荷時(shí)電壓分布如圖2虛線，線路多個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓低于標(biāo)準(zhǔn)要求;經(jīng)計(jì)算，將串聯(lián)補(bǔ)償點(diǎn)位置放在第5觀測(cè)點(diǎn)（#125桿塔）處，補(bǔ)償容量為5.8，電壓分布如圖2實(shí)線，其補(bǔ)償效果明顯。

但如果是集成光伏電站，其容量大到6MW時(shí)，仿真得到其接入點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)的電壓過(guò)高越限。對(duì)線路進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償，由于串聯(lián)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)性，能根據(jù)線路負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償容量，串補(bǔ)后一般不會(huì)出現(xiàn)電壓越限情況。

式（5）的第3個(gè)分量是指串聯(lián)電容器補(bǔ)償電壓量，不難發(fā)現(xiàn)可以起到很好降低AU效果，換言之確保了電壓差穩(wěn)定，避免出現(xiàn)電壓突然變化情況。那么，若處于光伏滿出力情況下，串聯(lián)電容器將可以很好縮減電壓升高量，進(jìn)而改善整體的電壓，確保電壓穩(wěn)定性。補(bǔ)償?shù)碾妷毫靠蓪憺椋?/p>

I.是指負(fù)載電流，0是指功率因數(shù)角。式（6）反映電壓補(bǔ)償量和線路負(fù)載電流將呈現(xiàn)正相關(guān)，若負(fù)荷增加，那么電壓補(bǔ)償量也需要增大;反之，若線路負(fù)荷降低，那么電壓補(bǔ)償量也將下降，不會(huì)有過(guò)補(bǔ)償情況出現(xiàn)。在整個(gè)串聯(lián)補(bǔ)償電路中，線路電流將實(shí)時(shí)響應(yīng)，可以很好確保整個(gè)線路安全，也可以起到降低能耗效果。

串聯(lián)電容器可以起到降低等效電抗作用，可以產(chǎn)生首末端電壓相反的電壓補(bǔ)償量，有效補(bǔ)充電壓差，進(jìn)而可以提升線路的供電能力與功率因素，避免損耗，確保線路控制符合要求.也就是維持在+5%-7%范圍。

串聯(lián)補(bǔ)償出現(xiàn)的補(bǔ)償效果將與符合補(bǔ)償能力密切相關(guān)，呈現(xiàn)正相關(guān)，造成的補(bǔ)償無(wú)功也將自動(dòng)隨著負(fù)荷電流改變而改變，適應(yīng)性較強(qiáng)。

4結(jié)論

（1）串補(bǔ)線路可以有效保持線路電壓穩(wěn)定，可以將其應(yīng)用于光伏、風(fēng)電等新能源配電線路。換言之，串補(bǔ)線路可以在電壓不足時(shí)提供電壓，也可以在線路滿出力狀態(tài)時(shí)降低線路過(guò)高的電壓，確保整個(gè)線路電壓穩(wěn)定。

（2）通過(guò)建立綜合能效優(yōu)化模型計(jì)算補(bǔ)償點(diǎn)位置和補(bǔ)償容量，在滿足全線電壓質(zhì)量要求的前提下，可顯著提高線路負(fù)荷容量;同時(shí)還降低了有功損耗，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。