小水電靈活併網控制技術

小水電併網可以通過靈活的網路控制方法，利用調整小水電併網點的方法，改變饋線潮流方向，從而實現抑制饋線電壓越限的效果。小水電作為一種清潔無污染、可再生、具有良好生態與社會效益的綠色能源，其重要性日益突出。小水電大多分布在山區地帶，其中多數小水電為缺乏庫容調節能力的徑流式水電站。由於山區10kV饋線供電距離長，沿線大量小水電的無序併網，導致饋線電壓經常性越限，嚴重影響配電網的正常運行。

基本介紹

• 中文名：小水電靈活併網控制技術
• 外文名：Flexbile Control Technology of Small Hydropowerfor Grid Connection
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 特點：可調節性差，缺乏庫容
• 套用：小水電併網控制，防止電壓越限

背景

隨著國內能源與環境問題的日益緊張，我國將建設資源節約型和環境友好型社會作為國民經濟和社會發展中長期規劃的一項戰略任務。電力行業作為國民經濟發展中最重要的基礎能源產業之一，勢必要大力提倡使用清潔能源，建設綠色電網，開闢低碳環保的電網運行模式。

小水電作為一種清潔無污染、可再生具有良好生態與社會效益的綠色能源類型，其重要性日益突出。小水電在解決農村用電、帶動農村經濟社會發展、改善生產生活條件、促進節能減排等諸多方面發揮了重要作用。我國的小水電資源豐富，分布廣泛。經過幾十年的建設，國內小水電發展己達到相當規模，特別是在新世紀國家提出節能減排、綠色科學發展的要求後，小水電得到了更迅速的發展。

小水電多存在於山區，就近接到10kV饋線，實現併網發電。然而，山區負荷分散、負荷密度低，變電站偏少，使得10 kV饋線供電距離往往長達10-20 km。而沿線併網的小水電根據雨量情況發電，發電時饋線沿線電壓偏高;不發電時饋線末端電壓偏低。因此，10kV饋線電壓水平隨著小水電出力的變化呈現越上限或越下限兩個極端，嚴重影響配電網的正常運行和沿線居民的正常用電需求。

小水電併網的特點

小水電以分散式發電的形式在配電網大規模併網發電，改變了傳統的配電網運行方式，從原來的無源網路變為有源網路、單向潮流變為雙向潮流，尤其是沿線電壓分布不均和電壓大幅波動的情況日益凸顯。小水電電網主要有以下幾個特點：

首先是系統布局不合理。由於目前許多農村配電網為樹形延伸拓撲結構，整體結構並不完善。用電負荷增加時，電網上的消耗增加，故障率也增高。有些地方小水電的建設和發展在配電網形成之後，小水電一般直接就近接到己有配電網內，隨著小水電的建設，原有的配電網線路當做小水電的輸電線路來使用，由於導線截面不大，線路的損耗加劇，直接影響到小水電的經濟效益及電能質量。

其次是繼電保護裝置不配套。地方小水電系統因設備簡單，繼電保護裝置也較簡單，一般均不設專門的繼保機構，整個系統的繼電保護從型式選擇、整定計算以及各級之間的相互配合等的設計、安裝、調試工作無專人負責。如果配電網的繼電保護整定是在小水電投入使用之前進行，小水電投入後由於網路結構及潮流流向的改變，而原有的繼電保護裝置整定值沒有及時相應調整，容易造成保護裝置的誤動、拒動或者越級跳閘等，造成不應有的停電。

此外，小水電在不同售電協定下，不受電網的統一調度管理，其相對獨立的運行特徵表現為“無序併網”行為，對現有配電網的穩定運行造成極大衝擊。其中，小水電無序併網的電壓控制問題成為實際運行控制和管理中的難點。電網的電壓過高或者過低，容易引起潮流的不合理分布，導致整個電網的經濟運行水平下降，還會影響用電設備的安全運行，很可能使設備損壞，電力質量下降，發電量降低等。在國家要求大力發展新能源的前提下，在小水電資源豐富地區，尤其需要對大量的小水電併網實現“有序”管理。

小水電併網問題及措施

小水電併網的主要問題

1)電壓問題。由於小水電發電量受降雨量影響，不同季節發電量差異很大，而且如果出現負荷高峰時發電量較低、負荷低谷時發電量較高的情況，電壓波動幅度尤為明顯。常見的電壓問題有：豐水期時變電所母線電壓偏高；小水電接10 kV線路導致電壓偏高；枯水期時長線路電壓偏低；此外，小水電啟停、故障也對電網電壓造成衝擊。

2)小水電機組無功問題。小水電站的功率因數高達0.98到0.99，其不發無功或者是無功發不出的現象普遍存在，且較為嚴重。

3)小水電監測不足問題。小水電不受電網統一調度管理，大量小水電無序併網使得配電網的電壓問題難以控制，難以保證電能質量。

小水電電壓問題機理分析

小水電接入配電網會引起原來網路結構的變化，從而潮流也發生變化。對一個簡單的配電網的理想模型進行分析，如圖所示。

簡單配電網理想模型

為了簡化計算，各段電路的電壓損耗可用電壓降落的縱分量來代替。在接入小水電之前，各段電路的電壓損耗為：

式中： 為額定電壓。

線路的總的電壓損耗為：

節點2的電壓為：

由於小水電發電量Ps+Qs要比線路上的損耗大得多，在進行節點電壓比較時可以將線路中的損耗忽略。在比較小水電接入前後節點2的電壓可以得出，小水電接入以後，節點電壓被抬高了，並且小水電的發電容量不同時，節點電壓的幅值是不同的。當小水電發電量大到一定程度時候，節點0,2之間的電壓損耗為負值，末端電壓比始端電壓高，這就解釋了小水電在豐水期發電量高時，配電網中會出現變電站母線電壓偏高的現象。同時也可以看出，小水電的接入位置對配電網的電壓也會造成影響，當小水電接入位置不同時，線路總的電壓損耗是不同的，各節點電壓也會相應的變化。

解決電壓問題的主要措施

針對富含小水電配電網運行的複雜性及特殊J險，其電壓最佳化控制主要的措施和手段包括：調節變壓器抽頭、制定小水電功率因數考核指標、改變發電機的機端電壓、套用無功補償裝置調節電壓、套用線路電壓調節器和更換線徑大的線路等。

然而，對於小水電無序併網所導致的電壓問題，從電網側看，目前的配電網網架以輻射形式為主，覆蓋面積廣，單純採用專線併網必然造成網路結構進一步複雜、運行控制難度進一步加大的局面；而由於線路沿線電壓分布不均，採用變電站集中調壓的方式難以滿足電壓要求；此外，配置專門的電壓調節設備也面臨點多面廣，設備投入數量大的問題。從電源側看，間歇式能源分散式發電多為用戶投資，電網通過購電協定完成電力交易。因而，電網對其沒有直接控制權力，難以通過眾多小水電的協調運行實現線路沿線電壓的合理分布；同時，小水電設備簡單，沒有配置完善的電壓協調控制裝置及相應的設備，其無序併網行為容易對配電網的運行造成極大影響。因此，在小水電無序併網地區，單純採用現有的電壓調節方法難以現實配電網線路電壓的有效控制。

小水電併網控制技術

含小水電的饋線簡化模型

根據10kV饋線各支線上小水電和用戶台區的實際情況進行分類如下：

1)C類：對於一個或幾個相鄰的用戶台區，可以忽略中間線段長度，視為統一的用戶台區節點。

2)S類：對於一個或幾個相鄰的小水電，可以忽略中間線段長度，視為統一的小水電結點。

3)X類：對於某條支線，小水電與用戶混合，稱為混合支線。一個或幾個相鄰的混合支線，均視為一個統一混合的結點。

無論是S類、C類或X類，在不同時期、不同時間表現各不相同，如下所示：

C類：功率吸收端，消納無功和有功；特點是隨著時間不同功率消納力度不同。

S類：功率發生端，釋放無功和有功；特點是隨著時間不同，功率釋放力度不同。

X類：當X區域的C>S時，表現為C當X區域的C<S時，表現為S；特點是隨著時間不同，表現不同。

無論是何種線路均可以表征為C，S，X的不同排列組合，主要可分為集中型和混雜型兩大類，如右圖所示。

圖25集中型線路簡化模型

圖26混雜型線路簡化模型

基於拓撲變化的小水電併網控制策略

針對集中型饋線的小水電併網問題，通過在變電站配置適量的電抗器進行集中補償即可解決。而針對混雜型饋線的小水電併網問題，則構建C類和S類的最佳化匹配模型，通過分組最佳化計算確定最佳配置方案，從而改變網路拓撲實現小水電的靈活併網控制。基於拓撲變化的小水電靈活併網控制的基本原理如下：

以上圖混雜型線路簡化模型為例，線上路末端為S2端高功率無功小水電輸出，而在前段為C1端功率消耗端，若X端表現為S特性，則整條線路表現為後端電壓過高。此時可以通過改變併網點的方式將原來的布局進行有序調整，使源與荷最佳化匹配，改變原有線路的潮流方向，從而控制線路沿線電壓將在規定範圍內合理分布，調整後的線路如圖所示。

最佳化後的線路

基於拓撲變化的小水電併網控制方案

通過一次線路建設和改造完成對小水電和負荷分組的最佳化匹配控制，最大程度實現小水電就近消納，綜合解決小水電電壓偏高問題。由該方法得出的控制方案包含幾組控制模式，對應網路拓撲變化的控制策略，通過對負荷與小水電進行最佳化匹配，實現小水電的就近高效消納，減少線路上的有功和無功傳輸，在一定程度上抑制了線路電壓偏高。該方案如圖所示。

小水電靈活併網控制方案