朱娟娟

(陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中 723000)

含有小水电群的区域配电网电压质量研究

朱娟娟

(陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中 723000)

针对小水电供电的季节性特点，对陕西省城固县北部配电网中的小水电站运行工况进行了分析，分别研究小水电在夏季丰水期和冬季枯水期的运行情况，利用相关历史数据对配电网在不同运行工况进行理论计算，提出不同季节特性下配电网安全稳定运行的措施和方法。最后对该模型的配电网提出电压质量治理的建议，对确保含有小水电群的配电网电压质量治理有一定的借鉴意义。

小水电群； 配电网； 电压质量； 研究

提高含有小水电群的配电网电压质量，不仅保证用户的电能质量，对充分利用水力资源也具有重要意义。小水电作为一种清洁的可再生能源得到了国家的大力支持与发展，小水电在负担偏远山区供电的同时，在夏季丰水期也可以将剩余电能外送带动社会经济的发展。但是小水电大部分远离负荷中心，地处偏远山区地带，大部分水电机组就近接入10 kV配电网。在这些地区变电站分布较少、主变容量不大，配电网网架结构薄弱，10 kV输电线路过长等。加之小水电的季节性特点，这些客观因素导致在夏季丰水期，小水电满发情况下受制于配电网结构电能不能大量外送，导致弃水现象存在[1-2]。在冬季枯水期，小水电停发或少发的情况下，因线路过长导致负荷电量供应不足，电压无功存在波动，电能质量不合格等现象[3-5]。同时，由于小水电不受调度统一管制，小水电的电压、无功、有功及功率流向等数据难以监测，给配电网的安全稳定运行带来不利影响。本文对陕南城固县北部区域含有小水电群的配电网运行情况进行分析，着重研究小水电在夏季丰水期如何有效进行电能外送，以及在冬季枯水期如何保证配电网末端用户的电能质量，并利用历史数据进行分析计算，以提出相应的措施和方法。

1 区域配电网概况

陕西省城固县北部配电网主要由110 kV司家铺变电站、35 kV桔园变电站、35 kV小河变电站、恒发三级电站(包含马家沟水电站、白果树水电站、狮坝水电站)及110 kV廉庄变电站等，其配电网总体示意图如图1所示。

该区域配电网由110 kV司家铺变电站经1回35 kV司桔线至35 kV桔园变电站，35 kV桔园变电站引1回35 kV桔文线与35 kV文川变电站相连，35 kV桔园变电站通过1回35 kV桔小线与35 kV小河变电站相连，35 kV小河变电站与恒发三级电站通过35 kV狮坝线相连，同时恒发三级电站也通过110 kV廉白线与110 kV廉庄变电站相连，目前廉庄变电站负荷较小，远期与洋县的110 kV垣门变电站联网。该区域配电网主要由35 kV司桔线及入网的小水电来完成供电，其中恒发三级电站装机容量5.2万千瓦，其余几座小水电装机容量较小，只有400 kW。

图1 区域配电网总体结构示意图

在夏季丰水期，恒发三级电站所有水电机组满发运行，由于110 kV廉庄变电站负荷过小，发电机组的大部分电能只能通过35 kV桔小线、35 kV司桔线向110 kV司家铺变电站倒送。同时由于输电线路过长，35 kV司桔线线径较小，导致了小河变电站35 kV母线电压严重偏高，有时甚至高达41.6 kV。在冬季枯水期，恒发三级电站基本不发电，小河变电站所带电力负荷需全部从110 kV司家铺变电站提供，同时也由于输电线路过长，负荷较重，导致小河变电站35 kV母线电压过低，严重时电压低至29.6 kV。所以，小水电的季节性和配电网现有的结构引起无论是在夏季丰水期还是冬季枯水期，区域含有小水电群的配电网电压质量均不合格[6-8]，必须采取积极有效的解决措施以保证满足电压质量要求。

2 夏季过压运行分析

在夏季丰水期，水电厂发电量多，恒发三级水电站总装机容量为5.2万千瓦，年设计发电量19 240万千瓦时，主要依靠35 kV司桔线、110 kV廉白线上网。因35 kV司桔线、35 kV桔小线线径小，而目前110 kV廉庄变电站基本负荷偏小，引起水电站电能不能大量外送，造成水力资源严重浪费；同时也造成35 kV小河变电站母线电压升高，严重时母线运行电压达41.6 kV。2015年恒发三级水电站上网结算电量为7359万千瓦时，配电网夏季潮流流向示意图如图2所示。

图2 配电网夏季潮流流向示意图

目前110 kV廉庄变电站最大负荷达1.4万千瓦，狮坝水电站110 kV侧直配变压器最大负荷为1.0万千瓦，满发剩余功率须通过狮坝水电站主变压器，经狮坝线送往35 kV小河变电站，再经35 kV桔小线送往35 kV桔园变电站，由桔园变电站将一部分送往35 kV文川变电站，最后经35 kV司桔线送往110 kV司家铺变电站。2015年8月35 kV小河变电站、桔园变电站功率月运行数据如表1所示。

表1 35 kV小河变电站、桔园变电站功率月运行数据

从表1可知，狮坝线传输最大功率为：

S=15 297+j5 203.6；

桔小线传输最大功率为：

S=14 418+j3920.3；

司桔线传输最大功率为：

S=6711+j4761。

丰水期水电厂发电功率达4.5万千瓦，区域配电网目前最大负荷为2.4万千瓦，可由水电站全部负担，剩余功率则倒送至主网大系统。

由于35kV桔小线导线型号为LGJ-95，其允许载流量为272A(40 ℃)，最大负荷为：

即1.5664万千瓦，不能将剩余电能2.1万千瓦完全送出。

3 冬季欠压运行分析

在冬季枯水期，水电站基本不发电，线路负荷全部由主网系统供电。冬季北部最大负荷2.3万千瓦，35kV司桔线导线型号为LGJ-120，最多能带1.6万千瓦负荷。北部电网用电缺口达0.7万千瓦，会造成对工业用户限电生产，引起供需矛盾；同时由于线路过长也造成35kV小河变电站母线电压偏低，严重时出现过母线运行电压为29.13kV。冬季枯水期配电网潮流流向示意图如图3所示。

图3 配电网冬季潮流流向示意图

根据2015年2月2日桔园变电站运行数据，如表2所示。

表2 桔园变电站日运行数据表

图4 配电网35 kV系统潮流分布图

图5 系统等值电路图

由表2可知：司桔线传输功率为：

S1=16 035+j4739.8;

假设狮坝线传输功率为零，则配电网35kV系统潮流分布如图4所示，系统等值电路如图5所示。

桔文线传输功率为：

S2=7021.0+j2059.8;

桔小线传输功率为：

S3=8305.7+j3920.3;

司桔线参数：

R1=0.27×13.46=3.63 Ω,X1=0.347×13.46=4.67 Ω;

桔文线参数：

R2=0.65×14.35=9.32 Ω,X2=0.351×14.35=5.03 Ω;

桔小线参数：

R3=0.33×27.81=9.17 Ω,X3=0.354×27.81=9.84 Ω。

电网电压损耗计算如下：

司桔线电压损耗：

△U1=(P1R1+Q1X1)/U=2.295 kV;

桔小线电压损耗：

△U3=(P3R3+Q3X3)/U=3.278 kV;

系统线路电压损耗为：

△U=△U1+△U3=5.573 kV;

电压损耗百分值为：

△U%=5.573/35=15.9%。

计算可知，小河变电站电压为35-5.573=29.427kV，电压明显偏低，不能满足运行要求。

4 电压质量治理措施

小水电的季节性特点，导致了含有小水电群的区域配电网在运行方式和安全稳定方面需要在不同的时刻采取不同的解决措施，从而保证配电网的可靠运行和经济运行，现对含有小水电群的区域配电网在夏季、冬季运行如何保证电压质量符合要求提出如下解决方式。

(1)配电网结构如图1所示，现有电网结构中110kV廉垣线未并入主网系统，加之110kV廉庄变电站只有较小的部分10kV负荷，要将水电厂电能外送，就必须增加35kV桔小线的输电导线截面，这样既保证在夏季丰水期消化所有水电电能，又可保证在冬季枯水期配电网末端负荷的电压质量要求。

35kV桔小线线径选择：

35kV桔小线原来输电导线型号LGJ-95，最大负荷为1.5664万千瓦。

若三级小水电发电功率提高到4.5万千瓦，110kV廉庄变电站最大负荷达1.4万千瓦，狮坝水电站110kV侧直配变压器最大负荷1.0万千瓦，而小河变电站负荷基本为零，因此送入桔小线最大负荷为2.1万千瓦。

方案1：35kV桔小线型号改为LGJ-150，其允许载流量为360A(40 ℃)，最大负荷为：

方案2：35kV桔小线型号改为LGJ-185，其允许载流量为416A(40℃)，最大负荷为：

考虑到后期负荷的增加及沿线可能有小水电的接入，35kV桔小线输电线路型号选择LGJ-185比较合适。同时在夏季丰水期运行时，35kV小河变电站所有的无功功率设备应全部退出运行。

(2)根据冬季欠压运行分析可知，35kV小河变电站冬季最大负荷时电压为29.427kV，电压严重偏低，不能满足系统运行要求。为了达到系统电压运行要求，必须采用无功补偿装置[9-10]以提高电压质量。目前35kV小河变站已有无功功率补偿容量1200kvar，无法满足提高运行电压要求，还必须追加无功功率补偿容量。

按提高运行电压质量要求确定补偿容量值，增加的补偿电容容量为：

由于补偿点在35 kV小河变电站变压器的低压侧，所以电抗X应含有变压器自身电抗。变压器自身电抗为：

折算至高压侧电抗为：11.48×3.52=140.63 Ω。

代入数据得补偿电容容量为：

目前35kV小河变电站已有无功功率补偿容量1200kvar，因此还需增加补偿电容器容量为： 2299-1200=1099 kvar。

根据电容器的规格和标准容量，最终选取增加的电容器容量为1200 kvar。

5 结束语

通过对城固北部含有小水电群的区域配电网进行分析，在夏季丰水期过压运行和冬季枯水期欠压运行时对配电网电压质量的影响，提出了相应的解决方法和措施。为了保证该类型的含有小水电群的配电网安全可靠经济的运行，针对该配电网模型提出以下建议：

(1)小水电的季节性特点及地理位置，决定了该类型配电网存在运行上的电压质量不合格等缺陷，为了消除这些缺陷带来的配电网安全稳定运行问题，应积极做好配电网的网络架构规划，优化配电网结构。同时在小水电的接入过程中，接入点的位置、容量等对配电网的安全稳定运行及电压情况也影响很大，应在前期进行有效论证。

(2)夏季丰水期，配电网沿线的所有小水电为了提高经济效益，都在抢发有功功率，导致配电网的电压质量不满足要求。因此必须对配电网中的所有小水电做统一调度和协调运行工作，通过调整小水电机组的运行方式，参与配电网的电压调整，以达到稳定电压质量和配电网的安全可靠运行。

(3)冬季枯水期，在负荷较重的情况下，处于配电网输电线路末端的电压会严重偏离电压的合格水平。就此应积极做好全网的电压无功功率补偿的规划工作，优化全网无功功率补偿的容量、位置，同时在中、低压配电网实施动态无功功率补偿，来满足重负荷、远距离输电电压质量的要求。

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[责任编辑：张存凤]

Study on voltage quality of regional distribution network containing small hydropower groups

ZHU Juan-juan

(School of Electrical Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,China)

According to the seasonal characteristics of small hydropower,this paper analyzes and studies the operation condition of small hydropower station in the northern distribution network of Chenggu. The operation of small hydropower in the wet season in summer and the dry season in winter are studied respectively. The relevant historical data are used to theoretically calculate the distribution network under different operating conditions; the paper also proposes the measures and methods of safe and stable operation of distribution network under different seasonal characteristics. In the end,the suggestion of voltage quality control is put forward for the distribution network of the model,which can be used for reference to ensure voltage quality control of distribution network containing small hydropower group.

small hydropower stations； distribution network； voltage quality； research

2096-3998(2017)03-0025-06

2016-10-26

2016-12-30

陕西省教育厅科学研究计划项目(16JK1140)

朱娟娟(1979—)，女，陕西省礼泉县人，陕西理工大学实验师，主要研究方向为电力系统分析与电气控制技术。

TM714.2

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