含光伏电源的10kV线路串联补偿

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  关键词:配电网;串联补偿;光伏并网
  分布式光伏发电具有出力间歇性特点,经过逆变器作用后接入配电网,可能会造成电网系统出现多重电能状况,常见的有电压不稳定、谐波与谐振等。严重影响供电质量,甚至造成配网铁磁谐振,危及电网安全。
  许多集成光伏电站建在远离负荷中心的偏远地区,甚至处于线路末端,满发电时可能使接入点处电压过高;而不出力时又可能出现低电压问题,一般采取无功补偿方式来进行电压调整。目前已有将串联補偿技术用于配电线路的研究和应用,取得了研究成果及运行经验积累。然而,电压异常的电路与电线长度有关,出现问题的电路大概率是配电线路较长的系统。补偿设备效果与布放位置密切相关,要求探索出确保电压尽可能稳定,且需要的补偿设备最少,效果最佳的方案。。目前通常采用潮流计算选取合适位置和容量,尚无确定含光伏及风电接人线路最佳补偿度的理论模型和具体方案。基于此,本文结合综合能效质量,构建此类线路串联补偿优化模式来明确补偿度。
  1光伏并网线路潮流计算方法
  典型辐射型10kV线路,其潮流计算采用前推回代法。对于风电或光伏此类分布式接入配电网方法,最为关键内容是怎样处理风电场及光伏节点位置。通过对以往电网潮流统计发现,常见节点有PV节点、PQ节点和平衡节点三类形式。结合风电光伏特点,我们将采用PQ节点,即根据给定的相关参数求出风电机组的有功和无功功率。但因为风电光伏稳定性较差,如果容量规模较大,将其看成PQ节点将会出现限制,计算误差大。因此,对于光伏并网线路的潮流计算,应首先对光伏节点做预处理。
  由于光伏借助逆变器进入配电网,同时采取电流控制逆变器方法,那么输出功率与电流表达式如下:
  上式中:I为电源注入配电网的电流幅值,V为节点电压幅值。式(1)即为PI模型。潮流计算时,能够通过迭代法来计算出电压大小,结合式(1)得到注入的无用功率,再进行迭代处理,便可以转换成PQ节点。
  2串联补偿优化模型
  显然,可以调节补偿度k来控制末端电压。若负载保持不变,降低电流可以明显减少串补线路的损耗,并且也将降低线路电抗值,降低县域无功功率,进而可以减少线路无功损耗。
  通过潮流计算,我们可以发现安装补偿装置后,线路电压是符合GB/T 12325-2008标准的。同时,线路极限输送功率占比率也符合最小阻值,降耗效果最明显,可见优化模型是符合要求的。下面,需要计算最佳补偿位置和相应补偿容量。
  定义AP(K)为串补度K下的网损,k是指电压符合最低限值的补偿度,A(cos0)是指输送功率占比率,也就是补偿度K情况下极限输送功率和负载功率因数cos0的极限输送功率最大值的比值,A((cos0)是指极限输送功率占比率最低限值,kpm=是指功率符合最小限值时的串补度。则串联补偿度最优值k:实际应用中,按下述步骤求解(3)式获得最优补偿度。①结合具体线路来设计极限输送功率和电压限值;
  ②计算潮流,挑选出首个不合格电压节点,或者以电压下降最快节点来作为补偿设备安装位置;
  ③计算阻抗,若初始补偿度是1,对补偿点线路来完成串联补偿;
  ④计算潮流,主要对补偿后电压分布、线路耗损、首端输送功率进行计算;
  ⑤以K=0.01的间隔来扩大补偿度,直至节点电压质量、线路极限输送功率符合标准,确保节点损耗最低,尽可能实现最优补偿度;
  ⑥以此对补偿位置进行处理,直至得到补偿位置相应补偿度和综合能效;
  ⑦将各个补偿位置补偿度和能耗进行比较,选出合适补偿点位置和补偿容量。
  3光伏并网线路的串联补偿案例分析
  结合以上操作过程,本文借助Maflab软件来对线路补偿能耗进行分析。结合光伏电站末端电压可能会出现电压不稳定或电压较低问题,我们将适当提高末端电压,来挑选出合适串联补偿点位置及补偿容量,并给出补偿综合能效分析结果;再分析光伏电站全容量出力时线路电压分布是否满足要求。一般光伏电站的容量不大,其出力有利于线路电压分布而不会越限。典型算例为湖南某地10kV线路,该线路末端的#170杆塔处有光伏电站接入,容量为1MW。当光伏满出力时,在没有补偿情况下线路节点电压分布如图3。显然光伏接入有利于该线路电压分布,提高了线路末端电压。但在光伏不出力时,线路末端的观测点电压过低,考虑在10kV主干线上安装补偿装置。
  在串联补偿计算前对线路进行简化。首先将支线全部负荷转移到主干线路,不考虑支线的线路阻抗。同时,不考虑变压器影响。其次,确保主干线路总长度相同,可以适当缩减主干线路的负荷节点,或者可以将多个节点合并成一个节点,同时负荷大小是两者之和,若距离周围节点较远,可以适当降低阻抗。其中,下表表示简化线路观测点负荷分布状况。
  据调研,确定该线路的最大负荷率0.40、平均负荷率0.3,取重负荷运行时功率因数0.9以上、轻负荷运行时的功率因数0.7以下的情况作为研究特例。
  补偿前线路在重负荷时电压分布如图2虚线,线路多个节点电压低于标准要求;经计算,将串联补偿点位置放在第5观测点(#125杆塔)处,补偿容量为5.8,电压分布如图2实线,其补偿效果明显。
  但如果是集成光伏电站,其容量大到6MW时,仿真得到其接入点后节点的电压过高越限。对线路进行串联补偿,由于串联补偿的自适应性,能根据线路负荷变化自动调整补偿容量,串补后一般不会出现电压越限情况。
  式(5)的第3个分量是指串联电容器补偿电压量,不难发现可以起到很好降低AU效果,换言之确保了电压差稳定,避免出现电压突然变化情况。那么,若处于光伏满出力情况下,串联电容器将可以很好缩减电压升高量,进而改善整体的电压,确保电压稳定性。补偿的电压量可写为:
  I.是指负载电流,0是指功率因数角。式(6)反映电压补偿量和线路负载电流将呈现正相关,若负荷增加,那么电压补偿量也需要增大;反之,若线路负荷降低,那么电压补偿量也将下降,不会有过补偿情况出现。在整个串联补偿电路中,线路电流将实时响应,可以很好确保整个线路安全,也可以起到降低能耗效果。
  串联电容器可以起到降低等效电抗作用,可以产生首末端电压相反的电压补偿量,有效补充电压差,进而可以提升线路的供电能力与功率因素,避免损耗,确保线路控制符合要求.也就是维持在+5%-7%范围。
  串联补偿出现的补偿效果将与符合补偿能力密切相关,呈现正相关,造成的补偿无功也将自动随着负荷电流改变而改变,适应性较强。
  4结论
  (1)串补线路可以有效保持线路电压稳定,可以将其应用于光伏、风电等新能源配电线路。换言之,串补线路可以在电压不足时提供电压,也可以在线路满出力状态时降低线路过高的电压,确保整个线路电压稳定。
  (2)通过建立综合能效优化模型计算补偿点位置和补偿容量,在满足全线电压质量要求的前提下,可显著提高线路负荷容量;同时还降低了有功损耗,获得较好的经济效益。
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