[科普中国]-小水电灵活并网控制技术

背景

随着国内能源与环境问题的日益紧张，我国将建设资源节约型和环境友好型社会作为国民经济和社会发展中长期规划的一项战略任务。电力行业作为国民经济发展中最重要的基础能源产业之一，势必要大力提倡使用清洁能源，建设绿色电网，开辟低碳环保的电网运行模式。

小水电作为一种清洁无污染、可再生具有良好生态与社会效益的绿色能源类型，其重要性日益突出。小水电在解决农村用电、带动农村经济社会发展、改善生产生活条件、促进节能减排等诸多方面发挥了重要作用。我国的小水电资源丰富，分布广泛。经过几十年的建设，国内小水电发展己达到相当规模，特别是在新世纪国家提出节能减排、绿色科学发展的要求后，小水电得到了更迅速的发展1。

小水电多存在于山区，就近接到10kV馈线，实现并网发电。然而，山区负荷分散、负荷密度低，变电站偏少，使得10 kV馈线供电距离往往长达10-20 km。而沿线并网的小水电根据雨量情况发电，发电时馈线沿线电压偏高;不发电时馈线末端电压偏低。因此，10kV馈线电压水平随着小水电出力的变化呈现越上限或越下限两个极端，严重影响配电网的正常运行和沿线居民的正常用电需求。

小水电并网的特点小水电以分布式发电的形式在配电网大规模并网发电，改变了传统的配电网运行方式，从原来的无源网络变为有源网络、单向潮流变为双向潮流，尤其是沿线电压分布不均和电压大幅波动的情况日益凸显。小水电电网主要有以下几个特点2：

首先是系统布局不合理。由于目前许多农村配电网为树形延伸拓扑结构，整体结构并不完善。用电负荷增加时，电网上的消耗增加，故障率也增高。有些地方小水电的建设和发展在配电网形成之后，小水电一般直接就近接到己有配电网内，随着小水电的建设，原有的配电网线路当做小水电的输电线路来使用，由于导线截面不大，线路的损耗加剧，直接影响到小水电的经济效益及电能质量。

其次是继电保护装置不配套。地方小水电系统因设备简单，继电保护装置也较简单，一般均不设专门的继保机构，整个系统的继电保护从型式选择、整定计算以及各级之间的相互配合等的设计、安装、调试工作无专人负责。如果配电网的继电保护整定是在小水电投入使用之前进行，小水电投入后由于网络结构及潮流流向的改变，而原有的继电保护装置整定值没有及时相应调整，容易造成保护装置的误动、拒动或者越级跳闸等，造成不应有的停电。

此外，小水电在不同售电协议下，不受电网的统一调度管理，其相对独立的运行特征表现为“无序并网”行为，对现有配电网的稳定运行造成极大冲击。其中，小水电无序并网的电压控制问题成为实际运行控制和管理中的难点。电网的电压过高或者过低，容易引起潮流的不合理分布，导致整个电网的经济运行水平下降，还会影响用电设备的安全运行，很可能使设备损坏，电力质量下降，发电量降低等。在国家要求大力发展新能源的前提下，在小水电资源丰富地区，尤其需要对大量的小水电并网实现“有序”管理。

小水电并网问题及措施小水电并网的主要问题1)电压问题。由于小水电发电量受降雨量影响，不同季节发电量差异很大，而且如果出现负荷高峰时发电量较低、负荷低谷时发电量较高的情况，电压波动幅度尤为明显。常见的电压问题有：丰水期时变电所母线电压偏高；小水电接10 kV线路导致电压偏高；枯水期时长线路电压偏低；此外，小水电启停、故障也对电网电压造成冲击。

2)小水电机组无功问题。小水电站的功率因数高达0.98到0.99，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。

3)小水电监测不足问题。小水电不受电网统一调度管理，大量小水电无序并网使得配电网的电压问题难以控制，难以保证电能质量。

小水电电压问题机理分析小水电接入配电网会引起原来网络结构的变化，从而潮流也发生变化。对一个简单的配电网的理想模型进行分析，如图所示13。

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。在接入小水电之前，各段电路的电压损耗为：

式中： 为额定电压。

线路的总的电压损耗为：

节点2的电压为：

由于小水电发电量Ps+Qs要比线路上的损耗大得多，在进行节点电压比较时可以将线路中的损耗忽略。在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。当小水电发电量大到一定程度时候，节点0,2之间的电压损耗为负值，末端电压比始端电压高，这就解释了小水电在丰水期发电量高时，配电网中会出现变电站母线电压偏高的现象。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。

解决电压问题的主要措施针对富含小水电配电网运行的复杂性及特殊J险，其电压优化控制主要的措施和手段包括：调节变压器抽头、制定小水电功率因数考核指标、改变发电机的机端电压、应用无功补偿装置调节电压、应用线路电压调节器和更换线径大的线路等4。

然而，对于小水电无序并网所导致的电压问题，从电网侧看，目前的配电网网架以辐射形式为主，覆盖面积广，单纯采用专线并网必然造成网络结构进一步复杂、运行控制难度进一步加大的局面；而由于线路沿线电压分布不均，采用变电站集中调压的方式难以满足电压要求；此外，配置专门的电压调节设备也面临点多面广，设备投入数量大的问题。从电源侧看，间歇式能源分布式发电多为用户投资，电网通过购电协议完成电力交易。因而，电网对其没有直接控制权力，难以通过众多小水电的协调运行实现线路沿线电压的合理分布；同时，小水电设备简单，没有配置完善的电压协调控制装置及相应的设备，其无序并网行为容易对配电网的运行造成极大影响。因此，在小水电无序并网地区，单纯采用现有的电压调节方法难以现实配电网线路电压的有效控制。

小水电并网控制技术含小水电的馈线简化模型根据10kV馈线各支线上小水电和用户台区的实际情况进行分类如下：

1)C类：对于一个或几个相邻的用户台区，可以忽略中间线段长度，视为统一的用户台区节点。

2)S类：对于一个或几个相邻的小水电，可以忽略中间线段长度，视为统一的小水电结点。

3)X类：对于某条支线，小水电与用户混合，称为混合支线。一个或几个相邻的混合支线，均视为一个统一混合的结点。

无论是S类、C类或X类，在不同时期、不同时间表现各不相同，如下所示：

C类：功率吸收端，消纳无功和有功；特点是随着时间不同功率消纳力度不同。

S类：功率发生端，释放无功和有功；特点是随着时间不同，功率释放力度不同。

X类：当X区域的C>S时，表现为C当X区域的C