余紹峰， 胡葉舟， 金涌濤， 尹忠東， 馮 寅， 張碧涵

1. 浙江省電力科學(xué)研究院 杭州 310014 2. 華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206

1 課題背景

根據(jù)電網(wǎng)損耗統(tǒng)計(jì)，輸配電網(wǎng)系統(tǒng)不同組成部分的線損比例差異較大，其中，高壓輸電線路和高壓變壓器的電能損耗一般都低于10%，而中低壓配電系統(tǒng)損耗占70%以上，是電網(wǎng)節(jié)能降損的重中之重。對(duì)于中低壓配電網(wǎng)線損，除了管理線損(表計(jì)維護(hù)、防偷竊電等)以外，在技術(shù)方面線損也有較大的節(jié)能潛力，尤其是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力負(fù)荷快速增長(zhǎng)及配電網(wǎng)建設(shè)相對(duì)落后，導(dǎo)致配電網(wǎng)線損高、電壓質(zhì)量惡化。配電網(wǎng)作為最后一個(gè)直接與用戶相連接的關(guān)鍵供電環(huán)節(jié)，其運(yùn)行直接關(guān)系到廣大城鄉(xiāng)用戶的用電質(zhì)量，因此，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)將不該損耗的電量轉(zhuǎn)化為效益，多供少損；應(yīng)著重對(duì)中低壓配電網(wǎng)技術(shù)方面的線損進(jìn)行改善，探尋降低線損的技術(shù)方法；通過(guò)電網(wǎng)改造，探索交直流新型配網(wǎng)[2]；通過(guò)設(shè)備更新，大力加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)節(jié)能技術(shù)改造與基本建設(shè)、科技投入有機(jī)結(jié)合，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)節(jié)能減排。電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)在國(guó)家節(jié)能減排過(guò)程中發(fā)揮中流砥柱的作用。

串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)作為20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，其主要應(yīng)用范圍是高壓長(zhǎng)距離輸電線路和電氣化鐵路供電系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛認(rèn)可串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)是一種能夠提高線路輸送能力、改善線路運(yùn)行狀況的有效技術(shù)，已大規(guī)模應(yīng)用于超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中[1]。近年來(lái)，串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在配電線路上的應(yīng)用也漸漸進(jìn)入不少國(guó)內(nèi)電力從業(yè)者的視野，配電網(wǎng)串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)能夠改善輻射狀配電線路沿線電壓分布，減小供電線路末端的電壓降，并具有負(fù)荷自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)，尤其適用于偏遠(yuǎn)山村的供電線路。

2 串聯(lián)補(bǔ)償節(jié)能基本原理[3-6]

圖1 串聯(lián)補(bǔ)償線路等效電路

此時(shí)，線路首末端電壓降表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中：XL為未加固定串聯(lián)補(bǔ)償?shù)木€路電抗，Ω；XC為串聯(lián)補(bǔ)償裝置容抗，Ω；k為串聯(lián)補(bǔ)償度，k=XC/XL；US(t) 為線路首端電壓有效值，kV；P(t)為負(fù)載有功功率，MW；Q(t)為負(fù)載無(wú)功功率，MW。

3 串聯(lián)補(bǔ)償節(jié)能量化模型

串聯(lián)補(bǔ)償投運(yùn)引起全網(wǎng)拓?fù)鋮?shù)的變化，其精確的節(jié)能量應(yīng)該用潮流方法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圖1所示串聯(lián)補(bǔ)償?shù)刃щ娐罚诰€路有功損耗和無(wú)功損耗表達(dá)式為：

(3)

(4)

統(tǒng)計(jì)報(bào)告期線路有功損耗和無(wú)功損耗表達(dá)式為：

(5)

(6)

3.1 串聯(lián)補(bǔ)償線路節(jié)約有功功率量化模型

根據(jù)《國(guó)際節(jié)能效果測(cè)量和驗(yàn)證規(guī)程》及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28750—2012《節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證技術(shù)通則》的要求，串聯(lián)補(bǔ)償線路節(jié)約有功功率由基期能耗和統(tǒng)計(jì)報(bào)告期能耗差值計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中負(fù)載參數(shù)相同?；谀芎挠?jì)算時(shí)，串聯(lián)補(bǔ)償度k=0，可得到串聯(lián)補(bǔ)償線路節(jié)約有功功率表達(dá)式：

ΔP(t) =P1(t)-P2(t)

(7)

3.2 串聯(lián)補(bǔ)償線路節(jié)約無(wú)功功率量化模型

串聯(lián)補(bǔ)償線路節(jié)約無(wú)功功率表達(dá)式為：

ΔQ(t) =Q1(t)-Q2(t)

(8)

4 串聯(lián)補(bǔ)償節(jié)能指標(biāo)[7-10]

4.1 供電半徑和導(dǎo)線截面積

由電阻公式可知，配電線路的電能損耗與導(dǎo)線長(zhǎng)度(即供電半徑)、電阻率成正比，與導(dǎo)線的截面積成反比。加大導(dǎo)線截面積或使用電阻率低的導(dǎo)線會(huì)降低導(dǎo)線電阻，減小電能損耗和線路壓降。在負(fù)荷不變的情況下，大截面、短距離導(dǎo)線相對(duì)于小截面、長(zhǎng)距離導(dǎo)線，導(dǎo)線的電阻較小，可減小線路的損耗。為節(jié)約能耗，并考慮客觀實(shí)際情況，應(yīng)合理選擇導(dǎo)線截面積、材質(zhì)等。

4.2 母線電壓

電壓調(diào)整是指通過(guò)調(diào)整變壓器分接頭、在母線上投切電容器及調(diào)相機(jī)調(diào)壓等手段，在保證供電電壓質(zhì)量的前提下對(duì)運(yùn)行電壓作小幅度調(diào)整。調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行電壓可以降低配電網(wǎng)的電能損耗，但并不是配電網(wǎng)的電壓調(diào)得越高或越低，線損電量就越小，因?yàn)樵谝粋€(gè)配電網(wǎng)中往往有多臺(tái)變壓器，其鐵芯損耗與電壓的平方成正比，而繞組中的損耗、銅損和輸電線路電阻小的損耗(統(tǒng)稱為可變損耗)則與負(fù)荷電壓的平方成反比。對(duì)同樣大小的負(fù)荷而言，如果提高運(yùn)行電壓，則會(huì)導(dǎo)致鐵損增大、可變損耗減小，因此必須合理地調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行電壓，以達(dá)到降損節(jié)能的目的。

4.3 串聯(lián)補(bǔ)償安裝位置

對(duì)于配電線路的串聯(lián)補(bǔ)償而言，補(bǔ)償點(diǎn)距離需要補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷點(diǎn)越近，對(duì)其電壓的補(bǔ)償效果就越好，所以一般選擇補(bǔ)償點(diǎn)盡可能遵循就近補(bǔ)償原則。另外，由于串聯(lián)補(bǔ)償裝置的設(shè)置選擇較為靈活，能夠加裝在沿線桿塔附近，因此也可以根據(jù)實(shí)際線路需要，決定是在一處集中安裝，還是在幾處分散安裝。通常情況下，較短線路及中等線路可以選擇在線路末端或線路中集中安裝，線路較長(zhǎng)且集中補(bǔ)償所需要的裝置規(guī)模過(guò)大時(shí)，可選擇在線路幾處分散安裝。

若線路沿線有多條分支饋線，為使全線電壓均滿足電壓調(diào)節(jié)要求，即在90%～110%線路額定電壓范圍內(nèi)，需要在保證線路末端電壓不低于正常范圍的同時(shí)，控制補(bǔ)償點(diǎn)電壓不高出正常調(diào)壓范圍，再綜合考慮串聯(lián)補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)性及其保護(hù)配置的難易程度來(lái)確定安裝位置。

4.4 串聯(lián)補(bǔ)償度

串聯(lián)補(bǔ)償度k用于表征串聯(lián)補(bǔ)償電容器的容抗大小，定義為串聯(lián)電容器的容抗值與電源母線和電容器安裝點(diǎn)之間的線路等值電抗之比或其百分?jǐn)?shù)。對(duì)于k的具體取值，應(yīng)視線路具體情況和補(bǔ)償點(diǎn)位置而定，并且要充分考慮線路5年后的負(fù)荷發(fā)展水平。若僅考慮配電線路調(diào)壓?jiǎn)栴}，k取值多在0.8～4之間，國(guó)外應(yīng)用于配電線路的電容器，k多為1～4，可以獲得較高的電壓補(bǔ)償度。

一般情況下，存在電壓?jiǎn)栴}的配電線路，其線路電阻較大，有時(shí)甚至可能高于線路電抗，為了補(bǔ)償一部分線路電阻造成的壓降，將k設(shè)置為大于1。k如果取得過(guò)高，容易發(fā)生鐵磁諧振和自勵(lì)現(xiàn)象，需要采取措施予以消除，會(huì)給串聯(lián)補(bǔ)償裝置帶來(lái)復(fù)雜的操作，且增加投資。因此，在工程上，特別是在解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)和工礦企業(yè)線路調(diào)壓?jiǎn)栴}上，比較經(jīng)濟(jì)的方法是降低k，盡可能從設(shè)計(jì)上避免發(fā)生鐵磁諧振和自勵(lì)磁。

4.5 負(fù)荷率

對(duì)于串聯(lián)補(bǔ)償電容器的前方線路，安裝串聯(lián)補(bǔ)償電容器相當(dāng)于在其線路后方增加一個(gè)容性負(fù)荷QC，此時(shí)忽略縱分量，線路壓降變?yōu)椋?/p>

(9)

式中：PL、QL分別為線路末端流出的有功功率和無(wú)功功率。

由于絕大多數(shù)情況下線路負(fù)荷為感性，而串聯(lián)補(bǔ)償電容器為純?nèi)菪?，因此QC與QL異號(hào)。不論是架空裸線還是電纜線，其單位長(zhǎng)度的感抗在數(shù)值上都略大于電阻值，因此隨著負(fù)荷減小，一定會(huì)存在一個(gè)值使ΔU為0。高負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)，QL明顯大于QC，則ΔU為正，即線路電壓會(huì)有所下降。隨著負(fù)荷率下降，PL、QC和QL都會(huì)減小，則ΔU也在逐漸減小，且減小的幅度慢慢下降，表現(xiàn)為線路電壓壓降小且電壓沿線分布曲線越來(lái)越平緩。當(dāng)QL數(shù)值減小至小于QC后，ΔU減小的幅度將更加緩慢，直至兩者相加為0，將會(huì)出現(xiàn)線路電壓壓降為0的現(xiàn)象。隨后，隨著線路負(fù)荷進(jìn)一步減小，ΔU將開始呈負(fù)值，沿線電壓開始升高。同時(shí)，由于線路負(fù)荷過(guò)小，長(zhǎng)距離線路的對(duì)地電容對(duì)線路壓降造成的影響開始起主要作用，并且隨著線路負(fù)荷越來(lái)越小，線路電壓抬升幅度越來(lái)越大。

對(duì)于串聯(lián)補(bǔ)償電容器的后方線路，其線路及負(fù)荷參數(shù)不受串聯(lián)補(bǔ)償電容影響。當(dāng)負(fù)荷減小到一定程度時(shí)，線路對(duì)地電容對(duì)沿線電壓下降的影響開始起主要作用，輕載長(zhǎng)線路整體表現(xiàn)為容性，沿線電壓進(jìn)而緩慢上升。

5 案例分析

華東某地區(qū)10kV線路供電半徑16.5km，主線及最大線路分支上共計(jì)22個(gè)主要負(fù)荷分支點(diǎn)，負(fù)荷主要集中于主線末端，最大負(fù)荷功率4.47MW，線路始端功率因數(shù)0.91，線路配變總?cè)萘?2625MVA。

由于實(shí)際負(fù)荷運(yùn)行情況復(fù)雜，難以進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)，各分支線路的負(fù)荷根據(jù)提供的各分支線路配變總?cè)萘繋лd率估算，功率因數(shù)近似取0.85。

線路主要運(yùn)行信息及存在的問(wèn)題見(jiàn)表1，在電力系統(tǒng)綜合程序PSASP中建立10kV配電線路模型，按照各配電變壓器滿載運(yùn)行設(shè)置各分支末端負(fù)荷。全部參數(shù)錄入后，根據(jù)供電局提供的最大負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算平均負(fù)荷率，調(diào)整全體負(fù)荷。

表1 某10kV線路信息表

該線路可以考慮的安裝點(diǎn)位置有3個(gè)備選： ① 全線路電壓下降1/2處的主線32號(hào)桿附近；② 線路首個(gè)電壓不合格負(fù)荷點(diǎn)主線54號(hào)桿附近；③ 線路電壓不合格區(qū)域內(nèi)電壓下降較快的重負(fù)荷分支前方的主線73號(hào)桿至主線82號(hào)桿附近。

以全線路電壓最低點(diǎn)補(bǔ)償至最低調(diào)壓要求為目的，就上述三處備選點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償仿真，討論不同補(bǔ)償點(diǎn)的效果差異。

表2的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，安裝串聯(lián)補(bǔ)償電容器后，線路有功損耗明顯降低了，并且在主線首個(gè)電壓不合格點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)其降低損耗的效果最差，靠近線路末端負(fù)荷集中區(qū)域補(bǔ)償時(shí)其降低損耗的效果最好。

因此，對(duì)于負(fù)荷集中于末端的配電線路，為獲得較好的電壓補(bǔ)償效果，補(bǔ)償點(diǎn)應(yīng)盡量靠近末端負(fù)荷集中區(qū)域。

表2 不同補(bǔ)償點(diǎn)補(bǔ)償效果對(duì)比

表3的數(shù)據(jù)顯示，隨著串聯(lián)補(bǔ)償度的增大，線路有功損耗的減小程度在逐漸降低。結(jié)合兩方面數(shù)據(jù)，可以推斷出，串聯(lián)補(bǔ)償度在2.0～2.5時(shí)，改善電壓和降低線路有功損耗的效果都比較理想，也就是說(shuō)，在滿足線路調(diào)壓要求的前提下，串聯(lián)補(bǔ)償度取在這個(gè)范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好。

表3 不同串聯(lián)補(bǔ)償度補(bǔ)償效果對(duì)比

因?yàn)檩椛湫途€路分支點(diǎn)眾多，實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的變化具有較高的復(fù)雜性，負(fù)荷改變時(shí)的參數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算，各分支線負(fù)荷等比例變化幾乎是不可能的，所以通過(guò)簡(jiǎn)單分析主線負(fù)荷率的高低來(lái)判斷何時(shí)應(yīng)該將串聯(lián)補(bǔ)償電容器予以切除是不切實(shí)際的。賦定邊界條件的分析僅能通過(guò)調(diào)整等值負(fù)荷率來(lái)接近其中一種情況下的臨界值，即全線路負(fù)荷以同等幅度同時(shí)減小時(shí)需要切除串聯(lián)補(bǔ)償裝置的臨界值。表4列出了負(fù)荷率分別為100%、80%、30%和20%時(shí)參數(shù)的對(duì)比，以作驗(yàn)證。

表4 幾種負(fù)荷率下的線路參數(shù)對(duì)比

對(duì)于本文所述線路而言，全線路負(fù)荷均以同等幅度下降至滿載負(fù)荷的30%左右時(shí)，若不準(zhǔn)備采取其它措施以控制電壓，那么應(yīng)將串聯(lián)補(bǔ)償裝置切除?？梢詫⒋藭r(shí)流過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償電容的電流作為參考臨界，對(duì)流過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償電容的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)其數(shù)值和相角都接近這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，為保證線路電壓符合調(diào)壓要求，將串聯(lián)補(bǔ)償裝置切除。

容易推論，對(duì)于不同的實(shí)際線路，負(fù)荷特性不同，所采取的補(bǔ)償度設(shè)置，以及串聯(lián)補(bǔ)償裝置切除臨界點(diǎn)的參數(shù)亦不相同，30%的負(fù)荷率指標(biāo)不具有普適性。實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)具體線路實(shí)際進(jìn)行仿真分析，科學(xué)設(shè)定串聯(lián)補(bǔ)償裝置的投切規(guī)則。

6 結(jié)論

以華東某地區(qū)10kV配電線路固定串聯(lián)補(bǔ)償為分析對(duì)象，通過(guò)理論分析和數(shù)字仿真相結(jié)合的研究手段，就10kV配電線路固定串聯(lián)補(bǔ)償電容器的節(jié)能效益進(jìn)行了評(píng)估分析，得到了結(jié)論。

(1) 對(duì)地區(qū)配電網(wǎng)做固定串聯(lián)補(bǔ)償優(yōu)化時(shí)，由于配電線路和母線電壓是不變的，因此影響節(jié)能效益的因素主要有串聯(lián)補(bǔ)償安裝位置、串聯(lián)補(bǔ)償度和線路負(fù)荷率。

(2) 通過(guò)合理選擇配電網(wǎng)固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置的安裝位置及串聯(lián)補(bǔ)償電容大小，根據(jù)線路工程實(shí)際適當(dāng)選擇集中補(bǔ)償或分散補(bǔ)償，能夠獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

(3) 固定串聯(lián)補(bǔ)償具有負(fù)荷自適應(yīng)性，在重載線路能夠獲得理想的補(bǔ)償效果，但在負(fù)荷變動(dòng)較大的輕載線路可能導(dǎo)致補(bǔ)償點(diǎn)前方線路電壓異常升高，需要設(shè)定合理的投切串聯(lián)補(bǔ)償電容器原則。

(4) 我國(guó)城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的負(fù)荷晝夜變化較大，部分線路夜間負(fù)荷非常小，配電網(wǎng)固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置的安裝位置及串聯(lián)補(bǔ)償電容的容量可以通過(guò)理論估算方法獲得。

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