含光伏电源的10kV线路串联补偿

张禹墨 张牧桑 周力行

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。