交流配电网串联补偿装置适应性评估和优化配置方法

摘要

本发明公开一种交流配电网串联补偿装置适应性评估和优化配置方法，包括：步骤一、获取配电网系统结构图和参数；步骤二、建立模型，计算配电网系统在未安装串联补偿装置运行时典型工况下的沿线电压分布；步骤三、依据沿线电压分布，理论计算确定预加装的串联补偿装置配置参数和控制策略；步骤四、拟定多组单因素变量的配电网系统运行工况，搭建配电网系统计算模型；步骤五、计算配电网系统安装串联补偿装置沿线电压分布比较单因素变量下，串联补偿装置的适应性；步骤六、考虑配电网系统多种因素下，对不同工况下系统补偿方案进行调整优化。本发明对于串联补偿装置在配电网中的参数配置、安装位置选择具有一定的工程参考价值。

说明书

技术领域

本发明涉及交流配电网串联补偿技术领域，特别是涉及一种交流配电网串联补偿装置适应性评估和优化配置方法。

背景技术

串联补偿技术最先应用于超特高压输电网，高压输电网中制约系统进一步提高输送能力主要因素是线路电抗，于是利用串联补偿技术抵消系统电抗从而提高系统的稳定性、提高输送能力，调节潮流分配。在欧美各国(例如瑞典、加拿大、美国)，利用串联补偿技术解决中低压配电网(10kV及以下)电压问题也有几十年的历史。1928年，美国首次将串联补偿电容用于33kV电网中，用于改善网络潮流。20世纪40年代，苏联推广串联电容补偿技术，用到3kV～35kV电网中，用于改善电压质量。

近年来，国内开始将串联补偿技术应用在配电网线路系统中，并表现出特有的优越性。在配电网中串联补偿装置的原理虽然也是补偿系统电抗，同时也能提高输送功率，但是加装串联补偿装置主要意图是减小沿线电压降落，提高受端电压，改善电能质量上。串联补偿技术很好地回避了传统配电网电能质量改善方式的缺点，可以改善沿线电压分布、减小功率输送引起的电压降落和功角差，并且具有实时响应、装置结构紧凑、控制简单、运维方便、性价比高等优点。其中串联补偿区别于传统并联补偿最突出的特点是具有随负荷变化的自适应性，即负荷越重补偿效果越好，还可针对特定用户实现潮流和电压的调节。在配电网中安装串联补偿装置可以最大限度的发掘电网的潜力，提高现有电网的输电能力，因此在配电网中具有广阔的应用前景。由于配电网结构复杂、负荷特性千变万化，固定串联电容补偿装置安装在不同结构的系统中其补偿效果差别较大，需要对固定串联补偿装置安装在不同结构的系统中进行适应性评估以优化配置方法，使其发挥最大的补偿效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交流配电网串联补偿装置适应性评估和优化配置方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

交流配电网串联补偿装置适应性评估和优化配置方法，包括：

步骤一、获取配电网系统结构图和系统各设备、负荷电气参数；

步骤二、根据配电网系统电压等级和各节点负荷特性计算获得负荷阻抗；建立模型，计算配电网系统在未安装串联补偿装置运行时典型工况下的沿线电压分布；

步骤三、依据沿线电压分布，理论计算确定预加装的串联补偿装置配置参数和控制策略；

步骤四、拟定多组单因素变量的配电网系统运行工况，搭建配电网系统计算模型；

步骤五、计算配电网系统安装串联补偿装置沿线电压分布比较单因素变量下，串联补偿装置的适应性；

步骤六、考虑配电网系统多种因素下，对不同工况下系统补偿方案进行调整优化。

进一步的，若配电网系统本身有其他补偿装置，步骤六后对串联补偿配置方案进行进一步优化调整。

进一步的，步骤二中，依据配电网系统负荷分布特点，将配电网系统负荷节点归并为N个主要的节点；根据配电网系统电压等级和大方式下恒阻抗负荷容量计算额定电压下第n个节点负荷P_1n对应的阻抗值R_1n，Q_1n对应的X_1n，恒功率负荷容量计算各个节点负荷P_2n对应的初始阻抗值R_2n0，Q_2n对应的X_2n0；n＝1、2、3、4……N；P指有功负荷、R是P对应的负荷电阻；Q指无功负荷，X指Q对应的负荷电感感抗。

进一步的，步骤四中，固定串联补偿电容装置在配电网的适应性，包含的因素包括改变系统线路负荷结构、负荷特性、功率因数。

进一步的，步骤五中，在计算过程中对恒功率负荷进行校正。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤一，获取配电网系统结构图和系统各设备电气参数，包含：配电网系统电压等级，首端电源幅值，各个支路导线型号，线路长度L、杆塔布置参数、土壤电阻率，给定几种负荷结构的配电网系统、容量、功率因数及负荷率；

步骤二，依据配电网系统负荷分布特点，将配电网系统负荷节点归并为N个主要的节点，线路总负荷为S，各个分支节点负荷为S_n，根据配电网系统电压等级和大方式下恒阻抗负荷容量计算额定电压下第n个节点负荷P_1n对应的阻抗值R_1n，Q_1n对应的L_1n，恒功率负荷容量计算各个节点负荷P_2n对应的初始阻抗值R_2n0，Q_2n对应的L_2n0；计算配电网系统未安装串联补偿装置沿线电压分布；为功率因数；

步骤三，建立配电网系统典型运行工况模型，改变补偿度和补偿位置，计算线路沿线电压，并校准恒功率负荷，依据校准后的线路电压补偿结果，多次计算预获得在典型工况下最优的补偿方案；

步骤四，拟定多组单因素变量的系统运行工况，搭建配电网系统计算模型；固定串联补偿电容装置在配电网的适应性的评估包含了系统线路负荷结构、负荷特性、功率因数三个因素；计算系统未安装串联补偿装置沿线电压分布；

步骤五，改变配电网系统某一因素参数，采用典型工况下系统最优补偿方案，搭建配电网系统计算模型，计算系统沿线电压，并在计算过程中对恒功率负荷进行校正；得到校正后线路末端负荷节点电压，在各因素情景下，重复该步骤，得出各因素下配电网串联补偿装置适应性评估，并优化串联补偿装置在系统不同运行工况下配置方法；

步骤六，根据配电网系统不同运行工况下，典型运行工况下补偿方案的补偿效果，对补偿方案进行优化调整，得出适合多种运行工况下的补偿度和补偿位置。

进一步的，步骤三中补偿度k是指串联补偿电容电抗值X_C与线路电感电抗值X_L之比；补偿度k范围为(0.9，3)。

进一步的，步骤三中补偿位置l_C指的是串联补偿装置安装在配电网的位置；补偿位置l_C取线路电压降二分之一位置。

步骤二中：已知视在功率和电压，由公式：

可估算出电流。再根据公式1～3计算出恒阻抗负荷R_1n、X_1n，恒功率负荷R_2n、X_2n。

P_kn＝I_kn²R_kn>

Q_kn＝I_kn²X_kn>

首次计算的电压为线路额定电压。

Ukn为第n节点的电压、Ikn为该负荷支路电流；k＝1时为恒阻抗负荷和阻抗，k＝2时，为恒功率负荷和阻抗。

步骤三中，补偿度k指的在串联补偿技术中是指串联补偿电容电抗值X_C与线路电感电抗值之比X_L，可以用k来表示，见公式4，国标中没有对配电网k明确的概念，这里定义为串联电容器容抗值与主干线路总的感抗值之比。根据k>1或k<1分为过补偿和欠补偿。而在并联补偿技术中，补偿度指的是电容发出的无功与负载消耗的无功之比，同样分为过补偿和欠补偿。配电网串联补偿配置需要综合各方面情况合理选择补偿度k，因为它直接影响着补偿效果和运行的经济性。本文补偿一般采用过补偿，补偿度k范围(0.9，3)。串联补偿电容的作用是减小了线路电抗，由此降低了线路电压损失。在线路阻性分量较大时，串联补偿需采用过补偿方式，在这种补偿状态下，电压降纵分量为负值(弗兰蒂效应，容性阻抗通过感性电流引起的电压升)，可以抵消部分甚至全部线路电阻引起的电压损失而产生电压上翘的效果。

补偿位置l_C指的是串联补偿装置安装在配电网的位置，大体上可以分为线路首端(l_C＝0)、中点(l_C＝L/2)及末端(l_C＝L)。在理想情况下，l_C在正常运行时并不会影响补偿效果，即受端电压值并不随l_C改变。在实际运行中由于线路存在对地电流，线路各点电流并不完全相同，由上式可知补偿电压也有区别，且l_C越靠近线路首端补偿电压越大，但线路引起的电压降落也越大，受端电压越低。这在下文的仿真实验中会得到验证。l_C还直接影响着线路发生短路故障时的过电压、过电流情况，对保护串联补偿电容和其他设备有十分重要的意义。l_C同样关系到设备的安装和维护成本，所以要根据工程的具体情况合理选择l_C。一般情况下，取得线路电压降二分之一位置，此时可以保证线路沿线电压最大程度满足国标要求。

若串联补偿装置补偿位置确定时，在补偿后系统沿线电压不超过国标要求范围10.7kV情况下，补偿度往往存在一个最优值，若补偿度高于最优值，则补偿效果会下降。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明能够在给定的配电网系统下建立从电源到各分支受端负荷真实复杂的配电网系统仿真模型。在此基础上，建立了考虑系统线路长度、线路导线型号、负荷分布结构、负荷特性、功率因数、其他调压方式等多因素的配电网运行下的串联补偿装置适应性综合评价体系，结合配电网系统计算模型，可以实现对配电网系统多种运行工况下进行串联补偿配置参数补偿效果的综合优选，提出了串联补偿在配电网中的适应性评估和优化配置方法。该方法对于串联补偿装置在配电网中的参数配置、安装位置选择具有一定的工程参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中涉及的典型辐射式配电网系统线路结构图；

图2为本发明实施例提供的一种恒功率负荷确定方法的流程图；

图3为本发明采用的现有的配电网串联补偿装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供一种串联补偿装置在配电网适应性评估的流程图。

具体实施方式

下面通过配电网串联补偿装置应用实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。针对实施例，本发明的具体实施方法如下：

以典型辐射式10kV配电网为实施例，选定某一10kV配电网系统结构和参数如下：电源电压10.5kV，负荷功率因数0.87，大方式S₁＝8.65MVA，占设计负荷34.4％，恒功率负荷和恒阻抗负荷各占总负荷的50％。线路主干长度16.98km，多种导线型号，按照LGJ-50～LGJ-150的有关参数，设置ATP中，LCC子程序：杆塔高度7m不计弧垂，相间距离0.7m，大地电阻率设为500Ω·m。该实施例未安装其他调压措施。

下面依据步骤1-4对不同因素下串联补偿装置的适应性进行计算分析：

(1)对于系统大运行方式下串补配置的优化：

归并前系统实际各个节点负荷分布如表1所示。负荷分支节点数12，节点6处有0.3km的LGJ-120线路分支。系统结构图如图1所示，包含各段线路导线型号。把距离较近6/7/8节点进行归并为节点6，9/10节点负荷进行归并为节点7，11/12节点负荷进行归并为节点8，归并后节点数N＝8。

表1系统不同运行方式下负荷结构分布表

根据系统结构参数，采用ATP-EMTP建立系统模型，根据线路LCC模型，线路电感17.24mh，补偿度为1时，单相电容值588μF。根据图2，对各节点负荷及对应的沿线电压计算结果进行校核，一般校核次数不高于3次。最终依据校核后的计算结果考察线路沿线电压分布。

对于线路大方式下运行，由于系统负荷较重，沿线电压降严重，线路沿线电压节点1～8电压分别为9.9kV/9.7kV/9.4kV/9.0kV/8.9kV/8.5kV/8.1kV/7.7kV，一般情况下，线路负荷沿线都有分布，补偿位置取得线路电压降二分之一处，此时可以保证线路沿线电压最大程度满足国标要求，电压降二分之一位置在节点3、4之间的位置，将串联补偿装置安装在节点4，距电源6.12km。

改变补偿度k，经过多次计算优化补偿效果得出：对于给定补偿位置，补偿效果随补偿度增大趋于饱和。在电压降二分之一位置安装串联补偿装置，串联补偿装置结构如图3，串补度分别为1.3/1.5/2.0时，补偿后沿线负荷节点电压均满足电压质量要求，补偿点4电压提升1.5kV/1.7kV/1.6kV，末端负荷节点电压提升效果一致。依据计算结果，可以得出系统在电压降二分之一处安装串联补偿装置，串补度为1.5时，补偿效果最好，且沿线电压均满足电压质量要求。

(2)对于系统不同运行方式的适应性评估：

对表1，线路小方式下负荷为3.68MVA，占设计负荷的14.6％，各节点负荷依据表1按同比例改变，和(1)实施仿真过程一致，得出小方式下未安装串联补偿装置时，线路沿线节点1～8电压分别为10.3kV/10.1kV/10.0kV/9.9kV/9.7kV/9.5kV/9.4kV/9.3kV，电压降二分之一位置仍在节点3、4之间的位置，将串联补偿装置安装在节点4，补偿度为1.5时，补偿点4电压提升0.9kV。负荷减小时，沿线电压降也减小，线路电压在未补偿情况下已经满足电压质量要求，若串补按照大方式下最优补偿方案进行补偿，补偿电压也随负荷减小同步降低，串联补偿装置对配电网系统运行负荷的变化，具有自适应性。在大方式最优的补偿方案下，补偿点电压超过了10.7kV，采用补偿度1.3时线路沿线电压可以满足质量要求。

(3)对于系统负荷不同功率因数的适应性评估：

对于表1，改变负荷功率因数为0.84/0.9，和(1)实施仿真过程一致。计算得到未安装串联补偿装置情况下，负荷功率因数为0.84时沿线负荷节点1～8电压分别为9.9kV/9.5kV/9.1kV/8.7kV/8.4kV/8.1kV/7.7kV/7.2kV，负荷功率因数为0.9时沿线负荷节点1～8电压分别为10.0kV/9.8kV/9.6kV/9.4kV/9.2kV/9.0kV/8.7kV/8.4kV，功率因数越小，线路感性负荷越大，因此电压降越严重，电压降二分之一位置仍在节点3、4之间的位置，将串联补偿装置安装在节点4，补偿度为1.5时，功率因数为0.84/0.87/0.9，补偿点4电压提升分别为2.5kV/1.7kV/0.6kV。功率因数越小，线路沿线电压降越大，但是补偿效果也明显，在大方式最优的补偿方案下，补偿点电压超过了10.7kV，采用补偿度1.3时线路电压可以满足要求。依据计算结果，可以得出于串联补偿装置对配电网系统负荷功率因数因数的改变具有自适应性。

(4)对于系统不同负荷结构的适应性评估：

对表1，系统运行时甩掉某些节点负荷，分别甩掉中间节点4/5负荷1.8MVA，或甩掉末端节点7/8负荷2.145MVA，和(1)实施仿真过程一致。计算得到未安装串联补偿装置情况下，甩掉中间节点4/5负荷时沿线负荷节点1～8电压分别为10.0kV/9.8kV/9.7kV/9.4kV/9.4kV/9.0kV/8.8kV/8.4kV，甩掉末端节点7/8负荷时沿线负荷节点1～8电压分别为10.1kV/9.8kV/9.7kV/9.4kV/8.9kV/8.9kV/8.9kV，串联补偿装置均安装在各线路中点，补偿度k为1.5时，补偿点电压提升1.2kV/1.5kV/2.4kV，串联补偿装置后同一节点补偿效果越好。依据计算结果，可以得出串联补偿装置对配电网系统，更适用于主干线路较长、线路感抗较大的线路。在大方式最优的补偿方案下，补偿点电压超过了10.7kV，采用补偿度1.3时线路电压可以满足质量要求。

系统在多种运行工况下最优补偿方案为串补度取为1.3，电容值452μF，串补位置在电压降二分之一处，即4节点，距电源6.12km。

该实施例中的配电网系统没有其他调压方式，因此，不需要对不同调压方式下的补偿效果进行计算分析，校核调压方案。

本发明在仿真中分析了配电网系统负荷结构、负荷轻重、负荷功率因数、线路导线型号和线路长度分别对系统沿线电压分布的影响，并比较了各因素下串联补偿装置的适应性，并且考虑了系统负荷的类型，采用多次校核对计算结果进行校正，因此这种方法具有较高的准确性。