CN109066700A - 串联补偿装置对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法，分别考察了在多种负载率的条件下单点串联补偿和多点串联补偿对于电压，线路损耗和线路最大输送容量的影响，分析在该配电网线路中不同运行状态下串联补偿的详细应用范围，对该线路安装单点串联补偿和多点串联补偿后的节能效果，电压质量以及最大的传输功率进行详细分析，得出10kV配电网串联补偿最佳方案，提高配电网电压质量以及获得最大的传输功率。

Description

串联补偿装置对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法。

背景技术

串联补偿通常是在电力线路中串联电容器，通过抵消一部分线路电抗值来改变系统参数，在输电网络中可以提高输电容量，针对长距离配电线路的配电网络，改善沿线的电压质量。当串联线路补偿电容下游负荷重的时候，线路中传输功率较大，串联电容补偿调解效果越明显；当系统负荷处于较低水平，由串联补偿装置补偿的部分越小，串联电容补偿具有较好的“自适应”的电压调节效应，这是串联电容补偿的最大特点和优势。

在配电网的串联补偿研究方面，现有技术已经提出了配电网中串联电容补偿量的精确计算公式，但是没有给出适合应用串联电容补偿的配电网类型和范围，不具有真正的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法，确定在配电网线路中不同运行状态下串联补偿的详细应用范围，以提高配电网电压质量以及获得最大的传输功率。

为实现上述目的本发明采用如下方案：

一种串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法，包括以下步骤：

(1)、计算10KV配电网末端电压及损耗

配电网线路上的电压降落为

线路有功损耗ΔP为

其中和分别表示线路首端电压向量和末端电压向量，代表线路电流向量，R和X_LC分别代表固定串联补偿线路的电阻和电抗，S_R、P_R和Q_R分别代表线路末端负载三相的视在功率、有功功率和无功功率；

关于对于整个配电网潮流计算的具体步骤如下：

1)、取10kV为配电网额定电压；

2)、从线路末端开始，负荷节点先子节点后父节点逐段推算，通过公式和计算线路得阻抗损耗，不计电压降，得到配网线路上的功率分布，直至根节点为止；

3)、从始端开始，从根节点出发，先父节点后子节点，由已知的始端电压和步骤2)计算得出的始端功率向末端逐段推算，由公式：计算出配网沿线电压降落，仍采用步骤2)计算的功率分布，即不再重新计算功率损耗，进而可得配网沿线电压及末端电压；

(2)、计算10kV配电网末端电压及损耗变化

2.1)、计算单点串联补偿时的末端电压及损耗

计算10kV配电网线路负载率：

分别在10kV配电网线路不同的区域安装串联补偿电容，计算串联补偿对电压的影响及线路损耗；

计算在不同负载率下10kV配电网线路安装串联补偿的线路电压；

计算单点串联补偿情况下的10kV配电网线路损耗；

2.2)、计算多点串联补时的末端电压及损耗

计算多点串联电容补偿下在每种补偿情况下，10kV配电网线路电压；

计算在不同负载率下10kV配电网线路多个串联串联补偿对于潮流的影响；

(3)、根据步骤(2)计算结果得到串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响情况。

进一步，步骤2.1)中分别在10kV配电网线路不同的区域安装串联补偿电容，电容器阻抗为25欧姆，额定电压为10kV。

进一步，步骤2.2)在10kV配电网线路3处分别安装串联电容，串联电容的阻抗分别为10Ω，10Ω和30Ω，计算每种补偿情况下，10kV配电网线路电压。

本发明串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法，分别考察了在多种负载率的条件下单点串联补偿和多点串联补偿对于电压，线路损耗和线路最大输送容量的影响，分析在该配电网线路中不同运行状态下串联补偿的详细应用范围，对该线路安装单点串联补偿和多点串联补偿后的节能效果，电压质量以及最大的传输功率进行详细分析，得出10kV配电网串联补偿最佳方案，提高配电网电压质量以及获得最大的传输功率。

附图说明

图1配电网等效电路

图2前推回代法潮流计算流程图

图3某地10kV配电网的线路图

图4不同安装位置下串联电容对于电压提升百分比图

图5单点串联补偿时不同负载率下的线路电压数据图

图6不同负载率下的线路有功损耗占比图

图7安装串联电容后的电压提升百分比

图8多点串联补偿时不同负载率下的电压数据

图9未安装串联补偿时不同负载率下的电压数据图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明的串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法，具体如下：

1、计算10KV配电网末端电压及损耗

图1是配电网的等效电路，其中和分别表示线路首端电压向量和末端电压向量，代表线路电流向量，R和X_LC分别代表固定串联补偿线路的电阻和电抗，S_R、P_R和Q_R分别代表线路末端负载三相的视在功率、有功功率和无功功率。

根据计算，线路上的电压降落为

线路有功损耗ΔP为

若是考虑负载为ZIP模型，则可以将部分负载考虑为恒定阻抗模型。故而安装串联电容后，通过设置串联电容的阻抗值，可以降低线路上的电压降落，对于恒定阻抗模型的负载，由于负载电压的升高，会提高线路电流这样线路的有功损耗也会随之增加。

关于对于整个配电网潮流计算的具体步骤如下：

1)本发明研究10kV配网串补优化问题，取10kV为额定电压。

2)从线路末端开始，负荷节点先子节点后父节点逐段推算，通过公式和计算线路得阻抗损耗，不计电压降，得到配网线路上的功率分布，直至根节点为止。

3)从始端开始，从根节点出发，先父节点后子节点，由已知的始端电压和2)计算得出的始端功率向末端逐段推算，由公式：计算出配网沿线电压降落，这时仍采用2)计算的功率分布，即不再重新计算功率损耗，进而可得配网沿线电压及末端电压。

4)计算采用的收敛判据：|ΔU|＜ε₁、|ΔP|＜ε₂，其中ΔU为步骤2)和3)潮流计算一次循环中电压的变化，计算采用的是所有末端节点电压的ΔU，ε₁取值为0.001。ΔP为步骤2)和3)潮流计算一次循环中节点功率的变化，ε₂取值为0.001。

5)重复上述2)～4)步骤，直到满足收敛条件，此时就可以获得足够精度的计算结果。

前推回代潮流算法流程图如图2所示。

2、计算10kV配电网末端电压及损耗变化

2.1考虑单点串联补偿时的末端电压及损耗

以某地的10kV配电网线路为例。如图3所示，选择一条线路进行编号，该配电网线路的总长度达到了38km。计算在不同负载率情况下的潮流数据，并且以下所有的潮流数据都是单根导线传输的功率和电流等数据。其中负载率计算公式如下：

首先考虑单点补偿对于该配电网的影响。根据辐射型配电网的结构将该配电网线路划分为7个安装区域，见表1。然后设定在负载率为70％，这个时候已经出现了线路已经出现了明显的电压跌落情况。

表1串联电容安装区域的划分

分别在不同的区域安装串联补偿电容，电容器阻抗为25欧姆，额定电压为10kV。则不同安装位置下，串联补偿对电压的影响效果了见图4和表2。从图中和表中可以明确看出在距离变电站出口处越近的地方安装串联电容后电压提升的效果最好，能将线电压提升将近700V，并且在区域4以及之后的地方安装串联电容，电压提升的效果会显著下降。此外，在70％的线路负载率下，安装串联电容并不会降低线路损耗。这是由于潮流计算软件在70％负载率的时候将线路负载视为恒阻抗负载，线路电压的提升会使得线路的电流和线路传输总功率提升，这会使得线路损耗增加。以在区域1安装串联为例，若是要传输相同的线路有功功率，未安装串联电容时候的线路损耗为106.55kW，安装串联补偿后能够降低5.0643kW线路有功损耗。说明当负载功率不变的时候，安装串联电容可以降低一点的线路损耗。

表2在70％负载率下安装串联电容后的数据对比

根据表2可以看出，在区域1和区域2中安装串联补偿对于电压的提升效果最好。本发明分别在区域1的节点10和节点12，以及区域2的节点21和节点23处安装串联补偿，最终找到在70％负载率下，对于线路电压提升最大的串联补偿阻抗值，得到的数据见表3。

表3不同安装位置下单点补偿数据对比

从表中可以看出在进行单点串联补偿的时候，在线路末端安装串联补偿的效果要优于在线路其他位置，并且各个最优串联补偿阻抗值差距不是很明显。故而可以认为对于该10kV配电网线路，在节点23处安装串联补偿对于电压的提升效果最好。

需要注意一点的是，本发明这里计算出来的传来了电容阻抗实际上是大于串联电容安装点到源点之间线路的电抗值。指出这是属于过补偿的情况，当线路中存在大型感应电机负载时，串联电容器和电路电感的组合产生串联谐振电路，存在电动机启动时候的电压跌落情况。由于该配电网线路不存在大型电动机负载，在这里暂时不考虑这种情况。

接下来本发明考虑在不同负载率下，节点23处安装串联补偿的线路电压情况。由于不同的负载率下的最优串联补偿容量会有一些差异，在这里设定安装的串联补偿阻抗值为25Ω。负载率从0.10到0.90，每隔0.03计算一次线路电压，则安装串联补偿后，不同负载率下的线路电压情况见图5，与未安装串联补偿的图9相比，电压有了明显提升。当负载率为0.50的时候，单点串联补偿下的最低线路电压标幺值为0.9305。因此，对于该10kV配电网线路，当负载率处于0.32到0.50之间的时候，仅使用单点串联补偿便可以使线路电压满足电压标准的要求，该线路在安装串联补偿的情况下传输的最大有功功率为613.67kW。

再进一步讨论单点串联补偿情况下的线路损耗问题。在安装串联补偿的情况下，本发明计算在不同负载率下，每段线路之间的线路损耗与传输的线路有功功率之比，得到的数据见图6。从图中可以看出，节点19到节点27之间的线路，线路损耗占比非常高，这是由于在这段线路采用LGJ-50型号导线，而节点1到节点13之间采用LGJ-95型号导线。故而若是想要进一步减少线路损耗，应该考虑增加更换导线来降低线路阻抗。

2.2考虑多点串联补时的末端电压及损耗

下来本发明进一步考虑多点串联电容补偿下的情况。在每种补偿情况下，尽可能地考虑补偿效果最佳的时候数据，配电网的配变负载率依旧设置为0.70。在经过不断的尝试后，各种串联补偿的位置如下表所示。在经过三个串联补偿后，电压的提升便很有限了，于是在这里最多只考虑了四点的串联补偿，串联补偿的具体位置安装设计见表4。

表4多点串联补偿安装位置设计

将多点串联补偿的数值在70％负载率下的潮流结果显示如所示，电压提升百分比用图片的形式在图7中表示了出来。表5中显示了线路的最低电压以及最低电压提升的百分比。从中本发明可以看出，增加串联补偿能够明显提升最低点电压，但是两点补偿和三点补偿相对来说效果最好，能够提升10％的电压。图7中显示了在进行多点串联补偿的时候，在各个节点对于线路电压提升的百分比。在该配电网线路中，多点串联补偿与单点串联补偿的能够提高更多的线路电压，但是提高的效果并没有特别显著。而且两点补偿、三点补偿与四点补偿之间带来的差距非常小，通过安装更多的串联补偿可以降低一定的线路有功损耗。

表5串联电容多点补偿的效果

接下来本发明考虑了在不同负载率下多个串联串联补偿对于潮流的影响，在这里本发明考虑三点串联电容补偿。本发明在节点8，节点20以及节点28处安装串联电容。串联电容的阻抗分别为10Ω，10Ω和30Ω。

这样设置的原因主要是在设定串联电容的位置的时候，优先考虑主干线路的设置，并且由于在节点24和节点27处挂有较大的负荷，故而在之后节点28处再安装串联电容来提升末端线路的电压。计算了负载率从10％到90％的情况下的潮流情况，如图8所示。当负载率超过60％的时候，线路的最低点电压便低于0.93，不再满足电压标准的要求。此外，与没有安装串联电容的潮流数据相比，线路出口端无功功率从最高的300kVar下降到了不足100kVar。

此外，选择了几个典型的负载率数据来讨论安装多点串联电容对于不同负载率下的电压改善情况，如表6所示。

表6不同负载率下的串联补偿效果

从以上的图表中可以看出，在安装串联电容后，在不同的负载率下均能有着较好的电压提升效果。并且串联电容具有一定的自适应性，在低电压的提升电压较小，在高负载情况下逐渐提高到10％左右。在满足最低电压标准0.93的情况下，多点串联补偿能够是的该线路传输的最大有功功率为728.12kW。

3实例分析

根据以上对于该10kV配电网网络的传来了补偿补偿分析，本发明接下来考察该配电网在不同负载率下的电压数据，见图8，图中设定的负载率为0.10到0.90，每隔0.03负载率计算一次线路电压。随着负载率的增加，线路电压逐渐降低。当负载率高于0.32时候，该配电网的最低电压标幺值为0.9307，因此对于该配电网线路，当负载率低于0.32时候，不需要使用任何的串联补偿装置也能够满足电压标准要求，这种情况下的最大传输功率为375.23kW。

若想提高该配电网的最低和极限传输容量，首先考虑进行单点串联补偿，根据前文对于单点串联补偿的分析，在节点23出安装阻抗值为25欧姆的串联电容，可以最大限度的提高该配电网的线路电压和极限传输容量。因此根据图5的数据，对于该10kV配电网线路，当负载率处于0.32到0.50之间的时候，用单点串联补偿便可以使线路电压满足电压标准的要求，此时该线路传输的最大有功功率为613.67kW，与未安装串联补偿相比线路的最大传输容量提升了63.55％。

接下来若是想提高配电网线路电压，应尽可能地在更多的区域安装串联补偿，进行多点串联补偿。在前文的多点串联补偿分析中，进行四点串联补偿的时对电压提升效果最好，串联补偿安装的位置分别为节点8，节点20，节点28和节点33处，阻抗分别为10Ω，10Ω，16Ω和16Ω。当负载率为0.60的时候，此时的线路最低电压标幺值为0.9304。当负载率处于0.50到0.60之间的时候，用单点串联补偿便可以使线路电压满足电压标准的要求，此时该线路传输的最大有功功率为728.12kW，与未安装串联补偿相比线路的最大传输容量提升了94.05％。

因此，对于该10kV配电网线路，当配电网负载率处于32％到60％的时候，可以采用串联补偿来使得线路电压满足电压标准要求，即最低点电压的标幺值在0.93以上。

4结论与展望

本发明通过一个实际的10kV配电网安装串联补偿后的计算与分析，提出在此配电网中安装串联补偿的详细应用情况，具体内容如下：

1)在安装串联补偿后，串联补偿装置对于接近源的线路的电压基本没有影响，对于接近末端的线路，电压有所提升，但是电容安装点电流越小，电压提升效果越不明显。在安装串联电容应该优先考虑安装在连接大量负荷之前的节点，这样会有较大的电流来提高线路电压。

2)串联补偿在该配电网中是适用范围为负载率为32％到60％的时候，其中当负载率处于50％以下时，仅通过单点串联补偿便可以使得线路电压满足电压标准要求。多点串联电容补偿的电压提升效果可以比单点串联补偿高出40％。并且安装3个及以上串联电容的时候，再增加串联电容对于电压提升的效果不甚明显，电压提升在1％以内。在安装串联补偿的时候应该优先考虑单点补偿。

3)在传输相同的有功功率情况下，安装串联电容能够降低少量线路损耗。在进行串联补偿的优化安装时候，应该优先考虑串联补偿对于电压的提高效果而不是所降低的线路损耗。在实际的工程应用中，配电网中的串联补偿并不能解决配电网中的所有低电压问题和线路损耗问题，下一步将考虑通过更改配电网线路型号来降低线路损耗和提高线路电压。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响分析方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、计算10KV配电网末端电压及损耗

配电网线路上的电压降落为

线路有功损耗ΔP为

其中和分别表示线路首端电压向量和末端电压向量，代表线路电流向量，R和X_LC分别代表固定串联补偿线路的电阻和电抗，S_R、P_R和Q_R分别代表线路末端负载三相的视在功率、有功功率和无功功率；

关于对于整个配电网潮流计算的具体步骤如下：

1)、取10kV为配电网额定电压；

2)、从线路末端开始，负荷节点先子节点后父节点逐段推算，通过公式和计算线路得阻抗损耗，不计电压降，得到配网线路上的功率分布，直至根节点为止；

3)、从始端开始，从根节点出发，先父节点后子节点，由已知的始端电压和步骤2)计算得出的始端功率向末端逐段推算，由公式：计算出配网沿线电压降落，仍采用步骤2)计算的功率分布，即不再重新计算功率损耗，进而可得配网沿线电压及末端电压；

(2)、计算10kV配电网末端电压及损耗变化

2.1)、计算单点串联补偿时的末端电压及损耗

计算10kV配电网线路负载率：

分别在10kV配电网线路不同的区域安装串联补偿电容，计算串联补偿对电压的影响及线路损耗；

计算在不同负载率下10kV配电网线路安装串联补偿的线路电压；

计算单点串联补偿情况下的10kV配电网线路损耗；

2.2)、计算多点串联补时的末端电压及损耗

计算多点串联电容补偿下在每种补偿情况下，10kV配电网线路电压；

计算在不同负载率下10kV配电网线路多个串联串联补偿对于潮流的影响；

(3)、根据步骤(2)计算结果得到串联补偿对10kV配电网末端电压及损耗的影响情况。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2.1)中分别在10kV配电网线路不同的区域安装串联补偿电容，电容器阻抗为25欧姆，额定电压为10kV。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2.2)在10kV配电网线路3处分别安装串联电容，串联电容的阻抗分别为10Ω，10Ω和30Ω，计算每种补偿情况下，10kV配电网线路电压。