含風(fēng)電場的電網(wǎng)無功配置方案研究

沈正元，初翠平

(東北電力大學(xué)研究生部，吉林 吉林132012)

隨著世界范圍內(nèi)的能源短缺，風(fēng)力發(fā)電以其清潔與可再生的特點(diǎn)越來越受到各方面重視。然而，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響逐漸凸顯，風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓支撐能力較差，無功電壓問題十分突出。為了解決這些問題，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［1］基于連續(xù)潮流PV曲線法，研究了雙饋風(fēng)機(jī)不同運(yùn)行方式對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。研究表明:單位功率因數(shù)控制的風(fēng)電場因不能向系統(tǒng)提供無功出力，其母線電壓隨線路無功需求的增大不斷降低;恒電壓控制方式下的風(fēng)電機(jī)組因充分發(fā)揮了無功調(diào)節(jié)潛能，可在一定程度上提高系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。文獻(xiàn)［2］提出一種計(jì)算含風(fēng)電系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕的新方法，可以較好地考慮風(fēng)電出力的不確定性，用于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定及在線安全評(píng)估分析。研究表明，雙饋風(fēng)電場并網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕要好于異步風(fēng)電場。文獻(xiàn)［3］采用分岔分析方法對(duì)風(fēng)電場并入3節(jié)點(diǎn)簡單電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。研究表明:當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效電容補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓和鞍結(jié)分岔點(diǎn)的電壓均得到有效提升，并且無功補(bǔ)償增加了系統(tǒng)注入功率極限，有效擴(kuò)展了鞍結(jié)分岔的邊界。但這些研究仍未解決并網(wǎng)點(diǎn)電壓支撐能力較差和無功電壓問題，為此，本文針對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓支撐能力差和無功電壓問題，在仿真模擬的基礎(chǔ)上，以0.7出力水平無功配置方案為例，對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓分布、關(guān)鍵線路潮流、此無功配置方案下電壓分布及出力極限進(jìn)行了分析。

1 風(fēng)電接入簡單原型系統(tǒng)建模

構(gòu)造單一風(fēng)電場群并網(wǎng)的集群風(fēng)電接入簡單原型系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電接入簡單原型系統(tǒng)

首先，風(fēng)電場群由雙饋風(fēng)電機(jī)組組成，從PCC點(diǎn)經(jīng)并網(wǎng)線路Z2接入220匯集站，再經(jīng)外送長線路Z1(長度大于80 km的線路為外送長線路)外送到局部電網(wǎng)接入點(diǎn)，所構(gòu)造系統(tǒng)具有明顯的風(fēng)電功率長距離外送特征。然后，考慮風(fēng)電場群裝機(jī)容量約為600 MW，230局部電網(wǎng)接入點(diǎn)短路容量約為2 000 MW，短路電流約為5.02 kA，裝機(jī)容量占接入點(diǎn)短路容量的30%。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的定義，若電網(wǎng)中連接的感應(yīng)發(fā)電機(jī)額定容量超過局部電網(wǎng)接入點(diǎn)短路容量15%，稱這樣的電網(wǎng)為弱電網(wǎng)，由此可見，所構(gòu)造簡單原型系統(tǒng)具有明顯的集群風(fēng)電弱電網(wǎng)接入特征。

此外，考慮風(fēng)電大發(fā)(當(dāng)前出力大于裝機(jī)容量的70%視為風(fēng)電大發(fā))、大量風(fēng)電功率通過長距離輸電線外送、線路重載運(yùn)行(線路傳輸功率超過額定功率50%視為重載)等因素，為維持節(jié)點(diǎn)電壓為合理值，沿線無功補(bǔ)償裝置無功大發(fā)(算例中無功補(bǔ)償由固定電容器提供)，以使所構(gòu)造簡單原型系統(tǒng)處于風(fēng)電大發(fā)、線路重載的運(yùn)行工況。若取Z2為15 km、Z1為150 km、風(fēng)電當(dāng)前出力占裝機(jī)容量70%，簡單原型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況如圖2所示。

由圖2可見，事故前簡單原型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況具有如下特征:

1)外送長線路無功損耗大。外送長線路Z1呈現(xiàn)出明顯的感性特征，無功損耗很大Qloss=101.89 Mvar。

2)外送長線路重載運(yùn)行。外送長線路Z1潮流很重，負(fù)載率高達(dá)81.03%。

圖2 簡單原型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

3)沿線無功補(bǔ)償裝置無功大發(fā)。為維持節(jié)點(diǎn)電壓在1.0 p．u．，無功補(bǔ)償裝置發(fā)出大量無功，節(jié)點(diǎn)3、5處無功補(bǔ)償出力分別為120 Mvar、190 Mvar。

2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)描述

實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(沽源地區(qū))如圖3所示，假設(shè)各風(fēng)電場均由單機(jī)容量為1.5MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組組成，裝機(jī)容量分別考慮為佳鑫199.5、麒麟山150、烏登山 99、韓家莊 99、壩頭 99、宏大 100.5、友誼100.5、牧場 100.5、鹿原 100.5、九龍泉 100.5、蓮花灘199.5、冰峰99。穩(wěn)態(tài)仿真中各風(fēng)場均用裝機(jī)容量相等的1臺(tái)或2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組代替，地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中考慮沽源230處短路電流約為18 kA，線路及變壓器參數(shù)采用實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，標(biāo)幺值(基準(zhǔn)容量1 000 MVA)如表1和表2所示。

3 0．7出力水平無功配置方案分析

3.1 0．7出力水平無功配置方案及各節(jié)點(diǎn)電壓分布

沽源地區(qū)各風(fēng)電場出力水平為0.7時(shí)，合理調(diào)整網(wǎng)內(nèi)電容器使得各節(jié)點(diǎn)電壓維持在1.0 p．u．左右，此時(shí)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓及無功補(bǔ)償量如表3及表4所示，其中正的無功補(bǔ)償量表示投運(yùn)電容器組，負(fù)的無功補(bǔ)償量表示投運(yùn)電抗器組。

由表3可知，此時(shí)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓值都較為合理，維持在1.0 p．u．左右;由表4可知，主要無功補(bǔ)償量由匯集站提供。

圖3 沽源地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

表1 風(fēng)電場2繞組變壓器參數(shù)(標(biāo)幺值)

表2 線路參數(shù)(標(biāo)幺值)

表3 0.7出力水平時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓分布

表4 0.7出力水平時(shí)各節(jié)點(diǎn)無功補(bǔ)償量

3.2 0．7出力水平時(shí)關(guān)鍵線路潮流

在上述無功補(bǔ)償方案下，沽源地區(qū)3條外送長線路潮流水平如表5所示。

表5 0.7出力水平時(shí)關(guān)鍵線路潮流水平

由表5可知:0.7出力水平時(shí)，“義緣－察北”、“察北－沽源”線路處于重載運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)載率達(dá)76.14%和53.07%;“義緣－察北”和“察北－沽源”線路的無功損耗較大，分別達(dá) 60.58 Mvar及133.92 Mvar。為保證風(fēng)電功率的送出，沿線主要匯集站節(jié)點(diǎn)需要補(bǔ)償較多的無功功率。

3.3 0．7出力水平無功配置方案下電壓分布及出力極限分析

保持網(wǎng)內(nèi)無功補(bǔ)償為0.7出力水平時(shí)無功補(bǔ)償方案，改各風(fēng)電場出力水平，不同出力水平下4個(gè)匯集站節(jié)點(diǎn)及風(fēng)電場機(jī)端節(jié)點(diǎn)電壓分布如表6—表8以及圖4—圖6所示(出力水平大于0.72時(shí)潮流不收斂)。

表6 0.7出力水平無功配置方案下匯集站節(jié)點(diǎn)電壓

圖4 0.7出力水平無功配置方案下匯集站節(jié)點(diǎn)電壓

表7 0.7出力水平無功配置方案下風(fēng)電場機(jī)端電壓1

由表3—表8及圖4—圖6的計(jì)算結(jié)果可知:在0.7出力水平無功配置方案下，當(dāng)沽源地區(qū)風(fēng)電出力水平約為0.72時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，此時(shí)若進(jìn)一步增大風(fēng)電出力水平，潮流將不收斂。

圖5 0.7出力水平無功配置方案下風(fēng)電場機(jī)端電壓1

表8 0.7出力水平無功配置方案下風(fēng)電場機(jī)端電壓2

4 改善措施

為改善該典型電網(wǎng)在特殊運(yùn)行工況下的電壓穩(wěn)定性，減少類似事故發(fā)生的頻率，可從外送長線路加裝串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備、末端接入點(diǎn)風(fēng)電場內(nèi)加裝自動(dòng)調(diào)節(jié)SVC裝置兩方面措施討論其對(duì)電壓穩(wěn)定性改善的有效性。

4.1 外送長線路加裝串聯(lián)電容補(bǔ)償

串聯(lián)電容補(bǔ)償可減小輸電線路的純感性電抗，能發(fā)出無功以補(bǔ)償輸電線的無功消耗。發(fā)出的無功隨電流的平方而增加，與節(jié)點(diǎn)電壓無關(guān)，能在系統(tǒng)最需要無功的時(shí)候產(chǎn)生最多的無功，從而改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。定義系統(tǒng)串聯(lián)補(bǔ)償度為e=|XC/XL|，其中XL為線路等效電抗，XC為串聯(lián)電容器電抗［5］。

4.2 末端接入點(diǎn)風(fēng)場加自動(dòng)調(diào)節(jié)的SVC

靜止無功補(bǔ)償器(SVC)是一種不受領(lǐng)先－滯后范圍限制、大多無響應(yīng)延時(shí)、能快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置。在線性控制區(qū)內(nèi)SVC根據(jù)其斜率調(diào)節(jié)電壓，斜率通常在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)為1% ～5%［6］?？紤]在望海接入點(diǎn)的4個(gè)風(fēng)場35 kV母線處原來由并聯(lián)電容器提供的無功補(bǔ)償改為由SVC提供，并且處于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時(shí)各風(fēng)電場SVC的TCR/MCR及TSC/MSC容量如表9所示。

表9 風(fēng)電場SVC容量

采用上述無功補(bǔ)償裝置后，電網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性都有明顯的改善，特別是采用SVC方案后，電壓穩(wěn)定性改善更加明顯。

5 結(jié)論

1)風(fēng)電場接入點(diǎn)離主網(wǎng)越近，其電壓支撐能力越強(qiáng)，當(dāng)出力水平變化時(shí)電壓波動(dòng)范圍越小。

2)采用串聯(lián)補(bǔ)償及加裝SVC兩種方案都能顯著改善該實(shí)際電網(wǎng)在重載情況下的電壓穩(wěn)定性。

3)通過適當(dāng)?shù)拇胧┛山鉀Q電網(wǎng)在重載運(yùn)行工況下末端節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定問題。

［1］ 吳昊，衛(wèi)志農(nóng)，王成亮．基連續(xù)潮流綜合算法的電壓穩(wěn)定性研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(6):99 －104．

［2］ 蘇毅，俞秋陽，畢兆東．福建電網(wǎng)基于在線安全穩(wěn)定控制與預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)控策略表設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(5):97 －101．

［3］ 李東東，陳陳．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型研究［J］．中國電機(jī)工程報(bào)，2005，25(3):115 －119．

［4］ 陳衍．電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析［M］．第二版．北京:中國電力出版社，1995．

［5］ 張紅光．大容量風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響研究［D］．北京:華北電力大學(xué)，2009．

［6］ 潘彩敏．靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)(SVC)工程設(shè)計(jì)及仿真研究［D］．合肥:安徽大學(xué)，2003．