高密度風(fēng)電接入地區(qū)電壓波動(dòng)因素分析與研究

，， ，，，

(1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002； 2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047 )

0 引 言

近年來，大規(guī)模間歇性能源(如風(fēng)電、光伏等)集中接入電網(wǎng)，并網(wǎng)后給大電網(wǎng)的穩(wěn)定、運(yùn)行帶來極大的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響。一方面，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)(或光伏電站)會(huì)吸收過多的無功功率，沖擊性負(fù)荷(如電鐵)易產(chǎn)生電壓不平衡、諧波，如不采取相應(yīng)的控制措施，可能對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定造成影響；另一方面，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)控制問題也極易造成電壓的波動(dòng)[1-4]。

目前，針對(duì)間歇性能源并網(wǎng)引起電壓波動(dòng)問題，主要集中于理論方面進(jìn)行了初步研究。文獻(xiàn)[5-6]考慮穩(wěn)態(tài)下的風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)，未考慮故障的暫態(tài)過程對(duì)電壓波動(dòng)影響；文獻(xiàn)[7-8]考慮含有光伏的電網(wǎng)中，研究了光伏的不確定性和無功優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略對(duì)電壓波動(dòng)的影響，但未考慮多種間歇性能源的交互影響；文獻(xiàn)[9]分析風(fēng)電與電鐵牽引負(fù)荷集中接入地區(qū)電網(wǎng)的交互影響，提出電鐵牽引站裝設(shè)SVC裝置有效改善電壓的波動(dòng)；文獻(xiàn)[10-11]針對(duì)大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定問題，分析了SVC的控制策略研究、振蕩機(jī)理，且以并網(wǎng)風(fēng)電和電網(wǎng)交換功率為控制目標(biāo)進(jìn)行SVC的協(xié)調(diào)控制，改善電壓波動(dòng)。

可見，現(xiàn)有研究主要依托于單一間歇性能源，提出了一系列改善電壓穩(wěn)定的措施。對(duì)于含有多種間歇性能源集中接入地區(qū)，電網(wǎng)運(yùn)行本身存在一定的復(fù)雜性，尤其是在高密度風(fēng)電地區(qū)，光伏、電鐵等間歇性能源共存，對(duì)高密度風(fēng)電地區(qū)電壓波動(dòng)問題則需進(jìn)一步的探討研究。

依托新疆哈密地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該地區(qū)形成了哈密北、十三間房及哈密南三大風(fēng)電集群區(qū)域。針對(duì)高密度風(fēng)電地區(qū)電網(wǎng)無功電壓波動(dòng)問題，考慮風(fēng)電有功出力變化、風(fēng)機(jī)及光伏大規(guī)模脫網(wǎng)、電鐵沖擊負(fù)荷及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)控制不協(xié)調(diào)等因素，仿真分析不同因素對(duì)該地區(qū)電壓波動(dòng)的影響，診斷該地區(qū)無功電壓存在的風(fēng)險(xiǎn),并提出改善電壓波動(dòng)的措施，對(duì)提高高密度風(fēng)電接入地區(qū)電壓穩(wěn)定水平有一定的參考價(jià)值。

1 哈密高密度風(fēng)電地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模

1.1 哈密高密度風(fēng)電地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

根據(jù)2014年新疆電網(wǎng)建設(shè)，哈密地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已形成含有±800 kV、750 kV、220 kV電壓等級(jí)的主網(wǎng)架，其中110 kV、35 kV電壓等級(jí)構(gòu)成覆蓋該地區(qū)的輸、配電網(wǎng)絡(luò)。并且，±800 kV哈鄭(天中)特高壓直流、750 kV新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)一、二通道及哈密高密度風(fēng)電，構(gòu)成了疆電外送的送端電網(wǎng)，圖1為哈密局部電網(wǎng)示意圖。

圖1 局部電網(wǎng)示意圖

1.2 哈密高密度風(fēng)電地區(qū)電源規(guī)模

如圖1所示，目前哈密地區(qū)高密度風(fēng)電匯集于哈密北、十三間房及哈密南三大風(fēng)電集群區(qū)域。依托直流配套電源建設(shè)，截至2014年年底，哈密地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)7 580 MW，并在哈密東南部地區(qū)形成大規(guī)模的光伏并網(wǎng)，光伏總裝機(jī)容量達(dá)970 MW，哈密南部地區(qū)天山換流站直流配套電源火電6臺(tái)機(jī)組將在2014年年底陸續(xù)投入運(yùn)行，哈密地區(qū)火電總裝機(jī)容量達(dá)4 850 MW。圖2為哈密地區(qū)電源裝機(jī)容量。

2 電壓運(yùn)行波動(dòng)機(jī)理分析

電壓波動(dòng)主要取決于系統(tǒng)的短路容量以及系統(tǒng)無功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及規(guī)劃電源都已確定前提下，為了適應(yīng)風(fēng)電出力波動(dòng)對(duì)電壓的影響，需要風(fēng)電場(chǎng)配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償(SVC或SVG)并跟蹤風(fēng)電出力的變化進(jìn)行無功調(diào)控，同時(shí)，輔以主網(wǎng)無功控制手段的協(xié)同動(dòng)作，進(jìn)而將風(fēng)電出力變化對(duì)電壓波動(dòng)的影響降到最低。

2.1 短路容量對(duì)電壓運(yùn)行波動(dòng)分析

短路容量是指電力系統(tǒng)在規(guī)定的運(yùn)行方式下，關(guān)注點(diǎn)三相短路時(shí)的視在功率，它是表征電力系統(tǒng)供電能力強(qiáng)弱的特征參數(shù)，其大小等于短路電流與短路處的額定電壓的乘積，即

(1)

從式(1)可知，短路容量與電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式有關(guān)，并且反映了該點(diǎn)的某些重要性能：①該點(diǎn)帶負(fù)荷的能力和電壓穩(wěn)定性；②該點(diǎn)與電力系統(tǒng)電源之間聯(lián)系的強(qiáng)弱；③該點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，短路電流的水平。隨著電力系統(tǒng)容量的擴(kuò)大，系統(tǒng)短路容量的水平也會(huì)增大。

根據(jù)《電能質(zhì)量——電壓波動(dòng)與閃變》標(biāo)準(zhǔn)，電壓波動(dòng)d定義為

(2)

式中，ΔU電壓方均根值曲線上相臨兩個(gè)極值電壓之差；UN為系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓。

當(dāng)已知三相負(fù)荷的有功和無功功率的變化量分別為ΔPi與ΔQi時(shí)，電壓波動(dòng)d為

(3)

式中,RL、XL為電網(wǎng)阻抗的電阻、電抗分量。在高壓電網(wǎng)中，一般RL?XL，則

(4)

式中，SSC為考察點(diǎn)(較小方式下)的短路容量。由式(4)可見，系統(tǒng)的短路容量越大，電壓損失越小，更利于電壓的穩(wěn)定；由于計(jì)算短路容量時(shí)，電壓選取等

圖3 模擬SVC外特性的數(shù)學(xué)模型框圖

級(jí)為線路平均電壓，由式(1)、式(4)，系統(tǒng)的短路容量水平取決于系統(tǒng)的短路電流水平。

2.2 SVC控制不協(xié)調(diào)對(duì)電壓波動(dòng)分析

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償SVC具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。模擬SVC外特性的通用靜止無功補(bǔ)償器模型，如圖3所示。

圖3中，Ksvs為連續(xù)控制比例增益系數(shù)，Ksd為間斷控制比例增益系數(shù)。電壓偏差DV是連續(xù)控制和間斷控制的電壓變化門檻值。DV=0，為連續(xù)控制；DV>0，為間斷控制，如果不考慮連續(xù)控制可用將DV=0，Ksvs很大，或DV設(shè)為很小的值。在應(yīng)用SVC仿真中發(fā)現(xiàn)，控制增益設(shè)置及多個(gè)SVC之間的協(xié)調(diào)控制是功率振蕩的重要原因，進(jìn)而引起電壓的波動(dòng)。

3 仿真分析

根據(jù)2014年新疆哈密高密度風(fēng)電地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，針對(duì)高密度風(fēng)電、光伏等間歇性能源接入后哈密地區(qū)電網(wǎng)無功電壓波動(dòng)問題，基于電壓波動(dòng)機(jī)理，考慮風(fēng)電有功出力隨機(jī)變化、風(fēng)電及光伏大規(guī)模脫網(wǎng)、電鐵沖擊負(fù)荷變化以及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)控制不協(xié)調(diào)等因素，仿真分析哈密地區(qū)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況。

3.1 短路容量引起電壓波動(dòng)分析

利用PSASP仿真可知哈密地區(qū)部分風(fēng)電匯集母線短路電流如表1所示。

由于三塘湖麻黃溝東最小短路容量為900 MVA，而麻黃溝地區(qū)的風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了650 MW，短路比不到1.4，屬于極弱電網(wǎng)，不利于風(fēng)電上網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，在如此小的短路電流之下，風(fēng)電出力波動(dòng)必將引起接入廠站較大的電壓波動(dòng)。

3.2 風(fēng)電有功出力隨機(jī)變化對(duì)電壓影響

哈密北部地區(qū)麻黃溝西變電站，匯集接入的電場(chǎng)由于風(fēng)速變化發(fā)生100 MW的功率波動(dòng)時(shí)，220 kV麻黃線功率曲線和麻黃溝西電壓變化的仿真曲線如圖4所示。

表1 風(fēng)電場(chǎng)匯集母線短路電流

圖4 麻黃溝西有功變化引起電壓波動(dòng)

從圖4可以看出,當(dāng)麻黃溝西接帶匯集接入的風(fēng)電場(chǎng)因?yàn)轱L(fēng)速變化引起出力變化超過100 MW時(shí)，不考慮SVC作用時(shí)造成12 kV的電壓波動(dòng)。考慮SVC作用后造成8 kV的電壓波動(dòng)。SVC有效地抑制了電壓波動(dòng)的幅度，但是從圖中可以看出SVC參與調(diào)節(jié)后，麻黃溝西變電站的220 kV母線電壓出現(xiàn)了輕微的振蕩現(xiàn)象。

3.3 大規(guī)模風(fēng)電、光伏脫網(wǎng)對(duì)電壓影響

風(fēng)電、光伏通過換流器并網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)，出于換流器的電力電子器件安全等考慮，風(fēng)電、光伏自身的保護(hù)往往將電力切除，給電網(wǎng)帶來一定程度擾動(dòng)，尤其是并網(wǎng)規(guī)模的增大，這種擾動(dòng)將給電網(wǎng)運(yùn)行帶來更大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。按照不同運(yùn)行工況下，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組、光伏電源脫網(wǎng)容量分別為：工況1脫網(wǎng)437 MW、工況2脫網(wǎng)733.6 MW、工況3脫網(wǎng)1 040.6 MW，分別仿真3種脫網(wǎng)工況對(duì)系統(tǒng)220 kV電壓的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 大規(guī)模風(fēng)電、光伏脫網(wǎng)電壓波動(dòng)

由仿真結(jié)果圖5(a)、(b)可知,隨著新能源脫網(wǎng)容量的逐漸增大，母線電壓的攀升幅度也依次增大。當(dāng)新能源脫網(wǎng)437 MW時(shí)，十三間房220 kV母線電壓超過220 kV電壓上限242 kV；隨著脫網(wǎng)容量的逐漸加大，當(dāng)脫網(wǎng)達(dá)到1 040 MW時(shí)，十三間房、麻黃溝以及山北220 kV母線電壓幅值都已增大，并超過242 kV電壓上限，給電網(wǎng)設(shè)備安全帶來隱患；對(duì)比分析不同程度的脫網(wǎng)可知，哈密地區(qū)新能源脫網(wǎng)，地區(qū)電網(wǎng)潮流較輕，充電無功增大，哈密電網(wǎng)220 kV母線電壓增長(zhǎng)幅度較大，近區(qū)750 kV母線電壓影響較小。

3.4 電鐵沖擊負(fù)荷對(duì)電壓影響

目前哈密地區(qū)中西部的220 kV十三間房變電站接帶了3個(gè)牽引站(黑山牽引站、了墩牽引站、紅臺(tái)牽引站)。仿真時(shí)每個(gè)牽引站考慮接帶20 MW的沖擊負(fù)荷，功率因數(shù)為0.9。負(fù)荷設(shè)置為：列車駛?cè)霑r(shí)該供電段時(shí)負(fù)荷先由0 MW逐步上升到20 MW，列車駛出該供電段時(shí)負(fù)荷從20 MW逐步下降到0 MW。該沖擊負(fù)荷下220 kV十三間變電站和石城子變電站電壓曲線如圖6所示。

從圖6可以看出,電氣化鐵路負(fù)荷(每個(gè)牽引站20 MW)的變化引起該變電站電壓波動(dòng)約4 kV。

圖6 電鐵沖擊負(fù)荷對(duì)電壓影響

3.5 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制不協(xié)調(diào)對(duì)電壓影響

電壓波動(dòng)主要取決于系統(tǒng)的短路容量、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量。為了適應(yīng)風(fēng)電出力波動(dòng)對(duì)電壓的影響，需要風(fēng)電場(chǎng)配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償(SVC或SVG)并跟蹤風(fēng)電出力的變化進(jìn)行無功調(diào)控。根據(jù)SVC運(yùn)行情況，針對(duì)單個(gè)SVC和多個(gè)SVC運(yùn)行進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)所示為控制增益Ksvs=5時(shí)，為典型設(shè)置；圖7(b)所示為多個(gè)SVC之間的協(xié)調(diào)控制時(shí)，控制增益Ksvs遠(yuǎn)大于典型值時(shí)，引起系統(tǒng)振功率蕩，進(jìn)而引起電壓的波動(dòng)較大。

圖7 無功補(bǔ)償裝置控制不協(xié)調(diào)對(duì)電壓影響

4 改善電壓波動(dòng)的相關(guān)措施

根據(jù)上述仿真分析可知，短路電流偏小的情況下，風(fēng)電有功出力的隨機(jī)波動(dòng)、大規(guī)模新能源的脫網(wǎng)以及無功裝置控制不協(xié)調(diào)極易引起高密度風(fēng)電地區(qū)電壓的波動(dòng)。因此，可采取如下措施改善電壓波動(dòng)問題。

(1) 針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功隨機(jī)變化對(duì)電壓的影響，加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制管理，確保風(fēng)電場(chǎng)有功每分鐘變化率滿足《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，即裝機(jī)容量30～150 MW風(fēng)電場(chǎng)有功功率每分鐘有功變化不超過裝機(jī)容量的20%；

(2) 針對(duì)高密度風(fēng)電地區(qū)短路容量偏小的問題，提高該地區(qū)短路容量，加強(qiáng)網(wǎng)架機(jī)構(gòu)建設(shè)，提升哈密地區(qū)風(fēng)電消納能力；

(3) 針對(duì)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC),一方面確保風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的可用度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，開展風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置綜合協(xié)調(diào)控制研究，統(tǒng)一控制策略，協(xié)調(diào)控制，避免在弱風(fēng)電送端系統(tǒng)產(chǎn)生功率振蕩；另一方面，開展動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置建模工作，通過仿真計(jì)算合理確定設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，將動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置納入哈密地區(qū)無功電壓控制綜合協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置之間在站間、區(qū)域內(nèi)的協(xié)調(diào)控制。

5 結(jié) 論

通過對(duì)哈密高密度風(fēng)電地區(qū)無功電壓影響分析，可得出如下結(jié)論。

(1)哈密高密度風(fēng)電地區(qū)由于接入大規(guī)模風(fēng)電、光伏、電氣化鐵路，引起該地區(qū)電壓波動(dòng)的主要因素有風(fēng)電有功出力的隨機(jī)變化、規(guī)?；履茉疵摼W(wǎng)、電鐵沖擊性負(fù)荷及SVC控制不協(xié)調(diào)；

(2)由于哈密高密度風(fēng)電地區(qū)接入風(fēng)電、光伏以及電氣化牽引站的廠站多處于電網(wǎng)末端(十三間房、山北地區(qū))，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較薄弱，短路電流偏?。徊⑶以谕饨珉妷阂蛩?cái)_動(dòng)下，由于電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力有限，極易造成電壓波動(dòng)越限(超過11 kV)；

(3)針對(duì)改善高密風(fēng)電地區(qū)電壓波動(dòng)問題，一方面，由于短路電流偏小，可加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制管理，確保風(fēng)電場(chǎng)有功每分鐘變化率滿足《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求；另一方面，由于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)參數(shù)設(shè)置不合理及控制不協(xié)調(diào)，造成系統(tǒng)功率振蕩，進(jìn)而引起電壓波動(dòng)問題，可進(jìn)一步采取仿真建模研究，確定相關(guān)合理的參數(shù)，協(xié)調(diào)多個(gè)SVC之間控制的同時(shí)，與哈密地區(qū)無功控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)站間、區(qū)域內(nèi)的電壓穩(wěn)定控制。

因此，針對(duì)高密度風(fēng)電接入地區(qū)，分析該地區(qū)風(fēng)電、光伏、電鐵及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)等因素對(duì)電壓的影響，對(duì)提高高密風(fēng)電地區(qū)電壓穩(wěn)定及減小風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)具有一定的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。

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