無功交換對含大量風電場地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響

胡仁祥，白生榮，王明慧，徐立亮，賈 峰，張 毅，常喜強

（1.國網(wǎng)新疆電力公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000；2.國網(wǎng)新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002）

無功交換對含大量風電場地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響

胡仁祥1，白生榮1，王明慧1，徐立亮1，賈 峰1，張 毅1，常喜強2

（1.國網(wǎng)新疆電力公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000；2.國網(wǎng)新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002）

針對含大量風電場的地區(qū)電網(wǎng)外送電時，外送聯(lián)絡(luò)線通道發(fā)生永久故障問題，運用電力系統(tǒng)綜合分析程序（power system analysis software package,PSASP）仿真其動態(tài)過程，分析無功交換潮流對地區(qū)電網(wǎng)形成孤網(wǎng)后穩(wěn)定性的影響，提出穩(wěn)定控制策略。結(jié)果表明：無功交換潮流較小時，對孤網(wǎng)影響不大；當無功交換潮流較大時，應(yīng)及時采取如：投退無功補償裝置、限制風電出力、切除部分負荷等措施進行穩(wěn)定控制。

電力系統(tǒng)；無功交換；控制策略；風電場

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指在系統(tǒng)受到各種因素干擾時不會發(fā)生非同步運行、頻率和電壓崩潰的能力，即在受到干擾后保持第一或第二個振蕩周期而不失步［1］。暫態(tài)穩(wěn)定的主要判斷依據(jù)是指系統(tǒng)每遭受一次諸如短路、切除故障或線路、切機等大擾動時，引起各機組間的相對功角增大，在經(jīng)過第一個最大值后作同步的衰減振蕩，系統(tǒng)中樞點電壓逐步恢復(fù)［2］。

電網(wǎng)正常運行時，風力發(fā)電機組可以通過最大功率跟蹤實現(xiàn)風電出力的最大化，從而實現(xiàn)出力的最佳利用［3］。風電不同于火電等可控能源，受限于出力的波動性、隨機性、間歇性等系列不穩(wěn)定因素，使得風電的出力不可控。對于系統(tǒng)功率大量缺額時，風電等間歇性能源無法適時補償。

本文主要針對含大量風電場的地區(qū)電網(wǎng)，聯(lián)絡(luò)線不同無功交換潮流時，兩回外送聯(lián)絡(luò)線通道發(fā)生故障后，地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后，分析無功交換潮流對孤網(wǎng)的影響，提出控制策略，保證孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。

1 風電對系統(tǒng)的影響

1.1風電對系統(tǒng)頻率的影響

頻率是衡量電能質(zhì)量的主要指標，取決于系統(tǒng)中有功供需平衡情況。在風電等清潔能源規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)的同時，勢必會代替火電等常規(guī)發(fā)電機組。風電受限于出力的不可控性，在電網(wǎng)頻率發(fā)生大幅變化時無法對電網(wǎng)提供頻率響應(yīng)，在系統(tǒng)發(fā)生功率缺額的情況下將會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率大幅下降，不利于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制［4-6］，電網(wǎng)安全運行存生較大隱患。隨著國家政策對風電等清潔能源的大力支持，風電等清潔能源規(guī)模化形成，風電功率大幅波動或因故障退出運行時將會造成區(qū)域電網(wǎng)有功出力與負荷間不平衡，當電網(wǎng)中火電等常規(guī)機組不能快速響應(yīng)電網(wǎng)功率變化時，則可能出現(xiàn)電網(wǎng)頻率偏差，嚴重時可能會出現(xiàn)頻率越限情況，對電網(wǎng)安全運行造成威脅。

1.2風電對系統(tǒng)電壓的影響

電力系統(tǒng)正常運行時，采用單一變量法對電壓穩(wěn)定性進行分析，即在風電場到其接入點的聯(lián)絡(luò)線功率在無功不變情況下，有功功率數(shù)值波動ΔP時，可得到電壓數(shù)值變化與有功功率變化之間的非線性關(guān)系［7］：

式中：Ssc——母線短路容量；

X，U——聯(lián)絡(luò)線電抗及送端電壓。

由式（1）可知，電網(wǎng)電壓值的變化主要受限于傳輸功率值、潮流波動值、線路阻抗值、母線短路容量值等數(shù)值的變化。電壓值的變化與聯(lián)絡(luò)線的有功變化、基礎(chǔ)潮流值成正向變化關(guān)系。

風電出力時常受到風力的間歇性等特性的制約，表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。風電出力的變化率也會對電壓的穩(wěn)定性產(chǎn)生相應(yīng)影響。由式（1）可得：

因此，為了滿足風電出力快速增長的需求，系統(tǒng)中必須配置一定數(shù)量的無功補償裝置以保證電壓穩(wěn)定性。

由式（1）、式（2）可知，風電場的有功輸出值受到線路參數(shù)、電壓水平等因素的影響，并且有功變化率也對無功補償響應(yīng)速度提出了挑戰(zhàn)。

2 現(xiàn)狀分析

2.1靜止無功補償器（SVG）

靜止無功補償器（Static Var Compensator,SVC)是迄今為止電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣、技術(shù)最為成熟的并聯(lián)補償器件，是一類較早得到推廣應(yīng)用的柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible ACTransimission Syatem, FACTS）控制器［8-10］。SVC模型及控制器如圖1所示。

圖1 SVC模型結(jié)構(gòu)及其控制器

通過動態(tài)改變SVC的并聯(lián)電容與并聯(lián)電抗值即可以動態(tài)改變SVC輸出的無功功率，控制SVC所連接母線的電壓甚至是需要遠方控制的母線電壓。

SVC從本質(zhì)上來講仍然是并聯(lián)的電容器組和電抗器組，只是由于基于晶閘管的控制能夠提高其動態(tài)響應(yīng)的速度，在一定程度上滿足故障條件下的動態(tài)無功支持要求［11］。但由于其吸收或發(fā)出的無功功率仍然是與其端電壓的平方成正比，當其無功功率達到自身無功極限值時，其特性與電抗器組或電容器組相同，在低電壓水平下仍無法提供相應(yīng)的無功容量。

2.2某地區(qū)電網(wǎng)簡介

某地區(qū)電網(wǎng)處于新疆電網(wǎng)的末端，網(wǎng)內(nèi)風電、水電裝機容量遠大于火電等常規(guī)能源的裝機總量，其中風電總裝機容量為340MW，水電總裝機容量為730MW，其他能源總裝機容量為50MW。該地區(qū)電網(wǎng)總負荷約750MW，按照常規(guī)出力計算將會有約370MW的電力無法就地消納，當?shù)叵{剩余電力通過220 kV龍豐線和齊豐線上網(wǎng)至新疆主網(wǎng)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.3外送時，不同無功交換下電網(wǎng)發(fā)生解列分析

2.3.1 從新疆主網(wǎng)吸收無功50Mvar

地區(qū)電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線外送有功約200MW，吸收無功50 Mvar。兩回送出線路發(fā)生三永故障，0.12 s切除后。

常規(guī)控制策略：地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后，網(wǎng)內(nèi)有功出力過剩，需切除部分機組。由于該電網(wǎng)機組主要由風電和水電構(gòu)成，風電不能隨負荷變化而變化，在電力平衡能力以及故障期間的電壓支撐能力上都明顯弱于水電?？紤]切除龍灣地區(qū)風電200MW出力。地區(qū)電網(wǎng)風電出力切除后，電網(wǎng)變電站母線電壓、水電機組轉(zhuǎn)速、風電機組機端母線電壓、風電機組機端母線頻率變化分別如圖3至圖6所示。

圖3 母線電壓變化情況

圖4水電機組轉(zhuǎn)速變化情況

圖5風電機組機端母線電壓變化情況

圖6風電機組機端母線頻率變化情況

從圖3至圖6中可以看出，在無功交換較小時，對地域電網(wǎng)影響較小。故障后孤網(wǎng)電壓、水電機組功角轉(zhuǎn)速、以及風電機組機端母線電壓、頻率均發(fā)生了較小的波動，在振蕩后都恢復(fù)了穩(wěn)定運行。

2.3.2 從新疆主網(wǎng)吸收無功100Mvar

地區(qū)電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線外送有功約200MW，吸收無功105k var。兩回送出線路發(fā)生三永故障，0.12 s切除后。

常規(guī)控制策略：考慮切除龍灣地區(qū)風電200MW出力。電網(wǎng)變電站母線電壓、水電機組轉(zhuǎn)速、風電機組機端母線電壓變化情況分別如圖7至圖9所示。

圖7母線電壓變化情況

圖8水電機組轉(zhuǎn)速變化情況

圖9風電機組機端母線電壓變化情況

從圖7至圖9中可以看出，由于電網(wǎng)無功缺額較大，地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)無功儲備較低，電壓穩(wěn)定性很差，電網(wǎng)故障并解列后，220 kV變電站母線電壓、風電機組機端電壓在故障清除后無法恢復(fù)穩(wěn)定，并快速下降，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

3 針對性控制策略

地區(qū)電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線外送有功約200MW，吸收無功100Mvar。兩回送出線路發(fā)生三永故障，0.12 s切除后。

3.1單獨策略

在220 kV額爾齊斯變電站投運動態(tài)無功補償裝置SVC（±200MW）。電網(wǎng)故障解列，切除龍灣地區(qū)風電200MW出力。電網(wǎng)變電站母線電壓、風電機組機端母線電壓、SVC無功出力變化情況如圖10至圖12所示。

圖10 變電站母線電壓變化情況

圖11風電機組機端母線電壓變化情況

圖12 SVC無功出力變化情況

從圖10至圖12中可以看出，雖然電網(wǎng)解列后SVC及時投運并提供了大量的無功支撐，但由于電網(wǎng)在事故前后無功功率變化較大，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性很差。

同時故障后由于電網(wǎng)無功功率缺額較大，風電機組有功功率無法送出，導(dǎo)致風電機組轉(zhuǎn)速處于不斷加速的過程，并最終崩潰。故障后系統(tǒng)崩潰時間只比沒有投運SVC時延長了0.2 s。

3.2綜合策略

在220 kV額爾齊斯變電站投運動態(tài)無功補償裝置SVC（±200MV）。電網(wǎng)故障解列，切除龍灣地區(qū)全部風電330MW出力和部分負荷（130MW）。由于切除部分負荷，導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)容性無功過剩，此時應(yīng)及時退出部分容性無功補償設(shè)備，投入感性無功補償設(shè)備。電網(wǎng)變電站母線電壓、風電機組機端母線電壓、SVC無功出力變化情況如圖13至圖15所示。

圖13母線電壓變化情況

圖14風電機組機端母線電壓變化情況

圖15 SVC無功出力變化情況

從圖13至圖15中可以看出，通過切除全部風電及部分負荷，并適當調(diào)節(jié)無功補償設(shè)備，可使地區(qū)電網(wǎng)在解列后恢復(fù)穩(wěn)定運行。聯(lián)絡(luò)線無功交換較小時（50Mvar），當220 kV聯(lián)絡(luò)線通道（龍豐線、齊豐線）發(fā)生故障后，地區(qū)電網(wǎng)與主電網(wǎng)解列，形成孤網(wǎng)運行，網(wǎng)內(nèi)電壓、頻率發(fā)生變化，采取相應(yīng)穩(wěn)定控制策略和手段可以保證孤網(wǎng)穩(wěn)定運行；聯(lián)絡(luò)線無功交換較大時（100Mvar），當220 kV聯(lián)絡(luò)線通道（龍豐線、齊豐線）發(fā)生故障后，地區(qū)電網(wǎng)與主電網(wǎng)解列，僅通過切除部分風電機組，或者加裝SVC，網(wǎng)內(nèi)電網(wǎng)大幅度波動，導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)電壓崩潰；聯(lián)絡(luò)線無功交換較大時（100Mvar），對于地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)的控制策略中，為保證孤網(wǎng)運行穩(wěn)定，須加裝SVC同時切除全部風電和部分負荷。

4 結(jié)論

（1）在系統(tǒng)發(fā)生解列故障后，電網(wǎng)內(nèi)無功支撐能力不足，而在某一點補償大量的容性無功功率不符合無功功率分層分區(qū)平衡原則。建議地區(qū)電網(wǎng)中應(yīng)各節(jié)點配置可以靈活調(diào)節(jié)的無功補償裝置，風電場等出力不穩(wěn)定的清潔能源電站配置動態(tài)無功補償裝置。

（2）針對聯(lián)絡(luò)線不同數(shù)值的無功交換潮流，采取相應(yīng)的穩(wěn)定控制策略。在無功交換潮流較大時，應(yīng)及時采取投退無功補償裝置、限制風電出力、切除部分負荷等措施進行穩(wěn)定控制。

（3）該策略可為大規(guī)?；娘L電并網(wǎng)提供一定的理論支持。

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Influence of reactive power exchangeon power grid stability of regionalcontaining largescalew ind farm

HU Renxiang1,BAIShengrong1,WANG M inghui1,XU Liliang1,JIA Feng1,ZHANG Yi1,CHANG Xiqiang2
(Turpan Power Supply Filiale of State Grid Xinjiang Power Co.,Turpan Xinjiang 838000,China; 2.StateGrid Xinjiang Power Company,UrumchiXinjiang 830002,China)

Aiming at the problem thatwhen regional power grid containing large-scaled wind farm transmission power,happen the tie link channels permanent fault,Using power system analysis software package(PSASP)simulates the fault dynamic process,analyzes the influence of reactive power exchange tide on stability of isolated regional power grid,puts forward stability control strategy.The result shows that the reactive power exchange tide is small,the impact of isolated regional power grid is not big.when the reactive power exchange tide is big,must adopt stability controlmeasures in time such as switching the reactive power compensator,limitingwind power outputability and cutting some loads.

power system;reactive power exchange;controlstrategy;wind farm

TM712

A

1672-3643（2017）02-0034-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.007

2017-01-12

胡仁祥（1987），男，工學(xué)碩士，從事電網(wǎng)調(diào)度運行工作。

有效訪問地址：http：//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.007