沈正元，初翠平

(東北電力大學研究生部，吉林 吉林132012)

隨著世界范圍內(nèi)的能源短缺，風力發(fā)電以其清潔與可再生的特點越來越受到各方面重視。然而，風電并網(wǎng)對系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響逐漸凸顯，風電并網(wǎng)點電壓支撐能力較差，無功電壓問題十分突出。為了解決這些問題，國內(nèi)學者進行了大量研究。文獻［1］基于連續(xù)潮流PV曲線法，研究了雙饋風機不同運行方式對靜態(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電機組因充分發(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［2］提出一種計算含風電系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕的新方法，可以較好地考慮風電出力的不確定性，用于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定及在線安全評估分析。研究表明，雙饋風電場并網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕要好于異步風電場。文獻［3］采用分岔分析方法對風電場并入3節(jié)點簡單電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進行了分析。研究表明:當對系統(tǒng)進行有效電容補償時，系統(tǒng)各節(jié)點的電壓和鞍結(jié)分岔點的電壓均得到有效提升，并且無功補償增加了系統(tǒng)注入功率極限，有效擴展了鞍結(jié)分岔的邊界。但這些研究仍未解決并網(wǎng)點電壓支撐能力較差和無功電壓問題，為此，本文針對并網(wǎng)點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，對各節(jié)點電壓分布、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行了分析。

1 風電接入簡單原型系統(tǒng)建模

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

圖1 風電接入簡單原型系統(tǒng)

首先，風電場群由雙饋風電機組組成，從PCC點經(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，所構(gòu)造系統(tǒng)具有明顯的風電功率長距離外送特征。然后，考慮風電場群裝機容量約為600 MW，230局部電網(wǎng)接入點短路容量約為2 000 MW，短路電流約為5.02 kA，裝機容量占接入點短路容量的30%。根據(jù)文獻［4］的定義，若電網(wǎng)中連接的感應(yīng)發(fā)電機額定容量超過局部電網(wǎng)接入點短路容量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)具有明顯的集群風電弱電網(wǎng)接入特征。

此外，考慮風電大發(fā)(當前出力大于裝機容量的70%視為風電大發(fā))、大量風電功率通過長距離輸電線外送、線路重載運行(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)點電壓為合理值，沿線無功補償裝置無功大發(fā)(算例中無功補償由固定電容器提供)，以使所構(gòu)造簡單原型系統(tǒng)處于風電大發(fā)、線路重載的運行工況。若取Z2為15 km、Z1為150 km、風電當前出力占裝機容量70%，簡單原型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行工況如圖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)外送長線路重載運行。外送長線路Z1潮流很重，負載率高達81.03%。

圖2 簡單原型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行工況

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

2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)描述

實際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(沽源地區(qū))如圖3所示，假設(shè)各風電場均由單機容量為1.5MW的雙饋風電機組組成，裝機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)仿真中各風場均用裝機容量相等的1臺或2臺風電機組代替，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)采用實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，標幺值(基準容量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)點電壓分布

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

由表3可知，此時網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點電壓值都較為合理，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 風電場2繞組變壓器參數(shù)(標幺值)

表2 線路參數(shù)(標幺值)

表3 0.7出力水平時各節(jié)點電壓分布

表4 0.7出力水平時各節(jié)點無功補償量

3.2 0．7出力水平時關(guān)鍵線路潮流

在上述無功補償方案下，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出力水平時關(guān)鍵線路潮流水平

由表5可知:0.7出力水平時，“義緣－察北”、“察北－沽源”線路處于重載運行狀態(tài)，負載率達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 60.58 Mvar及133.92 Mvar。為保證風電功率的送出，沿線主要匯集站節(jié)點需要補償較多的無功功率。

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)無功補償為0.7出力水平時無功補償方案，改各風電場出力水平，不同出力水平下4個匯集站節(jié)點及風電場機端節(jié)點電壓分布如表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)點電壓

圖4 0.7出力水平無功配置方案下匯集站節(jié)點電壓

表7 0.7出力水平無功配置方案下風電場機端電壓1

由表3—表8及圖4—圖6的計算結(jié)果可知:在0.7出力水平無功配置方案下，當沽源地區(qū)風電出力水平約為0.72時，系統(tǒng)達到靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，此時若進一步增大風電出力水平，潮流將不收斂。

圖5 0.7出力水平無功配置方案下風電場機端電壓1

表8 0.7出力水平無功配置方案下風電場機端電壓2

4 改善措施

為改善該典型電網(wǎng)在特殊運行工況下的電壓穩(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)補償設(shè)備、末端接入點風電場內(nèi)加裝自動調(diào)節(jié)SVC裝置兩方面措施討論其對電壓穩(wěn)定性改善的有效性。

4.1 外送長線路加裝串聯(lián)電容補償

串聯(lián)電容補償可減小輸電線路的純感性電抗，能發(fā)出無功以補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)點電壓無關(guān)，能在系統(tǒng)最需要無功的時候產(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 末端接入點風場加自動調(diào)節(jié)的SVC

靜止無功補償器(SVC)是一種不受領(lǐng)先－滯后范圍限制、大多無響應(yīng)延時、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，斜率通常在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)為1% ～5%［6］?？紤]在望海接入點的4個風場35 kV母線處原來由并聯(lián)電容器提供的無功補償改為由SVC提供，并且處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時各風電場SVC的TCR/MCR及TSC/MSC容量如表9所示。

表9 風電場SVC容量

采用上述無功補償裝置后，電網(wǎng)末端節(jié)點的電壓穩(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)風電場接入點離主網(wǎng)越近，其電壓支撐能力越強，當出力水平變化時電壓波動范圍越小。

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

3)通過適當?shù)拇胧┛山鉀Q電網(wǎng)在重載運行工況下末端節(jié)點的電壓穩(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)計方法與實現(xiàn)［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(5):97 －101．

［3］ 李東東，陳陳．風力發(fā)電機組動態(tài)模型研究［J］．中國電機工程報，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．大容量風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響研究［D］．北京:華北電力大學，2009．

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