張中丹 宋汶秦 賈春蓉 楊昌海 夏 懿

（甘肅省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在向系統(tǒng)輸出有功功率的同時(shí)，需要從系統(tǒng)吸收一定的無功功率，加之主變及輸電線路存在的無功損耗，導(dǎo)致風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)偏低。由于風(fēng)能非可控性，無功功率的不斷變化將造成系統(tǒng)電壓的波動。因此，必須選擇合理的無功補(bǔ)償設(shè)備，對系統(tǒng)的無功變化進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償和控制優(yōu)化。甘肅電網(wǎng)瓜州地區(qū)的風(fēng)電場開發(fā)歷史較長，配置的無功補(bǔ)償設(shè)備大部分為不可動態(tài)調(diào)節(jié)的固定電容器組。由于升壓電站無功容量不足，電壓偏高或偏低問題無法得到根本解決；更為突出的問題是，電容器組的投和退動作時(shí)間不能與風(fēng)電波動時(shí)間相匹配，無法快速跟蹤無功變化和對系統(tǒng)無功動態(tài)補(bǔ)償。

甘肅瓜州地區(qū)大力建設(shè)智能電網(wǎng)，近年來風(fēng)電場群逐漸形成規(guī)模。采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置對風(fēng)電場進(jìn)行無功智能控制的優(yōu)勢越來越明顯。靜止無功發(fā)生器SVG是目前無功補(bǔ)償領(lǐng)域中最為先進(jìn)的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。對于瓜州變電站，通過增加SVG裝置來配合變電站原有的固定電容器組，整套系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求，實(shí)現(xiàn)大范圍的無功連續(xù)補(bǔ)償，即充分利用了變電站原有設(shè)備，又滿足了無功功率動態(tài)調(diào)節(jié)的需要，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場智能控制的技術(shù)創(chuàng)新。

1 瓜州地區(qū)電網(wǎng)概況

1.1 現(xiàn)狀

瓜州地區(qū)和玉門地區(qū)電網(wǎng)均屬于酒泉區(qū)域電網(wǎng)，擁有90M var高壓電抗器和6×15M var低壓電容器的330kV瓜州變電站經(jīng)330kV線路接入750kV敦煌站330kV側(cè)；110kV側(cè)分別連接額定有功容量150MW的安西風(fēng)電場，額定有功容量99MW并配有一臺無功容量為-9.75～+7.5M var的SVC的國投北大橋風(fēng)電場，額定有功容量99MW并配一臺無功容量為-8.4～+12.6M var的SVC和一臺容量為10M var的SVG的向陽風(fēng)電場，額定有功容量100.5MW的大梁風(fēng)電場，以及配有4M var低壓電容器110kV安西變電站。330kV瓜州變電站詳細(xì)接線圖如圖1所示。

圖1 330kV瓜州變電站詳細(xì)接線圖

瓜州地區(qū)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 330kV瓜州變電站接入的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)/(MW/M var)

瓜州變電站接入風(fēng)電容量為448.5MW。330kV瓜州-敦煌雙回交流線與瓜州站所接風(fēng)電出力的關(guān)系如表2所示。結(jié)合風(fēng)資源與送出通道上限，瓜州風(fēng)電發(fā)電同時(shí)率最大按80%計(jì)算。

1.2 瓜州地區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃

隨著酒泉風(fēng)電第二送出通道的建成，瓜州地區(qū)電網(wǎng)有小幅度變化，110kV敦煌變電站不再與110kV阿克塞變直接相連。另外，瓜州地區(qū)遠(yuǎn)期負(fù)荷增長較大，即將建成的三新硅業(yè)110變電站負(fù)荷至少達(dá)到200MW，以及110kV淵泉變電站以及鐵路牽引變電站等負(fù)荷為瓜州地區(qū)電網(wǎng)帶來較大影響。瓜州地區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃接線如圖2所示。

表2 330kV瓜州變電站電力平衡/MW

圖2 瓜州地區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃接線圖

2 瓜州地區(qū)采用SVG的意義

2.1 瓜州地區(qū)電網(wǎng)的特點(diǎn)

根據(jù)瓜州站目前和遠(yuǎn)期規(guī)劃接線圖，可以看出，瓜州站處于750kV敦煌站與110kV各風(fēng)電場之間的樞紐位置，各風(fēng)電場110kV線路接入瓜州站110kV系統(tǒng)，并升壓至330kV接入敦煌站330kV側(cè)。鑒于位置的重要性，瓜州變電站的電網(wǎng)智能化控制也是非常重要的。由于瓜州地區(qū)風(fēng)電開發(fā)歷史較長，存在少部分鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組，其機(jī)端也配置了相應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備。目前，主流的雙饋風(fēng)電機(jī)組以及永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，自身具備發(fā)出一定無功的能力，但對風(fēng)電系統(tǒng)快速波動的無功還是不能完全滿足需要。對于瓜州地區(qū)大規(guī)模的風(fēng)電場群來說，其運(yùn)行工況中的無功功率變化存在兩種極端狀況：①當(dāng)風(fēng)場無風(fēng)時(shí)，風(fēng)機(jī)不發(fā)電，風(fēng)電場群處于輕載狀態(tài)，主要的無功發(fā)生于長距離的輸電線路上，此時(shí)，整個(gè)風(fēng)場系統(tǒng)呈容性，必須由無功補(bǔ)償裝置提供相應(yīng)的感性無功，才能達(dá)到系統(tǒng)平衡；②當(dāng)風(fēng)場風(fēng)力較大時(shí)，風(fēng)機(jī)基本滿發(fā)電，風(fēng)電場群處于重載狀態(tài)，主要無功發(fā)生于風(fēng)機(jī)荷主變等設(shè)備中，此時(shí)，整個(gè)風(fēng)場系統(tǒng)呈感性，必須由無功補(bǔ)償裝置提供響應(yīng)的容性無功，才能達(dá)到系統(tǒng)平衡。因此要求電網(wǎng)必須具備足夠的動態(tài)的感性和容性無功調(diào)節(jié)能力，才可能實(shí)現(xiàn)對無功功率的快速有效控制，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 原有無功補(bǔ)償問題

基于河西地區(qū)具有特殊網(wǎng)架結(jié)構(gòu)且具有大規(guī)模風(fēng)電的特殊性，對無功電壓的控制要求既要滿足電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的需求，又要滿足電網(wǎng)暫態(tài)運(yùn)行的需求，即必須同時(shí)具備平滑調(diào)節(jié)和快速調(diào)節(jié)的功能。

固定電容器補(bǔ)償技術(shù)落后，存在補(bǔ)償性能缺陷和安全隱患：①無法抑制電壓波動。固定補(bǔ)償無法抑制電壓波動，而且過補(bǔ)時(shí)還抬高系統(tǒng)電壓；②不能有效提高功率因數(shù)。原有并補(bǔ)電容器為固定補(bǔ)償，不能根據(jù)系統(tǒng)的需要自動調(diào)節(jié)，因此存在過補(bǔ)和欠補(bǔ)的問題，所以不能實(shí)時(shí)有效提高功率因數(shù)；③人工操作頻繁。原固定電容器裝置需根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需要人工操作投切，其投切次數(shù)頻繁，補(bǔ)償設(shè)備的可靠性和使用壽命受到影響；④無法抑制諧波電流和減少諧波危害。原有并補(bǔ)電容器不具備濾除諧波功能，隨著大功率開關(guān)器件的應(yīng)用，將注入系統(tǒng)更多的諧波電流，對系統(tǒng)用電設(shè)備帶來危害；⑤無功輸出受系統(tǒng)電壓影響。無功功率輸出和電壓平方成正比。系統(tǒng)電壓高，電容器無功輸出大；系統(tǒng)電壓低時(shí)輸出容量低。不能有效補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率。

2.3 采用SVG平衡系統(tǒng)無功

SVG裝置既能夠發(fā)出容性無功，也能夠發(fā)出感性無功，非常適合應(yīng)用在風(fēng)電場中。將SVG裝置并聯(lián)于風(fēng)電系統(tǒng)中，對SVG裝置輸出電流的幅值和相位進(jìn)行有效控制，就可以控制輸出無功功率的大小和性質(zhì)。在任意時(shí)刻SVG裝置輸出的無功功率與系統(tǒng)負(fù)荷的無功功率保持平衡，就能夠保證系統(tǒng)電壓功率因數(shù)和穩(wěn)定。

SVG裝置通過開關(guān)頻率很高的大功率電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷控制，調(diào)節(jié)輸出無功功率的大小和性質(zhì)，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的轉(zhuǎn)換，響應(yīng)時(shí)間≤5ms，動態(tài)跟蹤時(shí)間≤10m s。

響應(yīng)時(shí)間為SVG裝置給定輸出無功電流10%從突增到90%或相反變化所用的時(shí)間；動態(tài)跟蹤時(shí)間為突然投入或切除10%～90% 額定負(fù)載，SVG裝置輸出電流從0達(dá)到90%目標(biāo)值所用的時(shí)間。圖1和圖2為SVG裝置響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)波形，波形顯示SVG的響應(yīng)時(shí)間約為3.82ms；圖3和圖4為SVG裝置動態(tài)跟蹤時(shí)間的試驗(yàn)波形，波形顯示SVG的響應(yīng)時(shí)間約為8.18ms。結(jié)果表明，SVG裝置的快速響應(yīng)是實(shí)現(xiàn)定無功控制的可靠保證。

圖3 SVG響應(yīng)時(shí)間（突增）試驗(yàn)波形

圖4 SVG響應(yīng)時(shí)間（突減）試驗(yàn)波形

圖5 SVG動態(tài)跟蹤時(shí)間（突增）試驗(yàn)波形

圖6 SVG動態(tài)跟蹤時(shí)間（突增）試驗(yàn)波形

2.4 SVG應(yīng)用分析

研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，SVG裝置作為一種先進(jìn)的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用于瓜州電網(wǎng)能發(fā)揮以下作用：①當(dāng)風(fēng)場無風(fēng)風(fēng)機(jī)不發(fā)電時(shí)，風(fēng)電場群處于輕載或空載狀態(tài)，主要無功產(chǎn)生于長距離的輸電線路上，整個(gè)風(fēng)場系統(tǒng)呈電容性，必須提供相應(yīng)的感性無功才能達(dá)到系統(tǒng)平衡。瓜州變電站原有6套15M var固定電容器組和90M var高壓電抗器，電抗器投入數(shù)量少，可能輸送至電網(wǎng)的感性無功功率不足；投入數(shù)量過多，又可能導(dǎo)致功率因數(shù)降低，同時(shí)拉低系統(tǒng)電壓；配置了SVG裝置后，SVG可向系統(tǒng)送出感性無功，平衡系統(tǒng)的容性無功，恒定功率因數(shù)，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定；②風(fēng)場風(fēng)力較大風(fēng)機(jī)基本滿發(fā)電時(shí)，風(fēng)電場群處于重載狀態(tài)，無功主要發(fā)生于風(fēng)機(jī)和主變等設(shè)備中，整個(gè)風(fēng)場系統(tǒng)呈電感性，必須提供相應(yīng)的容性無功，才能達(dá)到系統(tǒng)平衡。原有固定電容器組可提供容性無功，但由于其容量不可連續(xù)調(diào)節(jié)，投入數(shù)量無法實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)無功的合理匹配。由此也會出現(xiàn)兩種情況：其一，投入電容器組數(shù)量少，輸送系統(tǒng)的無功功率不足，功率因數(shù)達(dá)不到眼球，系統(tǒng)電壓越下限；其二，投入電容器組數(shù)量多，可能超出系統(tǒng)的需求，導(dǎo)致功率因數(shù)過補(bǔ)，系統(tǒng)電壓越上限。SVG可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際無功需求動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的輸出，有效的避免了欠補(bǔ)或過補(bǔ)情況，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，減少低壓釋放負(fù)荷數(shù)量，并防止因暫態(tài)電壓崩潰導(dǎo)致的大面積惡性停電事故。因此，瓜州變電站應(yīng)用SVG裝置智能化控制電網(wǎng)無功和電壓，符合現(xiàn)階段和未來規(guī)劃需求。

3 變電站無功補(bǔ)償裝置改造

基于瓜州變電站無功設(shè)備現(xiàn)狀，通過新增SVG設(shè)備，對原有固定補(bǔ)償電容器進(jìn)行智能化改造，達(dá)到平滑連續(xù)輸出無功功率穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的效果。同時(shí)，瓜州變電站遠(yuǎn)期負(fù)荷增長較大，將給瓜州地區(qū)電網(wǎng)帶來較大影響，對現(xiàn)有固定補(bǔ)償裝置的改造也將為未來電網(wǎng)的發(fā)展提供很好的基礎(chǔ)。

以瓜州變電站為例，目前安裝的補(bǔ)償設(shè)備是6組額定容量為15M var的并聯(lián)電容器組，先對其中的兩組電容器進(jìn)行動態(tài)改造。兩組并聯(lián)電容器組只能提供三個(gè)容量選擇0M var、15M var、30M var，不能根據(jù)母線實(shí)際需要的無功容量進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。例如，當(dāng)系統(tǒng)需要18M var的容性無功時(shí)，投入一組電容器，提供了15M var，缺3M var；投入兩組電容器，提供了30M var，過補(bǔ)了12M var。因此，要實(shí)現(xiàn)全容量連續(xù)動態(tài)無功補(bǔ)償，必須克服分級補(bǔ)償?shù)娜毕?，在每級補(bǔ)償容量區(qū)間都能實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償。

3.1 SVG改造方案

1）容量配置

SVG專職相當(dāng)于連續(xù)可調(diào)的電容或電感，原有兩組電容器要實(shí)現(xiàn)0～30M var的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)，且不控制電容器投切，需要增加SVG裝置的容量為15M var。SVG裝置配合1組15M var的并聯(lián)電容器組使用，可實(shí)現(xiàn)0～30M var容性無功功率連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

2）無功控制

系統(tǒng)1#并聯(lián)電容器組始終投入系統(tǒng)運(yùn)行，提供15M var的容性無功輸出。由SVG裝置根據(jù)系統(tǒng)無功控制目標(biāo)動態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出，實(shí)現(xiàn)無功功率0～30M var動態(tài)平滑調(diào)節(jié)。

圖7 SVG型動態(tài)無功輸出原理圖

瓜州變改造后的SVG+FC方案無功輸出邏輯為：①并聯(lián)電容器組投入，系統(tǒng)需要的補(bǔ)償范圍在0～15M var，由SVG發(fā)出感性無功-15～0M var；②并聯(lián)電容器組投入，系統(tǒng)需要的補(bǔ)償范圍在15～30M var，由SVG發(fā)出容性無功0～15M var。

3.2 改造方案特點(diǎn)

1）動態(tài)無功調(diào)節(jié)

改造后的SVG+FC成套裝置可實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)無功功率的變化，提供相應(yīng)無功功率，達(dá)到無功的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)。

2）抑制電壓降

SVG裝置的無功調(diào)節(jié)范圍大，響應(yīng)速度極快，當(dāng)電壓發(fā)生暫降時(shí)，瞬間調(diào)節(jié)無功范圍可最大實(shí)現(xiàn)ΔQ=30M var的連續(xù)無功調(diào)節(jié)，動態(tài)支撐電網(wǎng)電壓能力強(qiáng)。

3.3 改造效果

瓜州變電站無功補(bǔ)償裝置改造前后的效果對比非常明顯。改造前，原有的并聯(lián)電容器組在投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其補(bǔ)償容量呈0M var、15M var、30Mvar階梯形變化，投入時(shí)有一定量的過沖。其無功輸出曲線如圖8所示。

改造后，電容器組不投切，直接掛網(wǎng)運(yùn)行，通過SVG動態(tài)調(diào)節(jié)整套裝置的無功輸出。在調(diào)節(jié)無功輸出時(shí)，不會產(chǎn)生過沖情況，且任意時(shí)刻的無功調(diào)整響應(yīng)速度非?？?，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。其無功輸出曲線如圖9所示。

圖8 改造前無功輸出曲線圖

圖9 改造后無功輸出曲線圖

表3為改造前后兩種形式的補(bǔ)償裝置對比結(jié)果。

表3 瓜州變改造前后比較

4 結(jié)論

瓜州變電站本期改造只針對原有六組電容器組中的兩組。隨著瓜州地區(qū)遠(yuǎn)期負(fù)荷的增長，電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)男枨蟊厝辉黾?。后續(xù)改造仍可通過新增一定容量的SVG裝置，配合原有的并聯(lián)電容器組，實(shí)現(xiàn)大容量的無功功率動態(tài)調(diào)節(jié)范圍。本期改造工程的成功實(shí)施也為后期無功補(bǔ)償?shù)脑鋈莞脑焯峁┝藢氋F經(jīng)驗(yàn)。另外，根據(jù)國家電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電的要求，各風(fēng)場及變電站必須具備智能化控制工程，同時(shí)建立AVC控制系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)對無功電壓的調(diào)控要求。SVG裝置具備與AVC控制系統(tǒng)的通訊和聯(lián)調(diào)功能，在智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和建設(shè)中勢必發(fā)揮重要作用。

[1] 袁佳歆, 陳柏超, 萬黎, 等. 利用配電網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償器改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2004,28(19): 81-84.

[2] 王立杰. STATCOM控制方法及PWM策略的研究[D].鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué), 2007: 7-21.

[3] 粟時(shí)平, 李圣怡. 靜止無功發(fā)生器在高壓電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù), 2001, 27(2): 52-54.

[4] 劉元清. 配電網(wǎng)STATCOM控制策略分析與裝置研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2007: 5-20.

[5] 栗春, 姜齊榮, 王仲鴻. STATCOM電壓控制系統(tǒng)性能分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2000,(08): 46-50.

[6] 周雙喜, 朱凌志, 郭錫玖, 等. 電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004, 57-63.