徐興偉，岳 涵，孫正偉，夏德明，孫銘澤

（國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180）

研究與應(yīng)用

瞻榆風(fēng)電集中接網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定等值研究

徐興偉，岳 涵，孫正偉，夏德明，孫銘澤

（國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180）

瞻榆風(fēng)電集中接網(wǎng)工程屬于典型風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量增加及送出功率增大，瞻榆匯集送出系統(tǒng)是否存在靜態(tài)電壓穩(wěn)定破壞風(fēng)險(xiǎn)，是確定安全運(yùn)行邊界的重要約束條件。針對典型風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)，開展了靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題等值研究，評估了影響靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)傳輸功率的關(guān)鍵因素，通過建立等值系統(tǒng)研究了瞻榆風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題，研究結(jié)果為確定實(shí)際運(yùn)行安全邊界提供了技術(shù)依據(jù)。

靜態(tài)電壓穩(wěn)定；風(fēng)電；匯集送出；等值

東北區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力資源豐富地區(qū)多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，風(fēng)電場多經(jīng)弱電網(wǎng)接入，遠(yuǎn)距離集中送到負(fù)荷中心。這種模式下，系統(tǒng)的短路容量通常較小，并網(wǎng)點(diǎn)無功電壓支撐能力較弱，存在較多的安全穩(wěn)定運(yùn)行問題［1－3］。隨著匯集風(fēng)電容量增加，風(fēng)電匯集系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題逐漸凸顯。

關(guān)于并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組對電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，國內(nèi)外已有較多研究成果。文獻(xiàn)［4］利用數(shù)字仿真法研究風(fēng)電并網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定影響。文獻(xiàn)［5－6］研究了簡化電力系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［7－9］開展了大規(guī)模風(fēng)電匯集地區(qū)風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)機(jī)理研究工作。

東北電網(wǎng)500 kV瞻榆風(fēng)電基地于2015年末投產(chǎn)。瞻榆風(fēng)電基地是一個典型的風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)，匯集風(fēng)電約2 300 MW，通過加裝固定串補(bǔ)的500 kV線路遠(yuǎn)距離送到負(fù)荷中心，送出功率過大時是否存在靜態(tài)電壓穩(wěn)定破壞風(fēng)險(xiǎn)，是確定安全運(yùn)行邊界的重要約束條件。本文研究了典型風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題，評估了影響靜態(tài)電壓穩(wěn)定傳輸功率的關(guān)鍵因素，進(jìn)而分析了瞻榆風(fēng)電基地靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題。

1 典型風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題

典型風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)一般經(jīng)過升壓變壓器、線路接入系統(tǒng)主網(wǎng)，如圖1所示。圖中：P為風(fēng)電場有功功率；Q為風(fēng)電場無功功率；XT、XL、XS分別為變壓器電抗、線路電抗、無窮大系統(tǒng)短路電抗；低壓母線（一般為35 kV）到系統(tǒng)無窮大母線的總電抗X＝XT＋XL＋XS。如果風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)通過220 kV線路連接到500 kV變電站的220 kV側(cè)，則35 kV母線到系統(tǒng)無窮大母線的總電抗還包括500／220 kV變壓器電抗、500 kV線路電抗、串聯(lián)補(bǔ)償容抗等連接回路的電抗，可以統(tǒng)一表示為X。

圖1 典型風(fēng)電場匯集系統(tǒng)接線

一般風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置由感性支路、固定電容器組構(gòu)成，接入35 kV母線，如果感性支路等效電納為BL、固定電容器組電納為Bc，則母線N上總無功補(bǔ)償電納B＝Bc－BL。雖然不同類型無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方式、控制方法和響應(yīng)時間不同，但如果忽略過渡過程，無功補(bǔ)償裝置最終將以總無功補(bǔ)償電納B的形式影響系統(tǒng)電壓。

典型風(fēng)電場匯集系統(tǒng)潮流方程：

式中：V、θ分別為母線N的電壓和相角；E為無窮大母線電壓。

由式（1）可得：

消去θ，得到：

由式（5）分母等于0，可得：

式中：Bcr為系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)對應(yīng)的補(bǔ)償電納。

將Bcr代入式（3），可求取系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率：

從式（7）中可以看出，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率Pcr與風(fēng)電場母線電壓V、無窮大母線電壓E、風(fēng)電場到系統(tǒng)無窮大母線的總電抗X、補(bǔ)償電納B等因素有關(guān)，其中：補(bǔ)償電納作為電壓支撐因素，反映到風(fēng)電場母線電壓V上。式（7）中，如果Q＞0，則0，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率Pcr將大于式（11）；如果系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率Pcr將小于式（11）。無窮大母線電壓E、風(fēng)電場到系統(tǒng)無窮大母線的總電抗X則反映了風(fēng)電場匯集送出點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度。要想提高系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率Pcr，需要提高風(fēng)電場母線電壓V、無窮大母線電壓E，減少風(fēng)電場到系統(tǒng)無窮大母線的總電抗X，有條件時風(fēng)電機(jī)組向系統(tǒng)發(fā)出無功Q。

由式（3）可求解得到母線N的電壓V與風(fēng)電場有功P、無功Q、補(bǔ)償電納B、總電抗X、無窮大母線電壓E的函數(shù)：

進(jìn)而可由式（8）求取風(fēng)電匯集系統(tǒng)的P－V曲線。

如果風(fēng)電機(jī)組采用恒功率因數(shù)為1的控制，則風(fēng)電場無功功率Q＝0，則式（5）—（8）可簡化為

研究風(fēng)電匯集系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題時，對于風(fēng)電機(jī)組采用恒功率因數(shù)為1的控制工況，可由式（9）—（12）評估，其他工況可由式（5）—（8）評估。

2 瞻榆風(fēng)電匯集點(diǎn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性等值研究

瞻榆風(fēng)電匯集點(diǎn)計(jì)劃接入9座風(fēng)電場，各風(fēng)電場通過220 kV線路匯集到瞻榆500 kV升壓站后，經(jīng)加裝了30%固定串補(bǔ)的500 kV瞻榆變—梨樹變線路接入梨樹變。

取基準(zhǔn)容量為100 MVA、基準(zhǔn)電壓為220 kV、500 kV進(jìn)行標(biāo)么值折算，瞻榆風(fēng)電匯集系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 瞻榆風(fēng)電匯集系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為評估瞻榆風(fēng)電匯集系統(tǒng)是否存在靜態(tài)電壓穩(wěn)定破壞的可能，將瞻榆風(fēng)電匯集系統(tǒng)等值為一個風(fēng)電場通過1條線路接入主系統(tǒng)（無窮大系統(tǒng)）的簡化結(jié)構(gòu)，如圖1所示。已發(fā)生的多次風(fēng)電場脫網(wǎng)事故證明，即使風(fēng)電場安裝靜止無功發(fā)生器（SVG），在其設(shè)備參數(shù)、控制參數(shù)不合理時，風(fēng)電場也有高電壓脫網(wǎng)的可能，因此將瞻榆地區(qū)風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置近似等效為電容值為B的電容器。

將瞻榆風(fēng)電場有功功率P從0至滿功率（2 300 MW）變化，可以得到瞻榆風(fēng)電基地靜態(tài)電壓靈敏度隨有功功率變化的曲線，如圖4所示。可以將圖4中靜態(tài)電壓靈敏度隨有功功率變化的曲線分為4段。a.第1段風(fēng)電場有功功率［0，A）：電壓靈敏度較低（小于0.5 kV／Mvar），靜態(tài)電壓穩(wěn)定性較好，只要無功補(bǔ)償容量充足且投入及時，運(yùn)行電壓不會發(fā)生大幅波動。

圖3 瞻榆風(fēng)電匯集系統(tǒng)的P－V曲線

圖4 瞻榆風(fēng)電基地的電壓靈敏度

b.第2段風(fēng)電場有功功率［A，B）：電壓靈敏度明顯增大（0.5～2.0 kV／Mvar），靜態(tài)電壓穩(wěn)定性較差，有功功率或無功功率的小幅變化都會引發(fā)電壓的較大波動，難以控制，一旦出現(xiàn)無功過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償方式，可能引發(fā)電壓失穩(wěn)。

c.第3段風(fēng)電場有功功率［B，C）：處于靜態(tài)電壓臨界穩(wěn)定。

d.第4段風(fēng)電場有功功率大于C：處于靜態(tài)電壓不穩(wěn)定域。

運(yùn)行中需要提前將系統(tǒng)有功功率控制在圖4中第1段的運(yùn)行區(qū)間。

同理，可求得瞻榆風(fēng)電匯集送出500 kV線路中的固定串補(bǔ)退出運(yùn)行方式下靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率約為17.162 204（標(biāo)么值），500 kV瞻榆變1臺主變停運(yùn)方式下靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率約為15.836 162（標(biāo)么值）。從靜態(tài)電壓穩(wěn)定等值研究結(jié)果看，瞻榆風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)不能滿足匯集風(fēng)電滿發(fā)需求。

靜態(tài)電壓穩(wěn)定等值研究過程中對風(fēng)電場內(nèi)部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了等值，風(fēng)電場并網(wǎng)母線電壓、主系統(tǒng)母線電壓與實(shí)際工況有一定偏差，因此靜態(tài)電壓穩(wěn)定等值研究結(jié)果與詳細(xì)建模的仿真研究結(jié)果將也有一定偏差。由于風(fēng)電場詳細(xì)建模工作，需對每臺風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)升壓變、風(fēng)電場35 kV饋線、風(fēng)電場35 kV靜態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備、風(fēng)電場35 kV動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備、35／220 kV升壓變等設(shè)備進(jìn)行建模，建模和仿真研究工作量均較大，在詳細(xì)建模仿真研究工作未結(jié)束前，工程中可以在預(yù)留一定安全可靠系數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用靜態(tài)電壓穩(wěn)定等值研究結(jié)果作為安全運(yùn)行控制邊界。

3 結(jié)論

a.風(fēng)電匯集送出系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率是風(fēng)電場母線電壓、風(fēng)電無功出力、風(fēng)電場到系統(tǒng)無窮大母線的總電抗、補(bǔ)償電納、無窮大母線電壓的函數(shù)。要想提高系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率，需要提高風(fēng)電場母線電壓、無窮大母線電壓，減少風(fēng)電場到系統(tǒng)無窮大母線的總電抗，有條件時風(fēng)電機(jī)組向系統(tǒng)發(fā)出無功。

b.瞻榆風(fēng)電匯集系統(tǒng)等值研究結(jié)果表明，靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率低于其風(fēng)電總裝機(jī)容量，其送出通道中固定串補(bǔ)、1臺500／220 kV主變退出運(yùn)行時，靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)有功功率下降較多。

c.從安全、最大限度接納風(fēng)電角度，應(yīng)開展瞻榆風(fēng)電匯集系統(tǒng)詳細(xì)建模仿真研究工作，確定靜態(tài)電壓穩(wěn)定運(yùn)行邊界。

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Study on Static Voltage Stability Equivalent for Zhanyu Centralized Wind Power Integrated into Power Grid

XU Xing?wei，YUE Han，SUN Zheng?wei，XIA De?ming，SUN Ming?ze
（Northeast Branch of State Grid Corporation of China，Shenyang，Liaoning 110180，China）

Zhanyu wind power integration project uses a typical central integrated method.With the increasing wind power generators and power outputs，studying the risk is necessary for static voltage stability from Zhanyu centralized outgoing system.It is an important con?straint condition to determine the safety operation boundary.This study is based on typical wind power centralized outgoing transmission system.The paper includes system equivalent study of static voltage stability，the assessment of the key factors which have impact on transmission power at static voltage stability limit and case study of static voltage stability of Zhanyu centralized integration system from building equivalent system.The results provide theoretical and technical support for determining the actual operation safety boundary.

Static voltage stability；Wind power；Centralized outgoing transmission；Equivalent

TM614；TM712

A

1004－7913（2016）08－0030－04

徐興偉（1971—），男，博士，高級工程師，從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及關(guān)鍵技術(shù)研究等工作。

2016－03－02）