李　鵬，　紀東妮，　陳得治，　宋云亭，　汪寧渤(1.華北電力大學，河北保定07100；.海口供電局，海南?？?700；.中國電力科學研究院，北京10019；.甘肅省電力公司風電技術中心，甘肅蘭州70050)

動態(tài)無功補償對風電基地并網的支撐作用

李鵬1,2，紀東妮2，陳得治3，宋云亭3，汪寧渤4
(1.華北電力大學，河北保定071003；2.海口供電局，海南?？?70203；3.中國電力科學研究院，北京100192；4.甘肅省電力公司風電技術中心，甘肅蘭州730050)

針對我國酒泉大型風電基地并網存在的諸如電壓攀升、電壓失穩(wěn)和低頻振蕩等安全穩(wěn)定運行風險問題，基于西北電網2012年冬大方式，利用BPA仿真平臺，仿真研究了動態(tài)無功補償對風電并網安全問題的支撐與改善作用，重點論述了動態(tài)無功補償抑制低頻振蕩的原理。分析結果表明：充分利用動態(tài)無功補償自動、快速調控無功出力特性，能較好地提升酒泉風電基地接入電網的安全穩(wěn)定性。

電壓攀升；低頻振蕩；電壓失穩(wěn)；安全穩(wěn)定；動態(tài)無功補償

大型風電基地接入并遠距離外送是中國風電開發(fā)的主要模式，國家已規(guī)劃了多個千萬千瓦級風電基地。大型風電基地并網不同于大規(guī)模分散式接入電網的模式，有特定的安全穩(wěn)定問題[1]。按照《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》，風電場應配置一定的動態(tài)無功補償，其作為風電并網重要的控制設備之一，在風電并網運行控制中發(fā)揮了較大作用[2]。業(yè)內針對風電場動態(tài)無功補償?shù)睦碚摵凸こ虇栴}作了大量研究，文獻[3]針對酒泉風電基地大規(guī)模風電脫網事故，提出風電場動態(tài)無功補償設備存在缺陷，是導致大量風電機組高電壓脫網的主要原因；文獻[4]在長距離輸電線上裝設靜止無功補償(SVC)裝置，增加抑制低頻振蕩的阻尼力矩，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能；文獻[5]提出由于風電出力的波動性和間歇性的特點，會對電網低頻振蕩產生擾動，通過配置動態(tài)無功補償裝置可降低該擾動。

目前，關于風電場動態(tài)無功補償調控對實際大型風電基地接入造成的多種安全穩(wěn)定問題的改善研究還較為少見。本文基于甘肅酒泉風電基地并網實際，仿真研究了動態(tài)無功補償對風電并網安全問題的支撐與改善作用，具體分為以下幾方面：(1)大規(guī)模風電脫網帶來的電壓攀升問題；(2)風電出力快速波動造成的電壓質量甚至電壓失穩(wěn)問題；(3)大規(guī)模風電輸送引發(fā)的低頻振蕩問題。

1 酒泉風電基地動態(tài)無功補償概述

酒泉風電基地呈現(xiàn)大規(guī)模、集中并網的格局，并通過高壓遠距離外送風電電力。由于酒泉當?shù)刎摵奢^小，多數(shù)風電場電力通過330 kV升壓站匯集后送入750 kV電網，再通過750 kV敦煌-酒泉-河西-武勝輸電通道送至西北主網。風電場配置的動態(tài)無功補償裝置裝設在330 kV升壓變35 kV側。酒泉風電場的典型接線示意圖如圖1所示。

1.1風電場動態(tài)無功補償配置

風電場配置的動態(tài)無功補償分為靜止無功補償裝置和靜

圖1　　酒泉風電場典型接線及動態(tài)無功補償配置地點示意圖

1.2動態(tài)無功補償裝置原理與特性

1.2.1靜止無功補償器(SVC)

SVC依靠晶閘管等電力電子器件完成投切動作，能夠快速、連續(xù)、雙向調節(jié)無功功率的大小，提供動態(tài)的電壓支撐。TCR支路實現(xiàn)感性無功的調節(jié)從而實現(xiàn)對系統(tǒng)無功的調節(jié)，F(xiàn)C回路主要提供容性無功補償?？刂葡到y(tǒng)通過采集電網的電流、電壓對電網的無功狀態(tài)進行監(jiān)控，并依據(jù)策略控制晶閘管的導通實現(xiàn)無功調節(jié)[6]。

1.2.2靜止無功發(fā)生器(SVG)

SVG是由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置。SVG通過調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或直接控制其交流側電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，具有較快的響應速度和較好的暫態(tài)無功補償特性[7]。止無功發(fā)生器。本研究基于PSD-BPA軟件建立了動態(tài)無功補償裝置的靜態(tài)、暫態(tài)模型。動態(tài)無功補償采用的控制策略為定電壓控制，一般配置在風電場并網變的低壓側，控制高壓側母線電壓為初始穩(wěn)態(tài)值。表1列出了酒泉部分風電場動態(tài)無功補償裝置的類型和容量，表中SVC為靜止無功補償器，SVG為靜止無功發(fā)生器。

????????????????????????? ?? 　????? 　?????? 　???????/MW 　???????????(??～??)/MVar 1 　?????? 　??????? ! 　600 　SVC(90～27) 2 　"#?? 　??"#$? ! 　600 　SVG(93～28) 3 　?％?? 　???％? ! 　600 　SVC(106～54) 4 ?。mp;’?? 　??＆amp;’? ! 　600 　SVC(90～27)

2 風電基地動態(tài)無功補償對電網安全支撐

2.1風電場并網靜態(tài)無功電壓特性及動態(tài)補償?shù)某跏蓟吔?/p>

基礎方式為西北電網2012年冬大方式、新疆送西北1 000 MW功率，酒泉風電基地出力約為2 661 MW(裝機為5 000 MW)，基礎方式750 kV河西通道功率大小如下：哈密-敦煌斷面997.7 MW，敦煌-酒泉斷面3 484.1 MW，酒泉-河西斷面(包括張山330 kV雙回線)3 740.4 MW(加入330 kV斷面功率)，河西-武勝斷面(包括河涼330 kV雙回線)3 214.4 MW，具體潮流如圖2所示。

基礎方式河西各主要750、330 kV變電站母線電壓水平如表2所示，可知電壓水平都在合理范圍內。

圖2　酒泉風電基地近區(qū)電網潮流示意圖

?????????????????????????? ??750 ??750/330 ??750/330 ??750/330 ??750/330 7 7 2 . 7 　7 6 0 .1 / 3 5 3 . 0 　7 5 2 . 7 /3 5 9 .6 　7 5 2 . 8 / 3 5 2 . 5 　7 5 9 .4 / 3 4 7 . 3 ? ? 3 3 0 　? ? 3 3 0 　? ? ? 3 3 0 　? ? 3 3 0 　? ? 3 3 0 3 5 3 . 5 　3 5 9 .5 　3 5 8 . 8 　3 5 5 . 7 　3 4 9 .1

2.2對風電規(guī)?；摼W電壓攀升的抑制

2011年2月，西北電網酒泉地區(qū)風電場內一個35 kV開關柜間隔內電纜頭發(fā)生絕緣擊穿故障，故障發(fā)生后因電壓過低、電壓過高造成598臺風電機組先后脫網，損失出力達840.43 MW[8]。事故直接原因是故障導致電壓低且風電機組普遍不具備低電壓穿越能力，但風電場動態(tài)無功補償設備僅投入容性部分或未投入自動控制功能，對故障后期主網電壓大幅度升高起到了“推波助瀾”的作用，導致大量風電機組高電壓脫網，是事故擴大的主要原因。

基于典型方式，分析實際中可能發(fā)生風電規(guī)?；摼W的無功電壓特性，并針對風電脫網引發(fā)的無功電壓運行風險，分析風電場動態(tài)無功補償正常動作的控制效果。當電網發(fā)生某擾動，導致酒泉風機(主要是瓜州地區(qū))脫網600 MW時，河西通道主要750 kV變電站母線電壓動態(tài)變化如圖3所示。

圖3　風機脫網600 MW時河西通道各750 kV變電站母線電壓變化曲線示意圖

從圖3可看出風電機組大規(guī)模脫網，河西通道各750 kV變電站母線電壓均大幅度攀升。由于風電脫網導致送出風電的河西通道潮流變輕，進而河西通道對系統(tǒng)等效的充電無功功率加大，引起河西通道各750 kV母線電壓快速攀升，這其中升高程度最大的是750 kV敦煌母線，敦煌母線電壓已超過標幺值1，即電壓有名值大于安全電壓800 kV，對設備絕緣等構成了一定威脅。

為降低風電脫網導致的母線電壓升高給電網運行帶來的風險，利用風電場動態(tài)無功補償快速調控提供的無功支撐抑制風機脫網引起的母線電壓升高問題。仿真分析酒泉風電場配置的動態(tài)無功補償對風電脫網后敦煌母線電壓升高的抑制作用，仿真結果見圖4、圖5。

圖4　　風機脫網后風電場動態(tài)無功補償?shù)臒o功輸出

圖5　　動態(tài)無功補償調控對風機脫網后敦煌母線電壓攀升的控制效果比對示意圖

當風機脫網并采用動態(tài)無功補償自動調控后，各風電場的動態(tài)無功補償為抑制母線電壓升高，都快速輸出接近最大額定容量的感性無功，如北大橋西一風電場的動態(tài)無功補償裝置從容性16 MVar迅速變?yōu)楦行? MVar，敦煌母線電壓的攀升得到了抑制，電壓升至的最高點為0.974 pu(779.2 kV)，可見采用動態(tài)無功補償后電壓可控制在合理范圍內。

2.3對風電出力快速變化電壓波動的改善

風能具有間歇性、波動性以及隨機性的特點，這決定了風電出力可能會大幅度、高頻率、快速變化，風電場出力在短時間內存在由零快速變化到最大值的可能。

風電出力快速增大將導致并網近區(qū)短時間內消耗較大的無功，并網近區(qū)母線電壓將快速下降。基于典型方式，模擬風電出力短時間內快速波動到最大的極端危險情況，并仿真輸出近區(qū)母線電壓。由圖6可見750 kV敦煌母線電壓急劇跌落，最終跌至約0.79 pu，導致電壓失穩(wěn)，《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算技術規(guī)范》中電壓穩(wěn)定的判據(jù)是：擾動后的暫態(tài)過程中，負荷母線電壓能夠在10 s內恢復到0.8 pu電壓以上。

圖6　750 kV敦煌母線電壓的急劇跌落情況

為抑制并網近區(qū)母線電壓跌落，采用動態(tài)無功補償裝置來自動補償風電并網近區(qū)無功的變化，對母線電壓提供支撐。分別將現(xiàn)有酒泉風電場配置的不同類型的動態(tài)無功補償替換為SVC或SVG，以進一步研究不同動態(tài)無功補償裝置類型對電壓支撐的差異性，仿真結果如圖7所示。

圖7　不同動態(tài)無功補償裝置調控下的敦煌750 kV母線電壓比對示意圖

圖8　干西1風電場不同類型動態(tài)無功補償無功輸出比對

由圖7可見：經動態(tài)無功補償裝置調控后，敦煌750 kV母線電壓恢復穩(wěn)定，其中，SVC調控后，母線電壓幅值的均值達到0.81 pu，而SVG調控后的母線電壓幅值要高于SVC調控后的母線電壓幅值，為0.82 pu，因此，經SVG調控后的電壓穩(wěn)定性將更好。為抑制電壓的快速下降，動態(tài)無功補償分別輸出容性無功，圖8給出了干西1風電場兩種類型動態(tài)無功補償裝置分別調控下的無功輸出，SVG無功輸出從容性輸出2 MVar迅速增加為31 MVar，SVC無功輸出約為從容性輸出2 MVar迅速增加27 MVar?？梢?，不同類型動態(tài)無功補償裝置輸出無功是不同的，SVG由于其電壓源型的實現(xiàn)原理，它的無功輸出具有正的電壓調節(jié)特性，電壓下降越大，SVG輸出的無功功率越多；對SVC而言，當電壓變化超出一定范圍時，其無功輸出具有負的電壓調節(jié)特性，電壓下降越大，無功輸出也越少，對電壓支撐效果低于SVG。

2.4對風電送出的低頻振蕩問題的支撐

由于酒泉地區(qū)風電外送與疆電外送共用一個河西輸電通道進行大容量、長距離輸電，同時現(xiàn)階段新疆相對于西北主網仍屬于弱聯(lián)系的長鏈電網，當河西輸電通道發(fā)生故障時，容易出現(xiàn)由于欠阻尼而產生的低頻振蕩[9]。通過研究可知：河西通道輸電的限制斷面為酒泉-河西斷面(泉河斷面)，泉河斷面是一個750 kV酒泉-河西雙回線與330 kV張掖-山丹雙回線的電磁環(huán)網斷面，該斷面?zhèn)鬏敼β实南拗乒收蠟榫迫?河西750 kV雙回線中一條線路的三相永久性短路故障，失穩(wěn)模式為新疆機組相對于西北主網機組發(fā)生低頻振蕩。

在基礎方式下，當酒泉-河西雙回線中的一回線河西側發(fā)生三相永久性短路故障，酒泉-河西雙回線中的另外一回流經的功率出現(xiàn)低頻振蕩。為了比對風電場動態(tài)無功補償對故障后動態(tài)過程的支撐作用，分別對風電場有、無動態(tài)無功補償情況進行了仿真分析，仿真結果如圖9～圖11所示。

圖9　風電場有、無動態(tài)無功補償?shù)娜訑嗝婀β收袷幈葘κ疽鈭D

圖10　風電場有、無動態(tài)無功補償，參與振蕩的某新疆發(fā)電機功角振蕩曲線比對示意圖

圖11　　風電場動態(tài)無功補償無功輸出比對示意圖

由圖9和圖10可知：相對于無動態(tài)無功補償，計及動態(tài)無功補償調控后泉河線路流經的功率和新疆機組發(fā)電機功角都振蕩衰減較快，動態(tài)無功補償?shù)恼{控可有效抑制低頻振蕩，動態(tài)無功補償裝置無功輸出如圖11所示。

發(fā)電機的二階轉子運動方程如下：

式中：δ為發(fā)電機的功角；ω為轉速；Pm為原動機功率；Pe為電磁功率；TJ為轉子軸系的慣性常數(shù)。發(fā)電機輸出的電磁功率Pe正比于節(jié)點電壓，因此可通過控制節(jié)點電壓來阻尼振蕩。

結合圖9～圖11，分析動態(tài)無功補償調控抑制低頻振蕩的原理，具體如下：系統(tǒng)故障后，新疆發(fā)電機功角發(fā)生衰減很慢的低頻振蕩，在振蕩過程中，當功角逐步增大，即時，由發(fā)電機轉子運動方程可知ω＆gt;1，為使ω保持在1，應減小ω，即，為此調控動態(tài)無功補償設備，增加向系統(tǒng)注入的無功功率，抬升節(jié)點電壓，增加發(fā)電機輸出的電磁功率Pe，Pm近似不變，即可實現(xiàn)，如圖10、圖11的仿真時段6～8 s即實現(xiàn)了此調控過程，圖10中發(fā)電機振蕩功角逐漸增大，相應地，圖11中的動態(tài)無功補償設備向系統(tǒng)注入無功也隨之增加，有利于振蕩衰減，其它類似的調控如0～1 s、3～5 s、10～12 s，不贅述；同理，當振蕩過程中功角逐步減小，即時，ω＆lt;1，為使ω保持在1，應增加ω，即，為此調控動態(tài)無功補償設備，減少向系統(tǒng)注入的無功功率甚至從系統(tǒng)吸收無功功率，降低節(jié)點電壓，減小發(fā)電機輸出的電磁功率Pe，Pm近似不變，即可實現(xiàn)如圖10、圖11的仿真時段8～10 s即實現(xiàn)了此調控過程，圖10中的發(fā)電機振蕩功角逐步減小，圖11中動態(tài)無功補償設備向系統(tǒng)注入無功也隨之降低，如此有利于振蕩衰減，其它類似的調控如1～3 s、5～6 s，不贅述。

綜上，動態(tài)無功補償設備可通過快速調節(jié)其注入系統(tǒng)的無功功率來控制節(jié)點電壓和線路功率，以實現(xiàn)阻尼系統(tǒng)振蕩的目的。

3 結論

結合酒泉風電基地并網的實際情況，針對酒泉風電基地接入后電網存在的實際安全穩(wěn)定運行風險，從如下三個方面分析了風電場動態(tài)無功補償對電網安全的支撐作用：(1)對酒泉風電基地發(fā)生規(guī)?；摼W出現(xiàn)的電壓攀升問題的控制；(2)對酒泉風電基地風電出力快速上升引起的母線電壓急劇跌落的抑制；(3)對酒泉風電基地送電通道故障出現(xiàn)的低頻振蕩問題的控制。由仿真分析可知：充分利用動態(tài)無功補償自動、快速調控無功出力的特性，能較好地提升酒泉風電基地接入后電網的安全穩(wěn)定性。因此，應加強酒泉風電基地各風電場的運行管理，使得風電場動態(tài)無功補償都正常投入、有效運行。

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Analysis on supporting effect of dynamic reactive power compensation to power grid connected with wind farms

LI Peng1,2,JI Dong-ni2,CHEN De-zhi3,SONG Yun-ting3,WANG Ning-bo4
(1.North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China;2.Haikou Power Supply Bureau,Haikou Hainan 570203,China; 3.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;4.Wind Power Technology Center of Gansu Electric Power Company, Lanzhou Gansu 730050,China)

Some security and stability operational risks,such as voltage rising,voltage instability and low-frequency oscillation happened while integrating jiuquan large-scale wind farms into northwest china power grid.Effects of dynamic reactive power compensation equipment on grid security and stability were studied through using BPA simulation software and real operation data of Northwest Power Grid in the winter of 2012.The principal that dynamic reactive power compensation equipments suppress low-frequency oscillation was elaborated.Simulation results show that the security and stability of power grid with jiuquan large-scale wind farms can be improved by fully utilizing the automatic,fast regulation capacity of dynamic reactive power compensation equipment.

voltage rising;low-frequency oscillation;voltage instability;security and stability;dynamic reactive power compensation

TM 614

A

1002-087 X(2016)01-0169-04

2015-06-09

國家電網公司科技項目(XT71-12-009)

李鵬(1989—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定及新能源并網。