趙　亮，周宗川，董曉晶

（國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，寧夏　銀川　750011）

寧夏電網(wǎng)現(xiàn)已逐步發(fā)展成為交直流混聯(lián)、多直流外送、大規(guī)模新能源集中接入下的重要送端電網(wǎng)［1-2］，同時峰谷負荷差加大，新舊變電站內(nèi)的負荷比重與無功補償容量不相協(xié)調(diào)，無功調(diào)節(jié)手段不足，使電壓調(diào)控難度越來越大。隨著新能源并網(wǎng)容量不斷增加，大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)時無功電壓控制困難的問題日益突出［3-5］，合理的無功規(guī)劃不僅有利于電壓質(zhì)量的保證、電網(wǎng)有功損耗的降低、電網(wǎng)經(jīng)濟運行水平的提高［6-9］，而且有利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的提高和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行［10-12］。

本文結(jié)合寧夏“十三五”電力發(fā)展規(guī)劃及寧夏“十三五”電網(wǎng)發(fā)展?jié)L動規(guī)劃，通過仿真計算開展新能源大出力方式下的電壓水平分析、電壓波動分析及嚴重故障分析，提出應(yīng)對大規(guī)模新能源集中接入的寧夏電網(wǎng)動態(tài)無功補償配置方案并開展多方案優(yōu)化比較［13-14］，確定區(qū)域電網(wǎng)無功配置最優(yōu)方案，對保障寧夏電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行具有重要實際意義。

1　研究現(xiàn)狀及需解決的問題

“十三五”期間，寧夏電網(wǎng)新能源發(fā)展迅速，以YD地區(qū)為例，可以看到QS 750 kV匯集站接入了YD地區(qū)全部光伏電站，其總裝機規(guī)模達到3.75 GW。這些新能源電源匯集至QS 750 kV匯集站后，經(jīng)過升壓，通過QS-YD雙回750 kV線路通道送出。GF YZ330 kV線路雙π接入QS750 kV匯集站，YZ 330 kV由裝機規(guī)模800 MW的MS風電場接入。YD地區(qū)電網(wǎng)主要風電場和光伏電站接入情況見圖1。

該地區(qū)“十三五”新能源集中接入容量大，風電功率的大幅波動和風電機組無功特性將對系統(tǒng)電壓水平產(chǎn)生較大影響，同時，周邊JN、YZ等站僅配置了感性無功補償裝置，且主網(wǎng)架的電壓支持能力不足，存在大事故擾動后系統(tǒng)電壓失穩(wěn)等問題。為了適應(yīng)“十三五”期間寧夏電網(wǎng)發(fā)展的需求，提高電網(wǎng)的無功電壓水平，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，急需開展大規(guī)模新能源集中接入下的無功規(guī)劃配置方案研究。

圖1　YD地區(qū)主要新能源接入方案及容量

2　新能源大出力方式分析

2.1　新能源大出力方式下的電壓水平分析

寧夏電網(wǎng)內(nèi)風電場和光伏電站全部按0.8同時率考慮，新能源場站內(nèi)按照未配置無功補償裝置考慮，QS 750 kV新能源匯集站投兩組120 Mvar低容，寧夏電網(wǎng)新能源場站及接入點電壓水平如表1所示。

表1　寧夏電網(wǎng)主要新能源裝機及接入線路情況

由表1可知，YD新能源集中接入地區(qū)的風電場和光伏電站，其母線電壓水平大多已經(jīng)下降至額定電壓（750 kV、330 kV、35 kV）以 下，部分新能源場站接入寧夏電網(wǎng)側(cè)變電站的母線電壓水平也低于其額定電壓。QS 750 kV新能源匯集站附近地區(qū)有大量新能源集中接入，其接入地區(qū)的330 kV電網(wǎng)電壓水平較低，部分330 kV母線電壓水平在325 kV以下。

2.2　新能源出力變化造成的電壓波動分析

2.2.1單一新能源場站出力變化

功率變化對電壓的影響與接入站點短路容量有關(guān)，接入點的短路容量越大，功率變化對電網(wǎng)電壓波動的影響就越小。

根據(jù)寧夏“十三五”電網(wǎng)規(guī)劃，2020年寧夏電網(wǎng)新能源接入點的短路容量如表2所示。計算結(jié)果如表3所示。

表2　寧夏電網(wǎng)新能源接入點變電站短路容量

表3　新能源出力變化造成接入點電壓波動情況

由表3可知，單一新能源場站出力從0到最大同時率之間變化，對寧夏電網(wǎng)側(cè)330 kV接入母線造成的電壓波動最大幅度為6.71 kV，不影響電網(wǎng)正常運行。

2.2.2多個新能源場站出力同時變化

寧夏電網(wǎng)QS 750 kV新能源匯集站的330 kV母線均有多個新能源場站接入，這些新能源場站的出力同時變化時，會引起更大幅度的接入點母線電壓波動，而且從同一接入點接入的新能源場站地理位置分布集中，其出力變化具有更大的相關(guān)性，容易出現(xiàn)出力同時增加或下降的情況。

接入QS 330 kV母線的新能源場站包括：ND光伏電站裝機1.5 GW，ZM光伏電站裝機2 GW，YC光伏電站裝機0.25 GW。

考慮以上新能源集中接入點接入的全部同類型新能源場站出力同時變化，在接入點母線及其臨近變電站母線造成的電壓波動情況如表4所示。

表4　多場站出力變化造成接入點電壓波動情況

由表4可知，在新能源集中接入點，如果多個新能源場站的出力同時變化，會造成匯集站母線電壓大幅波動。330 kV母線的電壓波動幅度在21～25 kV，且臨近新能源匯集接入點的變電站母線電壓也會隨之大幅波動。

2.3　新能源大出力方式下的嚴重故障分析

對2020年寧夏電網(wǎng)新能源集中接入的QS 750 kV匯集站近區(qū)電網(wǎng)線路進行三永N-1和N-2故障仿真，校驗是否存在電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象。

經(jīng)計算，QS～YD750 kV線路發(fā)生三永N-1故障，QS-YZ、QS-GF、GF-LG發(fā)生三永N-1故障、N-2故障，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。QS-YD 750 kV線路發(fā)生三永N-2故障，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。N-2故障后QS 750 kV匯集站及其周邊電網(wǎng)變電站母線電壓水平如圖2所示。

圖2　QS 750 kV匯集站及周邊變電站母線電壓

主要通道線路潮流如圖3所示。

圖3　QS 750 kV匯集站周邊電網(wǎng)主要通道線路潮流

由圖2、圖3可知，QS～YD 750 kV線路N-2故障后區(qū)域電網(wǎng)失去了全部750 kV外送通道，因此QS 750 kV匯集站匯集的全部光伏電力潮流都轉(zhuǎn)移至330 kV線路通道，QS-YZ和QS-GF通道330 kV線路潮流大幅上升，同時各變電站母線電壓均大幅下降，QS 750 kV母線、QS 330 kV母線、YZ 330 kV母線、GF 330 kV母線電壓全部下降至0.8 p.u.以下且持續(xù)無法恢復(fù)，電壓失穩(wěn)（330 kV、750 kV標準電壓按363 kV、800 kV考慮，下同）。

3　動態(tài)無功補償配置方案

在考慮寧夏電網(wǎng)各新能源場站都按裝機容量的20%配置靜止型動態(tài)無功補償（static var compensator，SVC）裝置［15-16］條件下，再對出現(xiàn)了電壓失穩(wěn)情況的QS-YD 750 kV線路三永N-2故障進行校核。QS-YD 750 kV線路發(fā)生三永N-2故障，結(jié)果如圖4所示。

圖4　QS匯集站及周邊變電站電壓（配置SVC）

由圖4可知，新能源場站配置了SVC裝置后，QS-YD 750 kV線路發(fā)生三永N-2故障，QS 330 kV母線、YZ 330 kV母線和GF 330kV母線在故障后的電壓水平都有較為明顯的上升，其中QS 330 kV母線的電壓水平約從0.7 p.u.上升至0.76 p.u.，幅度最大，但仍然持續(xù)低于0.8 p.u.，電壓失穩(wěn)。另外YZ 330 kV母線的電壓也持續(xù)低于0.8 p.u.，出現(xiàn)了電壓失穩(wěn)的情況；GF 330 kV母線電壓在故障后，能夠恢復(fù)至0.8 p.u.以上，約有0.82 p.u.，電壓水平偏低。

3.1　動態(tài)無功補償裝置SVC配置方案

考慮在新能源匯集站配置SVC裝置解決寧夏電網(wǎng)存在的電壓穩(wěn)定問題，分別考慮兩種配置方案。

方案一，QS 750 kV匯集站配置容量20 Mvar的SVC裝置。

方案二，QS 750 kV匯集站配置容量15 Mvar的SVC裝置，YZ 330 kV變電站配置容量5 Mvar的SVC裝置。

在兩種SVC配置方案下，分別計算QS-YD 750 kV線路三永N-2故障，結(jié)果如圖5所示。

圖5　QS匯集站及周邊變電站電壓（方案一、二）

由圖5可知，兩種SVC配置方案下，QS-YD 750 kV線路三永N-2故障后，QS 750 kV匯集站附近各變電站母線電壓的恢復(fù)水平基本相同，但方案一的電壓恢復(fù)速度明顯比方案二更快。

由于增加QS 750 kV匯集站配置的SVC容量對提高故障后電壓恢復(fù)水平的作用，考慮方案三，QS 750 kV匯集站配置容量100 Mvar的SVC裝置。與方案一進行比較，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，增加QS 750 kV匯集站配置的SVC容量后，QS-YD 750 kV線路三永N-2故障后，各變電站母線的電壓恢復(fù)速度明顯加快，但電壓恢復(fù)水平?jīng)]有明顯提高，QS 330 kV母線的電壓恢復(fù)水平約從0.87 p.u.提高至0.88 p.u.，幅度約為0.01 p.u.。

3.2　低壓無功補償配置方案

在QS 750 kV匯集站配置并投入更多低容，提高各變電站母線的運行電壓水平，防止出現(xiàn)電壓失穩(wěn)。

在QS 750 kV匯集站投入6組60 Mvar低容（新能源大出力基礎(chǔ)方式下投入4組60 Mvar低容），QS 330 kV母線電壓水平提高至331.20 kV，在該方式下計算QS-YD 750 kV線路三永N-2故障，結(jié)果如圖7所示。

圖7　QS匯集站及周邊變電站電壓（6組低容）

由圖7可知，在QS 750 kV匯集站投6組60 Mvar低容，QS-YD 750 kV線路三永N-2故障后，沒有出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的情況，各變電站母線電壓都能迅速恢復(fù)，且恢復(fù)電壓水平均在0.88 p.u.以上。

在QS 750 kV匯集站投入8組60 Mvar低容，QS 330 kV母線電壓水平提高至338.03 kV，在該方式下計算QS-YD 750 kV線路三永N-2故障，結(jié)果與投6組低容比較，如圖8所示。

圖8　QS匯集站及周邊變電站電壓（8組低容）

由圖8可知，在QS 750 kV匯集站投8組60 Mvar低容，QS-YD 750 kV線路三永N-2故障后，各變電站母線電壓恢復(fù)水平進一步提升，達到0.90 p.u.以上。

考慮新能源場站SVC裝置的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓作用，則新能源滿出力方式下，QS 750 kV匯集站不投低容補償，也能維持較高的電壓水平。QS-YD 750 kV線路發(fā)生三永N-2故障，結(jié)果如圖9所示。

圖9　QS匯集站及周邊變電站電壓（無低容補償）

由圖9可知，考慮新能源場站配置的SVC裝置進行穩(wěn)態(tài)調(diào)壓，QS 750 kV匯集站近區(qū)電網(wǎng)的運行電壓水平明顯提升，QS-YD 750 kV線路三永N-2故障后，各變電站母線電壓均能迅速恢復(fù)，達到0.94～0.96 p.u.的水平，沒有出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的情況。

4　效果評價

通過對動態(tài)無功補償方案和低容補償方案的仿真比較分析可知，在寧夏電網(wǎng)各新能源場站都按裝機容量的20%配置了SVC裝置后，新能源場站從系統(tǒng)吸收的無功基本已經(jīng)由其自身配置的SVC裝置補償，新能源匯集站沒有突出的動態(tài)無功補償需求。采用增加低容補償?shù)氖侄?，可快速提高新能源集中接入地區(qū)正常運行方式下的電壓水平，能夠有效地提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平，防止故障后出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的情況。

5　結(jié)論

（1）新能源大出力方式下，未配置無功補償裝置的新能源場站、匯集站母線電壓水平偏低，部分低于額定電壓水平。

（2）多個新能源場站出力同時變化時，其接入點母線電壓出現(xiàn)大幅波動，且隨著功率變化幅度增大，造成的電壓波動幅度會有明顯的放大效果。

（3）通過220 kV及以上電壓等級接入的裝機規(guī)模在100 MW以上的新能源場站，其動態(tài)無功補償按照裝機容量的20%進行配置。分散接入的小容量新能源場站，可不配置動態(tài)無功補償裝置。

（4）新能源匯集站優(yōu)先配置低壓電容，提高新能源電源滿出力方式下的運行電壓水平。對于具有周邊多個新能源匯集站集中，外送通道少、潮流重，周圍電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、短路容量低特征的新能源匯集站，需進行新能源電源滿出力方式下的故障校驗，具體分析是否需要配置動態(tài)無功補償裝置。

［1］ 劉振亞，張啟平.國家電網(wǎng)發(fā)展模式研究[J].中國電機工程學報，2013，33(7)：1-10.

［2］ 劉振亞.建設(shè)堅強智能電網(wǎng)支撐又快又好發(fā)展[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(9)：1-3.

［3］ 崔正湃，王皓靖，馬鎖明，等.大規(guī)模風電匯集系統(tǒng)動態(tài)無功補償裝置運行現(xiàn)狀及提升措施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(7)：1874-1878.

［4］ 葉希，魯宗相，喬穎，等.大規(guī)模風電機組連鎖脫網(wǎng)事故機理初探[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(8)：11-17.

［5］ 張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的相關(guān)問題及措施[J].中國電機工程學報，2010，30(25)：1-9.

［6］ 向異，孫驍強，張小奇，等.2.24甘肅酒泉大規(guī)模風電脫網(wǎng)事故暴露的問題及解決措施[J].華北電力技術(shù)，2011(9)：1-7.

［7］ 吳林林，李海青，王皓靖，等.動態(tài)無功補償裝置抑制風電匯集地區(qū)高電壓問題的可行性研究[J].華北電力技術(shù)，2014(10)：61-66.

［8］ 電能質(zhì)量—電壓波動和閃變：GB 12326—2000[S].2000.

［9］ 溫柏堅，袁康龍，林舜江，等.變電站電壓無功控制對靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響分析［J］ .電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（7）：103-108.

［10］ 楊碩，王偉勝，劉純，等.改善風電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(5)：1250-1256.

［11］ 朱春萍.青島電網(wǎng)“十三五”無功規(guī)劃研究[D].濟南：山東，2015.1-2.

［12］ 遲永寧，劉燕華，王偉勝，等.風電接入對電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(3)：77-81.

［13］ 陳琳，鐘金，倪以信，等.含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30(14)：20-24.

［14］ 張粒子，舒雋，林憲樞，等.基于遺傳算法的電力系統(tǒng)無功規(guī)劃優(yōu)化[J].中國電機工程學報，2000，20(6)：6-8.

［15］ 謝惠藩，王海軍，張楠，等.SVC在南方電網(wǎng)西電東送中的應(yīng)用研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(S1)：138-142.

［16］ 徐式蘊，劉津，趙兵，等.藏中電網(wǎng)SVC配置方案及補償策略分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(8)：2136-2142.