趙　亮，周宗川，董曉晶

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟(jì)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(shí)峰谷負(fù)荷差加大，新舊變電站內(nèi)的負(fù)荷比重與無功補(bǔ)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(shí)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(jì)運(yùn)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(yùn)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(dòng)規(guī)劃，通過仿真計(jì)算開展新能源大出力方式下的電壓水平分析、電壓波動(dòng)分析及嚴(yán)重故障分析，提出應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源集中接入的寧夏電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(duì)保障寧夏電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要實(shí)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(jī)規(guī)模達(dá)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(jī)規(guī)模800 MW的MS風(fēng)電場(chǎng)接入。YD地區(qū)電網(wǎng)主要風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電功率的大幅波動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組無功特性將對(duì)系統(tǒng)電壓水平產(chǎn)生較大影響，同時(shí)，周邊JN、YZ等站僅配置了感性無功補(bǔ)償裝置，且主網(wǎng)架的電壓支持能力不足，存在大事故擾動(dòng)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(yùn)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(fēng)電場(chǎng)和光伏電站全部按0.8同時(shí)率考慮，新能源場(chǎng)站內(nèi)按照未配置無功補(bǔ)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(chǎng)站及接入點(diǎn)電壓水平如表1所示。

表1　寧夏電網(wǎng)主要新能源裝機(jī)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(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)分析

2.2.1單一新能源場(chǎng)站出力變化

功率變化對(duì)電壓的影響與接入站點(diǎn)短路容量有關(guān)，接入點(diǎn)的短路容量越大，功率變化對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(diǎn)的短路容量如表2所示。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2　寧夏電網(wǎng)新能源接入點(diǎn)變電站短路容量

表3　新能源出力變化造成接入點(diǎn)電壓波動(dòng)情況

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

2.2.2多個(gè)新能源場(chǎng)站出力同時(shí)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(gè)新能源場(chǎng)站接入，這些新能源場(chǎng)站的出力同時(shí)變化時(shí)，會(huì)引起更大幅度的接入點(diǎn)母線電壓波動(dòng)，而且從同一接入點(diǎn)接入的新能源場(chǎng)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(shí)增加或下降的情況。

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

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

表4　多場(chǎng)站出力變化造成接入點(diǎn)電壓波動(dòng)情況

由表4可知，在新能源集中接入點(diǎn)，如果多個(gè)新能源場(chǎng)站的出力同時(shí)變化，會(huì)造成匯集站母線電壓大幅波動(dòng)。330 kV母線的電壓波動(dòng)幅度在21～25 kV，且臨近新能源匯集接入點(diǎn)的變電站母線電壓也會(huì)隨之大幅波動(dòng)。

2.3　新能源大出力方式下的嚴(yán)重故障分析

對(duì)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(jìn)行三永N-1和N-2故障仿真，校驗(yàn)是否存在電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象。

經(jīng)計(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)電壓按363 kV、800 kV考慮，下同）。

3　動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償配置方案

在考慮寧夏電網(wǎng)各新能源場(chǎng)站都按裝機(jī)容量的20%配置靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償（static var compensator，SVC）裝置［15-16］條件下，再對(duì)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(jìn)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(chǎng)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(jì)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(duì)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(jìn)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(bǔ)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(yùn)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(jì)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(jì)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(jìn)一步提升，達(dá)到0.90 p.u.以上。

考慮新能源場(chǎng)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(bǔ)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(bǔ)償）

由圖9可知，考慮新能源場(chǎng)站配置的SVC裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)壓，QS 750 kV匯集站近區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)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(dá)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(píng)價(jià)

通過對(duì)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案和低容補(bǔ)償方案的仿真比較分析可知，在寧夏電網(wǎng)各新能源場(chǎng)站都按裝機(jī)容量的20%配置了SVC裝置后，新能源場(chǎng)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(bǔ)償，新能源匯集站沒有突出的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償需求。采用增加低容補(bǔ)償?shù)氖侄?，可快速提高新能源集中接入地區(qū)正常運(yùn)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(bǔ)償裝置的新能源場(chǎng)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(gè)新能源場(chǎng)站出力同時(shí)變化時(shí)，其接入點(diǎn)母線電壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)，且隨著功率變化幅度增大，造成的電壓波動(dòng)幅度會(huì)有明顯的放大效果。

（3）通過220 kV及以上電壓等級(jí)接入的裝機(jī)規(guī)模在100 MW以上的新能源場(chǎng)站，其動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償按照裝機(jī)容量的20%進(jìn)行配置。分散接入的小容量新能源場(chǎng)站，可不配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(yùn)行電壓水平。對(duì)于具有周邊多個(gè)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(jìn)行新能源電源滿出力方式下的故障校驗(yàn)，具體分析是否需要配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

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