楊靜林，高峰，原帥

（1.內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心，呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)能資源豐富，超過百萬千瓦的風(fēng)電匯集區(qū)不少于10個(gè)，且大多位于電網(wǎng)末端，經(jīng)500 kV線路與主網(wǎng)相連[1]。當(dāng)機(jī)組大出力時(shí)線路潮流加重，消耗大量無功功率，致使地區(qū)電網(wǎng)電壓大幅下降，易引發(fā)地區(qū)電網(wǎng)電壓偏低，甚至越下限，直接影響新能源的送出和消納[2-5]。根據(jù)GB/T 19963—2012《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[6]，接入電網(wǎng)的風(fēng)電場，其動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備完全可以補(bǔ)償光伏電站及并網(wǎng)線路對電網(wǎng)無功、電壓的影響。目前，大部分風(fēng)電場的AVC系統(tǒng)僅通過控制站內(nèi)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)，而未慮機(jī)組自身無功輸出能力。如果這部分無功容量能夠被充分挖掘和利用，不僅能夠降低發(fā)電企業(yè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行成本，也為地區(qū)電網(wǎng)提供更多的無功儲備和支撐，增強(qiáng)地區(qū)電網(wǎng)特別是電網(wǎng)末端新能源匯集區(qū)的電壓調(diào)節(jié)能力[6-7]。

本文以內(nèi)蒙古某風(fēng)電匯集區(qū)為研究對象，分析地區(qū)電網(wǎng)無功電壓特性，并提出地區(qū)電壓長期越下限問題的解決方案。

1 工程概況

內(nèi)蒙古電網(wǎng)某風(fēng)電匯集區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該地區(qū)220 kV變電站3座，500 kV變電站1座；風(fēng)電場23座，總裝機(jī)容量為2500 MW，均通過220 kV架空線路直接或經(jīng)220 kV變電站間接接入500 kV BL變電站，然后通過雙回500 kV輸電線路與主網(wǎng)相連。該風(fēng)電匯集區(qū)風(fēng)電場及變電站負(fù)荷、無功補(bǔ)償設(shè)備配置情況見表1。

表1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)某風(fēng)電匯集區(qū)場站參數(shù)

圖1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)某風(fēng)電匯集區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖

2 地區(qū)電網(wǎng)低電壓問題分析

根據(jù)DL/T 1773—2017《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》[8]，正常運(yùn)行方式下，500 kV母線最高運(yùn)行電壓不得超過系統(tǒng)額定電壓的110%，即550 kV，最低運(yùn)行電壓不應(yīng)影響電力系統(tǒng)的同步穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、廠用電的正常使用及下一級電壓的調(diào)節(jié)。同時(shí)根據(jù)華北網(wǎng)調(diào)下達(dá)的高峰負(fù)荷下500 kV廠站電壓曲線，500 kV BL變電站母線運(yùn)行電壓為512~525 kV；220 kV變電站母線正常運(yùn)行電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的0~10%；通過220 kV電壓等級接入公共電網(wǎng)的光伏電站，其并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差為相應(yīng)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的0~10%，即0~22 kV。

該風(fēng)電匯集區(qū)位于重負(fù)荷工業(yè)區(qū)，接入周邊較多高耗能用戶，負(fù)荷較大，當(dāng)新能源大出力時(shí)，潮流加重，線路、主變壓器等消耗大量無功，致使地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行電壓長期偏低，存在跌破電壓下限的風(fēng)險(xiǎn)。對該地區(qū)電網(wǎng)電壓特性進(jìn)行仿真分析，選取220 kV變電站、風(fēng)電場中的最低電壓作為考核對象（在風(fēng)電不同出力條件下，風(fēng)電場16相對其余22個(gè)風(fēng)電場電壓最低，WH變電站相對其余兩個(gè)220 kV變電站電壓最低），考慮地區(qū)重負(fù)荷，風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)不投入，風(fēng)電場和變電站無功補(bǔ)償設(shè)備不投入情況下，不斷增加風(fēng)電場出力，風(fēng)電場16和220 kV WH變電站系統(tǒng)電壓隨風(fēng)電場出力增加的變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 220 kV系統(tǒng)電壓隨風(fēng)電場有功功率變化曲線

圖3 500 kV系統(tǒng)電壓隨風(fēng)電場有功功率變化曲線

由圖2、圖3可知，在不考慮地區(qū)無功補(bǔ)償設(shè)備的情況下，隨著風(fēng)電場出力的增加，地區(qū)電網(wǎng)電壓迅速下降。當(dāng)風(fēng)電場出力達(dá)50%時(shí)，500 kV系統(tǒng)電壓跌破下限512 kV，220 kV系統(tǒng)電壓瀕臨跌破下限，地區(qū)新能源送出嚴(yán)重受限。

3 地區(qū)電網(wǎng)低電壓解決方案

3.1 地區(qū)電網(wǎng)無功電壓特性分析

為制訂風(fēng)電匯集區(qū)低電壓問題解決方案，基于變電站低壓側(cè)集中補(bǔ)償、風(fēng)電場無功設(shè)備補(bǔ)償、風(fēng)電機(jī)組輸出無功3種方案對該地區(qū)的電壓調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析。

3.1.1 變電站無功補(bǔ)償

由表1可知，該風(fēng)電匯集地區(qū)500 kV BL變電站配置4組60 Mvar低壓電容器，220 kV變電站共配置60 Mvar低壓電容器。在地區(qū)電網(wǎng)電壓偏低工況下，考慮地區(qū)風(fēng)電機(jī)組出力60%，分析變電站無功補(bǔ)償?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)特性，無功補(bǔ)償方案見表2。

表2 變電站無功補(bǔ)償方案

仿真結(jié)果見圖4、圖5。由仿真結(jié)果可知，變電站投入無功補(bǔ)償設(shè)備后，地區(qū)電網(wǎng)電壓上升，其中500 kV系統(tǒng)電壓平均變化率為0.050 kV/Mvar；220 kV變電站電壓平均變化率為0.035 kV/Mvar；220 kV風(fēng)電場電壓平均變化率為0.036 kV/Mvar。

圖4 地區(qū)電網(wǎng)220 kV系統(tǒng)電壓變化曲線（變電站無功補(bǔ)償）

圖5 地區(qū)電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)電壓變化曲線（變電站無功補(bǔ)償）

3.1.2 風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償

該風(fēng)電匯集區(qū)風(fēng)電場均配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，且容量約為風(fēng)電場總?cè)萘康?0%，在容性和感性區(qū)間動(dòng)態(tài)可調(diào)。在地區(qū)變電站無功補(bǔ)償設(shè)備不投入工況下，考慮地區(qū)風(fēng)電機(jī)組出力60%，分析風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的電壓調(diào)節(jié)特性。仿真結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 地區(qū)電網(wǎng)220 kV系統(tǒng)電壓變化曲線（風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償）

圖7 地區(qū)電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)電壓變化曲線（風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償）

由仿真結(jié)果可知，隨著風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量的增加，各電壓等級系統(tǒng)電壓均上升，其中500 kV系統(tǒng)電壓平均變化率為0.043 kV/Mvar；220 kV變電站電壓平均變化率為0.032 kV/Mvar；220 kV風(fēng)電場電壓平均變化率為0.031 kV/Mvar。

3.1.3 風(fēng)電機(jī)組無功輸出

由表1可知，該地區(qū)風(fēng)電機(jī)組無功輸出容量約為風(fēng)電場總?cè)萘康?0%，在容性和感性區(qū)間動(dòng)態(tài)可調(diào)。在地區(qū)變電站無功補(bǔ)償設(shè)備不投入、風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備不投入工況下，考慮地區(qū)風(fēng)電機(jī)組出力60%，分析風(fēng)電機(jī)組無功輸出的電壓調(diào)節(jié)特性。仿真結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 地區(qū)電網(wǎng)220 kV系統(tǒng)電壓變化曲線（風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償）

圖9 地區(qū)電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)電壓變化曲線（風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償）

由仿真結(jié)果可知，隨著風(fēng)電機(jī)組輸出無功功率的增加，各電壓等級系統(tǒng)電壓均上升，其中500 kV系統(tǒng)電壓平均變化率為0.053 kV/Mvar；220 kV變電站電壓平均變化率為0.038 kV/Mvar，220 kV風(fēng)電場電壓平均變化率為0.041 kV/Mvar。

綜上分析可知，變電站低壓側(cè)集中補(bǔ)償、風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償、風(fēng)電機(jī)組輸出無功3種方案均可提升該地區(qū)電網(wǎng)電壓。對比3種方案的容性無功容量，變電站容性無功容量為300 Mvar，風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備容量為520 Mvar，風(fēng)電機(jī)組無功容量為750 Mvar，風(fēng)電機(jī)組可以釋放大量無功，且采用風(fēng)電機(jī)組輸出無功的方法，無功電壓變化率最大，對該地區(qū)的電壓調(diào)節(jié)作用最為顯著。

3.2 解決方案

為解決該地區(qū)重潮流工況下低電壓問題，考慮地區(qū)風(fēng)電場滿發(fā)，分析不同解決方案無功電壓調(diào)節(jié)效果。由于地區(qū)風(fēng)電容量大，滿發(fā)時(shí)若不進(jìn)行無功補(bǔ)償，則地區(qū)電網(wǎng)電壓無法維持，因此將變電站集中補(bǔ)償作為參照方案。根據(jù)地區(qū)無功電壓調(diào)節(jié)特性，計(jì)算變電站集中補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償、風(fēng)電機(jī)組輸出無功及其組合方案下該地區(qū)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)能力（見表3），為該地區(qū)低電壓問題解決提供理論支撐。

表3 不同無功補(bǔ)償方案下地區(qū)電網(wǎng)電壓超標(biāo)情況

仿真結(jié)果見圖10、圖11。分析可知，該風(fēng)電匯集區(qū)投入變電站或風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)時(shí)，均不能滿足系統(tǒng)調(diào)壓要求；采用變電站集中補(bǔ)償+風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)時(shí)，220 kV系統(tǒng)和500 kV系統(tǒng)電壓均滿足要求，但500 kV系統(tǒng)電壓裕度較??；采用風(fēng)電機(jī)組輸出無功調(diào)節(jié)時(shí)，220 kV和500 kV系統(tǒng)電壓均可以滿足電壓曲線要求，且裕度較大。因此，對于該地區(qū)長期存在的低電壓問題，理論上可以通過釋放風(fēng)電機(jī)組無功容量進(jìn)行無功電壓調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足地區(qū)電壓要求。

圖10 不同無功補(bǔ)償方案下地區(qū)電網(wǎng)220 kV系統(tǒng)電壓

圖11 不同無功補(bǔ)償方案下地區(qū)電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)電壓

在實(shí)際調(diào)用新能源機(jī)組（主要包含雙饋風(fēng)電機(jī)組、直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和光伏逆變器）無功功率之前，需要對站內(nèi)機(jī)組進(jìn)行有功/無功功率調(diào)節(jié)能力測試，特別是包含不同類型機(jī)組的場站，不同機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力不同，接受AVC指令響應(yīng)能力不同，需要進(jìn)行場站無功控制能力優(yōu)化和改造，進(jìn)一步提升新能源場站參與地區(qū)電網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)效率。

4 結(jié)語

基于不同無功補(bǔ)償方案對內(nèi)蒙古某風(fēng)電匯集區(qū)地區(qū)電網(wǎng)無功電壓特性進(jìn)行分析，得出了采用風(fēng)電機(jī)組輸出無功的方法，系統(tǒng)無功電壓變化率最大，對該地區(qū)電壓調(diào)節(jié)最顯著的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，給出了變電站集中補(bǔ)償與風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償相結(jié)合的解決方案，能夠確保該地區(qū)有較大的無功電壓安全裕度。本文提出的地區(qū)低電壓問題解決方案可供新能源匯集區(qū)處理同類技術(shù)問題時(shí)借鑒。