湯海霞，肖 瑩，肖 蕾，劉 恒

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司，湖北 孝感 432100）

0 引言

近年來，隨著“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的縱深推進(jìn)，國家能源生產(chǎn)正在進(jìn)行消費轉(zhuǎn)型，火電機(jī)組建設(shè)逐漸趨緩，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐［1］。隨著新能源的持續(xù)發(fā)展，未來海量新能源持續(xù)接入電網(wǎng)，以大規(guī)模高滲透率的可再生能源、高比例的電力電子設(shè)備“雙高”為主要特征的新型電力系統(tǒng)正在逐步形成［2］。國網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司（以下簡稱“孝感公司”）積極貫徹落實國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，大力推動地區(qū)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能等清潔能源發(fā)展、消納及應(yīng)用工作。截止2021 年，孝感電網(wǎng)新能源裝機(jī)容量達(dá)2 075 MW，2021 年累計發(fā)電量26.13 億kWh，為地方經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供節(jié)能環(huán)保綠色電能服務(wù)。本文通過孝感電網(wǎng)調(diào)度運行數(shù)據(jù)深入分析并網(wǎng)新能源對孝感電網(wǎng)無功電壓不利影響，并給出解決方案。

1 新型電力系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著分布式電源、儲能、新型負(fù)荷等分布式資源大規(guī)模接入，傳統(tǒng)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行調(diào)控方式將難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。

目前，新型電力系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)是：一是有功、無功實時平衡難度大［3-5］；由于新能源大量接入，其發(fā)電的隨機(jī)性、波動性、間歇性，以及新能源機(jī)組對電網(wǎng)的弱支撐性、自身抗擾動性差，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來沖擊，尤其對電網(wǎng)斷面潮流穩(wěn)定控制、主網(wǎng)電壓安全穩(wěn)定、無功就地平衡等方面帶來巨大挑戰(zhàn)［6-7］。二是調(diào)控運行控制模式亟待改變；新型電力系統(tǒng)中，控制原理將發(fā)生根本變化，控制規(guī)模呈指數(shù)級增長，控制對象差異性極大，調(diào)度運行監(jiān)視、控制難度加大。以重要送出通道上的無功及電壓控制為例，依靠傳統(tǒng)的監(jiān)控員下令，電廠端調(diào)節(jié)模式響應(yīng)慢、配合難，弊端日益凸顯。大規(guī)模新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止如此，還包括如圖1 所示的系列技術(shù)挑戰(zhàn)。亟待通過管理創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新破解新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行難題，更好地服務(wù)孝感市綠色低碳發(fā)展，助力國家能源“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)實現(xiàn)［8-9］。

圖1 大規(guī)模新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)Fig.1 Technical challenge of large-scale new energy connection to power system

2 系統(tǒng)無功電壓波動原因分析

截止2021年，孝感電網(wǎng)新能源裝機(jī)容量達(dá)2 075 MW，其中風(fēng)電裝機(jī)1 008.9 MW，光伏裝機(jī)988.417 MW。風(fēng)、光比例1.02∶1，根據(jù)不同風(fēng)光比例出力特性分析，孝感地區(qū)新能源出力滿足圖2中的風(fēng)光5∶5曲線。

圖2 不同新能源配比出力特性曲線分析圖Fig.2 Analysis chart of output characteristic curve of different new energy ratio

調(diào)取實際調(diào)度運行典型出力數(shù)據(jù)分析，詳見圖3。

圖3 孝感電網(wǎng)新能源出力特性曲線圖Fig.3 New energy output characteristic curve of Xiaogan power grid

對比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，風(fēng)光比例接近1∶1的孝感電網(wǎng)新能源出力特性曲線跟理論分析的出力特性曲線基本一致，發(fā)電出力呈現(xiàn)的特點如下：1）全天午高峰出力最大，最大出力可達(dá)總裝機(jī)容量的75%，其中光伏出力更大，達(dá)到自身裝機(jī)容量的80%；2）夜間18：00-24：00，光伏停發(fā)，風(fēng)電出力很小，占裝機(jī)容量的20%；3）凌晨0：00-08：00，晝夜溫差大風(fēng)電出力大，占裝機(jī)容量的80%。

選取孝感電網(wǎng)用電負(fù)荷曲線進(jìn)行分析，詳見圖4。孝感電網(wǎng)用電負(fù)荷曲線特點如下：1）全天用電負(fù)荷呈現(xiàn)“雙峰”特點：午高峰12：00，晚高峰21：00左右；2）凌晨0：00-08：00負(fù)荷較低。

圖4 孝感電網(wǎng)負(fù)荷特性曲線圖Fig.4 Load characteristic curve of Xiaogan power grid

通過新能源發(fā)電出力特性曲線與電網(wǎng)負(fù)荷曲線對比發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)用電負(fù)荷午高峰時段，新能源助力大對電網(wǎng)負(fù)荷支持大，主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)通道下網(wǎng)潮流小。在電網(wǎng)用電負(fù)荷晚高峰時段，新能源出力小，對用電負(fù)荷支撐小，需要通過主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)通道下網(wǎng)形成有效支撐。在夜間、凌晨負(fù)荷較輕時段，風(fēng)電大規(guī)模發(fā)電，需要通過主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)通道外送至主網(wǎng)消納。

調(diào)取新能源外送通道潮流（詳見圖5-圖6）分析發(fā)現(xiàn)：就地消納后的新能源通過聯(lián)絡(luò)線外送至主網(wǎng)，有功潮流呈現(xiàn)頻繁波動特點，無功潮流呈現(xiàn)富余倒送主網(wǎng)特點。

圖5 新能源外送通道有功潮流圖Fig.5 Active power flow diagram of new energy delivery channel

圖6 新能源外送通道無功潮流圖Fig.6 Reactive power flow diagram of new energy delivery channel

綜合上述圖5～圖8 運行數(shù)據(jù)分析，夜間電網(wǎng)低谷負(fù)荷低谷時段主網(wǎng)無功電容器均退出，此時風(fēng)電發(fā)電出力相對較大，新能源外送通道上的220 kV 線路送出潮流較重，新能源送出通道上的220 kV 線路無功缺額較大，電壓降低甚至越下限。白天電網(wǎng)用電高峰時段主網(wǎng)電容器全投，新能源出力對用電負(fù)荷形成支撐，新能源送出通道上的220 kV 聯(lián)絡(luò)線潮流輕載，線路容性充電無功導(dǎo)致220 kV 電壓越上限，主網(wǎng)電壓升高甚至越上限。新能源出力波動造成電網(wǎng)潮流反轉(zhuǎn)頻繁，尤其是新能源接入比例高的大悟地區(qū)電網(wǎng)對外聯(lián)絡(luò)通道潮流一天之內(nèi)盡反轉(zhuǎn)多達(dá)17 次。電網(wǎng)潮流翻轉(zhuǎn)加劇了電壓波動，詳見圖7-圖8 所示電壓運行曲線，因新能源出力波動頻繁劇烈，在3 個小時內(nèi)，主網(wǎng)220 kV 母線電壓從233.9 kV 跌落至223.1 kV，波動高達(dá)11 kV。

圖7 主網(wǎng)220 kV電壓運行曲線Fig.7 220 kV voltage operation curve of main grid

圖8 主網(wǎng)220 kV電壓運行日曲線Fig.8 Daily 220 kV voltage operation day curve of main grid

電壓升高對電氣設(shè)備熱穩(wěn)定性造成威脅。電網(wǎng)用電高峰和新能源發(fā)電高峰時，電網(wǎng)無功不足導(dǎo)致主網(wǎng)電壓降低，網(wǎng)損加大。電壓過低可能危及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，在系統(tǒng)無功功率不足、電壓水平低情況下，若同時發(fā)生某些樞紐變電站的母線微小擾動，由于新能源機(jī)組抗擾動能力不夠強(qiáng)，面對電壓波動容易脫網(wǎng)，造成大面積停電事故，頃刻之間會造成系統(tǒng)電壓大幅度下降，也就是“電壓崩潰”現(xiàn)象，其后果相當(dāng)嚴(yán)重。

預(yù)計至“十四五”末，孝感電網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)模分別將達(dá)到600 萬kW，其中風(fēng)、光裝機(jī)規(guī)模分別將達(dá)到142.2 萬kW、407.1 萬kW，風(fēng)、光出力日波動分別為128 萬kW、258 萬kW，日波動可達(dá)386 萬kW，有功波動引發(fā)的無功電壓波動將更加劇烈，新能源波動引起電壓不穩(wěn)，日波幅超標(biāo)，控制難等問題，需要從全網(wǎng)角度優(yōu)化提升無功電壓管理工作，電網(wǎng)無功由“就地補(bǔ)償，就地平衡”轉(zhuǎn)為“優(yōu)化補(bǔ)償，分層平衡，上下兼顧”［10-12］，才能破解電壓“一高一低”頻繁波動難題。

3 解決方案及成效

孝感電網(wǎng)220 kV 及以上變電站變電容性無功補(bǔ)償容量614 MVA，占主變?nèi)萘康?1.67%；110 kV 變電站容性無功補(bǔ)償容量567 Mvar，占主變?nèi)萘康?3.7%。主網(wǎng)無功補(bǔ)償比例未達(dá)到15%～30%技術(shù)規(guī)定。目前孝感主網(wǎng)電容器因故障被迫停運或因未開展投切試驗不能投運的電容器。這些不能投運的無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)一步拉低了無功補(bǔ)償度，減少了主網(wǎng)電壓調(diào)整手段。

孝感電網(wǎng)并網(wǎng)新能源場站內(nèi)共配置無功補(bǔ)償容量550.3 Mvar，其中FC裝置容量共78.5 Mvar，SVG裝置容量共471.8 Mvar，SVG 具備無功雙向調(diào)節(jié)功能。電廠這些無功補(bǔ)償設(shè)備均能達(dá)到提升電壓作用。

在新能源高滲透背景下，大規(guī)模分布式電源的引入難免帶來一系列問題，如電能質(zhì)量，供電能力消納及管控等問題［13-14］。但是，電力系統(tǒng)可以利用風(fēng)電、光伏的無功余量對系統(tǒng)電壓水平進(jìn)行優(yōu)化，充足的無功補(bǔ)償量可有效提高系統(tǒng)電壓水平的同時保證新能源全額消納。傳統(tǒng)的AVC 無功優(yōu)化控制系統(tǒng)受負(fù)荷波動影響，電壓波動較大，易造成動作次數(shù)達(dá)上限，對人工調(diào)整需求高［15-16］。為此，孝感公司主動協(xié)調(diào)新能源廠家，創(chuàng)新“場網(wǎng)一體化無功電壓協(xié)同自動控制”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度管理模式，如圖9 所示。將新能源電廠的SVG 裝置納入地調(diào)AVC系統(tǒng)的協(xié)同控制［17］，對調(diào)度端AVC系統(tǒng)進(jìn)行功能升級及控制策略優(yōu)化［18］，打通電網(wǎng)至電廠協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)通道，升級網(wǎng)絡(luò)安全策略，實現(xiàn)區(qū)域無功廠網(wǎng)平衡，既減少主網(wǎng)投資電抗器、電容器等資金，又充分利用了電廠無功補(bǔ)償設(shè)備，有效保障電網(wǎng)電壓安全，減少網(wǎng)損［19-21］。

圖9 場網(wǎng)一體化無功電壓協(xié)同自動控制系統(tǒng)（AVC）Fig.9 Plant-grid integrated automatic reactive voltage control (AVC) system

3.1 廠網(wǎng)SVG試點聯(lián)調(diào)

在地調(diào)AVC 主站系統(tǒng)中，對新能源電廠進(jìn)行PAS建模，通估狀態(tài)估計、潮流計算等模塊并綜合考慮電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，計算出新能源廠站高壓母線目標(biāo)值（或增量）。做好新能源廠站AVC 與遠(yuǎn)動裝置的接口改造，具備主站AVC與廠站AVC系統(tǒng)104雙向通信功能，主站AVC 下發(fā)高壓母線目標(biāo)值（或增量），子站AVC 進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而滿足地調(diào)AVC 高壓母線目標(biāo)值的要求，實現(xiàn)主網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)功能。通過地調(diào)AVC 系統(tǒng)與110 kV 大坡頂風(fēng)電廠SVG 裝置的聯(lián)調(diào)，并將110 kV 大坡頂風(fēng)電廠SVG 裝置納入地調(diào)AVC 系統(tǒng)試運行。通過PDCA 循環(huán)，記錄該電廠從2021 年7 月份以后通過調(diào)節(jié)后的無功電壓倒送值（詳見表1）。

表1 110 kV大坡頂風(fēng)電廠無功倒送情況對比統(tǒng)計表Table 1 Comparative statistical table of reactive power backflow in 110kV Dapoding wind power plant

P計劃：制定無功調(diào)節(jié)計劃，將110 kV大坡頂風(fēng)電廠納入主網(wǎng)無功電壓調(diào)試計劃內(nèi)。

D 執(zhí)行：由主站AVC 系統(tǒng)實時遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)電廠無功電壓。

C 檢查：核查無功電壓調(diào)節(jié)是否滿足實際運行要求。

A 處理：記錄并分析該新能源電廠無功電壓調(diào)節(jié)策略執(zhí)行是否在合格范圍內(nèi)。

通過以上統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在實現(xiàn)主站AVC控制110 kV大坡頂風(fēng)電廠SVG裝置后，風(fēng)電廠SVG裝置可輸出感性或容性無功來平衡電網(wǎng)無功，期間未出現(xiàn)新能源電廠無功大量倒送主網(wǎng)情況，相應(yīng)的線損、網(wǎng)損均有明顯降低。110 kV 大坡頂風(fēng)電廠SVG 裝置納入地調(diào)AVC系統(tǒng)試運行后，取得了較好的成果，經(jīng)地調(diào)研究決定，將孝感地區(qū)35 kV及以上新能源電廠SVG裝置與主站AVC進(jìn)行聯(lián)調(diào)，并投入試運行。

3.2 優(yōu)化AVC控制策略

1）通過AVC 主站參數(shù)對控制目標(biāo)的優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置，從高到低應(yīng)為新能源廠站并網(wǎng)點電壓合格、新能源廠站并網(wǎng)點功率因數(shù)合格、網(wǎng)損最小。

2）正常情況下主站5 min 下發(fā)一次指令，下發(fā)指令后2 min內(nèi)每10 s監(jiān)測1次，2 min內(nèi)一旦有達(dá)到考核要求的點即認(rèn)為調(diào)節(jié)成功，站端AVC裝置具備電壓保持功能，在5 min 調(diào)節(jié)周期內(nèi)可自動調(diào)節(jié)至目標(biāo)值，無需主站再次下發(fā)調(diào)節(jié)值。

3）AVC 主站下發(fā)的控制指令為帶時標(biāo)的并網(wǎng)點母線電壓增量。

4）新能源廠站并網(wǎng)點功率因數(shù)絕對值宜不小于0.95，可根據(jù)電網(wǎng)運行情況進(jìn)行調(diào)整，支持對并網(wǎng)點功率因數(shù)的人工配置。

5）關(guān)于步長和控制死區(qū)的要求：110 kV新能源廠站：控制步長0.5 kV，控制死區(qū)0.3 kV；35 kV新能源廠站：控制步長0.3 kV，控制死區(qū)0.15 kV；10 kV 新能源廠站：控制步長0.15 kV，控制死區(qū)0.1 kV；支持對以上各項的人工配置。

6）控制并于同一母線的多個新能源廠站間不出現(xiàn)無功不合理流動。

7）若并網(wǎng)點有功功率絕對值大于3 MW，則按照控制目標(biāo)優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)整；若并網(wǎng)點有功功率絕對值小于3 MW，則將無功功率絕對值調(diào)整至1 Mvar 以內(nèi)，不考慮并網(wǎng)點功率因數(shù)控制約束，并網(wǎng)點有功功率絕對值可根據(jù)需要人工配置。

8）AVC 主站收到子站增無功閉鎖或減無功閉鎖信號后，發(fā)平調(diào)指令。

9）提供節(jié)假日模式。能夠設(shè)置節(jié)假日新能源廠站并網(wǎng)點電壓上下限及并網(wǎng)點功率因數(shù)范圍，實現(xiàn)節(jié)假日模式切換。

10）當(dāng)新能源廠站或并網(wǎng)區(qū)域內(nèi)公用變電站母線電壓、220 kV關(guān)口功率因數(shù)越限時，協(xié)調(diào)控制新能源廠站無功設(shè)備和公用變電站內(nèi)的無功設(shè)備，消除電壓越限，方法如下：

① 當(dāng)新能源廠站并網(wǎng)點電壓越限時，優(yōu)先控制新能源廠站無功設(shè)備來消除電壓越限。

② 當(dāng)新能源廠站并網(wǎng)點電壓越限且已不具有無功控制能力時，控制并網(wǎng)區(qū)域內(nèi)公用變電站低壓無功設(shè)備來消除電壓越限。

③ 使用公用變電站低壓無功設(shè)備來消除新能源廠站并網(wǎng)點電壓越限的策略時，通過控制預(yù)估判定該策略不會造成其它新能源廠站壓并網(wǎng)點電壓越限，避免設(shè)備的頻繁投切。

④ 當(dāng)新能源廠站并網(wǎng)區(qū)域內(nèi)公用變電站母線電壓、220 kV關(guān)口功率因數(shù)越限時，優(yōu)先控制站內(nèi)的電容器、電抗器。

3.3 主要成效

針對目前高比例、多種能源電網(wǎng)在全國地市級電網(wǎng)并無類似發(fā)用電模式可以借鑒的現(xiàn)實問題，孝感公司創(chuàng)新打造“場網(wǎng)一體化無功電壓協(xié)同自動控制”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度管理模式，破解清潔能源規(guī)模化發(fā)展難題，實現(xiàn)清潔能源安全接入、全額消納，更好地服務(wù)孝感市綠色低碳發(fā)展，助力國家能源“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)實現(xiàn)。主要有以下成效：

一是安全效益。新能源電廠充足的SVG、FC、逆變器、風(fēng)機(jī)等無功調(diào)節(jié)裝置并入地調(diào)AVC 系統(tǒng)，大幅增加電網(wǎng)無功電源容量，增加主網(wǎng)無功調(diào)節(jié)手段，有效彌補(bǔ)了主網(wǎng)感性無功電源配置不足問題。場網(wǎng)一體化無功電壓協(xié)同自動控制系統(tǒng)（AVC）具備主動監(jiān)測電壓越限的功能，并能迅速作出反應(yīng)，可遠(yuǎn)程遙控部署在百里之外的新能源電場內(nèi)的SVG、FC 裝置，響應(yīng)時間約1 min，響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)無功電源的“源隨荷動”［22-23］，確保電壓安全穩(wěn)定運行、系統(tǒng)電壓質(zhì)量合格。

二是經(jīng)濟(jì)效益。將新能源電廠的SVG 裝置納入地調(diào)AVC系統(tǒng)的協(xié)同控制，對調(diào)度端AVC系統(tǒng)進(jìn)行功能升級及控制策略優(yōu)化，打通電網(wǎng)至電廠協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)通道，升級網(wǎng)絡(luò)安全策略，實現(xiàn)區(qū)域無功廠網(wǎng)平衡?！皥鼍W(wǎng)一體化無功電壓協(xié)同自動控制”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度管理模式既減少主網(wǎng)投資電抗器、電容器等資金，又充分利用了電廠無功補(bǔ)償設(shè)備，有效保障電網(wǎng)電壓安全，減少網(wǎng)損。AVC 系統(tǒng)自動計算無功缺額自動投切區(qū)域內(nèi)的無功電源，科學(xué)算法使得調(diào)壓更加精準(zhǔn)、效率更高，同時大大減輕監(jiān)控員調(diào)壓工作量，提升調(diào)控工作質(zhì)效。

三是環(huán)保效益。系統(tǒng)電壓得到有效改善有助于減少因電壓越限、頻繁波動導(dǎo)致的棄風(fēng)棄光問題，提升消納新能源能力。孝感公司“場網(wǎng)一體化無功電壓協(xié)同自動控制”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度管理模式有望實現(xiàn)“十四五”孝感電網(wǎng)接納清潔能源規(guī)模翻番，預(yù)計至十四五末，全市接納清潔能源發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘拷咏?00萬kW，清潔能源消納電量超過300 億kWh，相當(dāng)于節(jié)約1 200 萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排CO22 991 萬t、粉塵816 萬t、SO290 萬t，清潔能源生產(chǎn)消費比重持續(xù)提升，大氣污染治理貢獻(xiàn)突出，生態(tài)環(huán)保效益顯著。

4 結(jié)語

電網(wǎng)連接能源生產(chǎn)與消費，在能源清潔低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著引領(lǐng)作用。實現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，電網(wǎng)是排頭兵。孝感公司創(chuàng)新打造“場網(wǎng)一體化無功電壓協(xié)同自動控制”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度管理模式，將新能源電廠的SVG裝置納入地調(diào)AVC 系統(tǒng)的協(xié)同控制，對調(diào)度端AVC 系統(tǒng)進(jìn)行功能升級及控制策略優(yōu)化，打通電網(wǎng)至電廠協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)通道，升級網(wǎng)絡(luò)安全策略，實現(xiàn)區(qū)域無功廠網(wǎng)平衡。既減少主網(wǎng)投資電抗器、電容器等資金，又充分利用了電廠無功補(bǔ)償設(shè)備，有效保障電網(wǎng)電壓安全，減少網(wǎng)損，提質(zhì)增效成果顯著。通過探索“雙高、雙峰”特征下新型電力系統(tǒng)的電壓安全穩(wěn)定控制技術(shù)，以電為核心、網(wǎng)為平臺，以因地制宜的多元能源結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，發(fā)揮電網(wǎng)平臺作用，實現(xiàn)能源技術(shù)自主創(chuàng)新，保障可再生能源和新型電力系統(tǒng)健康、有序發(fā)展，助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。