王新浩袁紹軍劉振宇尹兆磊孟慶歡

(國(guó)網(wǎng)冀北承德供電公司,河北 承德 067000)

0 引言

在我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)背景下,新能源發(fā)電規(guī)模將會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。受到風(fēng)、光等常規(guī)新能源分布特性影響,大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送將成為新能源接入主網(wǎng)常見形式。由此帶來各種新的問題和挑戰(zhàn),不但會(huì)影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,而且會(huì)影響新能源發(fā)電水平,其中靜態(tài)電壓穩(wěn)定是常見問題之一。

對(duì)于靜態(tài)電壓穩(wěn)定的研究,文獻(xiàn)[1-4]提出了根據(jù)潮流雅可比矩陣在靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)處的奇異性來進(jìn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的方法;文獻(xiàn)[5-8]提出了一種考慮輻射網(wǎng)數(shù)據(jù)不確定性,能夠直接計(jì)算靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限精確波動(dòng)區(qū)間的多項(xiàng)式時(shí)間算法,給出了PV 曲線波動(dòng)區(qū)間追蹤方法;文獻(xiàn)[8-12]提出了內(nèi)嵌安全穩(wěn)定約束的電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行框架以及用于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定規(guī)則提取的斜回歸樹及其集成算法的靜態(tài)電壓穩(wěn)定規(guī)則提取;文獻(xiàn)[13-16]探討了光伏滲透率與接入點(diǎn)對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)電壓-穩(wěn)定性的影響,提出采用無功補(bǔ)償支撐系數(shù)和電壓-有功功率靈敏度2個(gè)量化指標(biāo)表征接入點(diǎn)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響程度;文獻(xiàn)[17-19]針對(duì)極高光伏滲透率,分析電壓會(huì)產(chǎn)生崩潰的現(xiàn)象,指出潮流雅可比矩陣作為輸入的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠預(yù)測(cè)雙向靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。在目前對(duì)新能源匯集送出靜態(tài)電壓穩(wěn)定的研究中,還沒有能夠同時(shí)結(jié)合實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性的模型。

本文首先指出當(dāng)前新能源匯集送出在實(shí)際運(yùn)行中存在的一些問題,然后結(jié)合實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性,對(duì)匯集站電壓損耗影響因素進(jìn)行理論推導(dǎo)分析,表明無功補(bǔ)償對(duì)靜態(tài)電壓有較大影響,對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限有一定影響,再通過實(shí)際電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,證實(shí)在匯集站適當(dāng)配置可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備可以提高新能源匯集區(qū)域靜態(tài)電壓穩(wěn)定性和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限,提高有功功率送出能力。

1 新能源匯集送出有功功率存在的問題

截止2021年底,承德地區(qū)新能源總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到80/4 GW,主要集中在西部、北部地區(qū),形成御道、木蘭、五道、潮河4個(gè)主要匯集區(qū)域,分別通過1條500 k V、3條220 k V 送出通道匯入冀北主網(wǎng)架。

隨著新能源匯集區(qū)域網(wǎng)架規(guī)模和裝機(jī)容量不斷增大,出現(xiàn)了一系列問題,下面以西部五道區(qū)域典型日曲線為例進(jìn)行說明。

(1)有功功率送出受限,影響新能源發(fā)電水平。五道區(qū)域新能源總裝機(jī)容量為1.5 GW,受到靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限約束,當(dāng)前雙回送出線路輸送極限僅為2×460 MW,占裝機(jī)比例61.3%;當(dāng)新能源場(chǎng)站有功功率較大時(shí),已經(jīng)開始出現(xiàn)有功功率上送受限、棄風(fēng)棄光現(xiàn)象,如圖1所示。

圖1 金道一線送出有功功率

五道站雙回送出線路熱穩(wěn)極限是2×800 MW,當(dāng)前輸送極限遠(yuǎn)小于熱穩(wěn)極限,因此還有較大提升空間。

(2)送出線路從電網(wǎng)側(cè)吸收無功功率較多,對(duì)電網(wǎng)側(cè)電壓影響較大。隨著匯集送出線路送出有功功率增大,電網(wǎng)側(cè)需要向送出線路注入大量無功功率,且注入無功功率大小和送出有功功率大小呈正相關(guān),如圖2所示。

圖2 金嶺站金道一線吸收無功功率

(3)匯集站無功功率送出能力較弱,不利于靜態(tài)電壓穩(wěn)定。如果匯集站是新能源場(chǎng)站,一般按照本站裝機(jī)容量一定比例配置可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備,在滿足本站無功功率及電壓調(diào)節(jié)需求外,無法再向外送出較多無功功率;如果匯集站是主網(wǎng)變電站,一般配置多組電容器,無法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)壓效果,同時(shí)電容器容量一般也不會(huì)太大,無法向外送出較多無功功率,五道站是主網(wǎng)變電站;匯集站可能向送出線路注入少量無功功率,也可能從匯集線路吸收無功功率,如圖3所示。

圖3 五道站金道一線上送無功功率

(4)匯集站母線電壓波動(dòng)較大,不利于匯集區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著新能源場(chǎng)站有功功率變化,在通過電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償情況下,匯集站母線電壓會(huì)發(fā)生較大波動(dòng),如圖4所示。

圖4 五道站母線電壓

為解決上述問題,有必要對(duì)新能源匯集送出靜態(tài)電壓及穩(wěn)定極限主要影響因素進(jìn)行研究。

2 新能源匯集送出靜態(tài)電壓分析

構(gòu)建簡(jiǎn)單的新能源匯集送出網(wǎng)架結(jié)構(gòu),多個(gè)新能源場(chǎng)站直接接入?yún)R集站,沒有多站串聯(lián)或末端站并聯(lián)情況,如圖5所示。

圖5 新能源匯集送出簡(jiǎn)單網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

在圖5中,對(duì)于各新能源場(chǎng)站,不管實(shí)際是光伏電站還是風(fēng)電場(chǎng),在進(jìn)行靜態(tài)電壓分析時(shí),都統(tǒng)一簡(jiǎn)化為有功功率、無功功率可以分別獨(dú)立控制的PQ節(jié)點(diǎn);圖5中給出樞紐站、匯集站及各個(gè)新能源場(chǎng)站有功功率P、無功功率Q、電壓U,用不同下標(biāo)進(jìn)行區(qū)分,箭頭方向?yàn)橛泄β?、無功功率潮流方向,根據(jù)新能源匯集送出實(shí)際情況,規(guī)定箭頭指示方向?yàn)檎?/p>

2.1 新能源場(chǎng)站參數(shù)確定

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[20]和《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[21]要求,匯集接入新能源場(chǎng)站配置的無功補(bǔ)償容量能夠補(bǔ)償滿發(fā)時(shí)送出線路全部感性無功功率。一般可以通過控制新能源場(chǎng)站內(nèi)可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備出力,使線路在送出有功功率時(shí)所消耗無功功率基本由本站提供,即送出線路在匯集站側(cè)無功功率相對(duì)較小,忽略線路電納,根據(jù)電壓降落公式縱分量簡(jiǎn)化的電壓損耗公式[22]為

各新能源場(chǎng)站送出線路有功損耗為

各新能源場(chǎng)站送出線路無功損耗為

式中:Ri和Xi分別為新能源場(chǎng)站送出線路電阻和電抗。

由式(1)可知,新能源場(chǎng)站在送出有功功率時(shí),配合控制站內(nèi)可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備出力,可以使新能源場(chǎng)站電壓高于匯集站;新能源匯集送出出力較大時(shí),匯集站電壓也低于樞紐站,因此一般匯集站是整個(gè)區(qū)域電壓最低、最薄弱點(diǎn),針對(duì)匯集站靜態(tài)電壓進(jìn)行分析具有十分重要的意義。

2.2 匯集站參數(shù)確定

對(duì)于匯集站和樞紐站之間的送出線路,當(dāng)兩端同時(shí)向其注入無功功率時(shí),送出線路上一定存在一點(diǎn),該點(diǎn)斷面無功功率為0 var,只有有功功率,功率因數(shù)為1,設(shè)該點(diǎn)有功功率為P0,電壓為U0,整條送出線路電阻為R、電抗為X,該點(diǎn)匯集站側(cè)電阻為Rh、電抗為Xh,樞紐站側(cè)電阻為Rs、電抗為Xs。

同樣,根據(jù)電壓損耗公式[22]為

式(6)中

式(8)中Qj為匯集站無功補(bǔ)償出力。

式(6)中電壓Uh、Us數(shù)值之間的差別是電壓損耗,有功功率Ph、Ps之間的差別是有功損耗,在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),電壓損耗相對(duì)于電壓Uh、Us較小,有功損耗相對(duì)于有功功率Ph、Ps較小,即電壓Uh、Us相差不大,有功功率Ph、Ps相差不大,為簡(jiǎn)化后續(xù)推導(dǎo)過程,暫時(shí)用電壓U統(tǒng)一表示電壓Uh、Us,用有功功率P統(tǒng)一表示有功功率Ph、Ps,式(6)簡(jiǎn)化為

考慮無功功率沿送出線路分布狀態(tài),當(dāng)忽略線路電納時(shí),根據(jù)電抗無功功率QX=I2X可知,電抗無功消耗只和電流和電抗有關(guān),線路電流處處相同、電抗均勻分布,因此線路無功消耗沿線路近似均勻分布;線路所消耗無功功率分別從兩側(cè)匯集站和樞紐站注入,因此沿線路各個(gè)斷面無功功率分布近似呈線性狀態(tài),如圖6(a)所示。

當(dāng)考慮線路電納時(shí),根據(jù)電納無功功率QB=U2B可知,電納會(huì)向線路注入無功功率,線路電納均勻分布,當(dāng)忽略電壓沿線路微小變化時(shí),向線路注入無功功率沿線路近似均勻分布,補(bǔ)償電抗消耗無功功率,會(huì)使沿線路各個(gè)斷面無功功率分布減少,但仍然近似呈線性狀態(tài),如圖6(b)所示。

圖6 電納對(duì)送出無功功率沿線路分布狀態(tài)的影響

在圖6 中,Qh、Qs連線和線路交點(diǎn)就是功率因數(shù)為1點(diǎn),根據(jù)全等三角形為

將式(11)帶入式(10)為

線路所消耗全部無功功率為Qh+Qs,忽略線路電納時(shí)

一般送出線路以輸送有功功率為目的,各處有功功率相差不大,因輸送有功功率而消耗無功功率,為平衡兩側(cè)電壓而傳輸無功功率,各處無功功率相差較大,但無功功率小于有功功率。如果簡(jiǎn)化認(rèn)為線路只因輸送有功功率而消耗無功功率,帶入簡(jiǎn)化統(tǒng)一的電壓、有功功率為

同樣式(3)可簡(jiǎn)化為

將式(14)帶入式(12)為

將式(8)、式(15)帶入式(16)有

從式(17)中可以看出,匯集站相對(duì)于樞紐站電壓損耗主要受到匯集站上送有功功率、線路參數(shù)和無功補(bǔ)償影響,其中線路參數(shù)X、R和Xi可以看作是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)綜合影響;電壓損耗和上送有功功率呈現(xiàn)出二次函數(shù)的非線性關(guān)系,和通常PV 曲線中隨著有功功率增大電壓加快降低的關(guān)系相對(duì)應(yīng);當(dāng)上送有功功率不變,匯集站和新能源場(chǎng)站無功功率增加時(shí),電壓損耗會(huì)降低,對(duì)應(yīng)無功功率沿送出線路分布狀態(tài)如圖7(a)所示;當(dāng)上送有功功率增加,匯集站和新能源場(chǎng)站無功補(bǔ)償不變時(shí),電壓損耗會(huì)增大,對(duì)應(yīng)無功功率沿送出線路分布狀態(tài)如圖7(b)所示;當(dāng)將電壓U考慮回電壓Uh、Us時(shí),由于電壓Uh、Us會(huì)稍微變小,實(shí)際電壓損耗將會(huì)更大;根據(jù)有功功率上送情況調(diào)整無功補(bǔ)償,可以減小電壓損耗,增強(qiáng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性;由于匯集站是電壓最薄弱點(diǎn),在該處進(jìn)行無功補(bǔ)償效果最好,配置可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)電壓平滑調(diào)整。

圖7 有功功率、無功補(bǔ)償對(duì)無功功率沿線路分布狀態(tài)的影響

2.3 電壓-有功功率靈敏度分析

根據(jù)GB 38755-2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求,進(jìn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定計(jì)算分析采用逐漸增加負(fù)荷的方法求解電壓失穩(wěn)臨界點(diǎn),從而估計(jì)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度;對(duì)于新能源匯集送出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算,在新能源場(chǎng)站可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備出力保持不變情況下,有功功率逐漸增加致使電壓失穩(wěn),用失穩(wěn)臨界有功功率和初始值關(guān)系來估計(jì)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度,從而確定靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限。

由式(7)可知,送出線路傳輸有功功率是由各新能源場(chǎng)站有功功率Pi匯集而來,兩者本質(zhì)相同,計(jì)算電壓-有功功率靈敏度,同時(shí)對(duì)其進(jìn)行微分

式(18)表示有功功率變化對(duì)電壓損耗變化影響,可以反映靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限主要影響因素,從中可以看出:靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限主要受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)影響,無功補(bǔ)償對(duì)其沒有影響;當(dāng)將電壓U考慮回電壓Uh、Us時(shí),通過無功補(bǔ)償可以抑制電壓Uh、Us降低,從這個(gè)角度看,無功補(bǔ)償對(duì)提升靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限具有一定正向作用,但是受到電壓要控制在一定范圍內(nèi)影響,其作用有限。

在上述公式推導(dǎo)過程中,雖然最開始基于簡(jiǎn)單的新能源匯集送出網(wǎng)架結(jié)構(gòu),但是對(duì)于存在多站串聯(lián)或末端站并聯(lián)的復(fù)雜的新能源匯集送出網(wǎng)架結(jié)構(gòu),只是在最終結(jié)果中存在和式(7)、式(8)相關(guān)的形式復(fù)雜的多層迭代,對(duì)最終結(jié)論沒有影響,因此最終結(jié)論具有一般適用性。

3 仿真算例

使用PSD-BPA 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,采用承德西部五道區(qū)域網(wǎng)架模型,如圖8所示,裝機(jī)規(guī)模和可調(diào)無功補(bǔ)償配置情況如表1、2所示。五道站2條35 k V 母線上現(xiàn)各有3組10 MVA 電容器,將電容器換成不同容量可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備,進(jìn)行以下仿真試驗(yàn):逐步增加新能源場(chǎng)站有功功率,觀察五道站母線靜態(tài)電壓、五道站無功功率上送和金嶺站無功功率注入情況;計(jì)算五道站在不同容量可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備下靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限。

圖8 五道區(qū)域新能源網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

表1 五道區(qū)域新能源場(chǎng)站裝機(jī)規(guī)模

表2 五道區(qū)域新能源場(chǎng)站可調(diào)無功補(bǔ)償配置

3.1 靜態(tài)電壓及無功功率仿真結(jié)果

在五道站2條35 k V母線上使用電容器,將電容 器 更 換 為 容 量20 Mvar、40 Mvar、60 Mvar、80 Mvar、100 Mvar可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備2種情況下,將新能源場(chǎng)站有功功率同時(shí)率控制在20%~80%,五道站220 k V 母線電壓、五道站向送出線路注入無功功率、金嶺站向送出線路注入無功功率隨無功補(bǔ)償容量和有功出力同時(shí)率變化分別如圖9-11所示。

圖9 五道站220 kV母線電壓

圖10 五道站向送出線路注入無功功率

圖11 金嶺站向送出線路注入無功功率

從圖9-11中可以看出,隨著新能源場(chǎng)站有功功率增加,匯集站母線電壓逐步降低,匯集站和樞紐站向送出線路注入無功功率均增大,但樞紐站注入無功功率遠(yuǎn)大于匯集站;根據(jù)電壓投切電容器會(huì)使電壓發(fā)生較大波動(dòng);通過在匯集站配置可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備,增加匯集站向送出線路注入無功功率,減小樞紐站向送出線路注入無功功率,可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)壓效果,抑制母線電壓降低,提高靜態(tài)電壓穩(wěn)定性,在一定范圍內(nèi),可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備容量越大,效果越好;超過一定范圍效果就無法再提升。

3.2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限仿真結(jié)果

在五道站2條35 k V 母線上分12次分別配置1臺(tái)總?cè)萘恐鸩接?0 Mvar增大至120 Mvar的可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備,調(diào)節(jié)區(qū)域全部新能源場(chǎng)站有功功率到指定水平,同時(shí)調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償將電壓控制在合理范圍內(nèi),保持新能源場(chǎng)站可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備出力不變,有功功率持續(xù)增加致使電壓失穩(wěn)。本例中取有功功率增加幅度10%恰好潮流不收斂,據(jù)此計(jì)算該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限隨可調(diào)無功補(bǔ)償容量變化如圖12所示。

圖12 靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限隨可調(diào)無功補(bǔ)償容量變化

從圖12中可以看出,當(dāng)可調(diào)無功補(bǔ)償容量在2×40~2×100 Mvar時(shí),隨著容量增大,靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限升高,由原來930 MW 提升至980 MW,提升幅度為5.4%;當(dāng)可調(diào)無功補(bǔ)償容量在小于2×40 Mvar或大于2×100 Mvar時(shí),靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限保持不變。這說明在匯集站進(jìn)行無功補(bǔ)償對(duì)提升靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限確實(shí)有一定作用,但是只有當(dāng)容量達(dá)到一定程度后才會(huì)發(fā)揮作用,容量不夠大就無法發(fā)揮作用,現(xiàn)有電容器容量也無法提升靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限;可調(diào)無功補(bǔ)償容量超過一定程度后就會(huì)受到電壓控制目標(biāo)影響而停止增加出力,無法發(fā)揮更大作用,因此也不必配置太大容量可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備。從整體效果看,在匯集站配置可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限提升幅度也不是很大,其提升作用有一定局限性。

3.3 小結(jié)

本文在理論推導(dǎo)和仿真計(jì)算中提到的可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備,由于只涉及靜態(tài)特性,不涉及暫態(tài)特性,因此既可以是SVC、SVG 等電力電子設(shè)備,還可以是調(diào)相機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備,對(duì)最終結(jié)果都適用。當(dāng)前,有通過配置集中式或分布式調(diào)相機(jī)方法提高新能源多廠站短路比來提高匯集區(qū)域有功功率送出能力的研究,按照本文研究結(jié)果,當(dāng)有功功率送出能力提升到靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限時(shí),通過調(diào)相機(jī)提升新能源多場(chǎng)站短路比來提高送出能力方法的繼續(xù)提升空間就會(huì)受到限制,因此在進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)度運(yùn)行管理時(shí)需要兼顧主要受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)影響的靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限的約束。

4 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性,基于電壓損耗對(duì)新能源匯集送出靜態(tài)電壓進(jìn)行理論推導(dǎo)分析,研究無功補(bǔ)償對(duì)靜態(tài)電壓和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限影響。在匯集站配置可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備可以提高新能源匯集送出靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。在匯集站配置可調(diào)無功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)新能源匯集送出靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限有一定提升作用,但是作用有限。調(diào)相機(jī)可以通過提升新能源多場(chǎng)站短路比,進(jìn)而提高新能源匯集送出能力,當(dāng)調(diào)相機(jī)規(guī)模部署達(dá)到一定程度后就會(huì)受到靜態(tài)電影穩(wěn)定極限影響而無法繼續(xù)提高送出能力。

后續(xù)可研究大幅度提升新能源匯集送出靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限,充分發(fā)揮送出通道作用;按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,結(jié)合新形勢(shì)下新能源匯集送出所面臨問題,未來新能源場(chǎng)站都將配置一定比例儲(chǔ)能設(shè)備。