李俊杰，萬航羽，付俊波，付婭路

（1.云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明 650000；2. 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 前言

目前大規(guī)模開發(fā)的風(fēng)電和光伏，普遍采用220 kV 線路接入電網(wǎng)，面臨著輸送能力不足、潮流控制困難、電壓波動(dòng)較大的問題，因此大規(guī)模新能源通過220 kV 線路匯集后進(jìn)一步升壓至500 kV 主網(wǎng)，可以較好解決線路輸送能力受限的問題。但大規(guī)模新能源的匯集送出面臨著潮流波動(dòng)加劇、諧波畸變嚴(yán)重、無功電壓控制困難等一系列新問題。

以某500 kV 匯集站為例，匯集的新能源主要是光伏電站，初期匯集新能源規(guī)模為1530 兆瓦。光伏電站受光照條件的影響，存在短時(shí)間內(nèi)功率大幅度波動(dòng)變化的特點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)引起匯集站的電壓、功率大范圍波動(dòng)，如果僅僅通過投切電容電抗器參與調(diào)節(jié)電壓，會(huì)造成電容電抗器頻繁動(dòng)作，對(duì)開關(guān)的壽命有較大影響，同時(shí)風(fēng)光匯集站有大量電力電子變流器的接入，可能存在諧波問題。因此，對(duì)于大規(guī)模風(fēng)光匯集站的無功補(bǔ)償問題，僅考慮電容電抗器的配置方案，難以實(shí)現(xiàn)電壓的頻繁調(diào)節(jié)、諧波的有效治理?；谛履茉吹奶攸c(diǎn)，需要研究在匯集站配置一定比例的STATCOM 裝置。

1 STATCOM的基本原理和作用

STATCOM 是一種并聯(lián)型無功補(bǔ)償?shù)腇ACTS 裝置，通過改變輸出電壓來調(diào)節(jié)其輸出無功功率，可以等效為一個(gè)可控的電流源，最大容性或最大感性輸出電流不依賴系統(tǒng)電壓。因此具有更出色的性能和更優(yōu)越的應(yīng)用靈活性。

在電力系統(tǒng)中，并聯(lián)無功補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬强刂普{(diào)節(jié)注入電網(wǎng)的無功功率，來改善電網(wǎng)運(yùn)行特性，達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和傳輸能力以及改善電能質(zhì)量的目的。STATCOM 作用為：

1）提供動(dòng)態(tài)無功支撐，穩(wěn)定故障后母線電壓。

2）提高系統(tǒng)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性能。

3）作為站內(nèi)無功系統(tǒng)的子系統(tǒng)，參與電網(wǎng)無功和電壓控制。

5）利用部分無功功率參與電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓。

2 新能源匯集站STATCOM的配置研究

2.1 滿足站內(nèi)無功平衡的需求

500 kV 匯集站通過多回220 kV 線路將光伏發(fā)電站匯集到主變中壓側(cè)。500 kV 匯集站分期建設(shè)，初期建設(shè)兩臺(tái)1000 MVA 主變，終期規(guī)模主變?nèi)萘繛?×1000 MVA。電壓等級(jí)為525/220/35 kV，采用三相自耦無載調(diào)壓變壓器。匯集站接入系統(tǒng)方案如圖1 所示。

圖1 變電站接入系統(tǒng)方案示意圖

匯集站近區(qū)500 kV 變電站感性無功平衡見表1 所示，匯集站容性無功平衡計(jì)算見表2 所示。容性無功平衡計(jì)算按2 臺(tái)1000 MVA 主變終期新能源上網(wǎng)2000 MW 計(jì)算無功消耗。

表2 匯集站容性無功平衡計(jì)算

通過感性無功平衡計(jì)算可知，考慮匯集站近區(qū)變電站和出線已有高抗及低抗配置后，感性無功補(bǔ)償度已超過100%，滿足規(guī)程規(guī)范要求，無需新增低抗或高抗。

通過匯集站容性無功平衡計(jì)算，匯集站至少需要配置340 MVAr 電容器組。按常規(guī)輸變電工程電容器分組，500 kV 匯集站35 kV 側(cè)初期需配置6×60 MVAr 低壓電容器組，即每臺(tái)主變下配置3×60 MVAr 低壓電容器。

2011年，該公司建設(shè)了MES，面向公司企業(yè)網(wǎng)開放了數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)從此不再獨(dú)立。為保證控制系統(tǒng)信息安全，該公司在第3層高級(jí)應(yīng)用網(wǎng)和第4層企業(yè)信息網(wǎng)之間增加了防火墻，并在防火墻外又增加了1臺(tái)鏡像服務(wù)器，鏡像服務(wù)器作為與外界數(shù)據(jù)通信的介質(zhì)，可避免外界服務(wù)器直接與生產(chǎn)網(wǎng)中的服務(wù)器直接通信。

2.2 滿足站內(nèi)電壓波動(dòng)需求

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)已投運(yùn)的光伏統(tǒng)計(jì)，光伏小時(shí)級(jí)最大功率波動(dòng)率為60%。大型光伏基地建成后，在日內(nèi)高峰時(shí)段，光伏表現(xiàn)特征應(yīng)該與已投運(yùn)的光伏統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

新能源匯集站無功補(bǔ)償采用恒功率因數(shù)控制方式，功率因數(shù)設(shè)定1。

匯集站未投入無功補(bǔ)償裝置時(shí)，新能源出力1530×60%=918 MW，匯集站500 kV 側(cè)電壓水平在540 kV 左右。若光伏出現(xiàn)60% 的功率波動(dòng)，則匯集站500 kV 側(cè)電壓波動(dòng)如圖2 所示?？梢钥闯觯涸诠夥隽?0%波動(dòng)過程中，匯集站500 kV 母線最高電壓為1.052p.u.（基準(zhǔn)值525 kV），對(duì)應(yīng)電壓552.3 kV，超過了國(guó)標(biāo)對(duì)500 kV 母線正常運(yùn)行電壓范圍的要求（500～550 kV）。即便500 kV 匯集站采用有載調(diào)壓變壓器，500 kV 側(cè)電壓難以恢復(fù)，僅對(duì)220 kV 側(cè)電壓調(diào)節(jié)有作用。

圖2 光伏60%功率波動(dòng)時(shí)，匯集站500 kV電壓波動(dòng)曲線

匯集站低壓側(cè)安裝STATCOM 裝置時(shí)，通過STATCOM 配置容量的計(jì)算，STATCOM 標(biāo)稱容量2×60 MVAr 可以實(shí)現(xiàn)無功電壓的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，較好抑制匯集站500 kV 母線電壓的波動(dòng)。

2.3 滿足新能源場(chǎng)站暫態(tài)過電壓需求

新能源匯集站通過500 kV 單回線與電網(wǎng)連接，現(xiàn)分析該單回線發(fā)生瞬時(shí)性故障對(duì)送端新能源的電壓影響。

在電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC 中搭建含光伏和STATCOM 裝置的詳細(xì)模型，0.1s時(shí)單回線（圖1 的線路2）發(fā)生A 相瞬時(shí)性故障，0.2 s 時(shí)該線路A 相兩側(cè)開關(guān)跳開。假設(shè)送端光伏電站的過電壓閉鎖功能不投（光伏電站為了保護(hù)設(shè)備本體，會(huì)在電壓達(dá)到1.3 p.u.以上時(shí)，迅速閉鎖逆變器，功率輸出降為0），見圖3 所示?？梢钥闯觯?jiǎn)嗡补收线^程中，500 kV 線路電壓升高至額定相電壓1.5 倍以上，送端存在的嚴(yán)重的過電壓?jiǎn)栴}。

圖3 匯集站送出線路單瞬故障的暫態(tài)過電壓（光伏不閉鎖）

若在匯集站低壓側(cè)安裝2×60 MVAr 的STATCOM 裝置，故障后匯集站的送端電壓得到了很好抑制。分析可知：無STATCOM時(shí)，單瞬故障后，A 相產(chǎn)生了嚴(yán)重過電壓；有STATCOM 時(shí)，A 相電壓得到了較好抑制，電壓控制在1.3 p.u.以內(nèi)。

2.4 滿足站內(nèi)諧波需求

當(dāng)前，各光伏電站按《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》配置了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（STATCOM），主要用于濾除諧波及抑制電壓波動(dòng)。但一般情況下STATCOM 濾波效果通常在70%～85% 之間，對(duì)電壓波動(dòng)和閃變的抑制通常在60%～80%左右，仍有部分特征諧波向匯集站滲透，因此匯集站需要諧波治理裝置。在匯集站內(nèi)諧波治理裝置正常投入后，各光伏電站剩余諧波滲透至系統(tǒng)，當(dāng)考慮背景諧波后，接入站點(diǎn)500 kV諧波電壓總畸變率由0.91% 上升到1.33%（限值2.0%），接近預(yù)警值1.4%。

若匯集站采用FC+STATCOM 進(jìn)行二次治理時(shí)，STATCOM 的濾波容量為17.054 MVAr，二次治理后滲透至接入站點(diǎn)500 kV 諧波電壓總畸變率由1.33% 降低為0.96%（限值2.0%）。按匯集站35 kV 側(cè)配置兩組動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置考慮，單組STATCOM 濾波容量需按不低于9 MVAr 考慮（STATCOM 諧波檢測(cè)補(bǔ)償策略控制點(diǎn)建議為主變500 kV 側(cè)）。

2.5 STATCOM配置方案

STATCOM 配置方案，不僅要從無功平衡、電壓波動(dòng)、暫態(tài)過電壓、諧波治理進(jìn)行配置容量分析，還受到下列因素的影響：

1）匯集站工程初期投運(yùn)兩臺(tái)1000 MVA 主變，主變N- 1 后剩余一臺(tái)主變?nèi)匀挥袆?dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)需求，建議每臺(tái)主變低壓側(cè)均配置一套STATCOM 裝置。

2）大規(guī)模新能源投運(yùn)后，實(shí)時(shí)抑制電壓波動(dòng)的需求一直存在。

3） 考慮投資造價(jià)估算，100 MVAr 的STATCOM 整體造價(jià)是60 MVAr 的2 倍左右。

4）根據(jù)《330 kV～750 kV 變電站無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5014-2010）為了方便設(shè)備運(yùn)行維護(hù)，330 kV、500 kV、750 kV 電壓等級(jí)變電站安裝有2 臺(tái)及以上變壓器時(shí)，每臺(tái)變壓器配置的無功補(bǔ)容量應(yīng)基本一致。

綜上所述，匯集站初期兩臺(tái)1000 MVA 主變，每臺(tái)主變配置2 組60 MVAr 電容器組+1套60 MVArSTATCOM，單套STATCOM 濾波容量不低于9 MVAr。

3 新能源匯集站控制策略

結(jié)合匯集站的特點(diǎn)，STATCOM 的控制模式建議如下：

1）正常運(yùn)行時(shí)，定電壓控制。電壓控制目標(biāo)530 kV，為了防止STATCOM 頻繁無功變化，設(shè)置±2 kV 電壓死區(qū)，當(dāng)電壓偏差超過死區(qū)時(shí)，開始啟動(dòng)無功動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。同時(shí)保留諧波控制功能，檢測(cè)到諧波超標(biāo)時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)諧波濾除功能。

2）當(dāng)母線電壓有效值低于0.9 pu 時(shí)，同時(shí)任一相母線電壓均高于0.2 pu 時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)快速無功補(bǔ)償模式，快速支撐電網(wǎng)電壓。

3）在系統(tǒng)故障恢復(fù)后，為保證系統(tǒng)恢復(fù)期的穩(wěn)定，設(shè)置暫態(tài)穩(wěn)定控制模式。在該模式下，STATCOM 控制保護(hù)系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的500 kV 電壓目標(biāo)值控制系統(tǒng)電壓，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后（可整定），STATCOM 退出暫態(tài)穩(wěn)定控制模式，恢復(fù)至?xí)簯B(tài)前STATCOM 控制模式。

4 新能源匯集站的諧振風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 電力電子裝備的諧振問題

近年來，電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，電源端或負(fù)荷端在一定頻段內(nèi)可能存在負(fù)電阻效應(yīng)，當(dāng)輸電網(wǎng)絡(luò)本身的固有電阻不足以抵消電源端或負(fù)荷端存在負(fù)電阻時(shí)，系統(tǒng)受到擾動(dòng)后可能發(fā)生諧振。

在PSCAD/EMTDC 中搭建含變壓器、STATCOM 以及電容器控制保護(hù)系統(tǒng)模型，進(jìn)行諧波阻抗掃描。如果在某諧波頻段上存在著相位相反的，阻抗為負(fù)的情況，則認(rèn)為該頻段存在與電網(wǎng)諧振的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 STATCOM的諧振掃描

考慮STATCOM 出力分別為容性滿功率60 MVAr、容性半功率30 MVAr、零功率、感性滿功率60 MVAr、感性半功率30 MVAr 五種運(yùn)行狀態(tài)，掃描后得到諧波阻抗大小如圖4 所示，諧波阻抗幅角如圖5 所示。

圖4 STATCOM的諧波阻抗大小

圖5 STATCOM的諧波阻抗幅角

結(jié)合含STATCOM 匯集站的RTDS 試驗(yàn)有：STATCOM 在頻率1320～1350 Hz、 頻率1850～1860 Hz、頻率2120～2140 Hz 這幾個(gè)頻段存在著諧振風(fēng)險(xiǎn)。

通過以往大容量STATCOM 運(yùn)行工程，在某一頻段的高頻諧振問題，建議進(jìn)一步研究通過調(diào)整PI 參數(shù)來解決諧振問題。

5 結(jié)束語

大規(guī)模新能源匯集站由于存在著功率變化大、電壓波動(dòng)大、諧波含量較高、電能質(zhì)量等問題，在無功配置上按照常規(guī)的500 kV 變電站配置低容、低抗裝置已經(jīng)難以滿足系統(tǒng)的需求，尤其是隨著新能源比例的不斷提升，電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功需求越來越迫切。

1）本文從滿足匯集站內(nèi)無功平衡的需求、電壓波動(dòng)需求、暫態(tài)過電壓需求、諧波治理需求等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，建議每臺(tái)主變配置2 組60 MVAr 電容器組+1 套60 MVArSTATCOM，單套STATCOM 濾波容量不低于9 MVAr。

2）結(jié)合匯集站的新能源特點(diǎn)，建議正常運(yùn)行時(shí)定電壓控制，保留諧波控制功能；故障期間暫態(tài)電壓控制模式。正常運(yùn)行和故障期間的控制模式可以自動(dòng)切換。

3）通過諧波阻抗掃描，STATCOM 裝置在頻段1320～1350 Hz、1850～1860 Hz、2120～2140 Hz存在著諧振風(fēng)險(xiǎn)，建議進(jìn)一步研究通過調(diào)整PI參數(shù)來解決諧振問題。