風電場接入通遼電網后的系統潮流和無功電壓研究

丁 玲，謝國強，宋嘉峰

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2．吉林省電力勘測設計院，吉林 長春130022)

1 通遼電網的組成及其風電場容量

通遼地區電網位于東北電網中西部，是東北電網的重要組成部分，分為南部電網和北部電網，南部電網由通遼市城區、開魯縣、科左中旗、科左后旗、庫倫旗及奈曼旗構成，東與吉林、遼寧兩省網相連;通遼北部電網由扎魯特旗和霍林郭勒市構成，并與烏蘭電網相連，供電面積達12萬km2。

白音塔拉與西海拉4臺風電場均位于科左后旗甘旗卡鎮西部，滿斗風場內，兩座風電場規劃容量均為49．5 MW，2座風電場總占地范圍約26 km2，場內大部分為沙陀沙丘，地形起伏不大。2座風電場東距甘旗卡鎮26 km，甘旗卡至朝魯吐縣級公路北部、伊胡塔鎮至朝魯北鎮南部。南距303省道約21．2 km;東距 304 國道約 19．6 km。

按照規劃，近年滿斗風場規劃風電裝機容量400 MW，白音塔拉與西海拉4臺風電場(99 MW)經1回220 kV線路接入220 kV甘旗卡變運行，新建聯網線路28 km，聯網導線采用LGJ－400。白音塔拉風電場(49．5 MW)共安裝33臺單機容量為1.5 MW的金風直驅機組，西海拉4臺風電場(49．5 MW)共安裝33臺單機容量為1.5 MW的聯合動力UP82機組，機端電壓為690 V，經一機一變(箱式變)的單元接線方式升壓至35 kV，每個風電場各經3條35 kV線路接入風電場升壓站運行［1－5］。

2 風電場輸出特性及其負荷相關性

2．1 風電場輸出功率特性

風電場的輸出功率特性與所使用風電機組的功率特性曲線有關，白音塔拉風電場選用的是33臺單機容量為1 500 kW的金風直驅機組，西海拉4臺風電場選用的是33臺單機容量為1 500 kW的聯合動力UP82雙饋機組，其功率特性曲線如圖1所示。

圖1 風電機組功率曲線

由于2座風電場公用1座升壓變，故2風電場的輸出功率特性合并起來分析，圖2為風電場輸出功率概率分布。由于風電機組是分散分布的，各處的風速不可能完全相同，因此計算時假定風電場內風電機組出力的同時率為95%。

圖2 風電場出力概率分布圖

2．2 各區域風電場出力相關性

風電場與常規發電廠有很大的不同。首先風電場的出力受風的影響是隨機波動的，在大多數情況下低于裝機容量;其次，一個地區可能有多個風電場，即一個地區風電場的分布是分散的;并且一個風電場往往由數十臺、上百臺甚至數百臺風電機組組成，每臺風電機組的容量很小，分布范圍廣，即風電場內風電機組的分布也是分散的。由于風電場出力的隨機性、風電場和風電機組分布的分散性，因此需要研究風電場之間出力的相關性問題。

在進行風電場的出力的相關性分析時，考慮當年規劃的所有風電場，根據各個風電場距離4個測風點的遠近，就近選用相應的測風數據(國華代力吉、華能寶龍山風電場、華能左中珠日河、龍源代力吉風電場、華能高力板采用寶龍山的測風數據;霍林河、中國風電阿日昆都楞和大唐北風電場采用霍林河的測風數據;長星莫力廟、華能建華、國華太平沼、華電新能源小街基、蒙能烏力吉木仁、深能義和塔拉東、華電義和塔拉西采用開魯的測風數據;中國風電花燈風場、白音塔拉與西海拉4臺風電場、哈日烏蘇風電場采用滿斗的測風數據)進行出力的計算。圖3給出了2010年通遼電網各區域風電場出力的年變化柱狀圖。

圖3 4個區域風電場出力年變化曲線

從圖3可以看出，寶龍山、霍林河和義和塔拉風電場各月平均出力的趨勢基本相同，春秋季出力較大，夏冬季出力較小。其中，7月份和8月份出力較小，3月和4月份出力較大;滿斗風場出力在7月、8月和9月較大，2月和12月出力較小。滿斗風場月出力分布變化與其它3個地區風電場的月出力分布差別較大。

2．3 風電場出力與負荷變化的相關性

在風電接入電網研究中，通常將風電場出力視為負的負荷。如果能夠對風電功率進行準確預測，則可將風電功率作為負的負荷疊加到負荷預測的曲線上，就可以根據風功率安排常規機組的發電計劃，從而優化發電機組的組合、降低整個電網運行的費用［6］。

根據通遼電網運行方式提供數據，給出了通遼地區2010年平均負荷與所有風電場綜合出力的對比曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，風電場出力在1～5月、10～12月偏大，其他月份偏小;而負荷在1～3月、10月、11月較小，6月、7月和8月較大。如果2010年風電場全部按計劃開始發電，通遼地區風電場的總裝機容量將達1 864 MW，在春秋季節的某些時刻可能會出現風電功率外送的現象，在其他時刻風電功率小于負荷水平，負荷需求要通過其他電源來滿足。

圖4 2010年月平均負荷與風電場綜合出力比較圖

3 風電場接入后的無功特性分析

白音塔拉與西海拉4臺風電場(99 MW)將接入甘旗卡變220 kV側，在甘旗卡變220 kV母線可能的電壓水平下，風電場滿發時吸收的無功功率和電網向風電場注入的無功功率分別如表1所示。

表1 風電場在不同電壓水平時吸收的無功 MVA

由表1可以看出，風電場吸收的無功功率隨著甘旗卡變220 kV母線電壓的升高而減少;在甘旗卡變220 kV母線可能的電壓范圍內，白音塔拉與西海拉4臺風電場(99 MW)滿發時吸收的無功功率在20～25 MVA之間，這部分無功消耗主要是風電機組單元升壓變、場內集電線路以及風電場升壓變的無功損耗。電網需要向風電場注入約17～23 MVA的無功功率。

下面分析風電場在實際電網中運行的情況。冬大方式下，白音塔拉與西海拉4臺風電場(99 MW)并網運行后，風電場不同出力水平時吸收的無功功率如表2所示。

由表2可以看出，當風電場出力較小時，風電場送出線路發出的充電功率大于線路和風電場消耗的無功功率，使得送出線甘旗卡變側向電網注入部分無功功率;隨著風電場出力增加，風電場吸收的無功功率逐漸增加，甘旗卡變送入風電場的無功功率也逐漸增加。白音塔拉與西海拉4臺風電場滿發的情況下，吸收的無功功率約為22 MVA。

表2 風電場不同出力狀態下吸收的無功 MVA

白音塔拉與西海拉4臺風電場并網運行后，滿發時消耗的無功功率在20～25 MVA范圍之內;電網需向風電場提供17～23 MVA無功支持。

4 風電場接入后的系統潮流

4．1 冬大正常運行方式下系統潮流和無功電壓分析

在2010年冬大方式下，其它風電場固定滿出力，電網主要相關變量隨著白音塔拉、西海拉4臺風電場和哈日烏蘇風電場出力增加的變化曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著接入甘旗卡變風電場出力的增加，網內相關節點電壓呈現先升高后降低的趨勢;風電場220 kV母線和網內相關母線的電壓變化幅度為0．005 pu左右;風電場機端母線的電壓變化幅度為0．01 pu左右。

從線路負載率曲線可見，隨著風電場出力的增加，甘旗卡～哈達(木里圖)220 kV線路和哈達(木里圖)～河西220 kV線路的負載率先減少后增加;網內的輸電線路均不會過載。

從2010年風電場并網后的電壓調節角度考慮，風電場內部不配置無功補償裝置也可滿足要求。但是，考慮到滿斗風電場遠期的裝機400 MW，應在風電場升壓站主變處安裝15 MVA的容性無功補償裝置，以滿足遠期風電場并網運行時系統電壓的正常運行。

4．2 冬大N－1靜態安全方式下系統潮流和無功電壓分析

冬大方式下，甘旗卡～海魯吐220 kV、甘旗卡～庫倫220 kV雙回線路、甘旗卡～哈達(木里圖)220 kV雙回線路和科爾沁～沙嶺500 kV雙回線路為單回運行，負載率增大會使附近節點電壓有不同程度的降低，其相關變量的變化曲線如圖6所示。

圖5 冬大方式下相關變量變化曲線

從圖6可以看出，當甘旗卡～海魯吐220 kV、甘旗卡～庫倫220 kV雙回線路、甘旗卡～哈達(木里圖)220 kV雙回線路和科爾沁～沙嶺500 kV雙回線路N－1運行時，隨著風電場出力增加各點電壓逐漸降低，電壓變化的幅度不大;相應線路的負載率會增加，但不會過載［7］。

4．3 冬大大機組退出運行方式下系統潮流和無功電壓分析

圖6 甘旗卡～海魯吐220 kV線路N－1運行時相關變量變化曲線(冬大)

在冬大方式下，接入500 kV科爾沁變的通遼第二電廠600 MW機組因故退出運行時，相關變量隨著風電場出力的變化曲線如圖7所示，相關節點的電壓變化幅度在正常范圍內。

5 風電場無功補償裝置和控制策略

根據通遼2010年電網，并且考慮了不同運行方式下的潮流計算和無功電壓分析結果，得出如下無功補償設備配置方案及電壓控制策略。

在白音塔拉與西海拉4臺風電場升壓變低壓側需要安裝無功補償裝置，配置方案為容性15 MVA、感性3 MVA的無功補償裝置，為適應風電出力快速變化、滿足無功電壓的控制要求，建議安裝的無功補償裝置能夠以小步長進行自動調節。

圖7 機組檢修時相關變量變化曲線(冬大)

當風電場升壓變220 kV側電壓低于1．01 pu時開始投入容性無功并逐級調節，控制目標為該點電壓不低于1．01 pu，直至容量全部投入;當風電場升壓變220 kV側電壓高于1．05 pu時退出容性無功并逐級調節，直至容量完全退完;當風電場升壓變220 kV側電壓高于1．06 pu時投入感性無功并逐級調節，控制目標為該點電壓不高于1．06 pu;當風電場升壓變220 kV側電壓低于1．02 pu時退出感性無功并逐級調節，直至容量完全退完。

6 結論

1)白音塔拉與西海拉4臺風電場并網運行后，風電場滿發時消耗的無功功率在20～25 MVA范圍之內;電網需要向風電場提供17～23 MVA的無功支持。

2)在冬大、最小負荷方式下，白音塔拉、西海拉4臺風電場和哈日烏蘇風電場并網運行對通遼電網的電壓水平影響較小。

3)隨著接入甘旗卡變風電場出力的增加，甘旗卡～哈達(木里圖)220 kV線路的負載率先減小后增加;在線路N－1的運行方式下，相關線路負載率會增加，但不會出現過載。

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