高密度風電接入地區電壓波動因素分析與研究

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(1. 國網新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002； 2.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047 )

0 引 言

近年來，大規模間歇性能源(如風電、光伏等)集中接入電網，并網后給大電網的穩定、運行帶來極大的挑戰，尤其是對系統電壓波動的影響。一方面，風力發電場(或光伏電站)會吸收過多的無功功率，沖擊性負荷(如電鐵)易產生電壓不平衡、諧波，如不采取相應的控制措施，可能對電網的電壓穩定造成影響；另一方面，動態無功補償裝置的協調控制問題也極易造成電壓的波動[1-4]。

目前，針對間歇性能源并網引起電壓波動問題，主要集中于理論方面進行了初步研究。文獻[5-6]考慮穩態下的風電場波動，未考慮故障的暫態過程對電壓波動影響；文獻[7-8]考慮含有光伏的電網中，研究了光伏的不確定性和無功優化協調控制策略對電壓波動的影響，但未考慮多種間歇性能源的交互影響；文獻[9]分析風電與電鐵牽引負荷集中接入地區電網的交互影響，提出電鐵牽引站裝設SVC裝置有效改善電壓的波動；文獻[10-11]針對大規模并網風電場電壓穩定問題，分析了SVC的控制策略研究、振蕩機理，且以并網風電和電網交換功率為控制目標進行SVC的協調控制，改善電壓波動。

可見，現有研究主要依托于單一間歇性能源，提出了一系列改善電壓穩定的措施。對于含有多種間歇性能源集中接入地區，電網運行本身存在一定的復雜性，尤其是在高密度風電地區，光伏、電鐵等間歇性能源共存，對高密度風電地區電壓波動問題則需進一步的探討研究。

依托新疆哈密地區網架結構，該地區形成了哈密北、十三間房及哈密南三大風電集群區域。針對高密度風電地區電網無功電壓波動問題，考慮風電有功出力變化、風機及光伏大規模脫網、電鐵沖擊負荷及動態無功補償裝置(SVC)控制不協調等因素，仿真分析不同因素對該地區電壓波動的影響，診斷該地區無功電壓存在的風險,并提出改善電壓波動的措施，對提高高密度風電接入地區電壓穩定水平有一定的參考價值。

1 哈密高密度風電地區電網規模

1.1 哈密高密度風電地區網架結構

根據2014年新疆電網建設，哈密地區網架結構已形成含有±800 kV、750 kV、220 kV電壓等級的主網架，其中110 kV、35 kV電壓等級構成覆蓋該地區的輸、配電網絡。并且，±800 kV哈鄭(天中)特高壓直流、750 kV新疆與西北主網聯網一、二通道及哈密高密度風電，構成了疆電外送的送端電網，圖1為哈密局部電網示意圖。

圖1 局部電網示意圖

1.2 哈密高密度風電地區電源規模

如圖1所示，目前哈密地區高密度風電匯集于哈密北、十三間房及哈密南三大風電集群區域。依托直流配套電源建設，截至2014年年底，哈密地區風電總裝機容量達7 580 MW，并在哈密東南部地區形成大規模的光伏并網，光伏總裝機容量達970 MW，哈密南部地區天山換流站直流配套電源火電6臺機組將在2014年年底陸續投入運行，哈密地區火電總裝機容量達4 850 MW。圖2為哈密地區電源裝機容量。

2 電壓運行波動機理分析

電壓波動主要取決于系統的短路容量以及系統無功的動態補償容量。在網架結構及規劃電源都已確定前提下，為了適應風電出力波動對電壓的影響，需要風電場配置動態無功補償(SVC或SVG)并跟蹤風電出力的變化進行無功調控，同時，輔以主網無功控制手段的協同動作，進而將風電出力變化對電壓波動的影響降到最低。

2.1 短路容量對電壓運行波動分析

短路容量是指電力系統在規定的運行方式下，關注點三相短路時的視在功率，它是表征電力系統供電能力強弱的特征參數，其大小等于短路電流與短路處的額定電壓的乘積，即

(1)

從式(1)可知，短路容量與電力系統的運行方式有關，并且反映了該點的某些重要性能：①該點帶負荷的能力和電壓穩定性；②該點與電力系統電源之間聯系的強弱；③該點發生短路時，短路電流的水平。隨著電力系統容量的擴大，系統短路容量的水平也會增大。

根據《電能質量——電壓波動與閃變》標準，電壓波動d定義為

(2)

式中，ΔU電壓方均根值曲線上相臨兩個極值電壓之差；UN為系統的標稱電壓。

當已知三相負荷的有功和無功功率的變化量分別為ΔPi與ΔQi時，電壓波動d為

(3)

式中,RL、XL為電網阻抗的電阻、電抗分量。在高壓電網中，一般RL?XL，則

(4)

式中，SSC為考察點(較小方式下)的短路容量。由式(4)可見，系統的短路容量越大，電壓損失越小，更利于電壓的穩定；由于計算短路容量時，電壓選取等

圖3 模擬SVC外特性的數學模型框圖

級為線路平均電壓，由式(1)、式(4)，系統的短路容量水平取決于系統的短路電流水平。

2.2 SVC控制不協調對電壓波動分析

動態無功補償SVC具有吸收和發出無功電流的能力，用于提高電力系統的功率因數，穩定系統電壓，抑制系統振蕩等功能。模擬SVC外特性的通用靜止無功補償器模型，如圖3所示。

圖3中，Ksvs為連續控制比例增益系數，Ksd為間斷控制比例增益系數。電壓偏差DV是連續控制和間斷控制的電壓變化門檻值。DV=0，為連續控制；DV>0，為間斷控制，如果不考慮連續控制可用將DV=0，Ksvs很大，或DV設為很小的值。在應用SVC仿真中發現，控制增益設置及多個SVC之間的協調控制是功率振蕩的重要原因，進而引起電壓的波動。

3 仿真分析

根據2014年新疆哈密高密度風電地區網架結構，針對高密度風電、光伏等間歇性能源接入后哈密地區電網無功電壓波動問題，基于電壓波動機理，考慮風電有功出力隨機變化、風電及光伏大規模脫網、電鐵沖擊負荷變化以及動態無功補償裝置(SVC)控制不協調等因素，仿真分析哈密地區電網電壓的波動情況。

3.1 短路容量引起電壓波動分析

利用PSASP仿真可知哈密地區部分風電匯集母線短路電流如表1所示。

由于三塘湖麻黃溝東最小短路容量為900 MVA，而麻黃溝地區的風電裝機容量已經達到了650 MW，短路比不到1.4，屬于極弱電網，不利于風電上網穩定運行，在如此小的短路電流之下，風電出力波動必將引起接入廠站較大的電壓波動。

3.2 風電有功出力隨機變化對電壓影響

哈密北部地區麻黃溝西變電站，匯集接入的電場由于風速變化發生100 MW的功率波動時，220 kV麻黃線功率曲線和麻黃溝西電壓變化的仿真曲線如圖4所示。

表1 風電場匯集母線短路電流

圖4 麻黃溝西有功變化引起電壓波動

從圖4可以看出,當麻黃溝西接帶匯集接入的風電場因為風速變化引起出力變化超過100 MW時，不考慮SVC作用時造成12 kV的電壓波動。考慮SVC作用后造成8 kV的電壓波動。SVC有效地抑制了電壓波動的幅度，但是從圖中可以看出SVC參與調節后，麻黃溝西變電站的220 kV母線電壓出現了輕微的振蕩現象。

3.3 大規模風電、光伏脫網對電壓影響

風電、光伏通過換流器并網，當電網發生擾動，出于換流器的電力電子器件安全等考慮，風電、光伏自身的保護往往將電力切除，給電網帶來一定程度擾動，尤其是并網規模的增大，這種擾動將給電網運行帶來更大的運行風險。按照不同運行工況下，當風電機組、光伏電源脫網容量分別為：工況1脫網437 MW、工況2脫網733.6 MW、工況3脫網1 040.6 MW，分別仿真3種脫網工況對系統220 kV電壓的影響，仿真結果如圖5所示。

圖5 大規模風電、光伏脫網電壓波動

由仿真結果圖5(a)、(b)可知,隨著新能源脫網容量的逐漸增大，母線電壓的攀升幅度也依次增大。當新能源脫網437 MW時，十三間房220 kV母線電壓超過220 kV電壓上限242 kV；隨著脫網容量的逐漸加大，當脫網達到1 040 MW時，十三間房、麻黃溝以及山北220 kV母線電壓幅值都已增大，并超過242 kV電壓上限，給電網設備安全帶來隱患；對比分析不同程度的脫網可知，哈密地區新能源脫網，地區電網潮流較輕，充電無功增大，哈密電網220 kV母線電壓增長幅度較大，近區750 kV母線電壓影響較小。

3.4 電鐵沖擊負荷對電壓影響

目前哈密地區中西部的220 kV十三間房變電站接帶了3個牽引站(黑山牽引站、了墩牽引站、紅臺牽引站)。仿真時每個牽引站考慮接帶20 MW的沖擊負荷，功率因數為0.9。負荷設置為：列車駛入時該供電段時負荷先由0 MW逐步上升到20 MW，列車駛出該供電段時負荷從20 MW逐步下降到0 MW。該沖擊負荷下220 kV十三間變電站和石城子變電站電壓曲線如圖6所示。

從圖6可以看出,電氣化鐵路負荷(每個牽引站20 MW)的變化引起該變電站電壓波動約4 kV。

圖6 電鐵沖擊負荷對電壓影響

3.5 動態無功補償裝置控制不協調對電壓影響

電壓波動主要取決于系統的短路容量、系統的動態補償容量。為了適應風電出力波動對電壓的影響，需要風電場配置動態無功補償(SVC或SVG)并跟蹤風電出力的變化進行無功調控。根據SVC運行情況，針對單個SVC和多個SVC運行進行仿真，仿真結果如圖7所示。圖7(a)所示為控制增益Ksvs=5時，為典型設置；圖7(b)所示為多個SVC之間的協調控制時，控制增益Ksvs遠大于典型值時，引起系統振功率蕩，進而引起電壓的波動較大。

圖7 無功補償裝置控制不協調對電壓影響

4 改善電壓波動的相關措施

根據上述仿真分析可知，短路電流偏小的情況下，風電有功出力的隨機波動、大規模新能源的脫網以及無功裝置控制不協調極易引起高密度風電地區電壓的波動。因此，可采取如下措施改善電壓波動問題。

(1) 針對風電場有功隨機變化對電壓的影響，加強風電場有功功率控制管理，確保風電場有功每分鐘變化率滿足《風電場接入電網技術規定》的要求，即裝機容量30～150 MW風電場有功功率每分鐘有功變化不超過裝機容量的20%；

(2) 針對高密度風電地區短路容量偏小的問題，提高該地區短路容量，加強網架機構建設，提升哈密地區風電消納能力；

(3) 針對動態無功補償裝置(SVC),一方面確保風電場動態無功補償裝置的可用度和動態響應能力，開展風電機組、風電場內動態無功補償、電網無功補償裝置綜合協調控制研究，統一控制策略，協調控制，避免在弱風電送端系統產生功率振蕩；另一方面，開展動態無功補償裝置建模工作，通過仿真計算合理確定設置相關控制參數，將動態無功補償裝置納入哈密地區無功電壓控制綜合協調系統中，實現動態無功補償裝置之間在站間、區域內的協調控制。

5 結 論

通過對哈密高密度風電地區無功電壓影響分析，可得出如下結論。

(1)哈密高密度風電地區由于接入大規模風電、光伏、電氣化鐵路，引起該地區電壓波動的主要因素有風電有功出力的隨機變化、規模化新能源脫網、電鐵沖擊性負荷及SVC控制不協調；

(2)由于哈密高密度風電地區接入風電、光伏以及電氣化牽引站的廠站多處于電網末端(十三間房、山北地區)，網架結構較薄弱，短路電流偏??；并且在外界電壓因素擾動下，由于電網調節能力有限，極易造成電壓波動越限(超過11 kV)；

(3)針對改善高密風電地區電壓波動問題，一方面，由于短路電流偏小，可加強風電場有功功率控制管理，確保風電場有功每分鐘變化率滿足《風電場接入電網技術規定》的要求；另一方面，由于動態無功補償裝置(SVC)參數設置不合理及控制不協調，造成系統功率振蕩，進而引起電壓波動問題，可進一步采取仿真建模研究，確定相關合理的參數，協調多個SVC之間控制的同時，與哈密地區無功控制系統相協調，實現站間、區域內的電壓穩定控制。

因此，針對高密度風電接入地區，分析該地區風電、光伏、電鐵及動態無功補償裝置(SVC)等因素對電壓的影響，對提高高密風電地區電壓穩定及減小風機脫網具有一定的應用研究價值。

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