風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)末端變電站的電壓控制方式研究

湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 龔 青

1 背景簡(jiǎn)介

湖北某變電站A處于電網(wǎng)末端，該地區(qū)水電資源豐富，A站主要用作周邊大量的小型徑流式水電上網(wǎng)，供電負(fù)荷較小。A站距離主網(wǎng)距離較遠(yuǎn)，通過(guò)單回80公里長(zhǎng)線路與主網(wǎng)B站相連，造成A變電站長(zhǎng)期處于電壓偏高狀態(tài)運(yùn)行，最近數(shù)年每年均會(huì)出現(xiàn)電壓高于限值的現(xiàn)象。

另外，近年來(lái)湖北風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模快速提升，A站所在地區(qū)風(fēng)力資源較為豐富，周邊有兩個(gè)大型風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目需要通過(guò)A站同電壓等級(jí)接入電網(wǎng)。大型風(fēng)電場(chǎng)的接入將會(huì)進(jìn)一步惡化A站電壓水平。同時(shí)由于A站投產(chǎn)年限較早，站內(nèi)并未安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，導(dǎo)致電壓控制手段較為匱乏，難以限制風(fēng)電場(chǎng)接入后迅速抬升的電壓。為保證地區(qū)清潔能源能夠順利送出，本文將研究風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)A站電壓的影響，并通過(guò)技術(shù)手段控制A站電壓不越限運(yùn)行。

2 變電站電壓偏高原因

2.1 豐水期電壓偏高，小水電控制難度高

電力系統(tǒng)的電壓水平取決于發(fā)電機(jī)和其他無(wú)功電源輸送的無(wú)功功率QG和綜合負(fù)荷無(wú)功功率QLD的平衡（圖1），當(dāng)無(wú)功負(fù)荷曲線為QLD、發(fā)電機(jī)輸送無(wú)功功率曲線為QG時(shí)，兩特性曲線在點(diǎn)1相交，對(duì)應(yīng)的電壓為U1，即電力系統(tǒng)在電壓U1下運(yùn)行時(shí)能達(dá)到無(wú)功功率的平衡。若電力系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷不變，發(fā)電機(jī)無(wú)功電源輸送的無(wú)功功率由QG增加到QG’，則QG’與QLD兩特性曲線將在點(diǎn)2相交，對(duì)應(yīng)電壓上升為U2。即電力系統(tǒng)無(wú)功電源增加時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行電壓將會(huì)上升[1]。

A站周邊上網(wǎng)的水電多為徑流式小水電，地理位置分布較為廣泛，投資業(yè)主較多，技術(shù)及管理水平參差不齊，調(diào)度控制方式難以統(tǒng)一。在豐水期，電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)難以控制眾多小水電的無(wú)功出力，導(dǎo)致A站在送出水電有功功率的同時(shí)也匯集了大量無(wú)功電源，導(dǎo)致系統(tǒng)整體電壓快速提升。

2.2 枯水期電壓偏高，長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)

當(dāng)輸電線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)電容效應(yīng)將不可忽略。由于線路感抗小于容抗，長(zhǎng)距離輸電線路空載或輕載時(shí)，線路中通過(guò)的電容電流在感抗上的壓降將使容抗上的電壓高于電源電壓，沿線電壓分布不均，末端電壓最高，這就是空載或輕載線路的電容效應(yīng)，又稱法拉第效應(yīng)。主要原因在于輸電線路對(duì)地電容引起線路上無(wú)功功率過(guò)剩，線路越長(zhǎng)無(wú)功過(guò)剩越多，從而沿線電壓升高越明顯。均勻空載線路沿線電壓呈余弦升高，末端電壓最高[2-3]。A站與主網(wǎng)間僅有1回80km長(zhǎng)度線路相連，在枯水期需要由主網(wǎng)向A站送電。A站供區(qū)內(nèi)負(fù)荷水平較低，長(zhǎng)線路長(zhǎng)期處于輕載甚至空載狀態(tài)，導(dǎo)致A站電壓高于主網(wǎng)電壓水平。

3 風(fēng)電場(chǎng)接入的電壓仿真計(jì)算

3.1 計(jì)算方式及控制措施

風(fēng)電場(chǎng)M裝機(jī)100MW，風(fēng)電場(chǎng)N裝機(jī)120MW， 都將以220kV電壓等級(jí)直接接入A站高壓側(cè)母線，通過(guò)線路A～B送至主網(wǎng)。本文考慮風(fēng)電場(chǎng)幾種典型出力下A站的母線電壓，并考慮實(shí)施不同改善措施后的效果，其中風(fēng)電場(chǎng)典型出力三種：風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)、風(fēng)電場(chǎng)半發(fā)、風(fēng)電場(chǎng)停發(fā)。若不考慮進(jìn)相運(yùn)行，則風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)場(chǎng)內(nèi)安裝的無(wú)功裝置調(diào)節(jié)無(wú)功出力，使得向接入點(diǎn)注入的無(wú)功功率為零。

由于地區(qū)電壓偏高主要原因在于豐水期、枯水期的無(wú)功功率問(wèn)題，因此改善措施主要從優(yōu)化區(qū)域無(wú)功功率著手。非統(tǒng)調(diào)小水電控制和調(diào)節(jié)較為困難，不考慮對(duì)小水電的無(wú)功出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文改善措施考慮兩方面：A站加裝低壓并聯(lián)電抗器；風(fēng)電場(chǎng)M、N進(jìn)相運(yùn)行，根據(jù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主及風(fēng)機(jī)制造廠商的調(diào)研，風(fēng)電場(chǎng)M、N最大進(jìn)相運(yùn)行能力為功率因數(shù)0.97。

3.2 基準(zhǔn)方式

為研究風(fēng)電場(chǎng)接入后對(duì)A站的影響，本文選取電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行電壓作為基準(zhǔn)方式。根據(jù)A站所在地區(qū)電網(wǎng)近年來(lái)電壓水平數(shù)據(jù)，選取電壓水平較高的某時(shí)刻潮流實(shí)際情況為基準(zhǔn)進(jìn)行研究（圖3），該方式下A站高壓側(cè)母線電壓235.6kV，主網(wǎng)B站220kV母線電壓232.5kV。在風(fēng)電不接入系統(tǒng)的情況下，A站母線電壓較B站母線電壓高3.1kV。以此為條件進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真計(jì)算。本文仿真計(jì)算采用中國(guó)電科院開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序中的潮流計(jì)算模塊。PSASP仿真軟件基于電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、固定模型庫(kù)以及用戶自定義模型庫(kù)的支持，可進(jìn)行電力系統(tǒng)(輸電、供電和配電系統(tǒng))的各種計(jì)算分析，功能強(qiáng)大、使用方便[4-5]。

3.3 案例試算

以風(fēng)電滿發(fā)、不采取措施為例，若主網(wǎng)側(cè)B站母線電壓保持與風(fēng)電場(chǎng)接入之前相同，則其運(yùn)行潮流圖如圖4。可看出，與風(fēng)電場(chǎng)不接入系統(tǒng)相比，A站母線電壓升高至237.2kV，較風(fēng)電不接入時(shí)高出1.5kV；A站母線電壓較B站母線電壓高4.7kV。若分別考慮A站低壓側(cè)加裝15MVar、20MVar并聯(lián)電抗器，以及風(fēng)電場(chǎng)M、N按功率因數(shù)0.97進(jìn)相運(yùn)行，則A站、B站母線電壓計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)情況電壓計(jì)算結(jié)果表

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

如案例試算所示，將章節(jié)3.1所需計(jì)算的各種方式及控制措施分別進(jìn)行仿真潮流計(jì)算。最終匯總結(jié)果表見(jiàn)表2。

表2 電壓計(jì)算結(jié)果匯總表

從計(jì)算比較結(jié)果可看出，雖然風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)場(chǎng)內(nèi)安裝的無(wú)功裝置可調(diào)節(jié)無(wú)功出力，使向接入點(diǎn)注入的無(wú)功功率為零，但由于極大增加了A～B線路傳輸?shù)挠泄β剩瑢?dǎo)致線路首末兩端電壓差增大。在保證B站母線電壓在正常范圍之內(nèi)時(shí)，A站母線電壓將比未接入風(fēng)電時(shí)更高。風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)相運(yùn)行也能降低區(qū)域電壓水平，但是風(fēng)電場(chǎng)出力隨機(jī)性極強(qiáng)，導(dǎo)致電壓波動(dòng)水平也較大，無(wú)法精確控制區(qū)內(nèi)無(wú)功功率；同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)相運(yùn)行將為風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)更高的無(wú)功損耗，升壓變、風(fēng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)損壞設(shè)備絕緣，不可作為長(zhǎng)期性的無(wú)功調(diào)節(jié)手段。

在A站加裝低壓電抗器后，A站、B站母線電壓差有所減小，改善了區(qū)域電壓分布水平。加裝20MVar電抗的電壓限制效果要明顯優(yōu)于15MVar電抗。據(jù)風(fēng)電場(chǎng)M、風(fēng)電場(chǎng)N的業(yè)主方面消息，該區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量在未來(lái)還有增長(zhǎng)。這將導(dǎo)致A～B線路首末兩端電壓差進(jìn)一步加大，現(xiàn)有條件下調(diào)壓將更加困難。若加裝15MVar電抗器，在風(fēng)電滿發(fā)情況下電壓差仍舊較大，A站母線電壓依舊偏高。因此，為降低A站、B站母線電壓差，改善地區(qū)高壓網(wǎng)絡(luò)電壓分布，同時(shí)考慮未來(lái)進(jìn)一步增長(zhǎng)的風(fēng)電裝機(jī)容量，建議在A站低壓側(cè)加裝容量為20MVar的并聯(lián)電抗器。