風電場接入電網末端變電站的電壓控制方式研究

湖北省電力勘測設計院有限公司 龔 青

1 背景簡介

湖北某變電站A處于電網末端，該地區水電資源豐富，A站主要用作周邊大量的小型徑流式水電上網，供電負荷較小。A站距離主網距離較遠，通過單回80公里長線路與主網B站相連，造成A變電站長期處于電壓偏高狀態運行，最近數年每年均會出現電壓高于限值的現象。

另外，近年來湖北風電開發規模快速提升，A站所在地區風力資源較為豐富，周邊有兩個大型風力發電項目需要通過A站同電壓等級接入電網。大型風電場的接入將會進一步惡化A站電壓水平。同時由于A站投產年限較早，站內并未安裝無功補償裝置，導致電壓控制手段較為匱乏，難以限制風電場接入后迅速抬升的電壓。為保證地區清潔能源能夠順利送出，本文將研究風電場接入對A站電壓的影響，并通過技術手段控制A站電壓不越限運行。

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

電力系統的電壓水平取決于發電機和其他無功電源輸送的無功功率QG和綜合負荷無功功率QLD的平衡（圖1），當無功負荷曲線為QLD、發電機輸送無功功率曲線為QG時，兩特性曲線在點1相交，對應的電壓為U1，即電力系統在電壓U1下運行時能達到無功功率的平衡。若電力系統無功負荷不變，發電機無功電源輸送的無功功率由QG增加到QG’，則QG’與QLD兩特性曲線將在點2相交，對應電壓上升為U2。即電力系統無功電源增加時系統運行電壓將會上升[1]。

A站周邊上網的水電多為徑流式小水電，地理位置分布較為廣泛，投資業主較多，技術及管理水平參差不齊，調度控制方式難以統一。在豐水期，電網實際運行時難以控制眾多小水電的無功出力，導致A站在送出水電有功功率的同時也匯集了大量無功電源，導致系統整體電壓快速提升。

2.2 枯水期電壓偏高，長線路的電容效應

當輸電線路長度較長時電容效應將不可忽略。由于線路感抗小于容抗，長距離輸電線路空載或輕載時，線路中通過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，又稱法拉第效應。主要原因在于輸電線路對地電容引起線路上無功功率過剩，線路越長無功過剩越多，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站與主網間僅有1回80km長度線路相連，在枯水期需要由主網向A站送電。A站供區內負荷水平較低，長線路長期處于輕載甚至空載狀態，導致A站電壓高于主網電壓水平。

3 風電場接入的電壓仿真計算

3.1 計算方式及控制措施

風電場M裝機100MW，風電場N裝機120MW， 都將以220kV電壓等級直接接入A站高壓側母線，通過線路A～B送至主網。本文考慮風電場幾種典型出力下A站的母線電壓，并考慮實施不同改善措施后的效果，其中風電場典型出力三種：風電場滿發、風電場半發、風電場停發。若不考慮進相運行，則風電場通過場內安裝的無功裝置調節無功出力，使得向接入點注入的無功功率為零。

由于地區電壓偏高主要原因在于豐水期、枯水期的無功功率問題，因此改善措施主要從優化區域無功功率著手。非統調小水電控制和調節較為困難，不考慮對小水電的無功出力進行調節。本文改善措施考慮兩方面：A站加裝低壓并聯電抗器；風電場M、N進相運行，根據對風電場業主及風機制造廠商的調研，風電場M、N最大進相運行能力為功率因數0.97。

3.2 基準方式

為研究風電場接入后對A站的影響，本文選取電網實際運行電壓作為基準方式。根據A站所在地區電網近年來電壓水平數據，選取電壓水平較高的某時刻潮流實際情況為基準進行研究（圖3），該方式下A站高壓側母線電壓235.6kV，主網B站220kV母線電壓232.5kV。在風電不接入系統的情況下，A站母線電壓較B站母線電壓高3.1kV。以此為條件進行電力系統仿真計算。本文仿真計算采用中國電科院開發的電力系統分析綜合程序中的潮流計算模塊。PSASP仿真軟件基于電網基礎數據庫、固定模型庫以及用戶自定義模型庫的支持，可進行電力系統(輸電、供電和配電系統)的各種計算分析，功能強大、使用方便[4-5]。

3.3 案例試算

以風電滿發、不采取措施為例，若主網側B站母線電壓保持與風電場接入之前相同，則其運行潮流圖如圖4。可看出，與風電場不接入系統相比，A站母線電壓升高至237.2kV，較風電不接入時高出1.5kV；A站母線電壓較B站母線電壓高4.7kV。若分別考慮A站低壓側加裝15MVar、20MVar并聯電抗器，以及風電場M、N按功率因數0.97進相運行，則A站、B站母線電壓計算結果見表1。

表1 風電場滿發情況電壓計算結果表

3.4 計算結果及分析

如案例試算所示，將章節3.1所需計算的各種方式及控制措施分別進行仿真潮流計算。最終匯總結果表見表2。

表2 電壓計算結果匯總表

從計算比較結果可看出，雖然風電場通過場內安裝的無功裝置可調節無功出力，使向接入點注入的無功功率為零，但由于極大增加了A～B線路傳輸的有功功率，導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時，A站母線電壓將比未接入風電時更高。風電場進相運行也能降低區域電壓水平，但是風電場出力隨機性極強，導致電壓波動水平也較大，無法精確控制區內無功功率；同時風電場進相運行將為風電場帶來更高的無功損耗，升壓變、風機發熱嚴重，長時間運行會損壞設備絕緣，不可作為長期性的無功調節手段。

在A站加裝低壓電抗器后，A站、B站母線電壓差有所減小，改善了區域電壓分布水平。加裝20MVar電抗的電壓限制效果要明顯優于15MVar電抗。據風電場M、風電場N的業主方面消息，該區域風電場裝機容量在未來還有增長。這將導致A～B線路首末兩端電壓差進一步加大，現有條件下調壓將更加困難。若加裝15MVar電抗器，在風電滿發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，改善地區高壓網絡電壓分布，同時考慮未來進一步增長的風電裝機容量，建議在A站低壓側加裝容量為20MVar的并聯電抗器。