無功補償對新能源匯集送出區域靜態電壓穩定極限的影響

王新浩袁紹軍劉振宇尹兆磊孟慶歡

(國網冀北承德供電公司,河北 承德 067000)

0 引言

在我國“碳達峰、碳中和”目標和構建新型電力系統背景下,新能源發電規模將會呈現爆發式增長。受到風、光等常規新能源分布特性影響,大規模匯集遠距離輸送將成為新能源接入主網常見形式。由此帶來各種新的問題和挑戰,不但會影響電網安全穩定運行,而且會影響新能源發電水平,其中靜態電壓穩定是常見問題之一。

對于靜態電壓穩定的研究,文獻[1-4]提出了根據潮流雅可比矩陣在靜態電壓穩定臨界點處的奇異性來進行靜態電壓穩定分析的方法;文獻[5-8]提出了一種考慮輻射網數據不確定性,能夠直接計算靜態電壓穩定極限精確波動區間的多項式時間算法,給出了PV 曲線波動區間追蹤方法;文獻[8-12]提出了內嵌安全穩定約束的電力系統優化運行框架以及用于電力系統安全穩定規則提取的斜回歸樹及其集成算法的靜態電壓穩定規則提取;文獻[13-16]探討了光伏滲透率與接入點對并網系統靜態電壓-穩定性的影響,提出采用無功補償支撐系數和電壓-有功功率靈敏度2個量化指標表征接入點對靜態電壓穩定性的影響程度;文獻[17-19]針對極高光伏滲透率,分析電壓會產生崩潰的現象,指出潮流雅可比矩陣作為輸入的卷積神經網絡模型能夠預測雙向靜態電壓穩定裕度。在目前對新能源匯集送出靜態電壓穩定的研究中,還沒有能夠同時結合實際網架結構和運行特性的模型。

本文首先指出當前新能源匯集送出在實際運行中存在的一些問題,然后結合實際網架結構和運行特性,對匯集站電壓損耗影響因素進行理論推導分析,表明無功補償對靜態電壓有較大影響,對靜態電壓穩定極限有一定影響,再通過實際電網模型進行仿真驗證,證實在匯集站適當配置可調無功補償設備可以提高新能源匯集區域靜態電壓穩定性和靜態電壓穩定極限,提高有功功率送出能力。

1 新能源匯集送出有功功率存在的問題

截止2021年底,承德地區新能源總裝機容量已經達到80/4 GW,主要集中在西部、北部地區,形成御道、木蘭、五道、潮河4個主要匯集區域,分別通過1條500 k V、3條220 k V 送出通道匯入冀北主網架。

隨著新能源匯集區域網架規模和裝機容量不斷增大,出現了一系列問題,下面以西部五道區域典型日曲線為例進行說明。

(1)有功功率送出受限,影響新能源發電水平。五道區域新能源總裝機容量為1.5 GW,受到靜態電壓穩定極限約束,當前雙回送出線路輸送極限僅為2×460 MW,占裝機比例61.3%;當新能源場站有功功率較大時,已經開始出現有功功率上送受限、棄風棄光現象,如圖1所示。

圖1 金道一線送出有功功率

五道站雙回送出線路熱穩極限是2×800 MW,當前輸送極限遠小于熱穩極限,因此還有較大提升空間。

(2)送出線路從電網側吸收無功功率較多,對電網側電壓影響較大。隨著匯集送出線路送出有功功率增大,電網側需要向送出線路注入大量無功功率,且注入無功功率大小和送出有功功率大小呈正相關,如圖2所示。

圖2 金嶺站金道一線吸收無功功率

(3)匯集站無功功率送出能力較弱,不利于靜態電壓穩定。如果匯集站是新能源場站,一般按照本站裝機容量一定比例配置可調無功補償設備,在滿足本站無功功率及電壓調節需求外,無法再向外送出較多無功功率;如果匯集站是主網變電站,一般配置多組電容器,無法實現平滑調壓效果,同時電容器容量一般也不會太大,無法向外送出較多無功功率,五道站是主網變電站;匯集站可能向送出線路注入少量無功功率,也可能從匯集線路吸收無功功率,如圖3所示。

圖3 五道站金道一線上送無功功率

(4)匯集站母線電壓波動較大,不利于匯集區域電網安全穩定運行。隨著新能源場站有功功率變化,在通過電容器進行無功補償情況下,匯集站母線電壓會發生較大波動,如圖4所示。

圖4 五道站母線電壓

為解決上述問題,有必要對新能源匯集送出靜態電壓及穩定極限主要影響因素進行研究。

2 新能源匯集送出靜態電壓分析

構建簡單的新能源匯集送出網架結構,多個新能源場站直接接入匯集站,沒有多站串聯或末端站并聯情況,如圖5所示。

圖5 新能源匯集送出簡單網架結構

在圖5中,對于各新能源場站,不管實際是光伏電站還是風電場,在進行靜態電壓分析時,都統一簡化為有功功率、無功功率可以分別獨立控制的PQ節點;圖5中給出樞紐站、匯集站及各個新能源場站有功功率P、無功功率Q、電壓U,用不同下標進行區分,箭頭方向為有功功率、無功功率潮流方向,根據新能源匯集送出實際情況,規定箭頭指示方向為正。

2.1 新能源場站參數確定

根據《風電場接入電力系統技術規定》[20]和《光伏發電站接入電力系統技術規定》[21]要求,匯集接入新能源場站配置的無功補償容量能夠補償滿發時送出線路全部感性無功功率。一般可以通過控制新能源場站內可調無功補償設備出力,使線路在送出有功功率時所消耗無功功率基本由本站提供,即送出線路在匯集站側無功功率相對較小,忽略線路電納,根據電壓降落公式縱分量簡化的電壓損耗公式[22]為

各新能源場站送出線路有功損耗為

各新能源場站送出線路無功損耗為

式中:Ri和Xi分別為新能源場站送出線路電阻和電抗。

由式(1)可知,新能源場站在送出有功功率時,配合控制站內可調無功補償設備出力,可以使新能源場站電壓高于匯集站;新能源匯集送出出力較大時,匯集站電壓也低于樞紐站,因此一般匯集站是整個區域電壓最低、最薄弱點,針對匯集站靜態電壓進行分析具有十分重要的意義。

2.2 匯集站參數確定

對于匯集站和樞紐站之間的送出線路,當兩端同時向其注入無功功率時,送出線路上一定存在一點,該點斷面無功功率為0 var,只有有功功率,功率因數為1,設該點有功功率為P0,電壓為U0,整條送出線路電阻為R、電抗為X,該點匯集站側電阻為Rh、電抗為Xh,樞紐站側電阻為Rs、電抗為Xs。

同樣,根據電壓損耗公式[22]為

式(6)中

式(8)中Qj為匯集站無功補償出力。

式(6)中電壓Uh、Us數值之間的差別是電壓損耗,有功功率Ph、Ps之間的差別是有功損耗,在系統穩定運行時,電壓損耗相對于電壓Uh、Us較小,有功損耗相對于有功功率Ph、Ps較小,即電壓Uh、Us相差不大,有功功率Ph、Ps相差不大,為簡化后續推導過程,暫時用電壓U統一表示電壓Uh、Us,用有功功率P統一表示有功功率Ph、Ps,式(6)簡化為

考慮無功功率沿送出線路分布狀態,當忽略線路電納時,根據電抗無功功率QX=I2X可知,電抗無功消耗只和電流和電抗有關,線路電流處處相同、電抗均勻分布,因此線路無功消耗沿線路近似均勻分布;線路所消耗無功功率分別從兩側匯集站和樞紐站注入,因此沿線路各個斷面無功功率分布近似呈線性狀態,如圖6(a)所示。

當考慮線路電納時,根據電納無功功率QB=U2B可知,電納會向線路注入無功功率,線路電納均勻分布,當忽略電壓沿線路微小變化時,向線路注入無功功率沿線路近似均勻分布,補償電抗消耗無功功率,會使沿線路各個斷面無功功率分布減少,但仍然近似呈線性狀態,如圖6(b)所示。

圖6 電納對送出無功功率沿線路分布狀態的影響

在圖6 中,Qh、Qs連線和線路交點就是功率因數為1點,根據全等三角形為

將式(11)帶入式(10)為

線路所消耗全部無功功率為Qh+Qs,忽略線路電納時

一般送出線路以輸送有功功率為目的,各處有功功率相差不大,因輸送有功功率而消耗無功功率,為平衡兩側電壓而傳輸無功功率,各處無功功率相差較大,但無功功率小于有功功率。如果簡化認為線路只因輸送有功功率而消耗無功功率,帶入簡化統一的電壓、有功功率為

同樣式(3)可簡化為

將式(14)帶入式(12)為

將式(8)、式(15)帶入式(16)有

從式(17)中可以看出,匯集站相對于樞紐站電壓損耗主要受到匯集站上送有功功率、線路參數和無功補償影響,其中線路參數X、R和Xi可以看作是網架結構綜合影響;電壓損耗和上送有功功率呈現出二次函數的非線性關系,和通常PV 曲線中隨著有功功率增大電壓加快降低的關系相對應;當上送有功功率不變,匯集站和新能源場站無功功率增加時,電壓損耗會降低,對應無功功率沿送出線路分布狀態如圖7(a)所示;當上送有功功率增加,匯集站和新能源場站無功補償不變時,電壓損耗會增大,對應無功功率沿送出線路分布狀態如圖7(b)所示;當將電壓U考慮回電壓Uh、Us時,由于電壓Uh、Us會稍微變小,實際電壓損耗將會更大;根據有功功率上送情況調整無功補償,可以減小電壓損耗,增強靜態電壓穩定性;由于匯集站是電壓最薄弱點,在該處進行無功補償效果最好,配置可調無功補償設備還可以實現電壓平滑調整。

圖7 有功功率、無功補償對無功功率沿線路分布狀態的影響

2.3 電壓-有功功率靈敏度分析

根據GB 38755-2019《電力系統安全穩定導則》要求,進行靜態電壓穩定計算分析采用逐漸增加負荷的方法求解電壓失穩臨界點,從而估計當前運行點電壓穩定裕度;對于新能源匯集送出網架結構的計算,在新能源場站可調無功補償設備出力保持不變情況下,有功功率逐漸增加致使電壓失穩,用失穩臨界有功功率和初始值關系來估計當前運行點電壓穩定裕度,從而確定靜態電壓穩定極限。

由式(7)可知,送出線路傳輸有功功率是由各新能源場站有功功率Pi匯集而來,兩者本質相同,計算電壓-有功功率靈敏度,同時對其進行微分

式(18)表示有功功率變化對電壓損耗變化影響,可以反映靜態電壓穩定極限主要影響因素,從中可以看出:靜態電壓穩定極限主要受網架結構參數影響,無功補償對其沒有影響;當將電壓U考慮回電壓Uh、Us時,通過無功補償可以抑制電壓Uh、Us降低,從這個角度看,無功補償對提升靜態電壓穩定極限具有一定正向作用,但是受到電壓要控制在一定范圍內影響,其作用有限。

在上述公式推導過程中,雖然最開始基于簡單的新能源匯集送出網架結構,但是對于存在多站串聯或末端站并聯的復雜的新能源匯集送出網架結構,只是在最終結果中存在和式(7)、式(8)相關的形式復雜的多層迭代,對最終結論沒有影響,因此最終結論具有一般適用性。

3 仿真算例

使用PSD-BPA 軟件進行仿真計算,采用承德西部五道區域網架模型,如圖8所示,裝機規模和可調無功補償配置情況如表1、2所示。五道站2條35 k V 母線上現各有3組10 MVA 電容器,將電容器換成不同容量可調無功補償設備,進行以下仿真試驗:逐步增加新能源場站有功功率,觀察五道站母線靜態電壓、五道站無功功率上送和金嶺站無功功率注入情況;計算五道站在不同容量可調無功補償設備下靜態電壓穩定極限。

圖8 五道區域新能源網架結構

表1 五道區域新能源場站裝機規模

表2 五道區域新能源場站可調無功補償配置

3.1 靜態電壓及無功功率仿真結果

在五道站2條35 k V母線上使用電容器,將電容 器 更 換 為 容 量20 Mvar、40 Mvar、60 Mvar、80 Mvar、100 Mvar可調無功補償設備2種情況下,將新能源場站有功功率同時率控制在20%~80%,五道站220 k V 母線電壓、五道站向送出線路注入無功功率、金嶺站向送出線路注入無功功率隨無功補償容量和有功出力同時率變化分別如圖9-11所示。

圖9 五道站220 kV母線電壓

圖10 五道站向送出線路注入無功功率

圖11 金嶺站向送出線路注入無功功率

從圖9-11中可以看出,隨著新能源場站有功功率增加,匯集站母線電壓逐步降低,匯集站和樞紐站向送出線路注入無功功率均增大,但樞紐站注入無功功率遠大于匯集站;根據電壓投切電容器會使電壓發生較大波動;通過在匯集站配置可調無功補償設備,增加匯集站向送出線路注入無功功率,減小樞紐站向送出線路注入無功功率,可以實現平滑調壓效果,抑制母線電壓降低,提高靜態電壓穩定性,在一定范圍內,可調無功補償設備容量越大,效果越好;超過一定范圍效果就無法再提升。

3.2 靜態電壓穩定極限仿真結果

在五道站2條35 k V 母線上分12次分別配置1臺總容量逐步由10 Mvar增大至120 Mvar的可調無功補償設備,調節區域全部新能源場站有功功率到指定水平,同時調節無功補償將電壓控制在合理范圍內,保持新能源場站可調無功補償設備出力不變,有功功率持續增加致使電壓失穩。本例中取有功功率增加幅度10%恰好潮流不收斂,據此計算該網架結構靜態電壓穩定極限隨可調無功補償容量變化如圖12所示。

圖12 靜態電壓穩定極限隨可調無功補償容量變化

從圖12中可以看出,當可調無功補償容量在2×40~2×100 Mvar時,隨著容量增大,靜態電壓穩定極限升高,由原來930 MW 提升至980 MW,提升幅度為5.4%;當可調無功補償容量在小于2×40 Mvar或大于2×100 Mvar時,靜態電壓穩定極限保持不變。這說明在匯集站進行無功補償對提升靜態電壓穩定極限確實有一定作用,但是只有當容量達到一定程度后才會發揮作用,容量不夠大就無法發揮作用,現有電容器容量也無法提升靜態電壓穩定極限;可調無功補償容量超過一定程度后就會受到電壓控制目標影響而停止增加出力,無法發揮更大作用,因此也不必配置太大容量可調無功補償設備。從整體效果看,在匯集站配置可調無功補償設備對靜態電壓穩定極限提升幅度也不是很大,其提升作用有一定局限性。

3.3 小結

本文在理論推導和仿真計算中提到的可調無功補償設備,由于只涉及靜態特性,不涉及暫態特性,因此既可以是SVC、SVG 等電力電子設備,還可以是調相機等旋轉設備,對最終結果都適用。當前,有通過配置集中式或分布式調相機方法提高新能源多廠站短路比來提高匯集區域有功功率送出能力的研究,按照本文研究結果,當有功功率送出能力提升到靜態電壓穩定極限時,通過調相機提升新能源多場站短路比來提高送出能力方法的繼續提升空間就會受到限制,因此在進行規劃、設計、建設、調度運行管理時需要兼顧主要受網架結構影響的靜態電壓穩定極限的約束。

4 結論

結合實際網架結構和運行特性,基于電壓損耗對新能源匯集送出靜態電壓進行理論推導分析,研究無功補償對靜態電壓和靜態電壓穩定極限影響。在匯集站配置可調無功補償設備可以提高新能源匯集送出靜態電壓穩定性。在匯集站配置可調無功補償設備對新能源匯集送出靜態電壓穩定極限有一定提升作用,但是作用有限。調相機可以通過提升新能源多場站短路比,進而提高新能源匯集送出能力,當調相機規模部署達到一定程度后就會受到靜態電影穩定極限影響而無法繼續提高送出能力。

后續可研究大幅度提升新能源匯集送出靜態電壓穩定極限,充分發揮送出通道作用;按照相關標準要求,結合新形勢下新能源匯集送出所面臨問題,未來新能源場站都將配置一定比例儲能設備。