串補改善新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送的靜態(tài)電壓特性的研究

王新浩，袁紹軍，劉振宇，周迎偉，尹兆磊，白明輝

(國網(wǎng)冀北承德供電公司，河北 承德 067000)

隨著我國“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的提出，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為能源電力的發(fā)展要求和趨勢，因此未來新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送將會成為一種常見模式[1-2]，由此帶來的諸如在電壓[3-5]、短路[6-8]、暫態(tài)[9-11]、振蕩[12-14]等方面的問題，不但會影響新能源的發(fā)電和輸送，而且會威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。研究新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性，尋找改善靜態(tài)電壓特性的方法，對提升新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的運行效益具有重要意義。

1 靜態(tài)電壓特性

1.1 靜態(tài)電壓特性數(shù)學(xué)模型

為研究新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性，引用一般輸電線路的數(shù)學(xué)模型[15]，如圖1所示。

一般遠距離輸送負(fù)荷，饋供線路有功、無功潮流方向和圖1所示方向相反；一般大型水火電廠的機組為集中式布置，相比于有功可以發(fā)出較多無功，送出線路有功、無功潮流方向和圖1所示方向相同；一般新能源場站的發(fā)電單元為分布式布置，無功發(fā)出能力較弱；動態(tài)無功補償容量按照裝機量的一定比例進行配置，場站無功送出能力有限。在新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式下，新能源場站也呈現(xiàn)分布式狀態(tài)，整體效果是有功送出能力較強，無功送出能力較弱；當(dāng)有功出力較大時，匯集輸送線路有功潮流方向和圖1所示方向一致，電場側(cè)無法上送線路所需消耗的大量無功，因而線路會從電網(wǎng)側(cè)獲取大量無功，無功潮流方向和圖1所示方向相反。

綜合上面分析，根據(jù)電壓降落公式[15]，新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的電壓降落為：

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

將(2)、(3)、(4)式帶入(1)式得到：

(5)

(5)式可以較完整地體現(xiàn)電場側(cè)相對于電網(wǎng)側(cè)電壓降落的影響因素，下面逐項作出分析：

如果忽略P1和P′1的差異，將其他變量看作是固定值，就可以將(5)式看成ΔU和P1/P′1一元二次函數(shù)，一般輸電線路的P-V曲線所呈現(xiàn)出的隨著有功功率增加而使電壓加速降低的非線性性質(zhì)就和該函數(shù)關(guān)系密切。

綜合前面分析可知，輸電線路電壓降落受到多種因素影響，其中主要有傳輸有功功率、無功功率、功率因數(shù)及線路參數(shù)等。

1.2 串補改善靜態(tài)電壓特性分析

由于在新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式下，送出線路無功潮流方向為從電網(wǎng)側(cè)流向電場側(cè)，電場側(cè)電壓低于電網(wǎng)側(cè)，當(dāng)有功出力較大時甚至可能進入電壓崩潰狀態(tài)，即靜態(tài)電壓特性較差，因而會限制新能源場站有功出力以保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，即因靜態(tài)電壓特性而可能出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。

2 仿真算例

使用PSD-BPA軟件進行仿真計算，在大電網(wǎng)的樞紐站旁搭建新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模型，如圖2所示，在常規(guī)線路模型的基礎(chǔ)上，分別在線路的匯集站側(cè)、線路中間、樞紐站側(cè)加入串補，同時對串補的補償比例進行調(diào)節(jié)，分別取補償比例為50%、70%、90%、110%，逐步增加新能源有功出力，記錄電壓、無功等隨有功出力變化情況，進行相關(guān)特性分析。

2.1 電壓特性

匯集站和樞紐站電壓隨新能源有功出力變化曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，未采取串補措施時，匯集站和樞紐站的電壓均隨著有功出力的增加而降低，匯集站的電壓低于樞紐站，匯集站電壓的降低幅度大于樞紐站。采取串補措施后，匯集站和樞紐站的電壓水平均有所提升，電壓隨著有功出力的增加而降低的幅度變小，即靜態(tài)電壓特性得到改善；補償比例越大，靜態(tài)電壓特性越好；串補安裝位置對靜態(tài)電壓特性影響不大，該結(jié)果符合前面的理論分析。

2.2 無功特性

樞紐站輸送和輸電線路消耗的無功功率隨新能源有功出力變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，未采取串補措施時，樞紐站向線路輸送和輸電線路損耗的無功功率均較高，均隨著有功出力的增加而增加。采取串補措施后，樞紐站向線路輸送和輸電線路損耗的無功功率隨著有功出力的增加而增加的幅度變小；補償比例越大，樞紐站向線路輸送和輸電線路損耗的無功功率越小；串補安裝位置對這種特性影響不大，該結(jié)果符合前面的理論分析。

2.3 串補電容兩側(cè)電壓差特性

串補電容兩側(cè)電壓差隨新能源有功出力變化曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，串補電容兩側(cè)的電壓差不但和補償比例有關(guān)，而且和串補安裝位置有關(guān)，即補償比例越大(小于100%時)電壓差越大，串補安裝位置越靠近電網(wǎng)側(cè)電壓差越大，該結(jié)果無法從前面的理論分析得出，下面給出進一步說明。

1)補償比例越大電壓差越大。實際上，加入串補后，輸電線路導(dǎo)線部分的無功損耗并未減少，只是串補發(fā)出無功對其進行補償，從而形成了整體無功損耗降低的效果；補償比例越大，串補發(fā)出無功越多，因而串補電容兩側(cè)電壓差就越大，同時對電容的要求和故障率也就越高，因此可能會對補償比例有一定限制。

2)串補安裝位置越靠近電網(wǎng)側(cè)電壓差越大。在新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式下，電網(wǎng)側(cè)提供了輸電線路所消耗的大量無功功率，這些無功功率也在線路上傳輸；實際上，輸電線路傳輸?shù)臒o功功率從電網(wǎng)側(cè)向電場側(cè)逐漸減少，這種特性使用集中參數(shù)模型無法體現(xiàn)，使用分布參數(shù)模型才能體現(xiàn)；串補安裝位置越靠近電網(wǎng)側(cè)，通過串補電容的感性電流就越大，因而串補電容兩側(cè)的電壓差也就越大。這一特性對于新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的串補安裝位置的選擇具有一定的實際指導(dǎo)意義，因為根據(jù)本小節(jié)的結(jié)果，將串補安裝在新能源匯集站側(cè)，不但便于運行維護管理，而且電容兩側(cè)壓差越小，對電容的要求和故障率都會隨之降低。

3 結(jié)論

1)新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性較差，因而可能會限制有功出力水平。

2)串補可以改善新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性，補償比例越高，靜態(tài)電壓特性越好，有利于提高新能源的有功出力水平。

3)串補可以減少輸電線路從電網(wǎng)側(cè)吸收無功功率，補償比例越高，從電網(wǎng)側(cè)吸收的無功功率越小，有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4)串補補償比例越大，串補電容兩側(cè)電壓差就越大，對電容的要求和故障率也就越高，因此可能會對補償比例有一定限制。

5)串補安裝位置越靠近電場側(cè)，串補電容兩側(cè)電壓差就越小，對電容的要求和故障率也就越小，這一特性具有一定的實際指導(dǎo)意義。

6)串補對新能源大規(guī)模匯集遠距離輸送模式的短路、暫態(tài)、振蕩等其他方面的影響及解決措施將是下一步的研究方向。