大規模新能源匯集站的動態無功補償配置

李俊杰，萬航羽，付俊波，付婭路

（1.云南省電力設計院有限公司，云南 昆明 650000；2. 南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 210000）

0 前言

目前大規模開發的風電和光伏，普遍采用220 kV 線路接入電網，面臨著輸送能力不足、潮流控制困難、電壓波動較大的問題，因此大規模新能源通過220 kV 線路匯集后進一步升壓至500 kV 主網，可以較好解決線路輸送能力受限的問題。但大規模新能源的匯集送出面臨著潮流波動加劇、諧波畸變嚴重、無功電壓控制困難等一系列新問題。

以某500 kV 匯集站為例，匯集的新能源主要是光伏電站，初期匯集新能源規模為1530 兆瓦。光伏電站受光照條件的影響，存在短時間內功率大幅度波動變化的特點，勢必會引起匯集站的電壓、功率大范圍波動，如果僅僅通過投切電容電抗器參與調節電壓，會造成電容電抗器頻繁動作，對開關的壽命有較大影響，同時風光匯集站有大量電力電子變流器的接入，可能存在諧波問題。因此，對于大規模風光匯集站的無功補償問題，僅考慮電容電抗器的配置方案，難以實現電壓的頻繁調節、諧波的有效治理。基于新能源的特點，需要研究在匯集站配置一定比例的STATCOM 裝置。

1 STATCOM的基本原理和作用

STATCOM 是一種并聯型無功補償的FACTS 裝置，通過改變輸出電壓來調節其輸出無功功率，可以等效為一個可控的電流源，最大容性或最大感性輸出電流不依賴系統電壓。因此具有更出色的性能和更優越的應用靈活性。

在電力系統中，并聯無功補償的主要作用是控制調節注入電網的無功功率，來改善電網運行特性，達到提高系統穩定性和傳輸能力以及改善電能質量的目的。STATCOM 作用為：

1）提供動態無功支撐，穩定故障后母線電壓。

2）提高系統電壓暫態穩定性能。

3）作為站內無功系統的子系統，參與電網無功和電壓控制。

5）利用部分無功功率參與電網的穩態調壓。

2 新能源匯集站STATCOM的配置研究

2.1 滿足站內無功平衡的需求

500 kV 匯集站通過多回220 kV 線路將光伏發電站匯集到主變中壓側。500 kV 匯集站分期建設，初期建設兩臺1000 MVA 主變，終期規模主變容量為4×1000 MVA。電壓等級為525/220/35 kV，采用三相自耦無載調壓變壓器。匯集站接入系統方案如圖1 所示。

圖1 變電站接入系統方案示意圖

匯集站近區500 kV 變電站感性無功平衡見表1 所示，匯集站容性無功平衡計算見表2 所示。容性無功平衡計算按2 臺1000 MVA 主變終期新能源上網2000 MW 計算無功消耗。

表2 匯集站容性無功平衡計算

通過感性無功平衡計算可知，考慮匯集站近區變電站和出線已有高抗及低抗配置后，感性無功補償度已超過100%，滿足規程規范要求，無需新增低抗或高抗。

通過匯集站容性無功平衡計算，匯集站至少需要配置340 MVAr 電容器組。按常規輸變電工程電容器分組，500 kV 匯集站35 kV 側初期需配置6×60 MVAr 低壓電容器組，即每臺主變下配置3×60 MVAr 低壓電容器。

2011年，該公司建設了MES，面向公司企業網開放了數據，控制系統從此不再獨立。為保證控制系統信息安全，該公司在第3層高級應用網和第4層企業信息網之間增加了防火墻，并在防火墻外又增加了1臺鏡像服務器，鏡像服務器作為與外界數據通信的介質，可避免外界服務器直接與生產網中的服務器直接通信。

2.2 滿足站內電壓波動需求

根據研究區域內已投運的光伏統計，光伏小時級最大功率波動率為60%。大型光伏基地建成后，在日內高峰時段，光伏表現特征應該與已投運的光伏統計結果一致。

新能源匯集站無功補償采用恒功率因數控制方式，功率因數設定1。

匯集站未投入無功補償裝置時，新能源出力1530×60%=918 MW，匯集站500 kV 側電壓水平在540 kV 左右。若光伏出現60% 的功率波動，則匯集站500 kV 側電壓波動如圖2 所示。可以看出：在光伏出力60%波動過程中，匯集站500 kV 母線最高電壓為1.052p.u.（基準值525 kV），對應電壓552.3 kV，超過了國標對500 kV 母線正常運行電壓范圍的要求（500～550 kV）。即便500 kV 匯集站采用有載調壓變壓器，500 kV 側電壓難以恢復，僅對220 kV 側電壓調節有作用。

圖2 光伏60%功率波動時，匯集站500 kV電壓波動曲線

匯集站低壓側安裝STATCOM 裝置時，通過STATCOM 配置容量的計算，STATCOM 標稱容量2×60 MVAr 可以實現無功電壓的實時動態調節，較好抑制匯集站500 kV 母線電壓的波動。

2.3 滿足新能源場站暫態過電壓需求

新能源匯集站通過500 kV 單回線與電網連接，現分析該單回線發生瞬時性故障對送端新能源的電壓影響。

在電磁暫態仿真程序PSCAD/EMTDC 中搭建含光伏和STATCOM 裝置的詳細模型，0.1s時單回線（圖1 的線路2）發生A 相瞬時性故障，0.2 s 時該線路A 相兩側開關跳開。假設送端光伏電站的過電壓閉鎖功能不投（光伏電站為了保護設備本體，會在電壓達到1.3 p.u.以上時，迅速閉鎖逆變器，功率輸出降為0），見圖3 所示。可以看出：單瞬故障過程中，500 kV 線路電壓升高至額定相電壓1.5 倍以上，送端存在的嚴重的過電壓問題。

圖3 匯集站送出線路單瞬故障的暫態過電壓（光伏不閉鎖）

若在匯集站低壓側安裝2×60 MVAr 的STATCOM 裝置，故障后匯集站的送端電壓得到了很好抑制。分析可知：無STATCOM時，單瞬故障后，A 相產生了嚴重過電壓；有STATCOM 時，A 相電壓得到了較好抑制，電壓控制在1.3 p.u.以內。

2.4 滿足站內諧波需求

當前，各光伏電站按《光伏電站接入電網技術規定》配置了動態無功補償裝置（STATCOM），主要用于濾除諧波及抑制電壓波動。但一般情況下STATCOM 濾波效果通常在70%～85% 之間，對電壓波動和閃變的抑制通常在60%～80%左右，仍有部分特征諧波向匯集站滲透，因此匯集站需要諧波治理裝置。在匯集站內諧波治理裝置正常投入后，各光伏電站剩余諧波滲透至系統，當考慮背景諧波后，接入站點500 kV諧波電壓總畸變率由0.91% 上升到1.33%（限值2.0%），接近預警值1.4%。

若匯集站采用FC+STATCOM 進行二次治理時，STATCOM 的濾波容量為17.054 MVAr，二次治理后滲透至接入站點500 kV 諧波電壓總畸變率由1.33% 降低為0.96%（限值2.0%）。按匯集站35 kV 側配置兩組動態無功補償裝置考慮，單組STATCOM 濾波容量需按不低于9 MVAr 考慮（STATCOM 諧波檢測補償策略控制點建議為主變500 kV 側）。

2.5 STATCOM配置方案

STATCOM 配置方案，不僅要從無功平衡、電壓波動、暫態過電壓、諧波治理進行配置容量分析，還受到下列因素的影響：

1）匯集站工程初期投運兩臺1000 MVA 主變，主變N- 1 后剩余一臺主變仍然有動態電壓調節需求，建議每臺主變低壓側均配置一套STATCOM 裝置。

2）大規模新能源投運后，實時抑制電壓波動的需求一直存在。

3） 考慮投資造價估算，100 MVAr 的STATCOM 整體造價是60 MVAr 的2 倍左右。

4）根據《330 kV～750 kV 變電站無功補償裝置設計技術規定》（DL/T5014-2010）為了方便設備運行維護，330 kV、500 kV、750 kV 電壓等級變電站安裝有2 臺及以上變壓器時，每臺變壓器配置的無功補容量應基本一致。

綜上所述，匯集站初期兩臺1000 MVA 主變，每臺主變配置2 組60 MVAr 電容器組+1套60 MVArSTATCOM，單套STATCOM 濾波容量不低于9 MVAr。

3 新能源匯集站控制策略

結合匯集站的特點，STATCOM 的控制模式建議如下：

1）正常運行時，定電壓控制。電壓控制目標530 kV，為了防止STATCOM 頻繁無功變化，設置±2 kV 電壓死區，當電壓偏差超過死區時，開始啟動無功動態調節。同時保留諧波控制功能，檢測到諧波超標時，及時啟動諧波濾除功能。

2）當母線電壓有效值低于0.9 pu 時，同時任一相母線電壓均高于0.2 pu 時，控制系統進入暫態快速無功補償模式，快速支撐電網電壓。

3）在系統故障恢復后，為保證系統恢復期的穩定，設置暫態穩定控制模式。在該模式下，STATCOM 控制保護系統按照預設的500 kV 電壓目標值控制系統電壓，當系統穩定一段時間后（可整定），STATCOM 退出暫態穩定控制模式，恢復至暫態前STATCOM 控制模式。

4 新能源匯集站的諧振風險分析

4.1 電力電子裝備的諧振問題

近年來，電力電子技術發展迅猛，電源端或負荷端在一定頻段內可能存在負電阻效應，當輸電網絡本身的固有電阻不足以抵消電源端或負荷端存在負電阻時，系統受到擾動后可能發生諧振。

在PSCAD/EMTDC 中搭建含變壓器、STATCOM 以及電容器控制保護系統模型，進行諧波阻抗掃描。如果在某諧波頻段上存在著相位相反的，阻抗為負的情況，則認為該頻段存在與電網諧振的風險。

4.2 STATCOM的諧振掃描

考慮STATCOM 出力分別為容性滿功率60 MVAr、容性半功率30 MVAr、零功率、感性滿功率60 MVAr、感性半功率30 MVAr 五種運行狀態，掃描后得到諧波阻抗大小如圖4 所示，諧波阻抗幅角如圖5 所示。

圖4 STATCOM的諧波阻抗大小

圖5 STATCOM的諧波阻抗幅角

結合含STATCOM 匯集站的RTDS 試驗有：STATCOM 在頻率1320～1350 Hz、 頻率1850～1860 Hz、頻率2120～2140 Hz 這幾個頻段存在著諧振風險。

通過以往大容量STATCOM 運行工程，在某一頻段的高頻諧振問題，建議進一步研究通過調整PI 參數來解決諧振問題。

5 結束語

大規模新能源匯集站由于存在著功率變化大、電壓波動大、諧波含量較高、電能質量等問題，在無功配置上按照常規的500 kV 變電站配置低容、低抗裝置已經難以滿足系統的需求，尤其是隨著新能源比例的不斷提升，電網的動態無功需求越來越迫切。

1）本文從滿足匯集站內無功平衡的需求、電壓波動需求、暫態過電壓需求、諧波治理需求等方面進行了詳細研究，建議每臺主變配置2 組60 MVAr 電容器組+1 套60 MVArSTATCOM，單套STATCOM 濾波容量不低于9 MVAr。

2）結合匯集站的新能源特點，建議正常運行時定電壓控制，保留諧波控制功能；故障期間暫態電壓控制模式。正常運行和故障期間的控制模式可以自動切換。

3）通過諧波阻抗掃描，STATCOM 裝置在頻段1320～1350 Hz、1850～1860 Hz、2120～2140 Hz存在著諧振風險，建議進一步研究通過調整PI參數來解決諧振問題。