海上風(fēng)場出力變化對電力系統(tǒng)電壓影響

朱曉榮，高建濤

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

目前，隨著海上風(fēng)場的大量規(guī)劃建設(shè)，海上風(fēng)電在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中占比逐步增大?？紤]到海上風(fēng)場單機容量和系統(tǒng)特性等與陸地風(fēng)電差別較大［1］，因此，陸地風(fēng)電的集中建模方法對海上風(fēng)場的適用性有待研究。本文選取符合海上風(fēng)電實際的風(fēng)機、箱變、集電海纜和主變等設(shè)備，建立了海上風(fēng)場幾種模型，分析了海上風(fēng)場的風(fēng)電出力變化對靜態(tài)電壓的影響，利用現(xiàn)有的陸地風(fēng)電模型，在風(fēng)電出力變化條件下研究局部電網(wǎng)電壓水平和波動規(guī)律，并針對海上風(fēng)場近區(qū)電壓偏高和波動過大問題提出了風(fēng)機和SVC協(xié)調(diào)控制的解決方案。

1 海上風(fēng)電場建模

與陸地風(fēng)場相比，海上風(fēng)場有以下特點:1)單機容量大，現(xiàn)階段5 MW及以上風(fēng)機已經(jīng)成為海上風(fēng)場的主流機型;2)無功受海纜影響大，海上風(fēng)場須采用海纜集電和長距離輸電，交流海纜產(chǎn)生大量充電功率，既限制了輸電距離及容量，又抬高了母線電壓;3)并網(wǎng)方式有更多選擇(HVAC、LCCHVDC和VSC－HVDC等)，受輸電容量及系統(tǒng)穩(wěn)定要求，海上風(fēng)電多采用柔性高壓直流(VSCHVDC)輸電。

為了分析電網(wǎng)靜態(tài)電壓水平，在海上風(fēng)場建模中，重點考慮海底電纜和集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對電網(wǎng)電壓的影響。根據(jù)現(xiàn)有的海上風(fēng)電項目(東海大橋海上風(fēng)電場等)和風(fēng)電場設(shè)計、并網(wǎng)準(zhǔn)則［3］，建立的海上風(fēng)場模型如圖1所示。

2 風(fēng)電場對電壓的影響

圖1 海上風(fēng)場模型Fig．1 Wind field model at sea

風(fēng)電功率存在間歇性和隨機性，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后，將對局部電網(wǎng)的運行調(diào)度、無功補償及電能質(zhì)量造成明顯影響［4］。對于已建成風(fēng)電場，其對電壓的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)機特性和無功補償方式上。

在風(fēng)機特性方面，風(fēng)電機組輸出的有功功率主要依賴于風(fēng)速;定速風(fēng)機吸收的無功隨有功波動而波動，雙饋風(fēng)機一般采用恒功率因數(shù)控制，因而無功波動較小。在并網(wǎng)風(fēng)電機組持續(xù)運行中，受塔影效應(yīng)、偏航誤差等影響，風(fēng)電機組輸出功率會有所波動［5］。此外，風(fēng)電機組在啟動、停止等過程中也會產(chǎn)生電壓波動和閃變［6］。

在無功補償方面，風(fēng)電場并網(wǎng)運行會對系統(tǒng)電壓質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，這源于風(fēng)電機組、匯集系統(tǒng)、升壓變及送出線路等的無功損耗?，F(xiàn)有的無功補償裝置基本能滿足電力系統(tǒng)的要求，但存在響應(yīng)速度慢和調(diào)節(jié)不平滑的缺點。靜止無功補償器(SVC)將電力電子元件引入到傳統(tǒng)的并聯(lián)無功補償裝置中，可以實現(xiàn)快速補償和平滑調(diào)節(jié)。除風(fēng)電場內(nèi)部補償外，還可以利用SVC提高大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的電壓質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性［7］。

3 仿真分析

3.1 電網(wǎng)概況

本文以中國東部某地區(qū)電網(wǎng)為研究對象，該地區(qū)有500 kV變電站兩座(A0站和B0站)，規(guī)劃建設(shè)5個風(fēng)電場(裝機總?cè)萘繛?711 MW，同時率按0.85考慮，總出力為1454 MW)。海上風(fēng)場(海上風(fēng)場SA1和SB1，出力分別為510 MW和340 MW)兩個，考慮到現(xiàn)階段海上風(fēng)場規(guī)模有限，兩個海上風(fēng)電場均采用集中交流電纜接入地區(qū)220 kV電網(wǎng)。該地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

陸地風(fēng)電機組采用GE公司1.5 MW雙饋風(fēng)機，海上風(fēng)機采用GE公司3.6 MW雙饋風(fēng)電機組模型。風(fēng)電機組按最惡劣情況運行，即運行在恒功率因數(shù)控制模式(功率因數(shù)為1.0 pu)。在仿真分析中，所有風(fēng)電場均考慮實際SVC作用(控制電壓設(shè)置為1.0 pu)。

圖2 東部某地區(qū)電網(wǎng)Fig.2 A region power grid in Eastern

3.2 風(fēng)電場模型對電網(wǎng)電壓影響

采用3種模型(模型1，集中模型;模型2，陸地風(fēng)電模型;模型3，陸地及海上風(fēng)電模型)分析風(fēng)電出力變化對該地區(qū)電網(wǎng)電壓影響。在風(fēng)電出力變化過程中，電力系統(tǒng)低壓無功補償、其它機組開停機方式以及機組機端電壓等均保持不變。模擬該地區(qū)風(fēng)電從零到最大(85%)出力變化過程，該地區(qū)220 kV電網(wǎng)各變電站電壓統(tǒng)計結(jié)果如表1和表2所示。

表1 3種模型下地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)電壓水平Tab.1 3 models of power grid static voltage in a region

根據(jù)表1可以畫出6種運行方式下該地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)電壓對比曲線，如圖3所示。

圖3 3種模型下地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)電壓比較Fig.3 Comparison 3 models of power grid static voltage in region

由表1和圖3分析可知:

1)在3種模型(集中模型、陸地風(fēng)電模型和陸地及海上風(fēng)電模型)中，電網(wǎng)靜態(tài)電壓變化趨勢一致，說明3種模型均為有效。

2)海上風(fēng)場SA1和SB1的母線電壓均最高，分別比相鄰變電站220 kV母線(A1和B0)高4 kV和5 kV。這說明受海纜充電功率影響，海上風(fēng)場近區(qū)母線電壓一般偏高。

3)3個風(fēng)電場群的中間地區(qū)電壓都普遍偏低，電壓最低點位于A6站220 kV母線，應(yīng)注意在A6變電站加裝無功補償裝置，防止出現(xiàn)電壓崩潰問題。

4)同一模型下，風(fēng)電零出力時電網(wǎng)電壓水平高于最大出力時的電壓水平。模型2在風(fēng)電零出力方式下電網(wǎng)電壓水平最高，模型1在風(fēng)電最大出力方式下電網(wǎng)電壓水平最低。模型3(陸地及海上風(fēng)電模型)的電網(wǎng)電壓水平略高于模型1(集中模型)，但是與模型2(陸地風(fēng)電模型)有相當(dāng)大的差距。

表2 3種模型下母線電壓波動百分比Tab.2 3 models of bus voltage fluctuation percentage

圖4 不同模型下電壓波動百分比Fig.4 Different models of voltage fluctuation percentage

根據(jù)表2可以畫出3種模型對電網(wǎng)靜態(tài)電壓波動曲線，如下圖4所示。

表3 SVC和風(fēng)機協(xié)調(diào)控制方案Tab.3 SVC and fan coordinate control scheme

由表2和圖4分析可知:在風(fēng)電出力變化過程中，采用集中模型仿真時母線電壓波動比值最大，陸地風(fēng)電模型時母線電壓波動最小。但是，海上風(fēng)電場SA1、SB1近區(qū)的母線電壓波動值不符合此規(guī)律，在考慮陸地及海上風(fēng)電模型時，SA1、SB1母線電壓波動比值明顯增大;鄰近LB1、B0、B2母線電壓波動比值與另外兩種模型相比卻明顯較小，主要原因是海上風(fēng)場充電功率抬高了近區(qū)母線電壓水平，減輕了母線電壓波動。

3.3 海上風(fēng)電近區(qū)電壓偏高的措施

由于海上風(fēng)場近區(qū)母線電壓水平偏高，電壓波動較大，建議通過調(diào)整海上風(fēng)場SVC及風(fēng)機的控制策略，緩解風(fēng)電出力變化時海上風(fēng)場近區(qū)電壓水平偏高及電壓波動較大的影響。以海上及陸地風(fēng)電模型為例，提出了一種風(fēng)機和SVC協(xié)調(diào)控制方案，如表3所示。

將表3與表2對比分析可知，通過協(xié)調(diào)SVC和風(fēng)機的控制策略，可以顯著降低海上風(fēng)電近區(qū)電壓水平和電壓波動水平?？蛇x用的協(xié)調(diào)控制策略有很多，如風(fēng)機由恒功率控制改為恒電壓控制方式、考慮雙饋風(fēng)機吸收部分無功能力等［8］，將這些風(fēng)機控制策略與SVC控制方式協(xié)調(diào)配合應(yīng)用，均能不同程度解決海上風(fēng)電并網(wǎng)的電壓問題。

4 結(jié)論

1)海上風(fēng)場在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和并網(wǎng)特性等方面與陸地風(fēng)電存在較大區(qū)別，出口電壓會顯著升高，將近區(qū)變電站的電壓抬高。

2)風(fēng)電場SVC和風(fēng)機協(xié)調(diào)控制方案能夠解決海上風(fēng)電產(chǎn)生的電壓偏高問題。

3)3種模型下靜態(tài)電壓變化趨勢是一致的，電壓水平和模型復(fù)雜度上有較大差別，要根據(jù)精確度要求、主體差異和電壓波動范圍等選擇合適的模型，以便降低研究難度。

［1］林鶴云，郭玉敬，孫蓓蓓，等．海上風(fēng)電的若干關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］．東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011(4):882 888．LIN Heyun，GUO Yujing，SUN Beibei，et al．Overview of offshore wind power key technologies［J］．Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2011(4):882 888．

［2］靳靜，艾芊，奚玲玲，等．海上風(fēng)電場內(nèi)部電氣接線系統(tǒng)的研究［J］．華東電力，2007，35(10):20 23．JIN Jing，AI Qian，XI Lingling，et al．Internal electrical wiring systems of offshore wind farms［J］．East China Electric Power，2007，35(10):20 23．

［3］于德龍，趙海翔，曹娜，等．風(fēng)電場接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓問題分析［J］．中國電力，2006，39(6):10 14．YU Delong，ZHAO Haixiang，CAO Na，et al．Analysis of voltage problems caused by wind farms integrating into regional grid ［J］．China Electric Power，2006，39(6):10 14．

［4］婁素華，李志恒，高蘇杰，等．風(fēng)電場模型及其對電力系統(tǒng)的影響［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(S2):330 334．LOU Suhua，LI Zhiheng，GAO Sujie，et al．Wind farm models and its impacts on wind farms integration into power system［J］．Power System Technology，2007，31(S2):330 334．

［5］孫濤，王偉勝，戴慧珠，等．風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動和閃變［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(12):62 66．SUN Tao，WANG Weisheng，DAI Huizhu，et al．Voltage disturbance and flicker caused by wind power generation［J］．Power System Technology，2003，27(12):62 66．

［6］任普春，石文輝，許曉艷，等．應(yīng)用SVC提高風(fēng)電場接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性［J］．中國電力，2007，40(11):97 101．REN Puchun，SHI Wenhui，XU Xiaoyan，et al．A study of voltage stability improvement by static var compensators in the electric power system including wind farms［J］．China Electric Power，2007，40(11):97 101．

［7］查國強，袁越，傅質(zhì)馨，等．考慮海底電纜充電功率的風(fēng)電場無功補償［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2013(2):54 60．ZHA Guoqiang，YUAN Yue，F(xiàn)U Zhixin，et al．Reactive compensation of offshore wind farm considering charging power of the submarine cable［J］．Power System and Clean Energy，2013(2):54 60．