動態(tài)無功補(bǔ)償對風(fēng)電基地并網(wǎng)的支撐作用

李　鵬，　紀(jì)東妮，　陳得治，　宋云亭，　汪寧渤(1.華北電力大學(xué)，河北保定07100；.?？诠╇娋?，海南海口5700；.中國電力科學(xué)研究院，北京10019；.甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心，甘肅蘭州70050)

動態(tài)無功補(bǔ)償對風(fēng)電基地并網(wǎng)的支撐作用

李鵬1,2，紀(jì)東妮2，陳得治3，宋云亭3，汪寧渤4
(1.華北電力大學(xué)，河北保定071003；2.?？诠╇娋?，海南?？?70203；3.中國電力科學(xué)研究院，北京100192；4.甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心，甘肅蘭州730050)

針對我國酒泉大型風(fēng)電基地并網(wǎng)存在的諸如電壓攀升、電壓失穩(wěn)和低頻振蕩等安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)問題，基于西北電網(wǎng)2012年冬大方式，利用BPA仿真平臺，仿真研究了動態(tài)無功補(bǔ)償對風(fēng)電并網(wǎng)安全問題的支撐與改善作用，重點(diǎn)論述了動態(tài)無功補(bǔ)償抑制低頻振蕩的原理。分析結(jié)果表明：充分利用動態(tài)無功補(bǔ)償自動、快速調(diào)控?zé)o功出力特性，能較好地提升酒泉風(fēng)電基地接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

電壓攀升；低頻振蕩；電壓失穩(wěn)；安全穩(wěn)定；動態(tài)無功補(bǔ)償

大型風(fēng)電基地接入并遠(yuǎn)距離外送是中國風(fēng)電開發(fā)的主要模式，國家已規(guī)劃了多個(gè)千萬千瓦級風(fēng)電基地。大型風(fēng)電基地并網(wǎng)不同于大規(guī)模分散式接入電網(wǎng)的模式，有特定的安全穩(wěn)定問題[1]。按照《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電場應(yīng)配置一定的動態(tài)無功補(bǔ)償，其作為風(fēng)電并網(wǎng)重要的控制設(shè)備之一，在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制中發(fā)揮了較大作用[2]。業(yè)內(nèi)針對風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)睦碚摵凸こ虇栴}作了大量研究，文獻(xiàn)[3]針對酒泉風(fēng)電基地大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故，提出風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備存在缺陷，是導(dǎo)致大量風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)的主要原因；文獻(xiàn)[4]在長距離輸電線上裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償(SVC)裝置，增加抑制低頻振蕩的阻尼力矩，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能；文獻(xiàn)[5]提出由于風(fēng)電出力的波動性和間歇性的特點(diǎn)，會對電網(wǎng)低頻振蕩產(chǎn)生擾動，通過配置動態(tài)無功補(bǔ)償裝置可降低該擾動。

目前，關(guān)于風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)控對實(shí)際大型風(fēng)電基地接入造成的多種安全穩(wěn)定問題的改善研究還較為少見。本文基于甘肅酒泉風(fēng)電基地并網(wǎng)實(shí)際，仿真研究了動態(tài)無功補(bǔ)償對風(fēng)電并網(wǎng)安全問題的支撐與改善作用，具體分為以下幾方面：(1)大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)帶來的電壓攀升問題；(2)風(fēng)電出力快速波動造成的電壓質(zhì)量甚至電壓失穩(wěn)問題；(3)大規(guī)模風(fēng)電輸送引發(fā)的低頻振蕩問題。

1 酒泉風(fēng)電基地動態(tài)無功補(bǔ)償概述

酒泉風(fēng)電基地呈現(xiàn)大規(guī)模、集中并網(wǎng)的格局，并通過高壓遠(yuǎn)距離外送風(fēng)電電力。由于酒泉當(dāng)?shù)刎?fù)荷較小，多數(shù)風(fēng)電場電力通過330 kV升壓站匯集后送入750 kV電網(wǎng)，再通過750 kV敦煌-酒泉-河西-武勝輸電通道送至西北主網(wǎng)。風(fēng)電場配置的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置裝設(shè)在330 kV升壓變35 kV側(cè)。酒泉風(fēng)電場的典型接線示意圖如圖1所示。

1.1風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償配置

風(fēng)電場配置的動態(tài)無功補(bǔ)償分為靜止無功補(bǔ)償裝置和靜

圖1　　酒泉風(fēng)電場典型接線及動態(tài)無功補(bǔ)償配置地點(diǎn)示意圖

1.2動態(tài)無功補(bǔ)償裝置原理與特性

1.2.1靜止無功補(bǔ)償器(SVC)

SVC依靠晶閘管等電力電子器件完成投切動作，能夠快速、連續(xù)、雙向調(diào)節(jié)無功功率的大小，提供動態(tài)的電壓支撐。TCR支路實(shí)現(xiàn)感性無功的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)無功的調(diào)節(jié)，F(xiàn)C回路主要提供容性無功補(bǔ)償。控制系統(tǒng)通過采集電網(wǎng)的電流、電壓對電網(wǎng)的無功狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并依據(jù)策略控制晶閘管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)無功調(diào)節(jié)[6]。

1.2.2靜止無功發(fā)生器(SVG)

SVG是由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。SVG通過調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，具有較快的響應(yīng)速度和較好的暫態(tài)無功補(bǔ)償特性[7]。止無功發(fā)生器。本研究基于PSD-BPA軟件建立了動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的靜態(tài)、暫態(tài)模型。動態(tài)無功補(bǔ)償采用的控制策略為定電壓控制，一般配置在風(fēng)電場并網(wǎng)變的低壓側(cè)，控制高壓側(cè)母線電壓為初始穩(wěn)態(tài)值。表1列出了酒泉部分風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的類型和容量，表中SVC為靜止無功補(bǔ)償器，SVG為靜止無功發(fā)生器。

????????????????????????? ?? 　????? 　?????? 　???????/MW 　???????????(??～??)/MVar 1 　?????? 　??????? ! 　600 　SVC(90～27) 2 　"#?? 　??"#$? ! 　600 　SVG(93～28) 3 　?％?? 　???％? ! 　600 　SVC(106～54) 4 ?。mp;’?? 　??＆amp;’? ! 　600 　SVC(90～27)

2 風(fēng)電基地動態(tài)無功補(bǔ)償對電網(wǎng)安全支撐

2.1風(fēng)電場并網(wǎng)靜態(tài)無功電壓特性及動態(tài)補(bǔ)償?shù)某跏蓟吔?/p>

基礎(chǔ)方式為西北電網(wǎng)2012年冬大方式、新疆送西北1 000 MW功率，酒泉風(fēng)電基地出力約為2 661 MW(裝機(jī)為5 000 MW)，基礎(chǔ)方式750 kV河西通道功率大小如下：哈密-敦煌斷面997.7 MW，敦煌-酒泉斷面3 484.1 MW，酒泉-河西斷面(包括張山330 kV雙回線)3 740.4 MW(加入330 kV斷面功率)，河西-武勝斷面(包括河涼330 kV雙回線)3 214.4 MW，具體潮流如圖2所示。

基礎(chǔ)方式河西各主要750、330 kV變電站母線電壓水平如表2所示，可知電壓水平都在合理范圍內(nèi)。

圖2　酒泉風(fēng)電基地近區(qū)電網(wǎng)潮流示意圖

?????????????????????????? ??750 ??750/330 ??750/330 ??750/330 ??750/330 7 7 2 . 7 　7 6 0 .1 / 3 5 3 . 0 　7 5 2 . 7 /3 5 9 .6 　7 5 2 . 8 / 3 5 2 . 5 　7 5 9 .4 / 3 4 7 . 3 ? ? 3 3 0 　? ? 3 3 0 　? ? ? 3 3 0 　? ? 3 3 0 　? ? 3 3 0 3 5 3 . 5 　3 5 9 .5 　3 5 8 . 8 　3 5 5 . 7 　3 4 9 .1

2.2對風(fēng)電規(guī)?；摼W(wǎng)電壓攀升的抑制

2011年2月，西北電網(wǎng)酒泉地區(qū)風(fēng)電場內(nèi)一個(gè)35 kV開關(guān)柜間隔內(nèi)電纜頭發(fā)生絕緣擊穿故障，故障發(fā)生后因電壓過低、電壓過高造成598臺風(fēng)電機(jī)組先后脫網(wǎng)，損失出力達(dá)840.43 MW[8]。事故直接原因是故障導(dǎo)致電壓低且風(fēng)電機(jī)組普遍不具備低電壓穿越能力，但風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備僅投入容性部分或未投入自動控制功能，對故障后期主網(wǎng)電壓大幅度升高起到了“推波助瀾”的作用，導(dǎo)致大量風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)，是事故擴(kuò)大的主要原因。

基于典型方式，分析實(shí)際中可能發(fā)生風(fēng)電規(guī)?；摼W(wǎng)的無功電壓特性，并針對風(fēng)電脫網(wǎng)引發(fā)的無功電壓運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，分析風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償正常動作的控制效果。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生某擾動，導(dǎo)致酒泉風(fēng)機(jī)(主要是瓜州地區(qū))脫網(wǎng)600 MW時(shí)，河西通道主要750 kV變電站母線電壓動態(tài)變化如圖3所示。

圖3　風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)600 MW時(shí)河西通道各750 kV變電站母線電壓變化曲線示意圖

從圖3可看出風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)，河西通道各750 kV變電站母線電壓均大幅度攀升。由于風(fēng)電脫網(wǎng)導(dǎo)致送出風(fēng)電的河西通道潮流變輕，進(jìn)而河西通道對系統(tǒng)等效的充電無功功率加大，引起河西通道各750 kV母線電壓快速攀升，這其中升高程度最大的是750 kV敦煌母線，敦煌母線電壓已超過標(biāo)幺值1，即電壓有名值大于安全電壓800 kV，對設(shè)備絕緣等構(gòu)成了一定威脅。

為降低風(fēng)電脫網(wǎng)導(dǎo)致的母線電壓升高給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)，利用風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償快速調(diào)控提供的無功支撐抑制風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)引起的母線電壓升高問題。仿真分析酒泉風(fēng)電場配置的動態(tài)無功補(bǔ)償對風(fēng)電脫網(wǎng)后敦煌母線電壓升高的抑制作用，仿真結(jié)果見圖4、圖5。

圖4　　風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)臒o功輸出

圖5　　動態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)控對風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后敦煌母線電壓攀升的控制效果比對示意圖

當(dāng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)并采用動態(tài)無功補(bǔ)償自動調(diào)控后，各風(fēng)電場的動態(tài)無功補(bǔ)償為抑制母線電壓升高，都快速輸出接近最大額定容量的感性無功，如北大橋西一風(fēng)電場的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置從容性16 MVar迅速變?yōu)楦行? MVar，敦煌母線電壓的攀升得到了抑制，電壓升至的最高點(diǎn)為0.974 pu(779.2 kV)，可見采用動態(tài)無功補(bǔ)償后電壓可控制在合理范圍內(nèi)。

2.3對風(fēng)電出力快速變化電壓波動的改善

風(fēng)能具有間歇性、波動性以及隨機(jī)性的特點(diǎn)，這決定了風(fēng)電出力可能會大幅度、高頻率、快速變化，風(fēng)電場出力在短時(shí)間內(nèi)存在由零快速變化到最大值的可能。

風(fēng)電出力快速增大將導(dǎo)致并網(wǎng)近區(qū)短時(shí)間內(nèi)消耗較大的無功，并網(wǎng)近區(qū)母線電壓將快速下降?；诘湫头绞?，模擬風(fēng)電出力短時(shí)間內(nèi)快速波動到最大的極端危險(xiǎn)情況，并仿真輸出近區(qū)母線電壓。由圖6可見750 kV敦煌母線電壓急劇跌落，最終跌至約0.79 pu，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)，《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》中電壓穩(wěn)定的判據(jù)是：擾動后的暫態(tài)過程中，負(fù)荷母線電壓能夠在10 s內(nèi)恢復(fù)到0.8 pu電壓以上。

圖6　750 kV敦煌母線電壓的急劇跌落情況

為抑制并網(wǎng)近區(qū)母線電壓跌落，采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置來自動補(bǔ)償風(fēng)電并網(wǎng)近區(qū)無功的變化，對母線電壓提供支撐。分別將現(xiàn)有酒泉風(fēng)電場配置的不同類型的動態(tài)無功補(bǔ)償替換為SVC或SVG，以進(jìn)一步研究不同動態(tài)無功補(bǔ)償裝置類型對電壓支撐的差異性，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　不同動態(tài)無功補(bǔ)償裝置調(diào)控下的敦煌750 kV母線電壓比對示意圖

圖8　干西1風(fēng)電場不同類型動態(tài)無功補(bǔ)償無功輸出比對

由圖7可見：經(jīng)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置調(diào)控后，敦煌750 kV母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定，其中，SVC調(diào)控后，母線電壓幅值的均值達(dá)到0.81 pu，而SVG調(diào)控后的母線電壓幅值要高于SVC調(diào)控后的母線電壓幅值，為0.82 pu，因此，經(jīng)SVG調(diào)控后的電壓穩(wěn)定性將更好。為抑制電壓的快速下降，動態(tài)無功補(bǔ)償分別輸出容性無功，圖8給出了干西1風(fēng)電場兩種類型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置分別調(diào)控下的無功輸出，SVG無功輸出從容性輸出2 MVar迅速增加為31 MVar，SVC無功輸出約為從容性輸出2 MVar迅速增加27 MVar?？梢姡煌愋蛣討B(tài)無功補(bǔ)償裝置輸出無功是不同的，SVG由于其電壓源型的實(shí)現(xiàn)原理，它的無功輸出具有正的電壓調(diào)節(jié)特性，電壓下降越大，SVG輸出的無功功率越多；對SVC而言，當(dāng)電壓變化超出一定范圍時(shí)，其無功輸出具有負(fù)的電壓調(diào)節(jié)特性，電壓下降越大，無功輸出也越少，對電壓支撐效果低于SVG。

2.4對風(fēng)電送出的低頻振蕩問題的支撐

由于酒泉地區(qū)風(fēng)電外送與疆電外送共用一個(gè)河西輸電通道進(jìn)行大容量、長距離輸電，同時(shí)現(xiàn)階段新疆相對于西北主網(wǎng)仍屬于弱聯(lián)系的長鏈電網(wǎng)，當(dāng)河西輸電通道發(fā)生故障時(shí)，容易出現(xiàn)由于欠阻尼而產(chǎn)生的低頻振蕩[9]。通過研究可知：河西通道輸電的限制斷面為酒泉-河西斷面(泉河斷面)，泉河斷面是一個(gè)750 kV酒泉-河西雙回線與330 kV張掖-山丹雙回線的電磁環(huán)網(wǎng)斷面，該斷面?zhèn)鬏敼β实南拗乒收蠟榫迫?河西750 kV雙回線中一條線路的三相永久性短路故障，失穩(wěn)模式為新疆機(jī)組相對于西北主網(wǎng)機(jī)組發(fā)生低頻振蕩。

在基礎(chǔ)方式下，當(dāng)酒泉-河西雙回線中的一回線河西側(cè)發(fā)生三相永久性短路故障，酒泉-河西雙回線中的另外一回流經(jīng)的功率出現(xiàn)低頻振蕩。為了比對風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償對故障后動態(tài)過程的支撐作用，分別對風(fēng)電場有、無動態(tài)無功補(bǔ)償情況進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9　風(fēng)電場有、無動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)娜訑嗝婀β收袷幈葘κ疽鈭D

圖10　風(fēng)電場有、無動態(tài)無功補(bǔ)償，參與振蕩的某新疆發(fā)電機(jī)功角振蕩曲線比對示意圖

圖11　　風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償無功輸出比對示意圖

由圖9和圖10可知：相對于無動態(tài)無功補(bǔ)償，計(jì)及動態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)控后泉河線路流經(jīng)的功率和新疆機(jī)組發(fā)電機(jī)功角都振蕩衰減較快，動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)控可有效抑制低頻振蕩，動態(tài)無功補(bǔ)償裝置無功輸出如圖11所示。

發(fā)電機(jī)的二階轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程如下：

式中：δ為發(fā)電機(jī)的功角；ω為轉(zhuǎn)速；Pm為原動機(jī)功率；Pe為電磁功率；TJ為轉(zhuǎn)子軸系的慣性常數(shù)。發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率Pe正比于節(jié)點(diǎn)電壓，因此可通過控制節(jié)點(diǎn)電壓來阻尼振蕩。

結(jié)合圖9～圖11，分析動態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)控抑制低頻振蕩的原理，具體如下：系統(tǒng)故障后，新疆發(fā)電機(jī)功角發(fā)生衰減很慢的低頻振蕩，在振蕩過程中，當(dāng)功角逐步增大，即時(shí)，由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程可知ω＆gt;1，為使ω保持在1，應(yīng)減小ω，即，為此調(diào)控動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，增加向系統(tǒng)注入的無功功率，抬升節(jié)點(diǎn)電壓，增加發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率Pe，Pm近似不變，即可實(shí)現(xiàn)，如圖10、圖11的仿真時(shí)段6～8 s即實(shí)現(xiàn)了此調(diào)控過程，圖10中發(fā)電機(jī)振蕩功角逐漸增大，相應(yīng)地，圖11中的動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備向系統(tǒng)注入無功也隨之增加，有利于振蕩衰減，其它類似的調(diào)控如0～1 s、3～5 s、10～12 s，不贅述；同理，當(dāng)振蕩過程中功角逐步減小，即時(shí)，ω＆lt;1，為使ω保持在1，應(yīng)增加ω，即，為此調(diào)控動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，減少向系統(tǒng)注入的無功功率甚至從系統(tǒng)吸收無功功率，降低節(jié)點(diǎn)電壓，減小發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率Pe，Pm近似不變，即可實(shí)現(xiàn)如圖10、圖11的仿真時(shí)段8～10 s即實(shí)現(xiàn)了此調(diào)控過程，圖10中的發(fā)電機(jī)振蕩功角逐步減小，圖11中動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備向系統(tǒng)注入無功也隨之降低，如此有利于振蕩衰減，其它類似的調(diào)控如1～3 s、5～6 s，不贅述。

綜上，動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備可通過快速調(diào)節(jié)其注入系統(tǒng)的無功功率來控制節(jié)點(diǎn)電壓和線路功率，以實(shí)現(xiàn)阻尼系統(tǒng)振蕩的目的。

3 結(jié)論

結(jié)合酒泉風(fēng)電基地并網(wǎng)的實(shí)際情況，針對酒泉風(fēng)電基地接入后電網(wǎng)存在的實(shí)際安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，從如下三個(gè)方面分析了風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償對電網(wǎng)安全的支撐作用：(1)對酒泉風(fēng)電基地發(fā)生規(guī)模化脫網(wǎng)出現(xiàn)的電壓攀升問題的控制；(2)對酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電出力快速上升引起的母線電壓急劇跌落的抑制；(3)對酒泉風(fēng)電基地送電通道故障出現(xiàn)的低頻振蕩問題的控制。由仿真分析可知：充分利用動態(tài)無功補(bǔ)償自動、快速調(diào)控?zé)o功出力的特性，能較好地提升酒泉風(fēng)電基地接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。因此，應(yīng)加強(qiáng)酒泉風(fēng)電基地各風(fēng)電場的運(yùn)行管理，使得風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償都正常投入、有效運(yùn)行。

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Analysis on supporting effect of dynamic reactive power compensation to power grid connected with wind farms

LI Peng1,2,JI Dong-ni2,CHEN De-zhi3,SONG Yun-ting3,WANG Ning-bo4
(1.North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China;2.Haikou Power Supply Bureau,Haikou Hainan 570203,China; 3.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;4.Wind Power Technology Center of Gansu Electric Power Company, Lanzhou Gansu 730050,China)

Some security and stability operational risks,such as voltage rising,voltage instability and low-frequency oscillation happened while integrating jiuquan large-scale wind farms into northwest china power grid.Effects of dynamic reactive power compensation equipment on grid security and stability were studied through using BPA simulation software and real operation data of Northwest Power Grid in the winter of 2012.The principal that dynamic reactive power compensation equipments suppress low-frequency oscillation was elaborated.Simulation results show that the security and stability of power grid with jiuquan large-scale wind farms can be improved by fully utilizing the automatic,fast regulation capacity of dynamic reactive power compensation equipment.

voltage rising;low-frequency oscillation;voltage instability;security and stability;dynamic reactive power compensation

TM 614

A

1002-087 X(2016)01-0169-04

2015-06-09

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(XT71-12-009)

李鵬(1989—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定及新能源并網(wǎng)。