利用網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性

王帥飛，王維慶，康 智，張 強(qiáng)，南東亮

(1.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心(新疆大學(xué))，新疆烏魯木齊830047；2.國(guó)網(wǎng)新疆綜合能源服務(wù)有限公司，新疆烏魯木齊830011)

0 引 言

在環(huán)境污染和一次能源緊缺的雙重壓力下，開發(fā)和利用清潔能源日益重要。作為一種典型的新型能源，風(fēng)能具有綠色、經(jīng)濟(jì)、緩解煤炭等一次能源緊缺的優(yōu)點(diǎn)，得到了中國(guó)政府和企業(yè)的高度關(guān)注。中國(guó)風(fēng)電發(fā)展初期風(fēng)電裝機(jī)容量相對(duì)較小，其接入對(duì)原電網(wǎng)的影響主要集中在風(fēng)功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的電壓偏差、諧波污染等問(wèn)題[1-3]。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電正逐步走向大規(guī)模、集中接入與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式。然而大規(guī)模風(fēng)電的接入對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)[4]。

近年來(lái)提高風(fēng)電并網(wǎng)后穩(wěn)定性的方法主要有：采用加裝無(wú)功補(bǔ)償器[5- 6]、增加導(dǎo)線電氣截面等[7-9]來(lái)提高大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性。然而采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)妊b置雖然可以提高風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性但同時(shí)提高了并網(wǎng)建設(shè)成本，此外還容易帶來(lái)諧波污染。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷增大，風(fēng)電電氣主接線與風(fēng)電匯集系統(tǒng)在整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程中的作用至關(guān)重要，可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的根基[10]。雖然在前期規(guī)劃時(shí)會(huì)最大程度上滿足各種需求，但受經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行等限制，系統(tǒng)難免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理的情況。所以，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。早期，系統(tǒng)的安全性是許多專家關(guān)注的主要問(wèn)題[11]，隨著地區(qū)間電網(wǎng)互聯(lián)程度的日益加深，電壓穩(wěn)定問(wèn)題顯得更加突出。

通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)電網(wǎng)的拓?fù)淇梢蕴岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性，投資相對(duì)較少，并且現(xiàn)代繼保為其實(shí)施提供了保護(hù)整定技術(shù)，無(wú)論從商業(yè)性、穩(wěn)定性、技術(shù)性等層面來(lái)講，改變系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式相對(duì)傳統(tǒng)方式具有很大優(yōu)勢(shì)[12-13]。已有文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與接線方式進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[14]推導(dǎo)并論證了電氣主接線對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功電壓控制更為有效。文獻(xiàn)[15]分析了3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，但并沒(méi)有綜合地考慮不同電氣主接線下對(duì)風(fēng)電的影響。

文章根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)地區(qū)現(xiàn)有電氣主接線與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的選擇，提出適用于風(fēng)電電力系統(tǒng)的電氣主接線與網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)母線的有功、無(wú)功裕度，從而提高風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)附近靜態(tài)、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

1 風(fēng)電電氣主接線方案選擇分析

通過(guò)改善網(wǎng)架電氣主接線可以加強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)以此提高電壓穩(wěn)定性。當(dāng)輸電線路通過(guò)原電力系統(tǒng)時(shí)，如果通過(guò)輸電線把原電網(wǎng)連接起來(lái)，相當(dāng)于將線路分成了兩段，縮小了電氣距離，從而使得長(zhǎng)距離的輸電線路中間點(diǎn)的電壓得到維持。且中間還能夠與輸電線交換有功功率，起到互為備用的作用。該節(jié)首先研究了風(fēng)電機(jī)組接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)常用的六種電氣主接線方案，通過(guò)分析比較，給出最符合技術(shù)要求、可靠性且滿足經(jīng)濟(jì)性的電氣主接線方案。然后分析了在給定主接線方案下三種常見的風(fēng)電場(chǎng)群匯集系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，比較不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響，為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的前期規(guī)劃提供參考。

方案1，選擇線路-變壓器組接線，主變采用兩繞組變壓器(YN，d)，35 kV系統(tǒng)所選擇為電阻接地變壓器，同時(shí)35 kV側(cè)安裝有SVC。

方案2，選擇線路-變壓器組接線，主變采用平衡線圈類型的三繞組變壓器(YN，yn+d)，主變35 kV側(cè)中性點(diǎn)由電阻接地，同時(shí)35 kV側(cè)安裝有SVC。

方案3，選擇線路-變壓器組接線，主變采用平衡線圈類型的三繞組變壓器(YN，yn+d)，變35 kV側(cè)中性點(diǎn)由電阻接地，同時(shí)10 kV側(cè)安裝有SVC。

方案4，220 kV單母接線，35 kV主變所選為單母線分段接線。主變采用兩繞組變壓器(YN，d)，主變35 kV側(cè)中性點(diǎn)由電阻接地，同時(shí)35 kV側(cè)安裝有SVC。

方案5，220 kV單母接線，35 kV主變所選為單母線分段接線。主變采用平衡線圈類型的三繞組變壓器(YN，yn+d)，變35 kV側(cè)中性點(diǎn)由電阻接地，同時(shí)35 kV側(cè)安裝有SVC。

方案6，220 kV單母接線，35 kV主變所選為單母線分段接線。主變采用平衡線圈類型的三繞組變壓器(YN，yn+d)，變35 kV側(cè)中性點(diǎn)由電阻接地，同時(shí)10 kV側(cè)安裝有SVC。

幾種風(fēng)電電氣主接線方案相似，主要區(qū)別在于：一主變采用兩繞組的變壓器(YN，d)或者三繞組變壓器(YN，yn+d)，二是主變是否經(jīng)過(guò)電阻接地，三是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器SVC配置的情況。

目前，風(fēng)電場(chǎng)主接線通常采用站用接地變壓器形式(方案1，2，3)。其優(yōu)點(diǎn)在于使用的開關(guān)柜數(shù)量較少，建設(shè)成本較低，但其較為簡(jiǎn)單但可靠性不高。方案4和方案6可以大大減少接地變壓器和回路數(shù)，較為可靠，缺點(diǎn)為增加了平衡線圈從而增加了成本。方案5綜合方案4和方案6優(yōu)點(diǎn)，但是造價(jià)成本較高。結(jié)合我們國(guó)家已經(jīng)建成風(fēng)電項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及上述方案分析對(duì)比，可以采用方案4和方案6的電氣主接線與原有并網(wǎng)結(jié)構(gòu)接線形式進(jìn)行比較試驗(yàn)，即220 kV和35 kV主變壓器分別采用單母線和單母分段接線方式；主變?yōu)槠胶饩€圈三繞組變壓器，主變35 kV側(cè)中性點(diǎn)通過(guò)電阻接地，母線配置SVC。

2 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)群電壓穩(wěn)定性的影響

大型風(fēng)電場(chǎng)群的功率匯集系統(tǒng)是一個(gè)將眾多風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出電能匯集起來(lái)，并送入主網(wǎng)的電氣系統(tǒng)。新疆地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組出口的電壓就地連續(xù)升壓到110/220 kV，然后通過(guò)輸電線將其傳輸?shù)絽R集點(diǎn)。由于在出口處與匯集點(diǎn)之間的電壓等級(jí)相對(duì)較高，充電功率以及電抗較大，因此匯集系統(tǒng)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)直接影響并網(wǎng)點(diǎn)的電壓特性。參照實(shí)際風(fēng)電工程，匯集系統(tǒng)通常采用交流方式匯集，典型的交流匯集拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有輻射型，鏈型和混合型3種，如圖1所示。假定設(shè)備型號(hào)、數(shù)目等影響電網(wǎng)建設(shè)成本因素相同時(shí)，3種不同電網(wǎng)匯集拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性成本和可靠性見表1。

表1 匯集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)和可靠性參數(shù)

圖1 風(fēng)電匯集系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)分析表1與圖2，可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于距離較遠(yuǎn)風(fēng)電場(chǎng)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可保障在出現(xiàn)N-1故障時(shí)，非故障線路正常傳輸功率，運(yùn)行可靠性高；缺點(diǎn)為建設(shè)成本較高。而結(jié)構(gòu)2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常適用于現(xiàn)成風(fēng)電場(chǎng)的主線路連接方式，具有成本低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是可靠性較差，中間線路一旦出現(xiàn)故障會(huì)影響所連接的風(fēng)電場(chǎng)。結(jié)構(gòu)3中的混合型形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由前兩者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，適用于風(fēng)電匯集系統(tǒng)中各風(fēng)電場(chǎng)地理位置分布不均勻場(chǎng)景。

3 算例分析

選用新疆風(fēng)電場(chǎng)作為案例，在電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT中建模，將風(fēng)電場(chǎng)接入已有的電網(wǎng)模型中，同時(shí)對(duì)比不同的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分析不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，接入同等容量的風(fēng)電場(chǎng)后所呈現(xiàn)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。所建立的電網(wǎng)模型如圖2所示。該地區(qū)電網(wǎng)是典型的風(fēng)電集中式電網(wǎng)，該地區(qū)風(fēng)資源充裕，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量大，負(fù)荷低，風(fēng)電場(chǎng)群A中共5個(gè)主要風(fēng)電場(chǎng)，各個(gè)機(jī)組以各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為單位由35 kV電壓等級(jí)接入風(fēng)電匯集站，再由220 kV母線統(tǒng)一匯入750 kV的主網(wǎng)架。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)群電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

3.1 風(fēng)電電氣主接線方案比較

該節(jié)主要探討不同電氣主接線方案對(duì)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定裕度的影響。所搭建的模型中，風(fēng)電場(chǎng)群A位于主電網(wǎng)的邊沿區(qū)域，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱，選用該地區(qū)的其中一處風(fēng)電場(chǎng)(風(fēng)電場(chǎng)B)驗(yàn)證不同電氣主接線方案對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功、無(wú)功裕度的影響，即分別對(duì)比了原電氣接線即方案1與方案5的電氣接線，見圖3。

圖3 不同方案下風(fēng)電場(chǎng)B電氣接線結(jié)構(gòu)

模型中，同時(shí)對(duì)比不同的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分析不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，接入同等容量的風(fēng)電場(chǎng)后所呈現(xiàn)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。所建立的電網(wǎng)模型如下圖2所示。該地區(qū)電網(wǎng)是典型的風(fēng)電集中式電網(wǎng)，風(fēng)資源充裕，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量大，負(fù)荷低，風(fēng)電場(chǎng)群A中共5個(gè)主要風(fēng)電場(chǎng)，各個(gè)機(jī)組以各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為單位由35 kV電壓等級(jí)接入風(fēng)電匯集站，再由220 kV母線統(tǒng)一匯入750 kV的主網(wǎng)架。

風(fēng)電場(chǎng)B由兩個(gè)子風(fēng)電場(chǎng)(風(fēng)電場(chǎng)B1和B2)并聯(lián)而成。方案1中兩個(gè)子風(fēng)電場(chǎng)分別從35 kV母線通過(guò)變壓器連接到220 kV風(fēng)電場(chǎng)PCC3母線處；方案5中風(fēng)電場(chǎng)B2就地連續(xù)升壓至110 kV連接在PCC2母線上，然后與PCC1經(jīng)變壓器連接到PCC3。

圖4為不同方案下B1風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)母線的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。從圖4b中可以看出方案5中，母線無(wú)功裕度幾乎為0，然而方案1還有一定的無(wú)功裕度，說(shuō)明加入三繞組變壓器可提高匯集母線的電壓穩(wěn)定性，但是同時(shí)也需要一定的無(wú)功補(bǔ)償。圖5中，B風(fēng)電場(chǎng)提高了母線的無(wú)功裕度但并沒(méi)有改變電壓崩潰點(diǎn)，表明電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性可以被風(fēng)電場(chǎng)主接線結(jié)構(gòu)所改善。

圖4 不同方案下B1風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)母線PCC3有功-電壓曲線

圖5 不同方案下B風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)母線無(wú)功-電壓曲線

3.2 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)群電壓穩(wěn)定性的影響

選用風(fēng)電場(chǎng)群A風(fēng)電匯集母線(750 kV)作為研究對(duì)象，比較不同匯集拓?fù)涮匦?。風(fēng)電場(chǎng)分別呈現(xiàn)鏈型、輻射型和混聯(lián)型，經(jīng)220 kV線路匯集到變電站，再經(jīng)750 kV主變接入電網(wǎng)。分別對(duì)風(fēng)電場(chǎng)群A的3種風(fēng)電接入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行潮流分析，可以得到3種結(jié)構(gòu)連接方式下A風(fēng)電場(chǎng)群的750 kV匯集母線處不同拓?fù)潇o態(tài)電壓穩(wěn)定參數(shù)，見表2。

表2 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下A風(fēng)電場(chǎng)群的匯集母線(750 kV)電壓靜穩(wěn)參數(shù)

由表2可看出，輻射形匯集系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)靜態(tài)臨界電壓最低，當(dāng)匯集系統(tǒng)投入相同容量無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，輻射形拓?fù)渲行膮R集站的穩(wěn)態(tài)電壓也最高，故電壓穩(wěn)定裕度最大。比較3種典型結(jié)構(gòu)，輻射形拓?fù)錈o(wú)功裕度最大，電壓靈敏度最小，具有最優(yōu)無(wú)功電壓特性。為了分析不同匯集拓?fù)鋵?duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)暫態(tài)影響，在圖2中3 s時(shí)增加一處單相短路故障設(shè)置并在3.1 s時(shí)解除故障，其仿真結(jié)果如圖6。

圖6 不同拓?fù)湎翧風(fēng)電場(chǎng)群并網(wǎng)母線暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)電力系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定裕度不能滿足要求時(shí)，可以通過(guò)改變風(fēng)電機(jī)組電氣主接線方式與風(fēng)電場(chǎng)集群匯集處的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高變電站本身甚至電力系統(tǒng)整體的電壓穩(wěn)定性。將上述方法應(yīng)用于西北地區(qū)風(fēng)電接入的實(shí)際電網(wǎng)中，可以得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)比不同風(fēng)電機(jī)組電氣主接線方案，提出采用方案5來(lái)提高風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性水平。結(jié)果表明該方案能夠提高風(fēng)電接入地區(qū)母線電壓的有功與無(wú)功裕度。

(2)在不同拓?fù)湎聦?duì)風(fēng)電場(chǎng)群并網(wǎng)母線的靜態(tài)電壓和暫態(tài)電壓進(jìn)行仿真，結(jié)果表明輻射形拓?fù)湓陔妷悍€(wěn)定性方面更具優(yōu)勢(shì)，所得結(jié)論對(duì)于實(shí)際工程具有一定的借鑒價(jià)值。