青南新能源集中送出地區(qū)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案對(duì)比研究

李志強(qiáng)，何鳳軍，郭強(qiáng)，蔣維勇

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市 昌平區(qū) 102209）

0 引言

“集中式開發(fā)，遠(yuǎn)距離輸送”是我國新能源發(fā)電的顯著特征，并隨著特高壓直流的大規(guī)模發(fā)展而日益強(qiáng)化。風(fēng)電、光伏等新能源場(chǎng)站通常位于結(jié)構(gòu)薄弱的末端電網(wǎng)，且本地負(fù)荷有限，大量有功功率需長距離匯集至特高壓直流送端換流站，需要大量的無功支撐。然而，新能源機(jī)組的調(diào)壓能力和高、低壓穿越能力遠(yuǎn)不及常規(guī)機(jī)組[1]，配套的無功補(bǔ)償設(shè)備性能參差不齊且缺乏協(xié)調(diào)，因此新能源集中送出地區(qū)電壓穩(wěn)定問題非常突出[2-6]，故障情況下很容易誘發(fā)大規(guī)模的連鎖脫網(wǎng)事故。

歷次大規(guī)模新能源機(jī)組脫網(wǎng)故障的分析表明，動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)能力不足引起的系統(tǒng)電壓波動(dòng)或失穩(wěn)是造成機(jī)組大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)的重要原因[7]。典型過程如下：電氣設(shè)備短路故障導(dǎo)致近區(qū)廠站電壓下降，部分風(fēng)電機(jī)組Crowbar 保護(hù)動(dòng)作從電網(wǎng)吸收更多無功，誘發(fā)部分機(jī)組低電壓脫網(wǎng)。故障消失和首批機(jī)組脫網(wǎng)后，網(wǎng)內(nèi)無功過剩和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的失調(diào)將導(dǎo)致局部電壓過高，觸發(fā)新能源機(jī)組高電壓脫網(wǎng)[8-9]。大規(guī)模的連鎖脫網(wǎng)導(dǎo)致有功缺額大幅增加，引發(fā)系統(tǒng)頻率波動(dòng)，造成更多機(jī)組因頻率保護(hù)脫網(wǎng)，進(jìn)一步擴(kuò)大事故影響范圍，威脅主網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，如何對(duì)新能源廠站進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，防止連鎖脫網(wǎng)事故一直是新能源研究的熱點(diǎn)問題。

針對(duì)新能源大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)問題，以往解決措施集中在提高風(fēng)電轉(zhuǎn)子Crowbar 保護(hù)定值、改進(jìn)變流器運(yùn)行方式、加裝自動(dòng)調(diào)節(jié)靜止無功補(bǔ)償器（static var compensator，SVC）或靜止無功發(fā)生器（static var generator，SVG）等方面[8,10-11]。上述措施雖然可以在一定程度上改善連鎖脫網(wǎng)問題，但是在理論和實(shí)現(xiàn)方面仍存在一定的局限。首先，對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)而言，在不增加機(jī)側(cè)變流器的情況下Crowbar 保護(hù)定值的提高只是降低了設(shè)備的安全裕度；其次，通過優(yōu)化變流器控制方式使其在故障期間向系統(tǒng)提供無功功率一方面受到變流器容量的限制，另一方面其在非對(duì)稱故障期間的可靠性難以保障，至今未有廣泛應(yīng)用；最后SVC 和SVG配置容量大約只有新能源廠站額定功率的20%～25%左右且過載能力較差，很難提供足夠的動(dòng)態(tài)無功支撐。

隨著快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)同步調(diào)相機(jī)在換流站的投運(yùn)，調(diào)相機(jī)在抑制換流站過電壓或換相失敗，提高特高壓直流輸送功率方面所起的作用日益凸顯[12-13]。然而，研究發(fā)現(xiàn)，特高壓直流送端電網(wǎng)在發(fā)生連續(xù)換相失敗等故障時(shí)，最嚴(yán)重的過電壓和低電壓往往發(fā)生在新能源場(chǎng)站的110 kV 和35 kV母線[14-15]。現(xiàn)有大型調(diào)相機(jī)均集中布置在換流站或變電站，對(duì)改善整個(gè)送端電網(wǎng)尤其是新能源廠站附近區(qū)域的電壓穩(wěn)定水平效果有限。

青海海南（簡稱青南，下同）—河南特高壓直流工程是首條定位為100%清潔能源送出的特高壓直流線路，其送端需要通過風(fēng)、光（光熱）與黃河上游水電聯(lián)合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，為直流提供穩(wěn)定、可控的電力輸出。根據(jù)2020 年規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，限制青南—河南特高壓直流外送的主要問題是直流嚴(yán)重故障時(shí)送端系統(tǒng)的過電壓。針對(duì)青南送端電網(wǎng)面臨的動(dòng)態(tài)無功支撐不足等問題，提出了新型分布式調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案。新型分布式調(diào)相機(jī)采用集成化、模塊化設(shè)計(jì)，可以整機(jī)運(yùn)輸、室外布置，單機(jī)容量一般在50 MV·A以下。相比于SVC 和SVG，分布式調(diào)相機(jī)在向系統(tǒng)提供短路容量和短時(shí)過載能力方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以提供慣量支持，有望在提升系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用。本文結(jié)合青南電網(wǎng)的實(shí)際情況，對(duì)比研究不同動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案對(duì)送端電網(wǎng)暫態(tài)電壓的影響，基于綜合補(bǔ)償效果篩選出最佳的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案。

1 青南新能源基地及直流送出概況

根據(jù)青南新能源基地開發(fā)布局，青南地區(qū)現(xiàn)有及規(guī)劃開發(fā)的新能源相對(duì)較為集中，主要分布在共和縣塔拉灘地區(qū)和切吉鄉(xiāng)地區(qū)，其中光伏和光熱主要分布在塔拉灘地區(qū)，裝機(jī)規(guī)模分別約15510 MW 和2250 MW，風(fēng)電主要分布在切吉鄉(xiāng)和二塔拉地區(qū)，裝機(jī)規(guī)模分別約3260 MW 和800 MW。青南基地大部分新能源集中分布在已有塔拉750 kV 變電站和規(guī)劃建設(shè)的青南、塘格木750 kV 變電站周圍，就近匯集后經(jīng)750 kV 變電站接入青海主網(wǎng)。

青南新能源通過青南—河南駐馬店特高壓直流工程送出，該線路起于青海海南藏族自治州共和縣，止于河南駐馬店地區(qū)，途徑青海、甘肅、陜西、河南四省。工程規(guī)劃輸電電壓等級(jí)為±800kV，全線總長約1582 km，輸送容量800 萬kW，是國內(nèi)首條定位為100%清潔能源送出的特高壓直流線路。工程計(jì)劃2020 年建成投運(yùn)，2022 年達(dá)到滿功率輸送。青南換流站暫裝設(shè)4×300 MV·A 調(diào)相機(jī)，每臺(tái)調(diào)相機(jī)設(shè)置1 臺(tái)360 MV·A的調(diào)相機(jī)變壓器。青南750 kV 換流站通過8 回750 kV 線路接入系統(tǒng)，分別為青南換—塔拉3 回、青南換—西寧3 回、青南換—瑪爾擋2 回。

2 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案及接入方式

目前新能源場(chǎng)站典型的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置有SVC 和SVG 這2 種。由于SVG 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，無功輸出較少受并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響，隨著SVG價(jià)格的下降，SVG 目前已成為主要的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式。SVG 主流的接入方式有10 kV 降壓式SVG和35 kV 直掛式SVG 這2 種，如圖1 所示[6]。

圖1 SVG 典型接線方式Fig.1 Typical connecting mode of SVG

10 kV 降壓式SVG 需要穿越主變，單套容量較小，補(bǔ)償效果弱；隨著35 kV 直掛式SVG 技術(shù)的成熟和價(jià)格的下降，新的SVG 大多采用35 kV直掛式。

新型分布式調(diào)相機(jī)根據(jù)接入電壓等級(jí)的不同也可分為35 kV 母線場(chǎng)站接入和110 kV 匯集站接入，在匯集站又可分為110 kV 母線接入和經(jīng)三繞組變壓器接入，典型的接入方式如圖2 所示。

圖2 分布式調(diào)相機(jī)典型接線方式Fig.2 Typical connecting mode of distributed synchronous condenser synchronous condenser

隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，SVG 直連35 kV 母線成為新能源場(chǎng)站動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)闹髁?，為此本文不再討論SVC 方案和10 kV 降壓的SVG方案。鑒于換流站已規(guī)劃有4×300 MV·A 大型調(diào)相機(jī)的實(shí)際情況，本文將在換流站進(jìn)一步增加大型調(diào)相機(jī)也作為一種比選方案。因此，本文動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案分別為SVG 直掛35 kV 母線，調(diào)相機(jī)接35 kV 場(chǎng)站母線，調(diào)相機(jī)接匯集站110 kV 母線，調(diào)相機(jī)經(jīng)匯集站三繞組變壓器接入系統(tǒng)，以及調(diào)相機(jī)在換流站集中布置5 種。

3 不同無功補(bǔ)償方案對(duì)新能源廠站暫態(tài)電壓的影響

目前，特高壓直流換相失敗或雙極閉鎖導(dǎo)致的送端電網(wǎng)過電壓問題是限制青南新能源送出的主要因素。由新能源廠站的運(yùn)行特性可知，直流換相失敗時(shí)，新能源機(jī)組在換相失敗初期的低電壓脫網(wǎng)往往進(jìn)一步加重后續(xù)的過電壓水平。因此本文從抑制過電壓和提高低電壓支撐兩方面對(duì)不同動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案進(jìn)行對(duì)比。

圖3 青南新能源場(chǎng)站地理接線圖Fig.3 Geographical connection map of new energy station in the southern Qinghai

圖3 所示為青南直流換流站近區(qū)地理接線圖，其中紅色標(biāo)出的是過電壓水平最嚴(yán)重的7 個(gè)站點(diǎn)。按照規(guī)劃，青南新能源場(chǎng)站將按發(fā)電容量的20%～25%配置無功補(bǔ)償設(shè)備。按照2020 年底的規(guī)劃網(wǎng)架，在特高壓直流大負(fù)荷8000 MW 方式下，雙極閉鎖或連續(xù)換相失敗等故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的過電壓問題。本文選擇了過電壓水平最高的7 個(gè)場(chǎng)站，分析直流連續(xù)換相失敗和雙極閉鎖情況下，不同的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案對(duì)新能源場(chǎng)站母線電壓的影響，其中不同方案的補(bǔ)償容量與上述7 個(gè)新能源場(chǎng)站正常的SVG 配套總?cè)萘肯嗟?。圖4所示為直流2 次換相失敗等故障期間青光一場(chǎng)站場(chǎng)內(nèi)110 kV 母線的電壓變化情況，35 kV 母線電壓變化情況與110 kV 母線基本相同。

圖4 直流2 次換相失敗期間青光一110 kV 母線電壓Fig.4 Qingguang 110kV bus voltage during continuous commutation failures

由圖4 可見，采用分布式調(diào)相機(jī)時(shí)，新能源場(chǎng)站母線在第一次換相失敗期間的低電壓問題得到了顯著的改善，這將極大地減少低電壓脫網(wǎng)機(jī)組，并有效緩解機(jī)組低電壓脫網(wǎng)導(dǎo)致?lián)Q相失敗后期的過電壓加重問題。

仿真結(jié)果表明，相比于SVG 或集中接入方案，分布式調(diào)相機(jī)補(bǔ)償方案在抑制換相失敗后期的新能源場(chǎng)站的過電壓問題方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

比較分布式調(diào)相機(jī)3 種接入方式的仿真結(jié)果可以看出，不同接入方式對(duì)新能源場(chǎng)站110 kV 的過電壓抑制能力基本相當(dāng)，但110 kV 接入方式對(duì)35 kV 母線的過電壓抑制能力較弱。

圖5 直流2 次換相失敗時(shí)各無功補(bǔ)償裝置的無功輸出Fig.5 Reactive power output of different compensation device during continuous commutation failures

圖5 所示為各動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功輸出，為便于比較，上述無功已按照本身的額定容量折算為標(biāo)幺值。比較圖5 和圖4 的母線電壓可以看出，SVG 在第一次換相失敗初期無功的輸出有明顯滯后，母線電壓在1.86 s 時(shí)跌至最低值，而SVG 最大無功出現(xiàn)在1.92～1.95 s。一方面，SVG受限于1.1 倍的過流能力，在母線電壓跌落至0.4 pu以下時(shí)很難提供足夠的無功輸出，比如在電壓跌落的1.8～1.9 s 內(nèi)其無功輸出最大只有0.5 pu；另一方面，由于SVG 控制環(huán)節(jié)的延時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)電壓超過1.0 pu 時(shí)，SVG 的無功電流未及時(shí)返回，反而出現(xiàn)了更大的無功輸出。

相比而言，調(diào)相機(jī)在短時(shí)間內(nèi)的無功輸出并不依賴控制系統(tǒng)，其無功響應(yīng)基于自身的電磁特性，具有更好的電壓跟蹤能力，因此第一次換相失敗初期當(dāng)母線電壓最低時(shí)，調(diào)相機(jī)無功輸出可達(dá)1.3～1.5 pu。因此，分布式調(diào)相機(jī)可將母線電壓提升至0.6 pu 以上。然而，集中布置的調(diào)相機(jī)由于距離新能源場(chǎng)站較遠(yuǎn)，盡管也有很強(qiáng)的無功輸出，但很難為新能源場(chǎng)站的電壓提供有效支撐。其他6 個(gè)新能源場(chǎng)站母線在換相失敗期間的電壓變化情況與青光一場(chǎng)站類似。

進(jìn)一步分析直流雙極閉鎖期間新能源場(chǎng)站110 kV 母線電壓變化情況如圖6 所示，35 kV 母線電壓變化情況與110 kV 母線基本相同。

由圖6 可以看出，直流雙極閉鎖期間，分布式調(diào)相機(jī)補(bǔ)償方案對(duì)新能源場(chǎng)站母線的過電壓抑制能力同樣遠(yuǎn)大于SVG 和集中接入的調(diào)相機(jī)，其中換流站集中補(bǔ)償?shù)姆绞竭€存在比較嚴(yán)重的穩(wěn)態(tài)過電壓問題。

4 不同方案對(duì)區(qū)域系統(tǒng)電壓的影響

圖6 直流雙極閉鎖時(shí)青光一110 kV 母線電壓Fig.6 Qingguang 110kV bus voltage during DC bipolar block

為了進(jìn)一步確定最佳的無功補(bǔ)償方案和適配容量，避免個(gè)別母線的仿真結(jié)果影響結(jié)論的公正性。本文提取了直流近區(qū)所有新能源場(chǎng)站110 kV母線和35 kV 母線在2 次換相失敗期間的最高和最低電壓，以此衡量該地區(qū)的過電壓水平和低電壓水平。通過比較不同無功補(bǔ)償方案在不同配置容量下對(duì)整個(gè)地區(qū)過電壓和低電壓水平的影響，綜合評(píng)價(jià)其補(bǔ)償效果，如圖7—9 所示。

由圖7—8 可知，分布式調(diào)相機(jī)對(duì)直流近區(qū)110 kV 母線的低電壓支撐能力顯著優(yōu)于SVG 和集中布置的調(diào)相機(jī)。由圖7 可見，200 MV·A 的分布式調(diào)相機(jī)對(duì)110 kV 母線低電壓的支撐效果甚至超過1000 MV·A 的SVG 或集中布置調(diào)相機(jī)。分布式調(diào)相機(jī)3 種接入方式在低電壓支撐能力方面的效果大致相當(dāng)。

圖7 2 次換相失敗期間直流近區(qū)110 kV 最低電壓Fig.7 110 kV minimum voltage in DC near area during continuous commutation failures

圖8 2 次換相失敗期間直流近區(qū)110 kV 最高電壓Fig.8 110 kV maximum voltage in DC near area during continuous commutation failures continuous commutation failures

圖9 2 次換相失敗期間直流近區(qū)35 kV 最高電壓Fig.9 35 kV maximum voltage in DC near area during continuous commutation failures

在過電壓抑制方面，分布式調(diào)相機(jī)也明顯優(yōu)于SVG 和集中布置的調(diào)相機(jī)。由圖8 可見，分布式調(diào)相機(jī)對(duì)110 kV 母線的低電壓抑制效果超過600 MV·A 的SVG 和1200 MV·A 以上的集中布置調(diào)相機(jī)。由圖8 還可以看出，分布式調(diào)相機(jī)對(duì)110 kV母線的過電壓抑制效果與接入點(diǎn)有較強(qiáng)的相關(guān)性，部分接入點(diǎn)處降壓效果非常明顯，個(gè)別接入點(diǎn)降壓效果不太顯著，但總體而言明顯優(yōu)于SVG 和集中布置調(diào)相機(jī)。

3 種接入方式的分布式調(diào)相機(jī)對(duì)35 kV 母線低電壓的支撐效果與110 kV 母線大致相同，顯著優(yōu)于其他2 種方案，200 MV·A 的分布式調(diào)相機(jī)對(duì)35 kV 母線的實(shí)際支撐效果超過1000 MV·A 以上的SVG 和集中布置調(diào)相機(jī)。

不過，不同無功補(bǔ)償方案對(duì)35 kV 母線的過電壓抑制效果與110 kV 母線有一定的不同，如圖9 所示。由圖9 可見，接入35 kV 母線和接入三繞組變壓器的分布式調(diào)相機(jī)對(duì)35 kV 母線的過電壓抑制效果明顯優(yōu)于其他3 種方案。接入110 kV的分布式調(diào)相機(jī)對(duì)35 kV 母線的過電壓抑制效果稍差，個(gè)別情況下和SVG 相當(dāng)，集中布置調(diào)相機(jī)對(duì)35 kV 母線的過電壓抑制效果最差。

根據(jù)此前在東方電機(jī)、上海電機(jī)、哈爾濱電機(jī)廠的調(diào)研結(jié)果，當(dāng)新型分布式調(diào)相機(jī)容量在10～50 MV·A 之間時(shí)，其單位造價(jià)隨調(diào)相機(jī)容量的減小而增加。50 MV·A 調(diào)相機(jī)及其附屬系統(tǒng)單位造價(jià)約300 元/(kV·A)；20 MV·A 調(diào)相機(jī)及其附屬系統(tǒng)單位造價(jià)約400 元/(kV·A)；10 MV·A 調(diào)相機(jī)及其附屬系統(tǒng)單位造價(jià)約600 元/(kV·A)。因此在新能源場(chǎng)站的匯集站安裝容量較大的調(diào)相機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)由于三繞組變壓器接入系統(tǒng)可以節(jié)省1 臺(tái)升壓變，且便于集中運(yùn)維管理，綜合考慮更有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

為解決青南高比例新能源大負(fù)荷集中送出時(shí)新能源場(chǎng)站的過電壓問題，本文對(duì)比分析了SVG、3 種分布式調(diào)相機(jī)、換流站集中布置調(diào)相機(jī)5 種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案。結(jié)果表明，分布式調(diào)相機(jī)方案在新能源場(chǎng)站過電壓抑制和低電壓支撐方面均比SVG 和集中布置調(diào)相機(jī)有較大優(yōu)勢(shì)。3 種分布式調(diào)相機(jī)接入方案中，調(diào)相機(jī)接入110 kV 的方案在抑制新能源場(chǎng)站35 kV 母線過電壓方面稍顯不足，而調(diào)相機(jī)在新能源匯集站通過三繞組變壓器接入系統(tǒng)的方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢(shì)。