同步調(diào)相機(jī)接入對(duì)電網(wǎng)特性影響分析

郭 琪，張愛軍，劉石川，慕 騰，趙 越，雷 軻，武海燕

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著大規(guī)模新能源接入，內(nèi)蒙古電網(wǎng)對(duì)快速靈活動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償需求日漸增大，動(dòng)態(tài)無功不足問題凸顯[1-3]。錫林郭勒東部地區(qū)擬新增的白音華負(fù)荷項(xiàng)目，處于內(nèi)蒙古電網(wǎng)末端，距離主網(wǎng)較遠(yuǎn)，網(wǎng)架薄弱，容性無功備用不足，短路容量較低。配套白音華電廠配置2臺(tái)350 MW機(jī)組，為其660 MW負(fù)荷供電，當(dāng)白音華電廠開單機(jī)工況下，嚴(yán)重N-1故障時(shí)存在暫態(tài)電壓問題，無法滿足全部負(fù)荷接入系統(tǒng)，約一半負(fù)荷無法上網(wǎng)，擬加裝1 臺(tái)300 Mvar 調(diào)相機(jī)解決該地區(qū)負(fù)荷受限問題。

目前，針對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功相對(duì)不足問題，除了加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，還可加裝各類動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，常見的主要有靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Compenstator，SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）和同步調(diào)相機(jī)等[4-7]。與SVC 相比，同步調(diào)相機(jī)的無功輸出功率受系統(tǒng)電壓的影響較小，對(duì)于較長時(shí)間故障和嚴(yán)重故障，可以提供足夠的無功支撐[8-10]。

本文針對(duì)末端薄弱電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)無功支撐不足的問題，仿真論證加裝調(diào)相機(jī)的應(yīng)用效果，為后續(xù)調(diào)相機(jī)投運(yùn)提供技術(shù)參考。

1 同步調(diào)相機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

同步調(diào)相機(jī)作為無功補(bǔ)償裝置，實(shí)質(zhì)為空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)不提供有功功率，通過改變勵(lì)磁電流的大小，調(diào)整其無功功率輸出，向系統(tǒng)提供或吸收無功功率。由于其沒有原動(dòng)機(jī)，無機(jī)械輸入，需外加啟動(dòng)裝置。同步調(diào)相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同步調(diào)相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of synchronous compensator

由文獻(xiàn)[9]可知，調(diào)相機(jī)直軸電壓Ud≈0，交軸電壓Uq≈U（U為調(diào)相機(jī)升壓變壓器高壓側(cè)電壓），故障時(shí)輸出無功功率ΔQ 主要取決于直軸電流的變化量ΔId。

同步調(diào)相機(jī)處于過勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)出感性無功功率，抬升系統(tǒng)電壓水平；處于欠勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，吸收感性無功功率，降低系統(tǒng)電壓。系統(tǒng)處于輕負(fù)荷小開機(jī)工況時(shí)，同步調(diào)相機(jī)吸收系統(tǒng)中多余的感性無功功率，維持無功功率平衡及電壓穩(wěn)定；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，電壓跌落明顯，同步調(diào)相機(jī)迅速進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，向系統(tǒng)快速補(bǔ)償大量無功功率，緊急提供電壓支撐，有助于防止系統(tǒng)電壓崩潰[11-12]。

2 計(jì)算條件

選取電網(wǎng)2022年冬季平峰負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，建立發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢模型；系統(tǒng)負(fù)荷采用60%的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷和40%的恒定阻抗負(fù)荷構(gòu)成的綜合負(fù)荷模型。

白音華項(xiàng)目用電負(fù)荷660 MW，配套建設(shè)2×350 MW機(jī)組，計(jì)劃于2022年投產(chǎn)。機(jī)組通過2回線路接入白音華220 kV變電站，作為項(xiàng)目的供電電源。

由于白音華負(fù)荷中95%為一類負(fù)荷，需保證不間斷供電，地區(qū)檢修以及電廠開單機(jī)時(shí)不能滿足供電需求，為保證負(fù)荷的全部接入，考慮在白音華電廠配置1臺(tái)300 Mvar調(diào)相機(jī)。

白音華220 kV變電站、白音華自備電廠及調(diào)相機(jī)投運(yùn)后，該地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 白音華地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of Baiyinhua grid structure

3 加裝同步調(diào)相機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響分析

3.1 對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平的影響

對(duì)白音華電廠附近場站各類N-1故障進(jìn)行掃描得知，當(dāng)發(fā)生白音華電廠跳機(jī)故障時(shí)，電壓跌落嚴(yán)重，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率支撐不足，引發(fā)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題，嚴(yán)重制約供電能力。

暫態(tài)穩(wěn)定仿真計(jì)算采用BPA 程序。同步調(diào)相機(jī)可以在故障時(shí)迅速提供動(dòng)態(tài)無功功率支撐，有利于提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平。白音華電廠開1臺(tái)機(jī)工況下，發(fā)生跳機(jī)故障時(shí)，含調(diào)相機(jī)和不含調(diào)相機(jī)兩種方案下，白音華220 kV變電站電壓變化曲線如圖3所示。

圖3 白音華220 kV變電站電壓變化曲線Fig.3 Voltage variation curve of Baiyinhua 220 kV station

白音華電廠跳機(jī)故障，調(diào)相機(jī)無功功率輸出如圖4所示。

圖4 白音華調(diào)相機(jī)無功功率輸出Fig.4 Reactive power output of Baiyinhua compensator

含調(diào)相機(jī)方式下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，白音華調(diào)相機(jī)迅速進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，1 s 內(nèi)發(fā)出大量無功功率，最終維持在160 Mvar，為該地區(qū)提供緊急無功電壓支撐，加快了故障切除后系統(tǒng)電壓的恢復(fù)速度，中長期電壓可恢復(fù)到0.9（p.u.）以上，并能保持平穩(wěn)運(yùn)行。因此調(diào)相機(jī)對(duì)提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平效果明顯。

3.2 對(duì)白音華電廠帶負(fù)荷能力的影響

故障地點(diǎn)：選取地區(qū)相關(guān)線路兩端發(fā)生故障。故障類型：雙回及多回線路，發(fā)生三相短路故障不重合。故障時(shí)序：0 s 發(fā)生三相永久性短路故障，220 kV線路0.12 s故障線路兩端同時(shí)跳斷路器。

對(duì)白音華電廠區(qū)域各類N-1 故障進(jìn)行計(jì)算，電廠開1臺(tái)機(jī)情況下，電源來自機(jī)組和電網(wǎng)，供電能力主要受限因素為白音華電廠跳機(jī)，電壓跌落明顯。

正常方式下，對(duì)白音華電廠不同開機(jī)方式和是否安裝調(diào)相機(jī)方式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 正常方式暫態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Transient calculation results in normal mode

在白音華電廠配置300 Mvar 調(diào)相機(jī)，可以有效提升白音華變電站的帶負(fù)荷能力。白音華電廠開雙機(jī)時(shí)，基本達(dá)到供電平衡，有、無調(diào)相機(jī)方案皆可滿足項(xiàng)目負(fù)荷660 MW的全部接入。

開單機(jī)時(shí)：不加裝調(diào)相機(jī)，能夠滿足300 MW負(fù)荷的供電需求；加裝調(diào)相機(jī)后，相同條件下，白音華變電站負(fù)荷承載能力提升至600 MW。

加裝調(diào)相機(jī)后，白音華電廠開單機(jī)運(yùn)行方式下，為保證白音華變電站660 MW負(fù)荷全部接入，需控制創(chuàng)源變電站負(fù)荷在250 MW及以下。

3.3 對(duì)短路電流的影響

短路容量可以反映電網(wǎng)電壓支撐強(qiáng)度，短路容量大，則系統(tǒng)阻抗相對(duì)較低，系統(tǒng)支撐能力相對(duì)更強(qiáng)；反之，短路容量小，系統(tǒng)支撐能力較弱。

對(duì)加裝調(diào)相機(jī)前后，白音華變電站和烏里雅斯太變電站單相短路電流和短路容量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 加裝調(diào)相機(jī)前后短路電流及短路容量計(jì)算結(jié)果Tab.2 Short-circuit current and short-circuit capacity before and after adding the compensator

由表2可知，加裝調(diào)相機(jī)可提高系統(tǒng)短路容量，白音華地區(qū)各站短路電流水平均有一定程度的提高。調(diào)相機(jī)的增設(shè)使該地區(qū)短路電流和短路容量提升明顯，有利于提高系統(tǒng)支撐能力。且加裝調(diào)相機(jī)后各站短路電流均未超過現(xiàn)有開關(guān)遮斷容量。

4 結(jié)論

本文從系統(tǒng)暫態(tài)電壓、白音華變電站帶負(fù)荷能力和短路電流影響三方面，仿真分析了白音華電廠加裝調(diào)相機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，得到的主要結(jié)論如下。

（1）加裝調(diào)相機(jī)后，對(duì)于地區(qū)由于電壓跌落較大引起的穩(wěn)定問題起到支撐作用，故障時(shí)可及時(shí)提供無功電壓支撐。

（2）加裝調(diào)相機(jī)可有效提升白音華變電站帶負(fù)荷能力，當(dāng)控制創(chuàng)源變電站負(fù)荷小于250 MW時(shí)，白音華電廠開單機(jī)、雙機(jī)方式下，均可滿足660 MW負(fù)荷的供電要求。

（3）加裝調(diào)相機(jī)可提高系統(tǒng)短路容量，提升附近場站的短路電流水平，提高系統(tǒng)支撐能力。