并網(wǎng)光伏電站節(jié)點(diǎn)電壓越限穩(wěn)定機(jī)理分析

廖雍琦,向文凱,范 科

(1.國網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司,四川 遂寧 629000;2.國網(wǎng)四川省電力公司宜賓供電公司,四川 宜賓 644000;3.國網(wǎng)四川省電力公司自貢供電公司,四川 自貢 643100)

隨著能源危機(jī)不斷加劇,為實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)利用,國家正大力推行可再生能源戰(zhàn)略?？稍偕茉粗饕ㄋΠl(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電。2021年10月國務(wù)院辦公廳出臺(tái)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,提出加快太陽能規(guī)模化開發(fā)生產(chǎn)和高質(zhì)量快速發(fā)展的規(guī)劃藍(lán)圖,強(qiáng)調(diào)聚集式和分布式兼顧[1]。在“碳達(dá)峰、碳中和”的規(guī)劃背景下,光伏發(fā)電已成為新能源發(fā)展的支柱型能源[2-3]。

地勢方位、光照強(qiáng)度與環(huán)境氣候等不確定性因素加大了光伏發(fā)電電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控的難度,對電站內(nèi)部安裝的一系列繼保安全自動(dòng)裝置的工作性能而言亦是考驗(yàn)。當(dāng)大量新能源集中接入電網(wǎng),將改變電力系統(tǒng)內(nèi)部的功率分布,影響系統(tǒng)運(yùn)行的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性與安全性[4]。

1 并網(wǎng)光伏電站

由《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》可知,根據(jù)光伏電站連接電網(wǎng)電壓等級(jí)的不同,可將其劃分為小、中或大規(guī)模的光伏電站。其中,通過66 kV及以上電壓等級(jí)接入電網(wǎng)的光伏電站被稱為大型光伏電站。

相比于分布式光伏電站,大型并網(wǎng)光伏電站較典型的特征在于:用地選址需合規(guī)、利于光能集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離傳輸電能。針對大型并網(wǎng)光伏電站,構(gòu)建可表現(xiàn)系統(tǒng)輸入、輸出特性的數(shù)學(xué)模型,可方便潮流分布計(jì)算與開展內(nèi)部節(jié)點(diǎn)靜態(tài)穩(wěn)定分析和后續(xù)研究無功電壓控制手段。

大型并網(wǎng)光伏電站的光伏發(fā)電單元并聯(lián)運(yùn)行在集電線路上,接入10 kV交流母線,電能經(jīng)升壓站升壓至110 kV,升壓站高壓側(cè)母線或節(jié)點(diǎn)被定義為并網(wǎng)點(diǎn),通過高壓交流輸電線路傳送至電網(wǎng),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大型并網(wǎng)光伏電站陣列拓?fù)鋱D

2 節(jié)點(diǎn)電壓越限分析

光伏發(fā)電的波動(dòng)性是導(dǎo)致大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電壓頻繁波動(dòng)的主要原因。高壓遠(yuǎn)距離的輸電方式極大降低了外送功率極限,集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓也時(shí)刻面臨著并網(wǎng)靜態(tài)電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。此外,各光伏發(fā)電單元空間位置分散,站內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓“強(qiáng)空間分布”特性明顯,光伏電站內(nèi)匯流母線節(jié)點(diǎn)同樣有電壓越限的風(fēng)險(xiǎn)。為充分展示大型光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限機(jī)理,建立光伏發(fā)電單元等效并網(wǎng)模型,具體如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電單元等效并網(wǎng)模型

由圖2可知,光伏電站主變高壓側(cè)并網(wǎng)點(diǎn)與電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的輸電線路支路關(guān)系式為

(1)

圖9a顯示,在海州灣有中尺度反氣旋環(huán)流,其反氣旋氣流維持著與海風(fēng)鋒鋒面相交的海風(fēng)。在長江口,是輻合線及輻合中心,等溫線與海岸線基本平行。海風(fēng)自海面登陸,在內(nèi)陸數(shù)十千米處發(fā)生顯著輻合。在該類海風(fēng)鋒過程中,海陸溫差非常明顯,達(dá)8 ℃以上。海上的最大風(fēng)速不超過3.5 m·s-1,說明熱力環(huán)流的作用占主導(dǎo)作用。江蘇徐州和安徽北部是鞍形場,并具有變形場鋒生。因此在江蘇與安徽境內(nèi)具有多個(gè)鋒面系統(tǒng),并且從東西南北方向匯集或相遇,為海風(fēng)鋒伴隨不穩(wěn)定環(huán)境以及激發(fā)強(qiáng)對流提供了條件。

(2)

整理式(2),可得并網(wǎng)點(diǎn)電壓表達(dá)式:

(3)

由式(1)、式(3)可知,并網(wǎng)點(diǎn)電壓與電站輸出的有功功率、無功功率、電網(wǎng)阻抗、站內(nèi)阻抗等因素相關(guān)。式(3)中的“±”是在求解過程中開根號(hào)而導(dǎo)致的,其中,“+”運(yùn)算求出的是穩(wěn)定實(shí)數(shù)解,“-”運(yùn)算求出的是不穩(wěn)定實(shí)數(shù)解。

此外,選取電網(wǎng)電壓U和大型并網(wǎng)光伏電站裝機(jī)總?cè)萘縎作為基準(zhǔn)值,S由大型并網(wǎng)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際向大電網(wǎng)輸送的有功功率PPOI與無功功率QPOI共同決定。 “*”為相應(yīng)參數(shù)的標(biāo)幺值形式,采用標(biāo)幺值表示大型光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值為

(4)

(5)

進(jìn)一步推導(dǎo)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓與有功功率間的關(guān)系,并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI對有功功率PPOI的偏導(dǎo)數(shù)為

(6)

由式(6)可知,?UPOI/?PPOI在有功功率PPOI較小且大于0時(shí),UPOI的值單調(diào)遞增,但隨著PPOI的增大,?UPOI/?PPOI下降為負(fù)數(shù),即UPOI隨著PPOI的增大先增大后減小。PPOI增大到一定值時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)低于規(guī)定的下限,將對光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大威脅。

當(dāng)光伏發(fā)電單元中逆變器所發(fā)無功功率參與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化有所不同。為此,繪制多組大型光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)PPOI-UPOI曲線,如圖4所示。

圖4中,A、B、C3條曲線分別對應(yīng)Qa、Qb、Qc3種不同大小的無功功率水平,且有Qc>Qb>Qa。若初始狀態(tài)下,系統(tǒng)運(yùn)行于曲線A,隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng),其有功出力由0逐步增加,當(dāng)運(yùn)行至a1點(diǎn)處時(shí),電壓處于越下限的臨界點(diǎn),此刻投入無功補(bǔ)償裝置,電壓升高,系統(tǒng)運(yùn)行特性由曲線A轉(zhuǎn)為曲線B。同時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓被抬升至b1點(diǎn),為有功出力增加提供電壓余量。隨著光照強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng),運(yùn)行點(diǎn)由b1移動(dòng)至b2,電壓處于越下限的臨界點(diǎn)。此時(shí)面臨2類可能的情況:

1)站內(nèi)無功功率裕量不足,并網(wǎng)點(diǎn)電壓越下限,具有低壓脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn);

2)光伏電站內(nèi)部無功功率裕量充足,無功補(bǔ)償裝置投運(yùn)后,電壓由b2點(diǎn)抬升至c1點(diǎn),此時(shí)大型光伏電站工作于曲線C,但c1運(yùn)行點(diǎn)距上限Umax較近,且系統(tǒng)電壓穩(wěn)定運(yùn)行極限點(diǎn)先于規(guī)定的低電壓限值Umin到來。電壓運(yùn)行曲線急劇縮窄,一旦出現(xiàn)光照強(qiáng)度閃變、電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況,并網(wǎng)點(diǎn)電壓易越過上限[5],導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。

(7)

3 節(jié)點(diǎn)電壓越限仿真分析

采用MATLAB2019a中的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算及優(yōu)化程序MATPOWER 7.0工具包模擬大型光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓的越限過程。

大型并網(wǎng)光伏電站結(jié)構(gòu)如圖1所示,其由30臺(tái)單機(jī)容量為1 MW的光伏發(fā)電單元組成,總裝機(jī)容量為30 MW。集電線路選用3根型號(hào)為YJV23-8.7/10的150 mm2的電纜,考慮到其電壓較低、長度較短,故不計(jì)電納參數(shù)B的影響。高壓輸電線路型號(hào)為LGJ-400,建模時(shí)采用П形等值電路,為模擬集電線路并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓低電壓越限,設(shè)定站內(nèi)阻抗參數(shù)如表1所示。

表1 低電壓越限模擬電站阻抗參數(shù)

若大型并網(wǎng)光伏電站內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)為33,按照連續(xù)潮流分析方法進(jìn)行仿真,假定各光伏發(fā)電單元發(fā)出的有功功率以0.1 MW/s的恒定速率從0至1 MW逐漸增大。根據(jù)表1中的系統(tǒng)參數(shù)可發(fā)現(xiàn),隨各光伏發(fā)電單元發(fā)出的有功功率由0增大至1 MW時(shí),運(yùn)行仿真程序后,得到的有功功率PPOI均勻變化,并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI的變化情況曲線如圖5所示。整個(gè)過程中,并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI始終未達(dá)到上限1.07 p.u.,在并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI為9 MW時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI達(dá)到最高值1.002 8 p.u.。在并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI為29.4 MW時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI達(dá)到下限值0.97 p.u.?？梢?在30 MW容量的限制下,大型并網(wǎng)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)有越下限的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí),若主變壓器保護(hù)跳開兩側(cè)開關(guān),將切斷光伏電站與電網(wǎng)的聯(lián)系,系統(tǒng)潮流分布發(fā)生較大改變,可能產(chǎn)生對電力系統(tǒng)運(yùn)行有害的故障電流,同時(shí)造成光伏資源浪費(fèi)。

圖5 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI由0～30 MW均勻變化時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI

將光伏發(fā)電單元數(shù)量由30個(gè)增加至40個(gè),即4條集電線路并聯(lián)于10 kV匯流母線,重新仿真后的結(jié)果如圖6所示。并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI并未達(dá)到上限1.07 p.u.,在并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI達(dá)到32 MW時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI達(dá)到最高值1.012 7 p.u.。

圖6 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI由0～40 MW均勻變化時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI

將光伏發(fā)電單元數(shù)量由40個(gè)增加至50個(gè),即5條集電線路并聯(lián)于10 kV匯流母線,再次仿真后的結(jié)果如圖7所示。并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI仍未達(dá)到上限1.07 p.u.,在并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI達(dá)到35 MW時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI達(dá)到最高值1.013 4 p.u.。

圖7 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI由0～50 MW均勻變化時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI

將光伏發(fā)電單元數(shù)量由30個(gè)減小至20個(gè),即僅2條集電線路并聯(lián)于10 kV匯流母線,仿真結(jié)果如圖8所示。并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI未達(dá)到上限1.07 p.u.,在并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI達(dá)到20 MW時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI達(dá)到最高值1.009 4 p.u.。

圖8 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率PPOI由0～20 MW均勻變化時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPOI

4 結(jié)論

大型并網(wǎng)光伏電站在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)存在電壓越限,甚至引發(fā)光伏發(fā)電單元脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)該特征,建立大型并網(wǎng)光伏電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,開展潮流及運(yùn)行機(jī)理分析,得到并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓越限機(jī)理,如下所示。

1)當(dāng)光伏有關(guān)出力增大但無功儲(chǔ)備不足時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓存在低電壓越限甚至電壓崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí),補(bǔ)充適當(dāng)?shù)臒o功功率將對并網(wǎng)點(diǎn)電壓起到重要支撐作用,但不宜過度補(bǔ)償,防止PPOI-UPOI曲線向左移動(dòng)至高電壓越限點(diǎn)。

2)并網(wǎng)點(diǎn)電壓靠近PPOI-UPOI曲線中的電壓“轉(zhuǎn)折”點(diǎn)時(shí),無功-電壓靈敏度趨于無窮大,補(bǔ)償無功功率將使得并網(wǎng)點(diǎn)電壓顯著提高,大幅度的電壓抬升將導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓越上限的風(fēng)險(xiǎn)陡升。