風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)接入地區(qū)電壓的影響

標(biāo)簽: 地區(qū)電網(wǎng) 風(fēng)電并網(wǎng)

摘要： 隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大， 大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入地區(qū)電網(wǎng)后， 對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓造成影響， 研究風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓?jiǎn)栴}顯得十分重要。以新疆哈密地區(qū)風(fēng)電接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)為例， 統(tǒng)計(jì)了并網(wǎng)地區(qū)典型運(yùn)行方式下的母線(xiàn)電壓水平。建立風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組仿真模型， 考慮尾流效應(yīng)影響下的風(fēng)速， 通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計(jì)算， 分析與風(fēng)電場(chǎng)有關(guān)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓?jiǎn)栴}。針對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的運(yùn)行方式， 提出了改善并網(wǎng)地區(qū)電壓質(zhì)量的措施， 對(duì)投切電抗器和SVC 2 種無(wú)功補(bǔ)償方案進(jìn)行計(jì)算并仿真了方案的可行性。在國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的背景下， 分析了投切電抗器可能對(duì)同一并網(wǎng)點(diǎn)的風(fēng)電場(chǎng)群產(chǎn)生影響。

0 引言

風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性以及在電網(wǎng)中風(fēng)電比例的增高， 使風(fēng)電對(duì)接入地區(qū)電網(wǎng)的影響將逐漸擴(kuò)大， 大容量風(fēng)電同時(shí)并網(wǎng)會(huì)造成接入變電站母線(xiàn)電壓質(zhì)量急劇下降[1-2]。風(fēng)速超過(guò)風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速時(shí)，大量風(fēng)電機(jī)組的切機(jī)使風(fēng)電場(chǎng)有功出力瞬間下降，易造成系統(tǒng)有功不足，導(dǎo)致頻率波動(dòng)。目前，風(fēng)電機(jī)組大多不能進(jìn)行持續(xù)有效的有功、無(wú)功調(diào)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)電壓影響較大;同時(shí)大量的風(fēng)電功率注入電網(wǎng)后，改變了電網(wǎng)潮流分布，對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度、無(wú)功補(bǔ)償容量的配置以及電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的影響[3-4]，因此， 對(duì)含風(fēng)電的系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)不同出力水平下的潮流計(jì)算具有重要意義。本文以接入新疆哈密地區(qū)電網(wǎng)末端的某風(fēng)電場(chǎng)為例， 利用電力系統(tǒng)分析綜合程序?qū)︼L(fēng)電接入地區(qū)進(jìn)行了潮流計(jì)算， 仿真研究了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)接入地區(qū)電壓影響， 提出了改善并網(wǎng)點(diǎn)電壓質(zhì)量的措施。

1 風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓分析

風(fēng)電大規(guī)模的并網(wǎng)對(duì)接入點(diǎn)電壓造成顯著影響，主要表現(xiàn)在受風(fēng)電場(chǎng)有功出力影響明顯，風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)母線(xiàn)電壓波動(dòng)大，風(fēng)機(jī)在故障期間不能為電網(wǎng)提供有效的無(wú)功功率支撐，電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性降低[5]。

研究的馬蓮泉風(fēng)電場(chǎng)容量為99 MW，以單回線(xiàn)接入地區(qū)電網(wǎng)末端， 裝機(jī)容量占日最大高峰負(fù)荷的20%左右。風(fēng)電場(chǎng)出力通過(guò)101.86 km、110 kV 聯(lián)絡(luò)線(xiàn)并入當(dāng)?shù)匕屠锢ぷ冸娬?。巴里坤變電站接?20 kV山北變電站。該地區(qū)電網(wǎng)接線(xiàn)圖如圖1 所示。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示巴里坤地區(qū)電壓普遍偏高， 其母線(xiàn)最高電壓水平統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

風(fēng)電場(chǎng)位于電網(wǎng)的末端，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，基本為單放射狀，線(xiàn)路供電距離普遍較長(zhǎng)，線(xiàn)路充電功率較大， 計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)電場(chǎng)至巴里坤變電站和黑眼泉變電站至巴里坤變電站線(xiàn)路容性無(wú)功功率達(dá)9.5 Mvar， 巴里坤變電站至馬場(chǎng)變電站線(xiàn)路容性無(wú)功功率達(dá)6.0 Mvar， 山北變電站至哈密變電站線(xiàn)路容性無(wú)功功率達(dá)22.0 Mvar;巴里坤變電站三相短路容量為615.7 MVA。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示巴里坤變電站母線(xiàn)電壓在風(fēng)電場(chǎng)有功出力小于58.0 MW時(shí)，風(fēng)電接入地區(qū)電壓隨風(fēng)電場(chǎng)出力的增加而升高，這主要是由于風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)后改變了該地區(qū)的潮流分布， 減小了馬場(chǎng)變電站至山北變電站及巴里坤變電站線(xiàn)路、哈密變電站至山北變電站線(xiàn)路的潮流。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)有功出力超過(guò)一定值時(shí)， 風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)由受端變成送端， 線(xiàn)路消耗的無(wú)功功率大于線(xiàn)路的充電功率，巴里坤變電站母線(xiàn)電壓有所降低。由此可知風(fēng)電場(chǎng)有功出力的變化影響風(fēng)電場(chǎng)接入地區(qū)無(wú)功分布和電壓水平， 風(fēng)電場(chǎng)有功出力的隨機(jī)性導(dǎo)致了接入地區(qū)電壓的隨機(jī)波動(dòng)[6]。在研究改善風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓時(shí)， 應(yīng)充分考慮風(fēng)電的運(yùn)行特點(diǎn)及其對(duì)接入地區(qū)電壓的影響。

2 改善風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓質(zhì)量的措施

該地區(qū)接入風(fēng)電后，受其特性影響，電壓質(zhì)量下降，因此迫切需要改善并網(wǎng)點(diǎn)地區(qū)電壓質(zhì)量。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)是一種新型的快速、平滑動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，由可控的電抗器和電容器組成，通過(guò)調(diào)節(jié)電容器或電抗器實(shí)現(xiàn)從容性到感性范圍平滑調(diào)節(jié)， 較之分組投切電容器或電抗器具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文按照電網(wǎng)無(wú)功功率就地平衡原則，分別就投入電抗器、SVC 這2 種方式進(jìn)行比較分析。

3 算例分析

3.1 仿真模型的建立

(1)風(fēng)速和機(jī)組等效。風(fēng)電場(chǎng)由數(shù)量眾多的不同類(lèi)型的機(jī)組構(gòu)成，因此，必須對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速和機(jī)組進(jìn)行合理等效，以盡可能反映風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際模型?？紤]風(fēng)力發(fā)電機(jī)尾流效應(yīng)[7]，并按照風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組出線(xiàn)方式進(jìn)行分組風(fēng)速等效。以風(fēng)電場(chǎng)1 條匯流線(xiàn)路上6 臺(tái)風(fēng)機(jī)為例，假定風(fēng)機(jī)正風(fēng)向第1 臺(tái)風(fēng)機(jī)(G1)的風(fēng)速(v1)為額定風(fēng)速(13 m/s)，參照文獻(xiàn)[7]，則風(fēng)機(jī)背風(fēng)向G2~G6的風(fēng)速(v2~v6)如表2 所示。

風(fēng)電場(chǎng)處在同一均勻風(fēng)帶上， 將此條匯流線(xiàn)上等效機(jī)(Geq)的風(fēng)速(veq)為該等值機(jī)的額定風(fēng)速;考慮不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類(lèi)型的特性，采用文獻(xiàn)[8]風(fēng)電機(jī)組等值方法， 將相同類(lèi)型機(jī)組和集電線(xiàn)上的同等數(shù)量機(jī)組等值成1 臺(tái)風(fēng)機(jī)， 則馬蓮泉風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的16 回出線(xiàn)(共99 臺(tái)機(jī))等值為4 臺(tái)風(fēng)機(jī)(Geq1~Geq4)，等值容量分別為49.5 MW、27.0 MW、10.5 MW 和12.0 MW，Geq1~Geq4的等值額定風(fēng)速(veq1~ veq4)分別為11.52 m/s、10.85 m/s、10.56 m/s 和10.19 m/s。風(fēng)電場(chǎng)簡(jiǎn)化等值示意如圖2 所示。

(2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)母線(xiàn)節(jié)點(diǎn)處理。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)中向系統(tǒng)發(fā)出有功的同時(shí)還吸收無(wú)功來(lái)建立磁場(chǎng)，吸收無(wú)功的大小與有功功率(Pe)、機(jī)端電壓(U)、轉(zhuǎn)差(s)有關(guān)。目前，異步機(jī)的母線(xiàn)節(jié)點(diǎn)處理主要有PQ 模型、RX 模型、PZ 模型等。變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于實(shí)現(xiàn)了恒功率因數(shù)下的有功無(wú)功解耦控制，在實(shí)際運(yùn)行中有功和無(wú)功是可控的。結(jié)合該風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的無(wú)功曲線(xiàn)與功率因數(shù)曲線(xiàn)， 將風(fēng)力發(fā)電機(jī)母線(xiàn)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一處理成PQ 模型。

3.2 不同電壓改進(jìn)方案效果的仿

真(1)在巴里坤變電站投入電抗器。選取哈密地區(qū)電網(wǎng)4 種運(yùn)行方式為例， 對(duì)巴里坤變電站母線(xiàn)投入電抗器，電抗器每組容量為4 Mvar，利用SCADA 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算其母線(xiàn)電壓變化，如表3 所示。

由表3 看出，在巴里坤變電站投入電抗器后，各母線(xiàn)電壓質(zhì)量可得到改善;風(fēng)機(jī)有功出力不同，電抗器投入容量也不同。由于風(fēng)電場(chǎng)出力的多變性，電抗器投入與退出容量難于及時(shí)準(zhǔn)確確定， 在極端情況下，如果該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)線(xiàn)路出現(xiàn)故障，場(chǎng)內(nèi)機(jī)組大面積脫網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)補(bǔ)償裝置不能在第一時(shí)間退出，相當(dāng)于在聯(lián)絡(luò)線(xiàn)末端并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置， 巴里坤變電站電抗器組若不能及時(shí)調(diào)整，該地區(qū)將會(huì)嚴(yán)重過(guò)壓;如果還存在另外風(fēng)電場(chǎng)在巴里坤變電站并網(wǎng)， 那么另外風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作切除該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組，將連鎖造成大范圍的機(jī)組脫網(wǎng)。電抗器的投退具有階梯性，在實(shí)際中存在過(guò)量或欠補(bǔ)情況，僅靠電抗器難以達(dá)到理想結(jié)果。

(2)在巴里坤變電站母線(xiàn)加入SVC。SVC 具有在容性和感性范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓能力， 本文在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)巴里坤變電站母線(xiàn)投入SVC[9-10]，仿真在冬季最小、夏季最小、夏季最大方式機(jī)組50%出力下其投入SVC 后母線(xiàn)電壓變化曲線(xiàn)如圖3 所示?？梢钥闯觯琒VC 投入后母線(xiàn)電壓得到改善。SVC 動(dòng)態(tài)調(diào)整性較好， 在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)處電壓波動(dòng)較大的母線(xiàn)上投入SVC， 比固定電抗器投切具有明顯的優(yōu)勢(shì)， 對(duì)改善風(fēng)電并網(wǎng)處的母線(xiàn)電壓質(zhì)量具有更加顯著的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)將改變接入地區(qū)潮流分布， 對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓和電抗器投入容量都產(chǎn)生影響，在風(fēng)電場(chǎng)不同的有功出力水平下，投入電抗器容量有所不同，通過(guò)投入電抗器，經(jīng)計(jì)算能將節(jié)點(diǎn)電壓控制在合理的水平，分析得出在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)電場(chǎng)的有功出力水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

(2)當(dāng)風(fēng)電接入點(diǎn)處投入SVC 時(shí)，接入點(diǎn)母線(xiàn)電壓得到改善。通過(guò)仿真曲線(xiàn)表明投入SVC 后，比傳統(tǒng)固定電容器和電抗器的投切具有明顯的優(yōu)越性。

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