无功补偿对新能源汇集送出区域静态电压稳定极限的影响

王新浩袁绍军刘振宇尹兆磊孟庆欢

(国网冀北承德供电公司,河北 承德 067000)

0 引言

在我国“碳达峰、碳中和”目标和构建新型电力系统背景下,新能源发电规模将会呈现爆发式增长。受到风、光等常规新能源分布特性影响,大规模汇集远距离输送将成为新能源接入主网常见形式。由此带来各种新的问题和挑战,不但会影响电网安全稳定运行,而且会影响新能源发电水平,其中静态电压稳定是常见问题之一。

对于静态电压稳定的研究,文献[1-4]提出了根据潮流雅可比矩阵在静态电压稳定临界点处的奇异性来进行静态电压稳定分析的方法;文献[5-8]提出了一种考虑辐射网数据不确定性,能够直接计算静态电压稳定极限精确波动区间的多项式时间算法,给出了PV 曲线波动区间追踪方法;文献[8-12]提出了内嵌安全稳定约束的电力系统优化运行框架以及用于电力系统安全稳定规则提取的斜回归树及其集成算法的静态电压稳定规则提取;文献[13-16]探讨了光伏渗透率与接入点对并网系统静态电压-稳定性的影响,提出采用无功补偿支撑系数和电压-有功功率灵敏度2个量化指标表征接入点对静态电压稳定性的影响程度;文献[17-19]针对极高光伏渗透率,分析电压会产生崩溃的现象,指出潮流雅可比矩阵作为输入的卷积神经网络模型能够预测双向静态电压稳定裕度。在目前对新能源汇集送出静态电压稳定的研究中,还没有能够同时结合实际网架结构和运行特性的模型。

本文首先指出当前新能源汇集送出在实际运行中存在的一些问题,然后结合实际网架结构和运行特性,对汇集站电压损耗影响因素进行理论推导分析,表明无功补偿对静态电压有较大影响,对静态电压稳定极限有一定影响,再通过实际电网模型进行仿真验证,证实在汇集站适当配置可调无功补偿设备可以提高新能源汇集区域静态电压稳定性和静态电压稳定极限,提高有功功率送出能力。

1 新能源汇集送出有功功率存在的问题

截止2021年底,承德地区新能源总装机容量已经达到80/4 GW,主要集中在西部、北部地区,形成御道、木兰、五道、潮河4个主要汇集区域,分别通过1条500 k V、3条220 k V 送出通道汇入冀北主网架。

随着新能源汇集区域网架规模和装机容量不断增大,出现了一系列问题,下面以西部五道区域典型日曲线为例进行说明。

(1)有功功率送出受限,影响新能源发电水平。五道区域新能源总装机容量为1.5 GW,受到静态电压稳定极限约束,当前双回送出线路输送极限仅为2×460 MW,占装机比例61.3%;当新能源场站有功功率较大时,已经开始出现有功功率上送受限、弃风弃光现象,如图1所示。

图1 金道一线送出有功功率

五道站双回送出线路热稳极限是2×800 MW,当前输送极限远小于热稳极限,因此还有较大提升空间。

(2)送出线路从电网侧吸收无功功率较多,对电网侧电压影响较大。随着汇集送出线路送出有功功率增大,电网侧需要向送出线路注入大量无功功率,且注入无功功率大小和送出有功功率大小呈正相关,如图2所示。

图2 金岭站金道一线吸收无功功率

(3)汇集站无功功率送出能力较弱,不利于静态电压稳定。如果汇集站是新能源场站,一般按照本站装机容量一定比例配置可调无功补偿设备,在满足本站无功功率及电压调节需求外,无法再向外送出较多无功功率;如果汇集站是主网变电站,一般配置多组电容器,无法实现平滑调压效果,同时电容器容量一般也不会太大,无法向外送出较多无功功率,五道站是主网变电站;汇集站可能向送出线路注入少量无功功率,也可能从汇集线路吸收无功功率,如图3所示。

图3 五道站金道一线上送无功功率

(4)汇集站母线电压波动较大,不利于汇集区域电网安全稳定运行。随着新能源场站有功功率变化,在通过电容器进行无功补偿情况下,汇集站母线电压会发生较大波动,如图4所示。

图4 五道站母线电压

为解决上述问题,有必要对新能源汇集送出静态电压及稳定极限主要影响因素进行研究。

2 新能源汇集送出静态电压分析

构建简单的新能源汇集送出网架结构,多个新能源场站直接接入汇集站,没有多站串联或末端站并联情况,如图5所示。

图5 新能源汇集送出简单网架结构

在图5中,对于各新能源场站,不管实际是光伏电站还是风电场,在进行静态电压分析时,都统一简化为有功功率、无功功率可以分别独立控制的PQ节点;图5中给出枢纽站、汇集站及各个新能源场站有功功率P、无功功率Q、电压U,用不同下标进行区分,箭头方向为有功功率、无功功率潮流方向,根据新能源汇集送出实际情况,规定箭头指示方向为正。

2.1 新能源场站参数确定

根据《风电场接入电力系统技术规定》[20]和《光伏发电站接入电力系统技术规定》[21]要求,汇集接入新能源场站配置的无功补偿容量能够补偿满发时送出线路全部感性无功功率。一般可以通过控制新能源场站内可调无功补偿设备出力,使线路在送出有功功率时所消耗无功功率基本由本站提供,即送出线路在汇集站侧无功功率相对较小,忽略线路电纳,根据电压降落公式纵分量简化的电压损耗公式[22]为

各新能源场站送出线路有功损耗为

各新能源场站送出线路无功损耗为

式中:Ri和Xi分别为新能源场站送出线路电阻和电抗。

由式(1)可知,新能源场站在送出有功功率时,配合控制站内可调无功补偿设备出力,可以使新能源场站电压高于汇集站;新能源汇集送出出力较大时,汇集站电压也低于枢纽站,因此一般汇集站是整个区域电压最低、最薄弱点,针对汇集站静态电压进行分析具有十分重要的意义。

2.2 汇集站参数确定

对于汇集站和枢纽站之间的送出线路,当两端同时向其注入无功功率时,送出线路上一定存在一点,该点断面无功功率为0 var,只有有功功率,功率因数为1,设该点有功功率为P0,电压为U0,整条送出线路电阻为R、电抗为X,该点汇集站侧电阻为Rh、电抗为Xh,枢纽站侧电阻为Rs、电抗为Xs。

同样,根据电压损耗公式[22]为

式(6)中

式(8)中Qj为汇集站无功补偿出力。

式(6)中电压Uh、Us数值之间的差别是电压损耗,有功功率Ph、Ps之间的差别是有功损耗,在系统稳定运行时,电压损耗相对于电压Uh、Us较小,有功损耗相对于有功功率Ph、Ps较小,即电压Uh、Us相差不大,有功功率Ph、Ps相差不大,为简化后续推导过程,暂时用电压U统一表示电压Uh、Us,用有功功率P统一表示有功功率Ph、Ps,式(6)简化为

考虑无功功率沿送出线路分布状态,当忽略线路电纳时,根据电抗无功功率QX=I2X可知,电抗无功消耗只和电流和电抗有关,线路电流处处相同、电抗均匀分布,因此线路无功消耗沿线路近似均匀分布;线路所消耗无功功率分别从两侧汇集站和枢纽站注入,因此沿线路各个断面无功功率分布近似呈线性状态,如图6(a)所示。

当考虑线路电纳时,根据电纳无功功率QB=U2B可知,电纳会向线路注入无功功率,线路电纳均匀分布,当忽略电压沿线路微小变化时,向线路注入无功功率沿线路近似均匀分布,补偿电抗消耗无功功率,会使沿线路各个断面无功功率分布减少,但仍然近似呈线性状态,如图6(b)所示。

图6 电纳对送出无功功率沿线路分布状态的影响

在图6 中,Qh、Qs连线和线路交点就是功率因数为1点,根据全等三角形为

将式(11)带入式(10)为

线路所消耗全部无功功率为Qh+Qs,忽略线路电纳时

一般送出线路以输送有功功率为目的,各处有功功率相差不大,因输送有功功率而消耗无功功率,为平衡两侧电压而传输无功功率,各处无功功率相差较大,但无功功率小于有功功率。如果简化认为线路只因输送有功功率而消耗无功功率,带入简化统一的电压、有功功率为

同样式(3)可简化为

将式(14)带入式(12)为

将式(8)、式(15)带入式(16)有

从式(17)中可以看出,汇集站相对于枢纽站电压损耗主要受到汇集站上送有功功率、线路参数和无功补偿影响,其中线路参数X、R和Xi可以看作是网架结构综合影响;电压损耗和上送有功功率呈现出二次函数的非线性关系,和通常PV 曲线中随着有功功率增大电压加快降低的关系相对应;当上送有功功率不变,汇集站和新能源场站无功功率增加时,电压损耗会降低,对应无功功率沿送出线路分布状态如图7(a)所示;当上送有功功率增加,汇集站和新能源场站无功补偿不变时,电压损耗会增大,对应无功功率沿送出线路分布状态如图7(b)所示;当将电压U考虑回电压Uh、Us时,由于电压Uh、Us会稍微变小,实际电压损耗将会更大;根据有功功率上送情况调整无功补偿,可以减小电压损耗,增强静态电压稳定性;由于汇集站是电压最薄弱点,在该处进行无功补偿效果最好,配置可调无功补偿设备还可以实现电压平滑调整。

图7 有功功率、无功补偿对无功功率沿线路分布状态的影响

2.3 电压-有功功率灵敏度分析

根据GB 38755-2019《电力系统安全稳定导则》要求,进行静态电压稳定计算分析采用逐渐增加负荷的方法求解电压失稳临界点,从而估计当前运行点电压稳定裕度;对于新能源汇集送出网架结构的计算,在新能源场站可调无功补偿设备出力保持不变情况下,有功功率逐渐增加致使电压失稳,用失稳临界有功功率和初始值关系来估计当前运行点电压稳定裕度,从而确定静态电压稳定极限。

由式(7)可知,送出线路传输有功功率是由各新能源场站有功功率Pi汇集而来,两者本质相同,计算电压-有功功率灵敏度,同时对其进行微分

式(18)表示有功功率变化对电压损耗变化影响,可以反映静态电压稳定极限主要影响因素,从中可以看出:静态电压稳定极限主要受网架结构参数影响,无功补偿对其没有影响;当将电压U考虑回电压Uh、Us时,通过无功补偿可以抑制电压Uh、Us降低,从这个角度看,无功补偿对提升静态电压稳定极限具有一定正向作用,但是受到电压要控制在一定范围内影响,其作用有限。

在上述公式推导过程中,虽然最开始基于简单的新能源汇集送出网架结构,但是对于存在多站串联或末端站并联的复杂的新能源汇集送出网架结构,只是在最终结果中存在和式(7)、式(8)相关的形式复杂的多层迭代,对最终结论没有影响,因此最终结论具有一般适用性。

3 仿真算例

使用PSD-BPA 软件进行仿真计算,采用承德西部五道区域网架模型,如图8所示,装机规模和可调无功补偿配置情况如表1、2所示。五道站2条35 k V 母线上现各有3组10 MVA 电容器,将电容器换成不同容量可调无功补偿设备,进行以下仿真试验:逐步增加新能源场站有功功率,观察五道站母线静态电压、五道站无功功率上送和金岭站无功功率注入情况;计算五道站在不同容量可调无功补偿设备下静态电压稳定极限。

图8 五道区域新能源网架结构

表1 五道区域新能源场站装机规模

表2 五道区域新能源场站可调无功补偿配置

3.1 静态电压及无功功率仿真结果

在五道站2条35 k V母线上使用电容器,将电容 器 更 换 为 容 量20 Mvar、40 Mvar、60 Mvar、80 Mvar、100 Mvar可调无功补偿设备2种情况下,将新能源场站有功功率同时率控制在20%~80%,五道站220 k V 母线电压、五道站向送出线路注入无功功率、金岭站向送出线路注入无功功率随无功补偿容量和有功出力同时率变化分别如图9-11所示。

图9 五道站220 kV母线电压

图10 五道站向送出线路注入无功功率

图11 金岭站向送出线路注入无功功率

从图9-11中可以看出,随着新能源场站有功功率增加,汇集站母线电压逐步降低,汇集站和枢纽站向送出线路注入无功功率均增大,但枢纽站注入无功功率远大于汇集站;根据电压投切电容器会使电压发生较大波动;通过在汇集站配置可调无功补偿设备,增加汇集站向送出线路注入无功功率,减小枢纽站向送出线路注入无功功率,可以实现平滑调压效果,抑制母线电压降低,提高静态电压稳定性,在一定范围内,可调无功补偿设备容量越大,效果越好;超过一定范围效果就无法再提升。

3.2 静态电压稳定极限仿真结果

在五道站2条35 k V 母线上分12次分别配置1台总容量逐步由10 Mvar增大至120 Mvar的可调无功补偿设备,调节区域全部新能源场站有功功率到指定水平,同时调节无功补偿将电压控制在合理范围内,保持新能源场站可调无功补偿设备出力不变,有功功率持续增加致使电压失稳。本例中取有功功率增加幅度10%恰好潮流不收敛,据此计算该网架结构静态电压稳定极限随可调无功补偿容量变化如图12所示。

图12 静态电压稳定极限随可调无功补偿容量变化

从图12中可以看出,当可调无功补偿容量在2×40~2×100 Mvar时,随着容量增大,静态电压稳定极限升高,由原来930 MW 提升至980 MW,提升幅度为5.4%;当可调无功补偿容量在小于2×40 Mvar或大于2×100 Mvar时,静态电压稳定极限保持不变。这说明在汇集站进行无功补偿对提升静态电压稳定极限确实有一定作用,但是只有当容量达到一定程度后才会发挥作用,容量不够大就无法发挥作用,现有电容器容量也无法提升静态电压稳定极限;可调无功补偿容量超过一定程度后就会受到电压控制目标影响而停止增加出力,无法发挥更大作用,因此也不必配置太大容量可调无功补偿设备。从整体效果看,在汇集站配置可调无功补偿设备对静态电压稳定极限提升幅度也不是很大,其提升作用有一定局限性。

3.3 小结

本文在理论推导和仿真计算中提到的可调无功补偿设备,由于只涉及静态特性,不涉及暂态特性,因此既可以是SVC、SVG 等电力电子设备,还可以是调相机等旋转设备,对最终结果都适用。当前,有通过配置集中式或分布式调相机方法提高新能源多厂站短路比来提高汇集区域有功功率送出能力的研究,按照本文研究结果,当有功功率送出能力提升到静态电压稳定极限时,通过调相机提升新能源多场站短路比来提高送出能力方法的继续提升空间就会受到限制,因此在进行规划、设计、建设、调度运行管理时需要兼顾主要受网架结构影响的静态电压稳定极限的约束。

4 结论

结合实际网架结构和运行特性,基于电压损耗对新能源汇集送出静态电压进行理论推导分析,研究无功补偿对静态电压和静态电压稳定极限影响。在汇集站配置可调无功补偿设备可以提高新能源汇集送出静态电压稳定性。在汇集站配置可调无功补偿设备对新能源汇集送出静态电压稳定极限有一定提升作用,但是作用有限。调相机可以通过提升新能源多场站短路比,进而提高新能源汇集送出能力,当调相机规模部署达到一定程度后就会受到静态电影稳定极限影响而无法继续提高送出能力。

后续可研究大幅度提升新能源汇集送出静态电压稳定极限,充分发挥送出通道作用;按照相关标准要求,结合新形势下新能源汇集送出所面临问题,未来新能源场站都将配置一定比例储能设备。