大规模新能源汇集站的动态无功补偿配置

李俊杰，万航羽，付俊波，付娅路

（1.云南省电力设计院有限公司，云南 昆明 650000；2. 南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 210000）

0 前言

目前大规模开发的风电和光伏，普遍采用220 kV 线路接入电网，面临着输送能力不足、潮流控制困难、电压波动较大的问题，因此大规模新能源通过220 kV 线路汇集后进一步升压至500 kV 主网，可以较好解决线路输送能力受限的问题。但大规模新能源的汇集送出面临着潮流波动加剧、谐波畸变严重、无功电压控制困难等一系列新问题。

以某500 kV 汇集站为例，汇集的新能源主要是光伏电站，初期汇集新能源规模为1530 兆瓦。光伏电站受光照条件的影响，存在短时间内功率大幅度波动变化的特点，势必会引起汇集站的电压、功率大范围波动，如果仅仅通过投切电容电抗器参与调节电压，会造成电容电抗器频繁动作，对开关的寿命有较大影响，同时风光汇集站有大量电力电子变流器的接入，可能存在谐波问题。因此，对于大规模风光汇集站的无功补偿问题，仅考虑电容电抗器的配置方案，难以实现电压的频繁调节、谐波的有效治理。基于新能源的特点，需要研究在汇集站配置一定比例的STATCOM 装置。

1 STATCOM的基本原理和作用

STATCOM 是一种并联型无功补偿的FACTS 装置，通过改变输出电压来调节其输出无功功率，可以等效为一个可控的电流源，最大容性或最大感性输出电流不依赖系统电压。因此具有更出色的性能和更优越的应用灵活性。

在电力系统中，并联无功补偿的主要作用是控制调节注入电网的无功功率，来改善电网运行特性，达到提高系统稳定性和传输能力以及改善电能质量的目的。STATCOM 作用为：

1）提供动态无功支撑，稳定故障后母线电压。

2）提高系统电压暂态稳定性能。

3）作为站内无功系统的子系统，参与电网无功和电压控制。

5）利用部分无功功率参与电网的稳态调压。

2 新能源汇集站STATCOM的配置研究

2.1 满足站内无功平衡的需求

500 kV 汇集站通过多回220 kV 线路将光伏发电站汇集到主变中压侧。500 kV 汇集站分期建设，初期建设两台1000 MVA 主变，终期规模主变容量为4×1000 MVA。电压等级为525/220/35 kV，采用三相自耦无载调压变压器。汇集站接入系统方案如图1 所示。

图1 变电站接入系统方案示意图

汇集站近区500 kV 变电站感性无功平衡见表1 所示，汇集站容性无功平衡计算见表2 所示。容性无功平衡计算按2 台1000 MVA 主变终期新能源上网2000 MW 计算无功消耗。

表2 汇集站容性无功平衡计算

通过感性无功平衡计算可知，考虑汇集站近区变电站和出线已有高抗及低抗配置后，感性无功补偿度已超过100%，满足规程规范要求，无需新增低抗或高抗。

通过汇集站容性无功平衡计算，汇集站至少需要配置340 MVAr 电容器组。按常规输变电工程电容器分组，500 kV 汇集站35 kV 侧初期需配置6×60 MVAr 低压电容器组，即每台主变下配置3×60 MVAr 低压电容器。

2011年，该公司建设了MES，面向公司企业网开放了数据，控制系统从此不再独立。为保证控制系统信息安全，该公司在第3层高级应用网和第4层企业信息网之间增加了防火墙，并在防火墙外又增加了1台镜像服务器，镜像服务器作为与外界数据通信的介质，可避免外界服务器直接与生产网中的服务器直接通信。

2.2 满足站内电压波动需求

根据研究区域内已投运的光伏统计，光伏小时级最大功率波动率为60%。大型光伏基地建成后，在日内高峰时段，光伏表现特征应该与已投运的光伏统计结果一致。

新能源汇集站无功补偿采用恒功率因数控制方式，功率因数设定1。

汇集站未投入无功补偿装置时，新能源出力1530×60%=918 MW，汇集站500 kV 侧电压水平在540 kV 左右。若光伏出现60% 的功率波动，则汇集站500 kV 侧电压波动如图2 所示。可以看出：在光伏出力60%波动过程中，汇集站500 kV 母线最高电压为1.052p.u.（基准值525 kV），对应电压552.3 kV，超过了国标对500 kV 母线正常运行电压范围的要求（500～550 kV）。即便500 kV 汇集站采用有载调压变压器，500 kV 侧电压难以恢复，仅对220 kV 侧电压调节有作用。

图2 光伏60%功率波动时，汇集站500 kV电压波动曲线

汇集站低压侧安装STATCOM 装置时，通过STATCOM 配置容量的计算，STATCOM 标称容量2×60 MVAr 可以实现无功电压的实时动态调节，较好抑制汇集站500 kV 母线电压的波动。

2.3 满足新能源场站暂态过电压需求

新能源汇集站通过500 kV 单回线与电网连接，现分析该单回线发生瞬时性故障对送端新能源的电压影响。

在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC 中搭建含光伏和STATCOM 装置的详细模型，0.1s时单回线（图1 的线路2）发生A 相瞬时性故障，0.2 s 时该线路A 相两侧开关跳开。假设送端光伏电站的过电压闭锁功能不投（光伏电站为了保护设备本体，会在电压达到1.3 p.u.以上时，迅速闭锁逆变器，功率输出降为0），见图3 所示。可以看出：单瞬故障过程中，500 kV 线路电压升高至额定相电压1.5 倍以上，送端存在的严重的过电压问题。

图3 汇集站送出线路单瞬故障的暂态过电压（光伏不闭锁）

若在汇集站低压侧安装2×60 MVAr 的STATCOM 装置，故障后汇集站的送端电压得到了很好抑制。分析可知：无STATCOM时，单瞬故障后，A 相产生了严重过电压；有STATCOM 时，A 相电压得到了较好抑制，电压控制在1.3 p.u.以内。

2.4 满足站内谐波需求

当前，各光伏电站按《光伏电站接入电网技术规定》配置了动态无功补偿装置（STATCOM），主要用于滤除谐波及抑制电压波动。但一般情况下STATCOM 滤波效果通常在70%～85% 之间，对电压波动和闪变的抑制通常在60%～80%左右，仍有部分特征谐波向汇集站渗透，因此汇集站需要谐波治理装置。在汇集站内谐波治理装置正常投入后，各光伏电站剩余谐波渗透至系统，当考虑背景谐波后，接入站点500 kV谐波电压总畸变率由0.91% 上升到1.33%（限值2.0%），接近预警值1.4%。

若汇集站采用FC+STATCOM 进行二次治理时，STATCOM 的滤波容量为17.054 MVAr，二次治理后渗透至接入站点500 kV 谐波电压总畸变率由1.33% 降低为0.96%（限值2.0%）。按汇集站35 kV 侧配置两组动态无功补偿装置考虑，单组STATCOM 滤波容量需按不低于9 MVAr 考虑（STATCOM 谐波检测补偿策略控制点建议为主变500 kV 侧）。

2.5 STATCOM配置方案

STATCOM 配置方案，不仅要从无功平衡、电压波动、暂态过电压、谐波治理进行配置容量分析，还受到下列因素的影响：

1）汇集站工程初期投运两台1000 MVA 主变，主变N- 1 后剩余一台主变仍然有动态电压调节需求，建议每台主变低压侧均配置一套STATCOM 装置。

2）大规模新能源投运后，实时抑制电压波动的需求一直存在。

3） 考虑投资造价估算，100 MVAr 的STATCOM 整体造价是60 MVAr 的2 倍左右。

4）根据《330 kV～750 kV 变电站无功补偿装置设计技术规定》（DL/T5014-2010）为了方便设备运行维护，330 kV、500 kV、750 kV 电压等级变电站安装有2 台及以上变压器时，每台变压器配置的无功补容量应基本一致。

综上所述，汇集站初期两台1000 MVA 主变，每台主变配置2 组60 MVAr 电容器组+1套60 MVArSTATCOM，单套STATCOM 滤波容量不低于9 MVAr。

3 新能源汇集站控制策略

结合汇集站的特点，STATCOM 的控制模式建议如下：

1）正常运行时，定电压控制。电压控制目标530 kV，为了防止STATCOM 频繁无功变化，设置±2 kV 电压死区，当电压偏差超过死区时，开始启动无功动态调节。同时保留谐波控制功能，检测到谐波超标时，及时启动谐波滤除功能。

2）当母线电压有效值低于0.9 pu 时，同时任一相母线电压均高于0.2 pu 时，控制系统进入暂态快速无功补偿模式，快速支撑电网电压。

3）在系统故障恢复后，为保证系统恢复期的稳定，设置暂态稳定控制模式。在该模式下，STATCOM 控制保护系统按照预设的500 kV 电压目标值控制系统电压，当系统稳定一段时间后（可整定），STATCOM 退出暂态稳定控制模式，恢复至暂态前STATCOM 控制模式。

4 新能源汇集站的谐振风险分析

4.1 电力电子装备的谐振问题

近年来，电力电子技术发展迅猛，电源端或负荷端在一定频段内可能存在负电阻效应，当输电网络本身的固有电阻不足以抵消电源端或负荷端存在负电阻时，系统受到扰动后可能发生谐振。

在PSCAD/EMTDC 中搭建含变压器、STATCOM 以及电容器控制保护系统模型，进行谐波阻抗扫描。如果在某谐波频段上存在着相位相反的，阻抗为负的情况，则认为该频段存在与电网谐振的风险。

4.2 STATCOM的谐振扫描

考虑STATCOM 出力分别为容性满功率60 MVAr、容性半功率30 MVAr、零功率、感性满功率60 MVAr、感性半功率30 MVAr 五种运行状态，扫描后得到谐波阻抗大小如图4 所示，谐波阻抗幅角如图5 所示。

图4 STATCOM的谐波阻抗大小

图5 STATCOM的谐波阻抗幅角

结合含STATCOM 汇集站的RTDS 试验有：STATCOM 在频率1320～1350 Hz、 频率1850～1860 Hz、频率2120～2140 Hz 这几个频段存在着谐振风险。

通过以往大容量STATCOM 运行工程，在某一频段的高频谐振问题，建议进一步研究通过调整PI 参数来解决谐振问题。

5 结束语

大规模新能源汇集站由于存在着功率变化大、电压波动大、谐波含量较高、电能质量等问题，在无功配置上按照常规的500 kV 变电站配置低容、低抗装置已经难以满足系统的需求，尤其是随着新能源比例的不断提升，电网的动态无功需求越来越迫切。

1）本文从满足汇集站内无功平衡的需求、电压波动需求、暂态过电压需求、谐波治理需求等方面进行了详细研究，建议每台主变配置2 组60 MVAr 电容器组+1 套60 MVArSTATCOM，单套STATCOM 滤波容量不低于9 MVAr。

2）结合汇集站的新能源特点，建议正常运行时定电压控制，保留谐波控制功能；故障期间暂态电压控制模式。正常运行和故障期间的控制模式可以自动切换。

3）通过谐波阻抗扫描，STATCOM 装置在频段1320～1350 Hz、1850～1860 Hz、2120～2140 Hz存在着谐振风险，建议进一步研究通过调整PI参数来解决谐振问题。