瞻榆風電集中接網靜態電壓穩定等值研究

徐興偉，岳 涵，孫正偉，夏德明，孫銘澤

（國家電網公司東北分部，遼寧 沈陽 110180）

研究與應用

瞻榆風電集中接網靜態電壓穩定等值研究

徐興偉，岳 涵，孫正偉，夏德明，孫銘澤

（國家電網公司東北分部，遼寧 沈陽 110180）

瞻榆風電集中接網工程屬于典型風電匯集送出系統。隨著風電裝機容量增加及送出功率增大，瞻榆匯集送出系統是否存在靜態電壓穩定破壞風險，是確定安全運行邊界的重要約束條件。針對典型風電匯集送出系統，開展了靜態電壓穩定問題等值研究，評估了影響靜態電壓穩定極限點傳輸功率的關鍵因素，通過建立等值系統研究了瞻榆風電匯集送出系統的靜態電壓穩定問題，研究結果為確定實際運行安全邊界提供了技術依據。

靜態電壓穩定；風電；匯集送出；等值

東北區域內，風力資源豐富地區多遠離負荷中心，風電場多經弱電網接入，遠距離集中送到負荷中心。這種模式下，系統的短路容量通常較小，并網點無功電壓支撐能力較弱，存在較多的安全穩定運行問題［1－3］。隨著匯集風電容量增加，風電匯集系統的靜態電壓穩定問題逐漸凸顯。

關于并網風電機組對電力系統靜態電壓穩定性的影響，國內外已有較多研究成果。文獻［4］利用數字仿真法研究風電并網靜態電壓穩定影響。文獻［5－6］研究了簡化電力系統內風電并網靜態電壓穩定性。文獻［7－9］開展了大規模風電匯集地區風電機組高電壓脫網機理研究工作。

東北電網500 kV瞻榆風電基地于2015年末投產。瞻榆風電基地是一個典型的風電匯集送出系統，匯集風電約2 300 MW，通過加裝固定串補的500 kV線路遠距離送到負荷中心，送出功率過大時是否存在靜態電壓穩定破壞風險，是確定安全運行邊界的重要約束條件。本文研究了典型風電匯集送出系統靜態電壓穩定問題，評估了影響靜態電壓穩定傳輸功率的關鍵因素，進而分析了瞻榆風電基地靜態電壓穩定問題。

1 典型風電匯集送出系統靜態電壓穩定問題

典型風電匯集送出系統一般經過升壓變壓器、線路接入系統主網，如圖1所示。圖中：P為風電場有功功率；Q為風電場無功功率；XT、XL、XS分別為變壓器電抗、線路電抗、無窮大系統短路電抗；低壓母線（一般為35 kV）到系統無窮大母線的總電抗X＝XT＋XL＋XS。如果風電匯集送出系統通過220 kV線路連接到500 kV變電站的220 kV側，則35 kV母線到系統無窮大母線的總電抗還包括500／220 kV變壓器電抗、500 kV線路電抗、串聯補償容抗等連接回路的電抗，可以統一表示為X。

圖1 典型風電場匯集系統接線

一般風電場無功補償裝置由感性支路、固定電容器組構成，接入35 kV母線，如果感性支路等效電納為BL、固定電容器組電納為Bc，則母線N上總無功補償電納B＝Bc－BL。雖然不同類型無功補償裝置的補償方式、控制方法和響應時間不同，但如果忽略過渡過程，無功補償裝置最終將以總無功補償電納B的形式影響系統電壓。

典型風電場匯集系統潮流方程：

式中：V、θ分別為母線N的電壓和相角；E為無窮大母線電壓。

由式（1）可得：

消去θ，得到：

由式（5）分母等于0，可得：

式中：Bcr為系統靜態電壓穩定極限點對應的補償電納。

將Bcr代入式（3），可求取系統靜態電壓穩定極限點有功功率：

從式（7）中可以看出，系統靜態電壓穩定極限點有功功率Pcr與風電場母線電壓V、無窮大母線電壓E、風電場到系統無窮大母線的總電抗X、補償電納B等因素有關，其中：補償電納作為電壓支撐因素，反映到風電場母線電壓V上。式（7）中，如果Q＞0，則0，系統靜態電壓穩定極限點有功功率Pcr將大于式（11）；如果系統靜態電壓穩定極限點有功功率Pcr將小于式（11）。無窮大母線電壓E、風電場到系統無窮大母線的總電抗X則反映了風電場匯集送出點電網強度。要想提高系統靜態電壓穩定極限點有功功率Pcr，需要提高風電場母線電壓V、無窮大母線電壓E，減少風電場到系統無窮大母線的總電抗X，有條件時風電機組向系統發出無功Q。

由式（3）可求解得到母線N的電壓V與風電場有功P、無功Q、補償電納B、總電抗X、無窮大母線電壓E的函數：

進而可由式（8）求取風電匯集系統的P－V曲線。

如果風電機組采用恒功率因數為1的控制，則風電場無功功率Q＝0，則式（5）—（8）可簡化為

研究風電匯集系統的靜態電壓穩定性問題時，對于風電機組采用恒功率因數為1的控制工況，可由式（9）—（12）評估，其他工況可由式（5）—（8）評估。

2 瞻榆風電匯集點靜態電壓穩定性等值研究

瞻榆風電匯集點計劃接入9座風電場，各風電場通過220 kV線路匯集到瞻榆500 kV升壓站后，經加裝了30%固定串補的500 kV瞻榆變—梨樹變線路接入梨樹變。

取基準容量為100 MVA、基準電壓為220 kV、500 kV進行標么值折算，瞻榆風電匯集系統電網結構示意圖如圖2所示。

圖2 瞻榆風電匯集系統電網結構

為評估瞻榆風電匯集系統是否存在靜態電壓穩定破壞的可能，將瞻榆風電匯集系統等值為一個風電場通過1條線路接入主系統（無窮大系統）的簡化結構，如圖1所示。已發生的多次風電場脫網事故證明，即使風電場安裝靜止無功發生器（SVG），在其設備參數、控制參數不合理時，風電場也有高電壓脫網的可能，因此將瞻榆地區風電場的無功補償裝置近似等效為電容值為B的電容器。

將瞻榆風電場有功功率P從0至滿功率（2 300 MW）變化，可以得到瞻榆風電基地靜態電壓靈敏度隨有功功率變化的曲線，如圖4所示。可以將圖4中靜態電壓靈敏度隨有功功率變化的曲線分為4段。a.第1段風電場有功功率［0，A）：電壓靈敏度較低（小于0.5 kV／Mvar），靜態電壓穩定性較好，只要無功補償容量充足且投入及時，運行電壓不會發生大幅波動。

圖3 瞻榆風電匯集系統的P－V曲線

圖4 瞻榆風電基地的電壓靈敏度

b.第2段風電場有功功率［A，B）：電壓靈敏度明顯增大（0.5～2.0 kV／Mvar），靜態電壓穩定性較差，有功功率或無功功率的小幅變化都會引發電壓的較大波動，難以控制，一旦出現無功過補償或欠補償方式，可能引發電壓失穩。

c.第3段風電場有功功率［B，C）：處于靜態電壓臨界穩定。

d.第4段風電場有功功率大于C：處于靜態電壓不穩定域。

運行中需要提前將系統有功功率控制在圖4中第1段的運行區間。

同理，可求得瞻榆風電匯集送出500 kV線路中的固定串補退出運行方式下靜態電壓穩定極限點有功功率約為17.162 204（標么值），500 kV瞻榆變1臺主變停運方式下靜態電壓穩定極限點有功功率約為15.836 162（標么值）。從靜態電壓穩定等值研究結果看，瞻榆風電匯集送出系統不能滿足匯集風電滿發需求。

靜態電壓穩定等值研究過程中對風電場內部電網結構進行了等值，風電場并網母線電壓、主系統母線電壓與實際工況有一定偏差，因此靜態電壓穩定等值研究結果與詳細建模的仿真研究結果將也有一定偏差。由于風電場詳細建模工作，需對每臺風機、風機升壓變、風電場35 kV饋線、風電場35 kV靜態無功補償設備、風電場35 kV動態無功補償設備、35／220 kV升壓變等設備進行建模，建模和仿真研究工作量均較大，在詳細建模仿真研究工作未結束前，工程中可以在預留一定安全可靠系數的基礎上，應用靜態電壓穩定等值研究結果作為安全運行控制邊界。

3 結論

a.風電匯集送出系統靜態電壓穩定極限點有功功率是風電場母線電壓、風電無功出力、風電場到系統無窮大母線的總電抗、補償電納、無窮大母線電壓的函數。要想提高系統靜態電壓穩定極限點有功功率，需要提高風電場母線電壓、無窮大母線電壓，減少風電場到系統無窮大母線的總電抗，有條件時風電機組向系統發出無功。

b.瞻榆風電匯集系統等值研究結果表明，靜態電壓穩定極限點有功功率低于其風電總裝機容量，其送出通道中固定串補、1臺500／220 kV主變退出運行時，靜態電壓穩定極限點有功功率下降較多。

c.從安全、最大限度接納風電角度，應開展瞻榆風電匯集系統詳細建模仿真研究工作，確定靜態電壓穩定運行邊界。

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Study on Static Voltage Stability Equivalent for Zhanyu Centralized Wind Power Integrated into Power Grid

XU Xing?wei，YUE Han，SUN Zheng?wei，XIA De?ming，SUN Ming?ze
（Northeast Branch of State Grid Corporation of China，Shenyang，Liaoning 110180，China）

Zhanyu wind power integration project uses a typical central integrated method.With the increasing wind power generators and power outputs，studying the risk is necessary for static voltage stability from Zhanyu centralized outgoing system.It is an important con?straint condition to determine the safety operation boundary.This study is based on typical wind power centralized outgoing transmission system.The paper includes system equivalent study of static voltage stability，the assessment of the key factors which have impact on transmission power at static voltage stability limit and case study of static voltage stability of Zhanyu centralized integration system from building equivalent system.The results provide theoretical and technical support for determining the actual operation safety boundary.

Static voltage stability；Wind power；Centralized outgoing transmission；Equivalent

TM614；TM712

A

1004－7913（2016）08－0030－04

徐興偉（1971—），男，博士，高級工程師，從事電網安全穩定運行及關鍵技術研究等工作。

2016－03－02）