大规模新能源汇集站的动态无功补偿配置.pdf

随着风电、光伏大规模开发和利用，受到送出通道资源及能力的限制，需要采用汇集站的方式将多个新能源场站统一汇集后接入电网，但是大规模新能源的汇集送出面临着潮流波动较大、谐波畸变严重、无功电压控制困难等一系列问题。为了解决这一突出的工程困难，本文结合实际工程，开展在新能源汇集站增加动态无功补偿装置的配置研究、策略制定、谐振的风险分析，研究成果为新能源汇集站的无功补偿配置提供指导作用。关键词：新能源汇集站；动态无功补偿；电压波动Resean Dynamic Reactive Power Compensation Configuration of Large-Scale New Energy Collection StationsLi Junjie1,Wan Hangyu1,Fu Junbo2,Fu Yalu1（1.Yunnan Electric Power Design Institute Co.,Ltd.Kunming 650000,China;2.Nanjing Nanrui Jibao Engineering Technology Co.,Ltd.Nanjing 210000,China）Abstract:With the development and utilization of wind power and photovoltaic,the power grid transmission channel resources and capacity are limited，the power grid adopts the method of large-scale collection of stations to integrate multiple new energy stations into the power grid.However,the large-scale collection and transmission of new energy is faced with a series of problems,such as intensified power flow fluctuation,serious harmonic distortion,and difficulties in reactive power and voltage control.For practical projects,this paper studies the configuration research,strategy formulation,and risk analysis of resonance of adding dynamic reactive power compensation devices in new energy gathering stations.The research results provide guidance for reactive power compensation allocation of new energy gathering stations.Key words:New energy gathering station;Dynamic reactive power compensation;Voltage fluctuation中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2023）04-0016-060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。1STATCOM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。17第 51 卷2023 年第 4 期大规模新能源汇集站的动态无功补偿配置在电力系统中，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。4）提供阻尼控制，抑制电网功率振荡。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 41000 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。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。表1汇集站近区感性无功平衡计算 充电无功（容性）线路导线截面/mm2单回线路全长/km回路数充电功率/MVAr线路1（一半）63001702260线路2630017126线路3（一半）63001592243线路4（一半）463016219线路5（一半）63001202183容性无功合计731无功消耗（感性）线路/变电站高抗容量/MVAr低抗容量/MVAr无功消耗/MVAr线路3（近端）210191线路1（近端）240219线路5（近端）360328接入站母线高抗120109接入站06060感性无功合计907补偿度124%备注：高抗容量基准电压为 550 kV，无功消耗折算至 525 kV表2汇集站容性无功平衡计算 序号项目规模/MVA1主变无功消耗3062仁和光辉线路无功消耗543仁和光辉线路一半充电功率204无功消耗合计340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 660 MVAr 低压电容器组，即每台主变下配置 360 MVAr 低压电容器。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 153060%=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，18云南电力技术第 51 卷2023 年第 4 期汇集站 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（500550 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 260 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 260 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）。2.5STATCOM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 kV750 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。19大规模新能源汇集站的动态无功补偿配置第 51 卷2023 年第 4 期综上所述，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。4.2STATCOM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4STATCOM的谐波阻抗大小 图5STATCOM的谐波阻抗幅角结 合 含 STATCOM 汇 集 站 的 RTDS 试 验有：STATCOM 在 频 率 13201350 Hz、频 率18501860 Hz、频率 21202140 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。20云南电力技术第 51 卷2023 年第 4 期3）通过谐波阻抗扫描，STATCOM 装置在频段 13201350 Hz、18501860 Hz、21202140 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。参考文献1 张胜安,曹天成.STATCOM对电力系统的稳定性影响仿真分析J.黑龙江科学,2022,13(18):9-132 王新浩,袁绍军,刘振宇,等.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J.河北电力技术,2022,41(2):1-73 徐伟丰,俞永军,蒋超俊,等.低压配电网串联无功补偿的应用分析J.电力电容与无功补偿,2021,42(01):51-574 陈凯.基于STATCOM的风光储互补系统的控制策略研究J.电工电气,2022(09):113-175 郑春,肖定垚,聂更生,等.江西南部电网受入直流电压稳定问题及无功补偿策略研究J.电力电容器与无功补偿,2022,43(2):1-76 李春敏,吴亚洲.新能源接入对电网安全稳定的影响思考J:应用能源技术,2022,(8):58-617 杨硕,王伟胜,刘 纯,等.改善风电汇集系统静态电压稳定性的无功电压协调控制策略J.电网技术,2014,38(5):1250-12568 DL/T1773-2017电力系统电压和无功电力技术导则S9 何仰赞,温增银.电力系统分析（下册）M.武汉：华中科技大学出版社,2010.收稿日期：2023-06-26作者简介：李俊杰（1993），男，硕士，工程师，中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司能源规划研究中心，从事电力系统规划及电网安全稳定风险分析工作。（E-mail）junjie_。1）在平原等空旷地区，由于尖端效应，突出地面或高耸的物体容易遭受雷击；2）山顶的突出物体、山坡迎风面、山区盆地、山沟中处于风口的物体容易遭受雷击；3）雷击与地质条件有关，地下有矿物质的地面物体容易遭受击；4）在湖沼、低洼地区及地下水位高的地区，地面物体容易遭受雷击。雷击的这一特性，可作为 10 kV 架空线路防雷评估的重要依据。再结合地区雷击强度和线路往年雷击故障次数等情况评估线路或线路区段易击等级1。4结束语本文针对 10 kV 绝缘架空配电线路雷击断线问题，分析了其故障类型、原因和机理，并提出了一套综合技术方案来防止或减少雷击断线故障的发生。除技术措施外，还需要在管理措施中加强对线路易受雷击和故障高发区段进行有效评估，明确重点治理对象，提升技术措施实用效果，切实降低雷击对线路和设备的影响。参考文献1 黎洪光.10 kV配电线路遭受雷击破坏的原因及防范J.电力安全技术,2011(3):15-18.2 李景禄.配电网防雷技术M.北京:科学出版社,2014:1-430.3 陈管丹.10 kV线路雷击过电压分析及防雷措施研究N.科技创新导报,2018(9):55-56.4 高源,孙学东,张喆,等.10 kV架空裸导线雷击断线机理仿真与试验研究J.高压电器,2017(8):129-133.5 甘景福,马鑫晟,彭珑,等.典型地区配网设备雷击故障特征与防雷措施分析J.华北电力技术,2014(7):10-13.6 王常余.架空绝缘导线雷击断线的几率高于架空裸导线的原因J.电世界,2011(8):54.收稿日期：2023-05-06作者简介：和治翔（1989），男，本科，助理工程师，配电线路工技师，云南电网有限责任公司迪庆供电局，当前从事配电线路运维。（E-mail）；邵力（1992），男，工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事配网生产工作。（E-mail）；贺飞（1987），男，高级工程师，云南电网有限责任公司普洱供电局，从事配网工作。（E-mail）。（上接第04页）