|
风电汇集站可控高抗电压控制策略研究[w1]
邢华栋，任思宇，张爱军，孟庆天
（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）[w2]
摘要：[w3] 可控高压并联电抗器(简称可控高抗)可以起到协调无功电压的作用，有助于提高系统稳定性和运行经济性。以拟采用母线可控高抗的风电汇集站为例，对可控高抗的电压控制策略进行仿真，详细分析了500kV母线电压控制定值与主变变比的不同组合对区域电压以及无功补偿装置无功利用率的影响，提出无功补偿装置无功综合利用率的评价方法，最终确定受控母线的电压控制定值和主变变比。
关键词：[w4] 风电汇集电网；可控高抗；控制策略；定值
Research on Voltage Control Strategy of Controllable Shunt Reactor in Multiple-Converging Wind Power Staiton[w5]
XING Huadong, REN Siyu, ZhANG Aijun, MENG Qingtian
(Inner Mongolia Power Research Institute，Hohhot 0l0020, China)
Abstract:Controllable shunt reactor(CSR) can play the role of improving reactive power and voltage, and its application is favourable to the enhancement power system stability and improvement of its operating economy benefit.Taking the multiple-converging wind power station which planed to adopt the CSR on its 500kV bus as an example, simulation was carried out for the voltage control policy of CSR. Diffirent combinations of control set points of 500kV bus and transformer tap were carried out,and the influence of which on regional voltage and reactive power utilization of reactive compensation equipments were analyzed in detail.Taking the comprehensive utilization of reactive compensation equipments as the evaluation criterion,the setting value of controled bus and the transformor tap was determined.
Key words：multiple-converging wind power system; CSR; control policy; setting valve
内蒙古电网拥有多个大规模风电汇集区域电网，但大都位于系统末端，远离负荷中心。对于系统末端的风电汇集区域电网，由于输电距离长，线路损耗大，系统电压受风电出力影响较大，电压稳定问题较为突出[1-3]。
针对风电场出力随机性、间隙性较强的特点，蒙西电网某规划建设的500kV风电汇集站在500kV母线上装设1台可控高压并联电抗器（Controllable Shunt Reactor，CSR），采用电压控制策略，可自动连续调节感性无功，以达到维持母线电压恒定的目的。如何设置500kV母线电压控制定值是可控高抗电压控制策略的关键。本文通过仿真方法，详细分析500kV母线电压控制定值与主变变比的不同组合对区域电压以及无功补偿装置无功利用率的影响，提出无功综合利用率的评价方法，最终确定受控母线的电压控制定值和主变变比。
1 工程概况
A站是规划建设的500kV风电汇集站，站内有2台750MVA主变，额定电压525 kV /230±8×1.25% kV /36kV，每台主变低压侧装设1组60Mvar电容器和2组60Mvar电抗器。500kV母线装有1台可控高抗，额定电压550kV，额定容量120Mvar，可在0～120Mvar连续调节。其控制模式为恒电压控制模式，即可控高抗通过动态调节自身容量，保持500kV母线电压为一恒定值。
A站经双回500kV线路接入主网，长度均为100.8km，导线型号为4×JL/G1A-400/35，线路没有高抗。根据调度信息，主网接入点运行电压平均值为520kV。
A站所在风电汇集区域有7座风电场，均通过220kV线路进入A站（见图1）。风电场装机容量合计1100MW，站内动态无功补偿装置容量合计-83Mvar～90Mvar，全部风机功率因数按0.98～1考虑，即该区域全部风机可发出无功范围为0～223Mvar。风电场动态无功补偿装置及风机的无功控制模式均为电压控制策略[4]，各风场220kV母线电压控制定值为230kV。
图1 某风电汇集区域网架结构[w7]
2电压控制定值与主变变比对无功补偿的影响
一般的，风电汇集站无功补偿装置和风电场无功装置的主要作用是调节区域无功，使系统电压保持在合理范围内[5-6]。本工程中比较理想的无功补偿方式为：风电小出力或不出力时，输电线路充电功率导致区域电压较高，为了抑制电压过高，A站可控高抗、和风电场动态无功补偿装置都应投入感性无功；当风电大发时，系统无功损耗较大，导致系统电压偏低，A站可控高抗应投入少量或者不投感性无功，风电场动态无功补偿装置和风机都应投入容性无功，对系统电压起到支撑作用。
A站母线可控高抗采用电压控制模型，500kV母线电压控制定值与主变变比的选取是首先需要考虑的问题。
选取A站主变变比为525 kV /230 kV /66 kV，500kV母线电压控制定值设置为515kV，在BPA中对该区域电网潮流进行稳态潮流仿真[3]。A站母线可控高抗在550kV电压下可投入120Mvar感性无功，但系统正常运行时的电压远低于550kV，因此，仿真中，可控高抗可投入的最大感性无功容量按照500kV系统平均电压525kV时的容量考虑，即109Mvar。研究风电出力从0~100%过程中，A站母线电压变化情况和可控高抗、风电场动态无功补偿装置以及风机投入的无功变化情况，仿真结果见图2和图3。
图2 风电出力0～100%过程中A站母线电压曲线
图3 风电出力0～100%过程中A站及风电场无功补偿曲线
从仿真结果看出，风电出力从0增至100%过程中，A站500kV母线电压始终高于515kV，为了降低母线电压，A站可控高抗一直满容量（109Mvar感性无功）运行，全部（4组）低压电抗器投入运行。同时，220kV母线电压及风电场母线却始终低于230kV，导致风电场动态无功补偿装置和风机一直投入容性无功，A站投入的感性无功与风电场投入的容性无功相互抵消，没有起到调节系统无功的作用。可见，在500kV母线电压控制定值为515kV与主变高中压变比为52 5 kV / 230 kV组合的条件下，该区域无功补偿装置不能使500kV系统电压和220kV系统电压同时满足控制要求，即区域中无功补偿装置不能充分发挥调节系统无功的作用，因此，需通过调整500kV母线电压控制定值和主变高中压变比，使区域无功补偿趋于合理。
3电压控制定值与主变变比的选取
3.1 计算方法[w8]
为了量化无功补偿装置的无功利用情况，提出无功利用率的概念，其计算公式如下：
，[w9]
式中 K—无功利用率；
Qn—无功装置的容量上限；
Qmax—无功装置实际投入容量的最大值；
Qmin—无功装置实际投入容量的最小值。
A站母线可控高抗为感性动态无功装置，只需计算感性动态无功利用率，其容量上限按109Mvar考虑；
A站低压无功补偿装置包括电抗器和电容器，需分别计算感性无功利用率和容性无功利用率。电抗器最大无功按投入4组考虑，电容器最大无功按投入2组考虑。
风电场动态无功补偿装置既可以投入感性无功也可以投入容性无功，需分别计算感性无功利用率和容性无功利用率。风电场感性动态无功容量上限按83Mvar考虑，容性动态无功容量上限按90Mvar考虑；
风机只能投入容性无功，只需计算容性动态无功利用率，其容量上限按223Mvar考虑。
为了量化区域无功补偿装置无功利用的综合效果，提出无功综合利用率，即将上述各种装置的无功利用率进行加权求和，各类型利用率权重见表1。
表1 [w10] 无功综合利用率权重
|
参数
|
权重
|
|
A站可控高抗动态无功利用率
|
0.25
|
|
A站低压电抗器无功利用率
|
0.125
|
|
A站低压电容器器无功利用率
|
0.125
|
|
风电场感性动态无功利用率
|
0.25
|
|
风电场容性动态无功利用率
|
0.125
|
|
风机容性动态无功利用率
|
0.125
|
3.2 计算结果
对A站500kV母线电压控制定值为515kV且主变高中压变比为525 kV /230 kV的仿真结果进行无功利用率计算。
风电出力0～100%过程中，A站母线可控高抗投入的感性无功最小值和最大值都是109Mvar，因此，可控高抗感性无功利用率为0；A站低压无功补偿装置始终投入4组电抗器，因此，低压电抗器无功利用率为0，低压电容器无功利用率为0；风电场动态无功补偿装置投入的感性无功始终为0，投入的容性动态无功最小值为37Mvar，最大值为63Mvar，因此，其感性动态无功利用率为0，容性动态无功利用率为0.29；风机投入的容性动态无功最小值为102Mvar，最大值为223Mvar，因此风机容性动态无功利用率为0.54。将各无功补偿设备的无功利用率乘以权重后求和得区域无功综合利用率为0.1。
对多个500kV母线电压控制定值以及500kV站高中压侧常用的几种变比进行多种组合，分别应用于风电出力0～100%过程仿真中，并求取区域无功综合利用率见表2，通过利用率的高低对这些组合进行效果评价。
表2 主变高中压变比与500kV母线电压控制定值各种组合条件下的无功综合利用率
|
母线电压控制定值
|
主变高中压变比
|
|
525 kV /230 kV
|
525 kV /232.88 kV
|
525 kV /235.75 kV
|
525 kV /238.63 kV
|
|
515 kV
|
0.10
|
0.44
|
0.69
|
0.71
|
|
518 kV
|
0.34
|
0.68
|
0.74
|
0.76
|
|
520 kV
|
0.55
|
0.55
|
0.73
|
0.70
|
|
522 kV
|
0.54
|
0.59
|
0.61
|
0.59
|
|
525 kV
|
0.50
|
0.57
|
0.51
|
0.52
|
3.3 结果分析
从表2看出，在500kV母线电压控制定值为518kV与主变高中压变比为525 kV /238.63 kV组合的条件下，区域无功补偿装置的无功综合利用率最高，为0.76，因此推荐使用此组合。该组合下的仿真图见图4和图5。
图4 最优组合下风电出力0～100%过程中A站母线电压曲线
图5 最优组合下风电出力0～100%过程中A站及风电场无功补偿曲线
从图4和图5看出，风电出力0～100%，A站500kV母线电压保持518kV。风电小出力时，A站和风电场均投入感性，以吸收线路充电功率；随着风电出力增加，系统无功损耗逐渐增大，A站和风电场投入的感性无功逐渐减少，当风电出力超过55%时，风电场投入的无功开始由感性变为容性，当风电出力超过78%时，可控高抗无功容量接近下限，为了维持500kV母线电压恒定，A站低压无功补偿装置开始动作，在风场出力78%~100%过程中，依次退掉4个电抗并投入2个电容，同时风电场投入的无功随着A站容性无功补偿的增强逐渐由容性变为感性。
风场出力0～60%内，该区域无功补偿装置的无功补偿配合效果较为理想，风场出力60%～100%范围内，该区域无功补偿装置的无功补偿仍然存在相互抵消的情况。可见，若想进一步将无功综合利用率提高到1，单靠一种母线电压控制定值与主变高中压变比的组合是不够的，需在风电出力较大时动态调节母线电压控制定值或调节变压器变比，涉及的控制策略将变得复杂。风电出力波动性较强，并不是每时每刻都处于大发状态，即便大风天气时，考虑到地区负荷需求、网源协调等因素，风场风力仍然会受到限制，所以刻意追求风电大发时的最优无功补偿效果的意义并不大。
因此，单一母线电压控制定值与主变变比的组合可以达到使受控母线电压恒定的目的，在大多数潮流下能够使区域无功补偿装置获得较高的利用率，是一种简单有效的控制策略。
风电汇集站可控高抗的电压控制策略需考虑受控母线电压控制定值、主变变比、站内无功补偿装置以及接带的风电场无功补偿装置的无功利用率等因素。通过计算无功补偿装置无功利用率和区域无功综合利用率，对多种受控母线电压控制定值与主变压器变比的组合进行仿真分析，最终选出最优组合。基于本方法得出的电压控制策略能够充分发挥风电汇集站和风电场的无功补偿能力，可在风电出力大范围波动的情况下维持系统电压稳定，对解决风电汇集区域电网的无功电压问题具有重大意义。
- < >[J].内蒙古电力技术，2009，27(4)1-5.< >[J].华北电力技术，2014，(9):48-54,60.< >多端风电汇集电网输电线路的功率极限研究[J].内蒙古电力技术，2017，35(2): 7-9,14.< >SVG的电压控制策略[J].电力自动化设备，2013，33(3):96-99< >[J].内蒙古电力技术，2015，33(6):1-6.< >[J].低压电器，2012，(22):46-51.
[作者简介] [w13] 邢华栋（1987），男，河北人，硕士，工程师，从事电力系统建模与仿真方面的工作。
[基金项目][G14]
[w1]题名拟定的要求：
①应以最恰当的词语反映论文的特定内容，把论文的主题明白无误的告诉读者，不能使用笼统和华而不实的词语；
②应简短精炼，一般不超过20个字；③应便于检索，题名所用的词语要能有反映论文特定内容的关键词。
[w2]需提供所有作者单位名称、单位所在地、邮编；并且提供所在单位的官方正确英文名称。
[w3]摘要部分是论文主要内容的浓缩版，要能让读者看到论文的精华内容，要求写清楚问题、方法、结果、结论，一般为200～500字。
[w4]关键词的数量要求为5～8个，要求从文章的题名、摘要、层次标题或文章其他内容中抽出来的专业术语，能反映该文主题概念的词或词组，关键词的摘选应避免使用泛指词，避免词组堆砌，避免使用简称。
[w5]需对文章的标题、摘要、关键词进行正确翻译。
[w6]引言的内容主要有：研究的理由、目的和背景；项目的理论依据、试验基础、研究方法；预期目标、成果，研究的作用和意义等；共知的、前人文献中已有的不必细写。引言要开门见山，不绕圈子，一起笔就要切题，不能铺垫太多；言简意赅，重点突出；尊重科学，不落俗套。
[w7]图需要有图序、图名，图的格式为tif或jpg，最好提供彩图。
（1）不要提供无实际意义的图；
（2）图中有数字时，应标明单位；
（3）图中改进、变动的部分最好用突出的颜色加以标记、区分；
（4）如果空间允许的话，图注可以直接标注在图上。
[w8]在一级标题下应使用二级标题，而不采用（1）（2）（3）的形式。
[w9]公式中的各种符号需用文字进行解释，并保证计算结果的准确性；公式中的变量用斜体表示。
[w10]1、表格需有准确的表名、表序。
2、建议使用3线表。
3、表格中量和单位的表示形式应为：量/单位。
[w11]研究报告、试验研究、理论推导类论文用“结论”作为文章结束部分；专题论述、综合论述（包括事故分析、改进/改造等）类论文用“结语/结束语”作为文章结束部分。
（1）结论是从前提推论出来的判断，在科技论文中，结论是在理论论证、数理推导、调查研究和实验研究所取得结果的基础上，通过严密的逻辑推理而得出的创新性、指导性、客观性、普遍性的论断以及对结果的说明或认识等。
（2）结语是指文章结尾带有总结性的一段话，作为全篇文章的结束部分，其主要考虑的是文章结构和内容的完整性，它在结构上可与开头的引言相呼应，主要表达的是有关全文主要内容的总结性、概括性话语。结语不能代替学术研究最终得到的结论。
[w12]参考文献至少提供5条，并在文中进行标注。按照其在正文中出现的顺序排序，必须要标明：“序号、作者、文献名称、文献类型、出版地、出版社、出版年、页码”等信息，期刊类见文中实例。标准的作者为归口单位。3个及以上文献作者需提供3个作者姓名，后用“等”的形式。
常用各类文献的著录格式示例（文献类型标识如下：
专著—[M]；论文集—[C]；报纸文章—[N]；期刊文章—[J]；学位论文—[D]；报告—[R]；标准—[S]；专利—[P]；数据库—[DB]；电子公告—[EB]；计算机程序—[CP]）：
1 专著:[1] 徐阳光.设备工程与管理[M].上海：华东理工大学出版社，1992：10-30.
2 学位论文:[1] 任明.分布式城市空间信息系统的关键技术研究与实现[D].上海：华东师范大学，2003：50-58.
3 报告：[1] 内蒙古电力科学研究院.神华内蒙古国华准格尔发电有限责任公司1号锅炉制粉系统出力及磨煤机单耗试验报告[R].呼和浩特：内蒙古电力科学研究院，2011.
4 期刊文章：[1] 许畅，王存林，尹涛.ERP高级应用与一体化平台的融合设计[J].电力信息化，2008，2（8）：54-58.
5 标准：[1] 全国风力机械标准化技术委员会. 风力发电机组功率特性试验：GB/T 18541.2—2003 [S].北京：中国标准出版社，2003.
6 专利文献：[1] 国网技术学院.大规模光伏电站动态等值阻抗的建模方法：中国，201010223242[P].2010-11-10.
7 电子文献：[1] 内蒙古自治区人民政府.2011年前三季度内蒙古全区主要能源价格运行情况[EB/OL].（2011-12-08）[2011-12-09].http: //www.gov.cn/gzdt/2011-12/08/content_2014562.htm.
8 析出文献：[1] 吴学鹏，辛鹏.风光互补发电控制系统的研究[C]//合肥工业大学.中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十三届学术年会论文汇编.合肥：合肥工业大学，2007：1-2.
[w13]作者简介需提供作者的姓名、出生年、性别、民族、学位、职称及从事的工作。
[G14]若为基金项目，写明项目来源，项目编号，项目简介
|