瞻榆风电集中接网静态电压稳定等值研究

徐兴伟，岳 涵，孙正伟，夏德明，孙铭泽

（国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180）

研究与应用

瞻榆风电集中接网静态电压稳定等值研究

徐兴伟，岳 涵，孙正伟，夏德明，孙铭泽

（国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180）

瞻榆风电集中接网工程属于典型风电汇集送出系统。随着风电装机容量增加及送出功率增大，瞻榆汇集送出系统是否存在静态电压稳定破坏风险，是确定安全运行边界的重要约束条件。针对典型风电汇集送出系统，开展了静态电压稳定问题等值研究，评估了影响静态电压稳定极限点传输功率的关键因素，通过建立等值系统研究了瞻榆风电汇集送出系统的静态电压稳定问题，研究结果为确定实际运行安全边界提供了技术依据。

静态电压稳定；风电；汇集送出；等值

东北区域内，风力资源丰富地区多远离负荷中心，风电场多经弱电网接入，远距离集中送到负荷中心。这种模式下，系统的短路容量通常较小，并网点无功电压支撑能力较弱，存在较多的安全稳定运行问题［1－3］。随着汇集风电容量增加，风电汇集系统的静态电压稳定问题逐渐凸显。

关于并网风电机组对电力系统静态电压稳定性的影响，国内外已有较多研究成果。文献［4］利用数字仿真法研究风电并网静态电压稳定影响。文献［5－6］研究了简化电力系统内风电并网静态电压稳定性。文献［7－9］开展了大规模风电汇集地区风电机组高电压脱网机理研究工作。

东北电网500 kV瞻榆风电基地于2015年末投产。瞻榆风电基地是一个典型的风电汇集送出系统，汇集风电约2 300 MW，通过加装固定串补的500 kV线路远距离送到负荷中心，送出功率过大时是否存在静态电压稳定破坏风险，是确定安全运行边界的重要约束条件。本文研究了典型风电汇集送出系统静态电压稳定问题，评估了影响静态电压稳定传输功率的关键因素，进而分析了瞻榆风电基地静态电压稳定问题。

1 典型风电汇集送出系统静态电压稳定问题

典型风电汇集送出系统一般经过升压变压器、线路接入系统主网，如图1所示。图中：P为风电场有功功率；Q为风电场无功功率；XT、XL、XS分别为变压器电抗、线路电抗、无穷大系统短路电抗；低压母线（一般为35 kV）到系统无穷大母线的总电抗X＝XT＋XL＋XS。如果风电汇集送出系统通过220 kV线路连接到500 kV变电站的220 kV侧，则35 kV母线到系统无穷大母线的总电抗还包括500／220 kV变压器电抗、500 kV线路电抗、串联补偿容抗等连接回路的电抗，可以统一表示为X。

图1 典型风电场汇集系统接线

一般风电场无功补偿装置由感性支路、固定电容器组构成，接入35 kV母线，如果感性支路等效电纳为BL、固定电容器组电纳为Bc，则母线N上总无功补偿电纳B＝Bc－BL。虽然不同类型无功补偿装置的补偿方式、控制方法和响应时间不同，但如果忽略过渡过程，无功补偿装置最终将以总无功补偿电纳B的形式影响系统电压。

典型风电场汇集系统潮流方程：

式中：V、θ分别为母线N的电压和相角；E为无穷大母线电压。

由式（1）可得：

消去θ，得到：

由式（5）分母等于0，可得：

式中：Bcr为系统静态电压稳定极限点对应的补偿电纳。

将Bcr代入式（3），可求取系统静态电压稳定极限点有功功率：

从式（7）中可以看出，系统静态电压稳定极限点有功功率Pcr与风电场母线电压V、无穷大母线电压E、风电场到系统无穷大母线的总电抗X、补偿电纳B等因素有关，其中：补偿电纳作为电压支撑因素，反映到风电场母线电压V上。式（7）中，如果Q＞0，则0，系统静态电压稳定极限点有功功率Pcr将大于式（11）；如果系统静态电压稳定极限点有功功率Pcr将小于式（11）。无穷大母线电压E、风电场到系统无穷大母线的总电抗X则反映了风电场汇集送出点电网强度。要想提高系统静态电压稳定极限点有功功率Pcr，需要提高风电场母线电压V、无穷大母线电压E，减少风电场到系统无穷大母线的总电抗X，有条件时风电机组向系统发出无功Q。

由式（3）可求解得到母线N的电压V与风电场有功P、无功Q、补偿电纳B、总电抗X、无穷大母线电压E的函数：

进而可由式（8）求取风电汇集系统的P－V曲线。

如果风电机组采用恒功率因数为1的控制，则风电场无功功率Q＝0，则式（5）—（8）可简化为

研究风电汇集系统的静态电压稳定性问题时，对于风电机组采用恒功率因数为1的控制工况，可由式（9）—（12）评估，其他工况可由式（5）—（8）评估。

2 瞻榆风电汇集点静态电压稳定性等值研究

瞻榆风电汇集点计划接入9座风电场，各风电场通过220 kV线路汇集到瞻榆500 kV升压站后，经加装了30%固定串补的500 kV瞻榆变—梨树变线路接入梨树变。

取基准容量为100 MVA、基准电压为220 kV、500 kV进行标么值折算，瞻榆风电汇集系统电网结构示意图如图2所示。

图2 瞻榆风电汇集系统电网结构

为评估瞻榆风电汇集系统是否存在静态电压稳定破坏的可能，将瞻榆风电汇集系统等值为一个风电场通过1条线路接入主系统（无穷大系统）的简化结构，如图1所示。已发生的多次风电场脱网事故证明，即使风电场安装静止无功发生器（SVG），在其设备参数、控制参数不合理时，风电场也有高电压脱网的可能，因此将瞻榆地区风电场的无功补偿装置近似等效为电容值为B的电容器。

将瞻榆风电场有功功率P从0至满功率（2 300 MW）变化，可以得到瞻榆风电基地静态电压灵敏度随有功功率变化的曲线，如图4所示。可以将图4中静态电压灵敏度随有功功率变化的曲线分为4段。a.第1段风电场有功功率［0，A）：电压灵敏度较低（小于0.5 kV／Mvar），静态电压稳定性较好，只要无功补偿容量充足且投入及时，运行电压不会发生大幅波动。

图3 瞻榆风电汇集系统的P－V曲线

图4 瞻榆风电基地的电压灵敏度

b.第2段风电场有功功率［A，B）：电压灵敏度明显增大（0.5～2.0 kV／Mvar），静态电压稳定性较差，有功功率或无功功率的小幅变化都会引发电压的较大波动，难以控制，一旦出现无功过补偿或欠补偿方式，可能引发电压失稳。

c.第3段风电场有功功率［B，C）：处于静态电压临界稳定。

d.第4段风电场有功功率大于C：处于静态电压不稳定域。

运行中需要提前将系统有功功率控制在图4中第1段的运行区间。

同理，可求得瞻榆风电汇集送出500 kV线路中的固定串补退出运行方式下静态电压稳定极限点有功功率约为17.162 204（标么值），500 kV瞻榆变1台主变停运方式下静态电压稳定极限点有功功率约为15.836 162（标么值）。从静态电压稳定等值研究结果看，瞻榆风电汇集送出系统不能满足汇集风电满发需求。

静态电压稳定等值研究过程中对风电场内部电网结构进行了等值，风电场并网母线电压、主系统母线电压与实际工况有一定偏差，因此静态电压稳定等值研究结果与详细建模的仿真研究结果将也有一定偏差。由于风电场详细建模工作，需对每台风机、风机升压变、风电场35 kV馈线、风电场35 kV静态无功补偿设备、风电场35 kV动态无功补偿设备、35／220 kV升压变等设备进行建模，建模和仿真研究工作量均较大，在详细建模仿真研究工作未结束前，工程中可以在预留一定安全可靠系数的基础上，应用静态电压稳定等值研究结果作为安全运行控制边界。

3 结论

a.风电汇集送出系统静态电压稳定极限点有功功率是风电场母线电压、风电无功出力、风电场到系统无穷大母线的总电抗、补偿电纳、无穷大母线电压的函数。要想提高系统静态电压稳定极限点有功功率，需要提高风电场母线电压、无穷大母线电压，减少风电场到系统无穷大母线的总电抗，有条件时风电机组向系统发出无功。

b.瞻榆风电汇集系统等值研究结果表明，静态电压稳定极限点有功功率低于其风电总装机容量，其送出通道中固定串补、1台500／220 kV主变退出运行时，静态电压稳定极限点有功功率下降较多。

c.从安全、最大限度接纳风电角度，应开展瞻榆风电汇集系统详细建模仿真研究工作，确定静态电压稳定运行边界。

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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

徐兴伟（1971—），男，博士，高级工程师，从事电网安全稳定运行及关键技术研究等工作。

2016－03－02）