利用网架拓扑结构提高大规模风电并网稳定性

2020-01-03王帅飞王维庆南东亮

水力发电 2019年9期

王帅飞，王维庆，康智，张强，南东亮

(1.可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心(新疆大学)，新疆乌鲁木齐830047；2.国网新疆综合能源服务有限公司，新疆乌鲁木齐830011)

0 引言

在环境污染和一次能源紧缺的双重压力下，开发和利用清洁能源日益重要。作为一种典型的新型能源，风能具有绿色、经济、缓解煤炭等一次能源紧缺的优点，得到了中国政府和企业的高度关注。中国风电发展初期风电装机容量相对较小，其接入对原电网的影响主要集中在风功率波动对系统造成的电压偏差、谐波污染等问题[1-3]。随着风电技术的不断进步，风能产业的高速发展，中国风力发电正逐步走向大规模、集中接入与产业化发展模式。然而大规模风电的接入对电力系统的稳定性提出了新的挑战[4]。

近年来提高风电并网后稳定性的方法主要有：采用加装无功补偿器[5- 6]、增加导线电气截面等[7-9]来提高大规模风电并网稳定性。然而采用无功补偿等装置虽然可以提高风电并网稳定性但同时提高了并网建设成本，此外还容易带来谐波污染。随着风电场规模的不断增大，风电电气主接线与风电汇集系统在整个并网过程中的作用至关重要，可靠的拓扑结构是电网稳定运行的根基[10]。虽然在前期规划时会最大程度上满足各种需求，但受经济、运行等限制，系统难免出现结构不合理的情况。所以，优化系统结构是一个必须考虑的问题。早期，系统的安全性是许多专家关注的主要问题[11]，随着地区间电网互联程度的日益加深，电压稳定问题显得更加突出。

通过优化系统电网的拓扑可以提高系统稳定性，投资相对较少，并且现代继保为其实施提供了保护整定技术，无论从商业性、稳定性、技术性等层面来讲，改变系统网络结构的方式相对传统方式具有很大优势[12-13]。已有文献对风电场网架结构与接线方式进行了分析。文献[14]推导并论证了电气主接线对风电场并网点进行无功电压控制更为有效。文献[15]分析了3种拓扑结构对系统电压稳定性的影响，但并没有综合地考虑不同电气主接线下对风电的影响。

文章根据风电并网地区现有电气主接线与电网结构的选择，提出适用于风电电力系统的电气主接线与网架拓扑结构，提高风电场并网点母线的有功、无功裕度，从而提高风电并网点附近静态、暂态电压稳定性。

1 风电电气主接线方案选择分析

通过改善网架电气主接线可以加强区域电网间联络以此提高电压稳定性。当输电线路通过原电力系统时，如果通过输电线把原电网连接起来，相当于将线路分成了两段，缩小了电气距离，从而使得长距离的输电线路中间点的电压得到维持。且中间还能够与输电线交换有功功率，起到互为备用的作用。该节首先研究了风电机组接入风电场时常用的六种电气主接线方案，通过分析比较，给出最符合技术要求、可靠性且满足经济性的电气主接线方案。然后分析了在给定主接线方案下三种常见的风电场群汇集系统的典型拓扑结构方案，比较不同的拓扑结构对电压稳定性的影响，为大规模风电场的前期规划提供参考。

方案1，选择线路-变压器组接线，主变采用两绕组变压器(YN，d)，35 kV系统所选择为电阻接地变压器，同时35 kV侧安装有SVC。

方案2，选择线路-变压器组接线，主变采用平衡线圈类型的三绕组变压器(YN，yn+d)，主变35 kV侧中性点由电阻接地，同时35 kV侧安装有SVC。

方案3，选择线路-变压器组接线，主变采用平衡线圈类型的三绕组变压器(YN，yn+d)，变35 kV侧中性点由电阻接地，同时10 kV侧安装有SVC。

方案4，220 kV单母接线，35 kV主变所选为单母线分段接线。主变采用两绕组变压器(YN，d)，主变35 kV侧中性点由电阻接地，同时35 kV侧安装有SVC。

方案5，220 kV单母接线，35 kV主变所选为单母线分段接线。主变采用平衡线圈类型的三绕组变压器(YN，yn+d)，变35 kV侧中性点由电阻接地，同时35 kV侧安装有SVC。

方案6，220 kV单母接线，35 kV主变所选为单母线分段接线。主变采用平衡线圈类型的三绕组变压器(YN，yn+d)，变35 kV侧中性点由电阻接地，同时10 kV侧安装有SVC。

几种风电电气主接线方案相似，主要区别在于：一主变采用两绕组的变压器(YN，d)或者三绕组变压器(YN，yn+d)，二是主变是否经过电阻接地，三是动态无功补偿器SVC配置的情况。

目前，风电场主接线通常采用站用接地变压器形式(方案1，2，3)。其优点在于使用的开关柜数量较少，建设成本较低，但其较为简单但可靠性不高。方案4和方案6可以大大减少接地变压器和回路数，较为可靠，缺点为增加了平衡线圈从而增加了成本。方案5综合方案4和方案6优点，但是造价成本较高。结合我们国家已经建成风电项目的运行经验以及上述方案分析对比，可以采用方案4和方案6的电气主接线与原有并网结构接线形式进行比较试验，即220 kV和35 kV主变压器分别采用单母线和单母分段接线方式；主变为平衡线圈三绕组变压器，主变35 kV侧中性点通过电阻接地，母线配置SVC。

2 不同拓扑结构对风电场群电压稳定性的影响

大型风电场群的功率汇集系统是一个将众多风电场发出电能汇集起来，并送入主网的电气系统。新疆地区大规模风电场的风电机组出口的电压就地连续升压到110/220 kV，然后通过输电线将其传输到汇集点。由于在出口处与汇集点之间的电压等级相对较高，充电功率以及电抗较大，因此汇集系统的不同拓扑结构会直接影响并网点的电压特性。参照实际风电工程，汇集系统通常采用交流方式汇集，典型的交流汇集拓扑结构有辐射型，链型和混合型3种，如图1所示。假定设备型号、数目等影响电网建设成本因素相同时，3种不同电网汇集拓扑结构的经济性成本和可靠性见表1。

表1 汇集系统拓扑结构经济和可靠性参数

图1 风电汇集系统典型拓扑结构

通过分析表1与图2，可以发现，结构1的拓扑结构适用于距离较远风电场。该拓扑结构可保障在出现N-1故障时，非故障线路正常传输功率，运行可靠性高；缺点为建设成本较高。而结构2所示的拓扑结构通常适用于现成风电场的主线路连接方式，具有成本低、便于维护等优点，但是可靠性较差，中间线路一旦出现故障会影响所连接的风电场。结构3中的混合型形拓扑结构由前两者拓扑结构组成，适用于风电汇集系统中各风电场地理位置分布不均匀场景。

3 算例分析

选用新疆风电场作为案例，在电力系统仿真软件DIgSILENT中建模，将风电场接入已有的电网模型中，同时对比不同的风电场接入电网结构，分析不同的电网结构，接入同等容量的风电场后所呈现的静态稳定性和暂态稳定性。所建立的电网模型如图2所示。该地区电网是典型的风电集中式电网，该地区风资源充裕，风机装机容量大，负荷低，风电场群A中共5个主要风电场，各个机组以各个风电场为单位由35 kV电压等级接入风电汇集站，再由220 kV母线统一汇入750 kV的主网架。

图2 风电场群电网结构示意

3.1 风电电气主接线方案比较

该节主要探讨不同电气主接线方案对风电场稳定裕度的影响。所搭建的模型中，风电场群A位于主电网的边沿区域，网架结构较为薄弱，选用该地区的其中一处风电场(风电场B)验证不同电气主接线方案对风电场有功、无功裕度的影响，即分别对比了原电气接线即方案1与方案5的电气接线，见图3。

图3 不同方案下风电场B电气接线结构

模型中，同时对比不同的风电场接入电网结构，分析不同的电网结构，接入同等容量的风电场后所呈现的静态稳定性和暂态稳定性。所建立的电网模型如下图2所示。该地区电网是典型的风电集中式电网，风资源充裕，风机装机容量大，负荷低，风电场群A中共5个主要风电场，各个机组以各个风电场为单位由35 kV电压等级接入风电汇集站，再由220 kV母线统一汇入750 kV的主网架。

风电场B由两个子风电场(风电场B1和B2)并联而成。方案1中两个子风电场分别从35 kV母线通过变压器连接到220 kV风电场PCC3母线处；方案5中风电场B2就地连续升压至110 kV连接在PCC2母线上，然后与PCC1经变压器连接到PCC3。

图4为不同方案下B1风电场并网母线的静态电压稳定性。从图4b中可以看出方案5中，母线无功裕度几乎为0，然而方案1还有一定的无功裕度，说明加入三绕组变压器可提高汇集母线的电压稳定性，但是同时也需要一定的无功补偿。图5中，B风电场提高了母线的无功裕度但并没有改变电压崩溃点，表明电网的静态电压稳定性可以被风电场主接线结构所改善。

图4 不同方案下B1风电场并网母线PCC3有功-电压曲线

图5 不同方案下B风电场并网母线无功-电压曲线

3.2 不同拓扑结构对风电场群电压稳定性的影响

选用风电场群A风电汇集母线(750 kV)作为研究对象，比较不同汇集拓扑特性。风电场分别呈现链型、辐射型和混联型，经220 kV线路汇集到变电站，再经750 kV主变接入电网。分别对风电场群A的3种风电接入的拓扑结构进行潮流分析，可以得到3种结构连接方式下A风电场群的750 kV汇集母线处不同拓扑静态电压稳定参数，见表2。

表2 不同拓扑结构下A风电场群的汇集母线(750 kV)电压静稳参数

由表2可看出，辐射形汇集系统并网点静态临界电压最低，当汇集系统投入相同容量无功补偿时，辐射形拓扑中心汇集站的稳态电压也最高，故电压稳定裕度最大。比较3种典型结构，辐射形拓扑无功裕度最大，电压灵敏度最小，具有最优无功电压特性。为了分析不同汇集拓扑对风电场并网暂态影响，在图2中3 s时增加一处单相短路故障设置并在3.1 s时解除故障，其仿真结果如图6。