青南新能源集中送出地区动态无功补偿方案对比研究

李志强，何凤军，郭强，蒋维勇

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192；2.国网北京经济技术研究院有限公司，北京市 昌平区 102209）

0 引言

“集中式开发，远距离输送”是我国新能源发电的显著特征，并随着特高压直流的大规模发展而日益强化。风电、光伏等新能源场站通常位于结构薄弱的末端电网，且本地负荷有限，大量有功功率需长距离汇集至特高压直流送端换流站，需要大量的无功支撑。然而，新能源机组的调压能力和高、低压穿越能力远不及常规机组[1]，配套的无功补偿设备性能参差不齐且缺乏协调，因此新能源集中送出地区电压稳定问题非常突出[2-6]，故障情况下很容易诱发大规模的连锁脱网事故。

历次大规模新能源机组脱网故障的分析表明，动态无功调节能力不足引起的系统电压波动或失稳是造成机组大规模连锁脱网的重要原因[7]。典型过程如下：电气设备短路故障导致近区厂站电压下降，部分风电机组Crowbar 保护动作从电网吸收更多无功，诱发部分机组低电压脱网。故障消失和首批机组脱网后，网内无功过剩和动态无功补偿设备的失调将导致局部电压过高，触发新能源机组高电压脱网[8-9]。大规模的连锁脱网导致有功缺额大幅增加，引发系统频率波动，造成更多机组因频率保护脱网，进一步扩大事故影响范围，威胁主网安全稳定运行。因此，如何对新能源厂站进行有效的动态无功补偿，防止连锁脱网事故一直是新能源研究的热点问题。

针对新能源大规模连锁脱网问题，以往解决措施集中在提高风电转子Crowbar 保护定值、改进变流器运行方式、加装自动调节静止无功补偿器（static var compensator，SVC）或静止无功发生器（static var generator，SVG）等方面[8,10-11]。上述措施虽然可以在一定程度上改善连锁脱网问题，但是在理论和实现方面仍存在一定的局限。首先，对双馈风机而言，在不增加机侧变流器的情况下Crowbar 保护定值的提高只是降低了设备的安全裕度；其次，通过优化变流器控制方式使其在故障期间向系统提供无功功率一方面受到变流器容量的限制，另一方面其在非对称故障期间的可靠性难以保障，至今未有广泛应用；最后SVC 和SVG配置容量大约只有新能源厂站额定功率的20%～25%左右且过载能力较差，很难提供足够的动态无功支撑。

随着快速动态响应同步调相机在换流站的投运，调相机在抑制换流站过电压或换相失败，提高特高压直流输送功率方面所起的作用日益凸显[12-13]。然而，研究发现，特高压直流送端电网在发生连续换相失败等故障时，最严重的过电压和低电压往往发生在新能源场站的110 kV 和35 kV母线[14-15]。现有大型调相机均集中布置在换流站或变电站，对改善整个送端电网尤其是新能源厂站附近区域的电压稳定水平效果有限。

青海海南（简称青南，下同）—河南特高压直流工程是首条定位为100%清洁能源送出的特高压直流线路，其送端需要通过风、光（光热）与黄河上游水电联合调节，实现多能互补，为直流提供稳定、可控的电力输出。根据2020 年规划网架结构，限制青南—河南特高压直流外送的主要问题是直流严重故障时送端系统的过电压。针对青南送端电网面临的动态无功支撑不足等问题，提出了新型分布式调相机的动态无功补偿方案。新型分布式调相机采用集成化、模块化设计，可以整机运输、室外布置，单机容量一般在50 MV·A以下。相比于SVC 和SVG，分布式调相机在向系统提供短路容量和短时过载能力方面具有独特的优势，同时还可以提供惯量支持，有望在提升系统电压、频率稳定性方面发挥重要作用。本文结合青南电网的实际情况，对比研究不同动态无功补偿方案对送端电网暂态电压的影响，基于综合补偿效果筛选出最佳的动态无功补偿方案。

1 青南新能源基地及直流送出概况

根据青南新能源基地开发布局，青南地区现有及规划开发的新能源相对较为集中，主要分布在共和县塔拉滩地区和切吉乡地区，其中光伏和光热主要分布在塔拉滩地区，装机规模分别约15510 MW 和2250 MW，风电主要分布在切吉乡和二塔拉地区，装机规模分别约3260 MW 和800 MW。青南基地大部分新能源集中分布在已有塔拉750 kV 变电站和规划建设的青南、塘格木750 kV 变电站周围，就近汇集后经750 kV 变电站接入青海主网。

青南新能源通过青南—河南驻马店特高压直流工程送出，该线路起于青海海南藏族自治州共和县，止于河南驻马店地区，途径青海、甘肃、陕西、河南四省。工程规划输电电压等级为±800kV，全线总长约1582 km，输送容量800 万kW，是国内首条定位为100%清洁能源送出的特高压直流线路。工程计划2020 年建成投运，2022 年达到满功率输送。青南换流站暂装设4×300 MV·A 调相机，每台调相机设置1 台360 MV·A的调相机变压器。青南750 kV 换流站通过8 回750 kV 线路接入系统，分别为青南换—塔拉3 回、青南换—西宁3 回、青南换—玛尔挡2 回。

2 动态无功补偿方案及接入方式

目前新能源场站典型的动态无功补偿装置有SVC 和SVG 这2 种。由于SVG 动态响应速度快，无功输出较少受并网点电压的影响，随着SVG价格的下降，SVG 目前已成为主要的动态无功补偿方式。SVG 主流的接入方式有10 kV 降压式SVG和35 kV 直挂式SVG 这2 种，如图1 所示[6]。

图1 SVG 典型接线方式Fig.1 Typical connecting mode of SVG

10 kV 降压式SVG 需要穿越主变，单套容量较小，补偿效果弱；随着35 kV 直挂式SVG 技术的成熟和价格的下降，新的SVG 大多采用35 kV直挂式。

新型分布式调相机根据接入电压等级的不同也可分为35 kV 母线场站接入和110 kV 汇集站接入，在汇集站又可分为110 kV 母线接入和经三绕组变压器接入，典型的接入方式如图2 所示。

图2 分布式调相机典型接线方式Fig.2 Typical connecting mode of distributed synchronous condenser synchronous condenser

随着技术的成熟和成本的降低，SVG 直连35 kV 母线成为新能源场站动态无功补偿的主流，为此本文不再讨论SVC 方案和10 kV 降压的SVG方案。鉴于换流站已规划有4×300 MV·A 大型调相机的实际情况，本文将在换流站进一步增加大型调相机也作为一种比选方案。因此，本文动态无功补偿方案分别为SVG 直挂35 kV 母线，调相机接35 kV 场站母线，调相机接汇集站110 kV 母线，调相机经汇集站三绕组变压器接入系统，以及调相机在换流站集中布置5 种。

3 不同无功补偿方案对新能源厂站暂态电压的影响

目前，特高压直流换相失败或双极闭锁导致的送端电网过电压问题是限制青南新能源送出的主要因素。由新能源厂站的运行特性可知，直流换相失败时，新能源机组在换相失败初期的低电压脱网往往进一步加重后续的过电压水平。因此本文从抑制过电压和提高低电压支撑两方面对不同动态无功补偿方案进行对比。

图3 青南新能源场站地理接线图Fig.3 Geographical connection map of new energy station in the southern Qinghai

图3 所示为青南直流换流站近区地理接线图，其中红色标出的是过电压水平最严重的7 个站点。按照规划，青南新能源场站将按发电容量的20%～25%配置无功补偿设备。按照2020 年底的规划网架，在特高压直流大负荷8000 MW 方式下，双极闭锁或连续换相失败等故障时系统会发生严重的过电压问题。本文选择了过电压水平最高的7 个场站，分析直流连续换相失败和双极闭锁情况下，不同的动态无功补偿方案对新能源场站母线电压的影响，其中不同方案的补偿容量与上述7 个新能源场站正常的SVG 配套总容量相等。图4所示为直流2 次换相失败等故障期间青光一场站场内110 kV 母线的电压变化情况，35 kV 母线电压变化情况与110 kV 母线基本相同。

图4 直流2 次换相失败期间青光一110 kV 母线电压Fig.4 Qingguang 110kV bus voltage during continuous commutation failures

由图4 可见，采用分布式调相机时，新能源场站母线在第一次换相失败期间的低电压问题得到了显著的改善，这将极大地减少低电压脱网机组，并有效缓解机组低电压脱网导致换相失败后期的过电压加重问题。

仿真结果表明，相比于SVG 或集中接入方案，分布式调相机补偿方案在抑制换相失败后期的新能源场站的过电压问题方面具有明显的优势。

比较分布式调相机3 种接入方式的仿真结果可以看出，不同接入方式对新能源场站110 kV 的过电压抑制能力基本相当，但110 kV 接入方式对35 kV 母线的过电压抑制能力较弱。

图5 直流2 次换相失败时各无功补偿装置的无功输出Fig.5 Reactive power output of different compensation device during continuous commutation failures

图5 所示为各动态无功补偿装置的无功输出，为便于比较，上述无功已按照本身的额定容量折算为标幺值。比较图5 和图4 的母线电压可以看出，SVG 在第一次换相失败初期无功的输出有明显滞后，母线电压在1.86 s 时跌至最低值，而SVG 最大无功出现在1.92～1.95 s。一方面，SVG受限于1.1 倍的过流能力，在母线电压跌落至0.4 pu以下时很难提供足够的无功输出，比如在电压跌落的1.8～1.9 s 内其无功输出最大只有0.5 pu；另一方面，由于SVG 控制环节的延时，当系统电压超过1.0 pu 时，SVG 的无功电流未及时返回，反而出现了更大的无功输出。

相比而言，调相机在短时间内的无功输出并不依赖控制系统，其无功响应基于自身的电磁特性，具有更好的电压跟踪能力，因此第一次换相失败初期当母线电压最低时，调相机无功输出可达1.3～1.5 pu。因此，分布式调相机可将母线电压提升至0.6 pu 以上。然而，集中布置的调相机由于距离新能源场站较远，尽管也有很强的无功输出，但很难为新能源场站的电压提供有效支撑。其他6 个新能源场站母线在换相失败期间的电压变化情况与青光一场站类似。

进一步分析直流双极闭锁期间新能源场站110 kV 母线电压变化情况如图6 所示，35 kV 母线电压变化情况与110 kV 母线基本相同。

由图6 可以看出，直流双极闭锁期间，分布式调相机补偿方案对新能源场站母线的过电压抑制能力同样远大于SVG 和集中接入的调相机，其中换流站集中补偿的方式还存在比较严重的稳态过电压问题。

4 不同方案对区域系统电压的影响

图6 直流双极闭锁时青光一110 kV 母线电压Fig.6 Qingguang 110kV bus voltage during DC bipolar block

为了进一步确定最佳的无功补偿方案和适配容量，避免个别母线的仿真结果影响结论的公正性。本文提取了直流近区所有新能源场站110 kV母线和35 kV 母线在2 次换相失败期间的最高和最低电压，以此衡量该地区的过电压水平和低电压水平。通过比较不同无功补偿方案在不同配置容量下对整个地区过电压和低电压水平的影响，综合评价其补偿效果，如图7—9 所示。

由图7—8 可知，分布式调相机对直流近区110 kV 母线的低电压支撑能力显著优于SVG 和集中布置的调相机。由图7 可见，200 MV·A 的分布式调相机对110 kV 母线低电压的支撑效果甚至超过1000 MV·A 的SVG 或集中布置调相机。分布式调相机3 种接入方式在低电压支撑能力方面的效果大致相当。

图7 2 次换相失败期间直流近区110 kV 最低电压Fig.7 110 kV minimum voltage in DC near area during continuous commutation failures

图8 2 次换相失败期间直流近区110 kV 最高电压Fig.8 110 kV maximum voltage in DC near area during continuous commutation failures continuous commutation failures

图9 2 次换相失败期间直流近区35 kV 最高电压Fig.9 35 kV maximum voltage in DC near area during continuous commutation failures

在过电压抑制方面，分布式调相机也明显优于SVG 和集中布置的调相机。由图8 可见，分布式调相机对110 kV 母线的低电压抑制效果超过600 MV·A 的SVG 和1200 MV·A 以上的集中布置调相机。由图8 还可以看出，分布式调相机对110 kV母线的过电压抑制效果与接入点有较强的相关性，部分接入点处降压效果非常明显，个别接入点降压效果不太显著，但总体而言明显优于SVG 和集中布置调相机。

3 种接入方式的分布式调相机对35 kV 母线低电压的支撑效果与110 kV 母线大致相同，显著优于其他2 种方案，200 MV·A 的分布式调相机对35 kV 母线的实际支撑效果超过1000 MV·A 以上的SVG 和集中布置调相机。

不过，不同无功补偿方案对35 kV 母线的过电压抑制效果与110 kV 母线有一定的不同，如图9 所示。由图9 可见，接入35 kV 母线和接入三绕组变压器的分布式调相机对35 kV 母线的过电压抑制效果明显优于其他3 种方案。接入110 kV的分布式调相机对35 kV 母线的过电压抑制效果稍差，个别情况下和SVG 相当，集中布置调相机对35 kV 母线的过电压抑制效果最差。

根据此前在东方电机、上海电机、哈尔滨电机厂的调研结果，当新型分布式调相机容量在10～50 MV·A 之间时，其单位造价随调相机容量的减小而增加。50 MV·A 调相机及其附属系统单位造价约300 元/(kV·A)；20 MV·A 调相机及其附属系统单位造价约400 元/(kV·A)；10 MV·A 调相机及其附属系统单位造价约600 元/(kV·A)。因此在新能源场站的汇集站安装容量较大的调相机具有更好的经济性。同时由于三绕组变压器接入系统可以节省1 台升压变，且便于集中运维管理，综合考虑更有优势。

5 结论

为解决青南高比例新能源大负荷集中送出时新能源场站的过电压问题，本文对比分析了SVG、3 种分布式调相机、换流站集中布置调相机5 种动态无功补偿方案。结果表明，分布式调相机方案在新能源场站过电压抑制和低电压支撑方面均比SVG 和集中布置调相机有较大优势。3 种分布式调相机接入方案中，调相机接入110 kV 的方案在抑制新能源场站35 kV 母线过电压方面稍显不足，而调相机在新能源汇集站通过三绕组变压器接入系统的方案在技术和经济性方面更具优势。