新能源集中接入下的宁夏电网无功规划研究

赵　亮，周宗川，董晓晶

（国网宁夏电力公司经济技术研究院，宁夏　银川　750011）

宁夏电网现已逐步发展成为交直流混联、多直流外送、大规模新能源集中接入下的重要送端电网［1-2］，同时峰谷负荷差加大，新旧变电站内的负荷比重与无功补偿容量不相协调，无功调节手段不足，使电压调控难度越来越大。随着新能源并网容量不断增加，大规模新能源接入电网时无功电压控制困难的问题日益突出［3-5］，合理的无功规划不仅有利于电压质量的保证、电网有功损耗的降低、电网经济运行水平的提高［6-9］，而且有利于电网电压稳定性的提高和电网安全稳定运行［10-12］。

本文结合宁夏“十三五”电力发展规划及宁夏“十三五”电网发展滚动规划，通过仿真计算开展新能源大出力方式下的电压水平分析、电压波动分析及严重故障分析，提出应对大规模新能源集中接入的宁夏电网动态无功补偿配置方案并开展多方案优化比较［13-14］，确定区域电网无功配置最优方案，对保障宁夏电网安全经济运行具有重要实际意义。

1　研究现状及需解决的问题

“十三五”期间，宁夏电网新能源发展迅速，以YD地区为例，可以看到QS 750 kV汇集站接入了YD地区全部光伏电站，其总装机规模达到3.75 GW。这些新能源电源汇集至QS 750 kV汇集站后，经过升压，通过QS-YD双回750 kV线路通道送出。GF YZ330 kV线路双π接入QS750 kV汇集站，YZ 330 kV由装机规模800 MW的MS风电场接入。YD地区电网主要风电场和光伏电站接入情况见图1。

该地区“十三五”新能源集中接入容量大，风电功率的大幅波动和风电机组无功特性将对系统电压水平产生较大影响，同时，周边JN、YZ等站仅配置了感性无功补偿装置，且主网架的电压支持能力不足，存在大事故扰动后系统电压失稳等问题。为了适应“十三五”期间宁夏电网发展的需求，提高电网的无功电压水平，保障电网安全稳定运行，急需开展大规模新能源集中接入下的无功规划配置方案研究。

图1　YD地区主要新能源接入方案及容量

2　新能源大出力方式分析

2.1　新能源大出力方式下的电压水平分析

宁夏电网内风电场和光伏电站全部按0.8同时率考虑，新能源场站内按照未配置无功补偿装置考虑，QS 750 kV新能源汇集站投两组120 Mvar低容，宁夏电网新能源场站及接入点电压水平如表1所示。

表1　宁夏电网主要新能源装机及接入线路情况

由表1可知，YD新能源集中接入地区的风电场和光伏电站，其母线电压水平大多已经下降至额定电压（750 kV、330 kV、35 kV）以 下，部分新能源场站接入宁夏电网侧变电站的母线电压水平也低于其额定电压。QS 750 kV新能源汇集站附近地区有大量新能源集中接入，其接入地区的330 kV电网电压水平较低，部分330 kV母线电压水平在325 kV以下。

2.2　新能源出力变化造成的电压波动分析

2.2.1单一新能源场站出力变化

功率变化对电压的影响与接入站点短路容量有关，接入点的短路容量越大，功率变化对电网电压波动的影响就越小。

根据宁夏“十三五”电网规划，2020年宁夏电网新能源接入点的短路容量如表2所示。计算结果如表3所示。

表2　宁夏电网新能源接入点变电站短路容量

表3　新能源出力变化造成接入点电压波动情况

由表3可知，单一新能源场站出力从0到最大同时率之间变化，对宁夏电网侧330 kV接入母线造成的电压波动最大幅度为6.71 kV，不影响电网正常运行。

2.2.2多个新能源场站出力同时变化

宁夏电网QS 750 kV新能源汇集站的330 kV母线均有多个新能源场站接入，这些新能源场站的出力同时变化时，会引起更大幅度的接入点母线电压波动，而且从同一接入点接入的新能源场站地理位置分布集中，其出力变化具有更大的相关性，容易出现出力同时增加或下降的情况。

接入QS 330 kV母线的新能源场站包括：ND光伏电站装机1.5 GW，ZM光伏电站装机2 GW，YC光伏电站装机0.25 GW。

考虑以上新能源集中接入点接入的全部同类型新能源场站出力同时变化，在接入点母线及其临近变电站母线造成的电压波动情况如表4所示。

表4　多场站出力变化造成接入点电压波动情况

由表4可知，在新能源集中接入点，如果多个新能源场站的出力同时变化，会造成汇集站母线电压大幅波动。330 kV母线的电压波动幅度在21～25 kV，且临近新能源汇集接入点的变电站母线电压也会随之大幅波动。

2.3　新能源大出力方式下的严重故障分析

对2020年宁夏电网新能源集中接入的QS 750 kV汇集站近区电网线路进行三永N-1和N-2故障仿真，校验是否存在电压失稳的现象。

经计算，QS～YD750 kV线路发生三永N-1故障，QS-YZ、QS-GF、GF-LG发生三永N-1故障、N-2故障，系统电压稳定。QS-YD 750 kV线路发生三永N-2故障，系统电压失稳。N-2故障后QS 750 kV汇集站及其周边电网变电站母线电压水平如图2所示。

图2　QS 750 kV汇集站及周边变电站母线电压

主要通道线路潮流如图3所示。

图3　QS 750 kV汇集站周边电网主要通道线路潮流

由图2、图3可知，QS～YD 750 kV线路N-2故障后区域电网失去了全部750 kV外送通道，因此QS 750 kV汇集站汇集的全部光伏电力潮流都转移至330 kV线路通道，QS-YZ和QS-GF通道330 kV线路潮流大幅上升，同时各变电站母线电压均大幅下降，QS 750 kV母线、QS 330 kV母线、YZ 330 kV母线、GF 330 kV母线电压全部下降至0.8 p.u.以下且持续无法恢复，电压失稳（330 kV、750 kV标准电压按363 kV、800 kV考虑，下同）。

3　动态无功补偿配置方案

在考虑宁夏电网各新能源场站都按装机容量的20%配置静止型动态无功补偿（static var compensator，SVC）装置［15-16］条件下，再对出现了电压失稳情况的QS-YD 750 kV线路三永N-2故障进行校核。QS-YD 750 kV线路发生三永N-2故障，结果如图4所示。

图4　QS汇集站及周边变电站电压（配置SVC）

由图4可知，新能源场站配置了SVC装置后，QS-YD 750 kV线路发生三永N-2故障，QS 330 kV母线、YZ 330 kV母线和GF 330kV母线在故障后的电压水平都有较为明显的上升，其中QS 330 kV母线的电压水平约从0.7 p.u.上升至0.76 p.u.，幅度最大，但仍然持续低于0.8 p.u.，电压失稳。另外YZ 330 kV母线的电压也持续低于0.8 p.u.，出现了电压失稳的情况；GF 330 kV母线电压在故障后，能够恢复至0.8 p.u.以上，约有0.82 p.u.，电压水平偏低。

3.1　动态无功补偿装置SVC配置方案

考虑在新能源汇集站配置SVC装置解决宁夏电网存在的电压稳定问题，分别考虑两种配置方案。

方案一，QS 750 kV汇集站配置容量20 Mvar的SVC装置。

方案二，QS 750 kV汇集站配置容量15 Mvar的SVC装置，YZ 330 kV变电站配置容量5 Mvar的SVC装置。

在两种SVC配置方案下，分别计算QS-YD 750 kV线路三永N-2故障，结果如图5所示。

图5　QS汇集站及周边变电站电压（方案一、二）

由图5可知，两种SVC配置方案下，QS-YD 750 kV线路三永N-2故障后，QS 750 kV汇集站附近各变电站母线电压的恢复水平基本相同，但方案一的电压恢复速度明显比方案二更快。

由于增加QS 750 kV汇集站配置的SVC容量对提高故障后电压恢复水平的作用，考虑方案三，QS 750 kV汇集站配置容量100 Mvar的SVC装置。与方案一进行比较，结果如图6所示。

由图6可知，增加QS 750 kV汇集站配置的SVC容量后，QS-YD 750 kV线路三永N-2故障后，各变电站母线的电压恢复速度明显加快，但电压恢复水平没有明显提高，QS 330 kV母线的电压恢复水平约从0.87 p.u.提高至0.88 p.u.，幅度约为0.01 p.u.。

3.2　低压无功补偿配置方案

在QS 750 kV汇集站配置并投入更多低容，提高各变电站母线的运行电压水平，防止出现电压失稳。

在QS 750 kV汇集站投入6组60 Mvar低容（新能源大出力基础方式下投入4组60 Mvar低容），QS 330 kV母线电压水平提高至331.20 kV，在该方式下计算QS-YD 750 kV线路三永N-2故障，结果如图7所示。

图7　QS汇集站及周边变电站电压（6组低容）

由图7可知，在QS 750 kV汇集站投6组60 Mvar低容，QS-YD 750 kV线路三永N-2故障后，没有出现电压失稳的情况，各变电站母线电压都能迅速恢复，且恢复电压水平均在0.88 p.u.以上。

在QS 750 kV汇集站投入8组60 Mvar低容，QS 330 kV母线电压水平提高至338.03 kV，在该方式下计算QS-YD 750 kV线路三永N-2故障，结果与投6组低容比较，如图8所示。

图8　QS汇集站及周边变电站电压（8组低容）

由图8可知，在QS 750 kV汇集站投8组60 Mvar低容，QS-YD 750 kV线路三永N-2故障后，各变电站母线电压恢复水平进一步提升，达到0.90 p.u.以上。

考虑新能源场站SVC装置的稳态调压作用，则新能源满出力方式下，QS 750 kV汇集站不投低容补偿，也能维持较高的电压水平。QS-YD 750 kV线路发生三永N-2故障，结果如图9所示。

图9　QS汇集站及周边变电站电压（无低容补偿）

由图9可知，考虑新能源场站配置的SVC装置进行稳态调压，QS 750 kV汇集站近区电网的运行电压水平明显提升，QS-YD 750 kV线路三永N-2故障后，各变电站母线电压均能迅速恢复，达到0.94～0.96 p.u.的水平，没有出现电压失稳的情况。

4　效果评价

通过对动态无功补偿方案和低容补偿方案的仿真比较分析可知，在宁夏电网各新能源场站都按装机容量的20%配置了SVC装置后，新能源场站从系统吸收的无功基本已经由其自身配置的SVC装置补偿，新能源汇集站没有突出的动态无功补偿需求。采用增加低容补偿的手段，可快速提高新能源集中接入地区正常运行方式下的电压水平，能够有效地提高电网电压稳定水平，防止故障后出现电压失稳的情况。

5　结论

（1）新能源大出力方式下，未配置无功补偿装置的新能源场站、汇集站母线电压水平偏低，部分低于额定电压水平。

（2）多个新能源场站出力同时变化时，其接入点母线电压出现大幅波动，且随着功率变化幅度增大，造成的电压波动幅度会有明显的放大效果。

（3）通过220 kV及以上电压等级接入的装机规模在100 MW以上的新能源场站，其动态无功补偿按照装机容量的20%进行配置。分散接入的小容量新能源场站，可不配置动态无功补偿装置。

（4）新能源汇集站优先配置低压电容，提高新能源电源满出力方式下的运行电压水平。对于具有周边多个新能源汇集站集中，外送通道少、潮流重，周围电网结构薄弱、短路容量低特征的新能源汇集站，需进行新能源电源满出力方式下的故障校验，具体分析是否需要配置动态无功补偿装置。

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