王新浩，袁紹軍，劉振宇，周迎偉，尹兆磊，白明輝

(國(guó)網(wǎng)冀北承德供電公司，河北 承德 067000)

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為能源電力的發(fā)展要求和趨勢(shì)，因此未來(lái)新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送將會(huì)成為一種常見(jiàn)模式[1-2]，由此帶來(lái)的諸如在電壓[3-5]、短路[6-8]、暫態(tài)[9-11]、振蕩[12-14]等方面的問(wèn)題，不但會(huì)影響新能源的發(fā)電和輸送，而且會(huì)威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。研究新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性，尋找改善靜態(tài)電壓特性的方法，對(duì)提升新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的運(yùn)行效益具有重要意義。

1 靜態(tài)電壓特性

1.1 靜態(tài)電壓特性數(shù)學(xué)模型

為研究新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性，引用一般輸電線(xiàn)路的數(shù)學(xué)模型[15]，如圖1所示。

一般遠(yuǎn)距離輸送負(fù)荷，饋供線(xiàn)路有功、無(wú)功潮流方向和圖1所示方向相反；一般大型水火電廠的機(jī)組為集中式布置，相比于有功可以發(fā)出較多無(wú)功，送出線(xiàn)路有功、無(wú)功潮流方向和圖1所示方向相同；一般新能源場(chǎng)站的發(fā)電單元為分布式布置，無(wú)功發(fā)出能力較弱；動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量按照裝機(jī)量的一定比例進(jìn)行配置，場(chǎng)站無(wú)功送出能力有限。在新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式下，新能源場(chǎng)站也呈現(xiàn)分布式狀態(tài)，整體效果是有功送出能力較強(qiáng)，無(wú)功送出能力較弱；當(dāng)有功出力較大時(shí)，匯集輸送線(xiàn)路有功潮流方向和圖1所示方向一致，電場(chǎng)側(cè)無(wú)法上送線(xiàn)路所需消耗的大量無(wú)功，因而線(xiàn)路會(huì)從電網(wǎng)側(cè)獲取大量無(wú)功，無(wú)功潮流方向和圖1所示方向相反。

綜合上面分析，根據(jù)電壓降落公式[15]，新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的電壓降落為：

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

將(2)、(3)、(4)式帶入(1)式得到：

(5)

(5)式可以較完整地體現(xiàn)電場(chǎng)側(cè)相對(duì)于電網(wǎng)側(cè)電壓降落的影響因素，下面逐項(xiàng)作出分析：

如果忽略P1和P′1的差異，將其他變量看作是固定值，就可以將(5)式看成ΔU和P1/P′1一元二次函數(shù)，一般輸電線(xiàn)路的P-V曲線(xiàn)所呈現(xiàn)出的隨著有功功率增加而使電壓加速降低的非線(xiàn)性性質(zhì)就和該函數(shù)關(guān)系密切。

綜合前面分析可知，輸電線(xiàn)路電壓降落受到多種因素影響，其中主要有傳輸有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及線(xiàn)路參數(shù)等。

1.2 串補(bǔ)改善靜態(tài)電壓特性分析

由于在新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式下，送出線(xiàn)路無(wú)功潮流方向?yàn)閺碾娋W(wǎng)側(cè)流向電場(chǎng)側(cè)，電場(chǎng)側(cè)電壓低于電網(wǎng)側(cè)，當(dāng)有功出力較大時(shí)甚至可能進(jìn)入電壓崩潰狀態(tài)，即靜態(tài)電壓特性較差，因而會(huì)限制新能源場(chǎng)站有功出力以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，即因靜態(tài)電壓特性而可能出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。

2 仿真算例

使用PSD-BPA軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，在大電網(wǎng)的樞紐站旁搭建新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模型，如圖2所示，在常規(guī)線(xiàn)路模型的基礎(chǔ)上，分別在線(xiàn)路的匯集站側(cè)、線(xiàn)路中間、樞紐站側(cè)加入串補(bǔ)，同時(shí)對(duì)串補(bǔ)的補(bǔ)償比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別取補(bǔ)償比例為50%、70%、90%、110%，逐步增加新能源有功出力，記錄電壓、無(wú)功等隨有功出力變化情況，進(jìn)行相關(guān)特性分析。

2.1 電壓特性

匯集站和樞紐站電壓隨新能源有功出力變化曲線(xiàn)如圖3所示。

從圖3中可以看出，未采取串補(bǔ)措施時(shí)，匯集站和樞紐站的電壓均隨著有功出力的增加而降低，匯集站的電壓低于樞紐站，匯集站電壓的降低幅度大于樞紐站。采取串補(bǔ)措施后，匯集站和樞紐站的電壓水平均有所提升，電壓隨著有功出力的增加而降低的幅度變小，即靜態(tài)電壓特性得到改善；補(bǔ)償比例越大，靜態(tài)電壓特性越好；串補(bǔ)安裝位置對(duì)靜態(tài)電壓特性影響不大，該結(jié)果符合前面的理論分析。

2.2 無(wú)功特性

樞紐站輸送和輸電線(xiàn)路消耗的無(wú)功功率隨新能源有功出力變化曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖4中可以看出，未采取串補(bǔ)措施時(shí)，樞紐站向線(xiàn)路輸送和輸電線(xiàn)路損耗的無(wú)功功率均較高，均隨著有功出力的增加而增加。采取串補(bǔ)措施后，樞紐站向線(xiàn)路輸送和輸電線(xiàn)路損耗的無(wú)功功率隨著有功出力的增加而增加的幅度變?。谎a(bǔ)償比例越大，樞紐站向線(xiàn)路輸送和輸電線(xiàn)路損耗的無(wú)功功率越??；串補(bǔ)安裝位置對(duì)這種特性影響不大，該結(jié)果符合前面的理論分析。

2.3 串補(bǔ)電容兩側(cè)電壓差特性

串補(bǔ)電容兩側(cè)電壓差隨新能源有功出力變化曲線(xiàn)如圖5所示。

從圖5中可以看出，串補(bǔ)電容兩側(cè)的電壓差不但和補(bǔ)償比例有關(guān)，而且和串補(bǔ)安裝位置有關(guān)，即補(bǔ)償比例越大(小于100%時(shí))電壓差越大，串補(bǔ)安裝位置越靠近電網(wǎng)側(cè)電壓差越大，該結(jié)果無(wú)法從前面的理論分析得出，下面給出進(jìn)一步說(shuō)明。

1)補(bǔ)償比例越大電壓差越大。實(shí)際上，加入串補(bǔ)后，輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)部分的無(wú)功損耗并未減少，只是串補(bǔ)發(fā)出無(wú)功對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而形成了整體無(wú)功損耗降低的效果；補(bǔ)償比例越大，串補(bǔ)發(fā)出無(wú)功越多，因而串補(bǔ)電容兩側(cè)電壓差就越大，同時(shí)對(duì)電容的要求和故障率也就越高，因此可能會(huì)對(duì)補(bǔ)償比例有一定限制。

2)串補(bǔ)安裝位置越靠近電網(wǎng)側(cè)電壓差越大。在新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式下，電網(wǎng)側(cè)提供了輸電線(xiàn)路所消耗的大量無(wú)功功率，這些無(wú)功功率也在線(xiàn)路上傳輸；實(shí)際上，輸電線(xiàn)路傳輸?shù)臒o(wú)功功率從電網(wǎng)側(cè)向電場(chǎng)側(cè)逐漸減少，這種特性使用集中參數(shù)模型無(wú)法體現(xiàn)，使用分布參數(shù)模型才能體現(xiàn)；串補(bǔ)安裝位置越靠近電網(wǎng)側(cè)，通過(guò)串補(bǔ)電容的感性電流就越大，因而串補(bǔ)電容兩側(cè)的電壓差也就越大。這一特性對(duì)于新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的串補(bǔ)安裝位置的選擇具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義，因?yàn)楦鶕?jù)本小節(jié)的結(jié)果，將串補(bǔ)安裝在新能源匯集站側(cè)，不但便于運(yùn)行維護(hù)管理，而且電容兩側(cè)壓差越小，對(duì)電容的要求和故障率都會(huì)隨之降低。

3 結(jié)論

1)新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性較差，因而可能會(huì)限制有功出力水平。

2)串補(bǔ)可以改善新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的靜態(tài)電壓特性，補(bǔ)償比例越高，靜態(tài)電壓特性越好，有利于提高新能源的有功出力水平。

3)串補(bǔ)可以減少輸電線(xiàn)路從電網(wǎng)側(cè)吸收無(wú)功功率，補(bǔ)償比例越高，從電網(wǎng)側(cè)吸收的無(wú)功功率越小，有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4)串補(bǔ)補(bǔ)償比例越大，串補(bǔ)電容兩側(cè)電壓差就越大，對(duì)電容的要求和故障率也就越高，因此可能會(huì)對(duì)補(bǔ)償比例有一定限制。

5)串補(bǔ)安裝位置越靠近電場(chǎng)側(cè)，串補(bǔ)電容兩側(cè)電壓差就越小，對(duì)電容的要求和故障率也就越小，這一特性具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

6)串補(bǔ)對(duì)新能源大規(guī)模匯集遠(yuǎn)距離輸送模式的短路、暫態(tài)、振蕩等其他方面的影響及解決措施將是下一步的研究方向。