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大规模风电送出对网损的影响机理研究

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 210次


吴晓丹1,刘卫明1,李江南2

1.国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院,呼和浩特市 赛罕区 010010

2.内蒙古岱海发电有限责任公司,乌兰察布市 凉城县 013755

 

Impacting Mechanism of Large Scale Wind Power Sending Out on Power Network Loss

WU Xiaodan1,LIU Weiming1,LI Jiangnan2

(1.Inner Mongolia Eastern Electric Power Co., Ltd. Electric Power Research Institute,

Saihan District, Hohehot 010010, China; 

2. Inner Mongolia Daihai Power Generation Co. Ltd., Liangcheng County, Wulanchabu 013755, China)


ABSTRACT: In this paper, starting from the active network loss formula, it reveals that the key to decreasing loss relies on minimizing the reactive liquidity of power grid. There will be full analysis in terms of the following 3 aspects that are large scale wind and electricity power volatility, large-scale wind and electricity supply access structure as well as operating wind turbine features that analyzes the influence mechanism on transmission losses by the large-scale wind and electricity supply. It presents us with the fact that the nature of rising transmission loss of power grid is in fact the dramatic fluctuation of wind and power and the multistage pressure in the sending and collecting process. Therefore, in order to effectively lower the transmission loss in the course of central sending by large-scale wind and electricity supply, this paper puts forward measures that includes combing fire and electricity when it is tight on them, wind and power two-level boost into the power grid, installing SVC on the low voltage side of the main step-up transformer and operating doubly-fed induction generator by the power factor 0.98. With the help of simulating calculation and analysis on the wind and power base of Gansu Jiuquan Million Kilowatts Wind Farm, we have verified the effectiveness of the proposed measures.

KEY WORDSLarge scale wind power; power grid loss; power fluctuation; wind turbine operating characteristics; network source coordination; reducing loss control strategy

摘要:首先通过有功网损公式揭示了降损的关键是减小电网无功流动性。从大规模风电波动性、大规模风电接入结构、风机运行特性三方面充分分析了大规模风电送出对网损的影响机理。造成电网网损升高的实质是风电的大幅度波动和在送出、汇集过程中的多级变压。为使大规模风电在集中送出过程中有效地降低网损,本文研究提出了火电配合风电调峰、风电两级升压接入电网、主变低压侧安装SVC、双馈机组按功率因数0.98运行等降损措施。通过对甘肃酒泉大规模风电基地实际运行方式的仿真计算分析,验证了措施的有效性。

关键词:大规模风电;电网损耗;功率波动;风机运行特性;网源协调;降损控制策略

0 引言

风电技术迅猛发展,风力发电在现代电力系统中规模越来越大。预计到2020年,风力发电的总量将达到世界电力总量的 10%,到2040年风力发电总量将在2020年的基础上再翻1倍。随着风电场在电网中比例不断增大,风电特性不仅会影响系统稳定性和电能质量,也会对电网损耗产生不同于常规电源的影响。研究大规模风电送出对网损影响机理及控制策略对电力系统经济稳定运行具有重要意义。

大量风电场接入电网会改变其无功分布,对电网电压稳定性影响显著。目前风电接入对电网网损影响的研究主要集中在对电网电压和无功网损的影响,而对代表电网经济性的有功网损的影响研究较少。文献[1]通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算,提出利用风力发电机的无功功率补偿风电场无功损耗;文献[2-4]分析了风电场接入对周边地区电网电压稳定性的影响,并给出了提高地区电压稳定性的措施;文献[5]研究了风电接入对电网电压及输电线路传输功率的影响和风电接入后电网暂态稳定性的变化,并提出了改善措施;文献[6]研究了达坂城风电接入系统对新疆电网电能质量的影响。

本文充分分析了大规模风电送出对有功损耗的影响机理,揭示了降损的关键是减小电网无功流动性,提出的降损控制措施可有效降低有功网损,形成了一套完整的网源协调降损控制策略,用于指导电网实际运行。

1 大规模风电送出对网损影响机理

1.1 有功网损产生机理

电力系统有功网损主要包括输电线路损耗和变压器损耗两部分。

线路有功损耗

         1

双绕组变压器有功损耗

2

    三绕组变压器有功损耗

                                  3

空载损耗实则变压器铁芯损耗,为固定损耗。除去固定损耗,线路和变压器有功损耗均可归结为,由有功流动产生的有功损耗和无功流动产生的有功损耗 两部分组成。在公式(1)、(2)、(3)中,有功流动和无功流动均为平方关系,对有功损耗影响较大。无功流动增加一倍,由无功流动产生的有功损耗约为原来的四倍。同时由于它们同为平方关系,其中数值较大的一个将会起主导作用。

减小线路和变压器流过的有功和无功均能有效降低有功损耗。但由于供电负荷需要,不能为降损而限制有功输送。因此,降损的关键在于减小无功流动性。我们需要在充分发挥有功输送能力的同时,减小无功流动产生的那一部分网损。

考虑各母线在额定电压附近运行,忽略电压变化,大规模风电接入电网后,线路和双绕组变压器有功损耗公式变为:

(4)(5)

1)风电具有波动性。大规模风电送出时,风电的波动范围增大,将对网损产生不容忽视的影响。为风电波动引起的输电通道功率波动。

2)风电接入电网结构不同于常规电源。大规模风电送出多为多级升压,远距离外送。功率送出线路和变压器等效电阻将发生很大变化。为线路和变压器的等效电阻变化值。

3)风机运行特性同样会影响有功损耗。风电采用异步电动机或双馈变速机组,以及采用功率因数恒定或端电压恒定等不同运行方式,对有功损耗的影响不同。由于不同风机运行特性主要影响风电输出有功与无功之间的关系。在有功出力不变的情况下,影响主要体现为风电机端无功流动

1.2大规模风电波动性对网损的影响

    由于风能变化不定,风电出力具有波动性,这是风电接入电网产生影响的根本原因。风电出力波动会引起输电通道有功和无功流动的改变,直接影响电网损耗。

1.2.1 输电通道有功波动对有功网损的影响

仅考虑输电通道有功波动,线路有功损耗为:

        (6)

可得下述结论:当有功功率波动时,基本满足有功损耗随有功升高而升高;随有功降低而降低。在电网重负荷时,风电功率大幅度升高后,造成线路及变压器的网损明显升高。分析变压器有功损耗可得相同结论。

1.2.2 输电通道无功波动对有功网损的影响

有功波动引起无功损耗改变,从而改变输电通道上的无功流动,因此无功流动与有功波动密切相关。考虑风机无功出力为零,有功波动是造成输电通道无功波动的主要原因。

线路上的无功损耗为:

         (7)

其中:  

            (8)

              (9)

             (10)

为线路电抗上的无功消耗,与负载的平方成正比;分别为线路两侧的充电功率,与电压的平方成正比,电压一定时,充电功率基本不变。

有功波动时,线路充电功率不变,线路无功损耗变为:

    (11)

随有功增大,线路的无功消耗成平方增长,当时,电抗上消耗的无功与充电功率正好平衡,此时线路输送的功率称为自然功率。

变压器的无功损耗为:

        (12)

有功波动时,变压器的无功损耗变为式(13),不同于高压线路具有充电功率的作用,随有功增大,变压器无功损耗一直增大。

     (13)

1 玉门地区风电外送电气连接

Fig.1 In Yumen wind power transmission electrical connection

甘肃玉门地区接入大量风电场,通过玉门-嘉峪关330kV双回联络线送出。各风电场单位功率因数运行。随玉门接入风电出力变化,玉门-嘉峪关单回联络线和玉门嘉峪关地区的网损情况分别如表1、表2所示:

随风电出力变化玉门-嘉峪关联络线功率流动情况

Tab. 1 The changing of Yumen and Jiayuguan tie line power flow in pace with the wind power output changing

风电

有功出力

(MW)

线路

有功损耗

(MW)

线路

无功损耗

(MVar)

线路

有功流动

(MW)

线路

无功流动(MVar)

100

0.219

-68.506

50.047

66.564

200

0.655

-65.972

99.843

59.002

300

1.379

-61.427

149.214

39.113

400

2.45

-54.779

198.197

16.54

500

3.837

-46.491

246.934

2.306

600

5.613

-35.571

295.128

-25.635

700

7.963

-20.805

342.536

-72.177

800

10.966

-2.022

389.19

-126.07

900

14.822

22.032

434.851

-190.197

随风电出力增加,玉门-嘉峪关输电通道上的无功流动先减小后增大,这是由于输电线路存在充电功率。330kV输电线自然功率为350MW左右,所以当风电出力800MW时,玉门-嘉峪关单回线输送389.19MW,近似为该线路的自然功率,此时该线路无功损耗绝对值最小,为-2.022Mvar

随风电出力变化玉门地区总网损变化情况

Tab.2 The whole loss changing in Yumen region in pace with the wind power output changing

风电有功出力

MW

地区总有功损耗(MW

地区总无功损耗(Mvar

100

0.56

-133.163

200

1.617

-118.138

300

3.522

-78.62

400

6.195

-33.769

500

9.357

-5.485

600

13.6

50.033

700

19.404

142.505

800

26.705

249.59

900

35.979

377.005

从玉门-嘉峪关地区角度看,除线路电抗损耗无功外,风力双馈发电机组和升压变压器均会损耗无功。随风电出力增大,该地区无功消耗增大。无功消耗小于线路充电功率时,该地区向外电网发出无功;大于充电功率后,从外电网吸收无功。当总无功消耗与线路充电功率相等时,该地区与外界的无功交换最小,由无功流动产生的有功损耗最小。玉门风电出力500MW时便是这种情况,地区总无功损耗5.485Mvar为最小值,此时玉门-嘉峪关地区与外界的无功流动最小,单回线无功流动为2.306 Mvar

当风电出力由0MW增加到500MW过程中,均是玉门嘉峪关地区向外部电网输送无功,当风电出力大于500MW后,玉门嘉峪关地区从外部电网吸收无功。随风电出力增大,该地区向外部电网的无功流动先减小后增大,而有功流动一直增大,此时有功流动起主导作用,所以有功网损持续增大。

因此,可得出下述结论:

1)因有功流动产生的无功消耗等于该地区线路充电功率等无功发生时,此时该地区与外界电网间无功流动最小,由无功流动产生的有功损耗最小。

2)我们可以通过改变地区电网无功补偿状况,将无功流动调节到最小,从而在充分利用有功的同时,将由无功流动产生的有功损耗降到最低。

1.3大规模风电接入结构对网损的影响

风资源丰富的地区远离负荷中心,风电需要远距离输送。酒泉风电基地主要集中在玉门、瓜州、马鬃山三个区域内,距离兰州负荷中心的平均距离约为1000公里。2015年甘肃1400万千瓦风电必须在全国电力市场消纳,需要送出的距离将超过2000公里。输电线路阻抗值将随输送距离增大急剧增大,如下式。

         (14)

另外,与常规电源不同,风力发电机出口电压为0.69kV,需要经过两级或三级升压接入电网,并网线路长,电气距离远。

2 酒泉桥东风电场并网连接图

Fig2 The Jiuquan Qiaodong wind farm connected graph

2为酒泉桥东风电场的并网连接图。风电并网过程中所经设备主要包括箱式变压器、风电场集电线路、汇流站主变压器和并网送出线。

风机经箱变690V/35kV升压,通过35kV架空馈线馈入35/330kV升压变并网。这种两级升压仅为并网方式中的一种,还可以经箱变690V/10kV升压,再经10kV馈线送入10/110kV风电场升压站,然后再通过110kV架空线送入变电站升压至330kV等不同电压等级的三级升压方式。输电通道变压器等效阻抗如式(15)和式(16) ,随变压器台数增多,阻抗增大。

     (15)

    (16)

    大规模风电接入电网呈现远距离输送、多级变压的网架结构。一方面,如此远距离的输送,必然导致输送过程中产生的各部分有功损耗之和很大。例如,酒泉风电基地向兰州负荷中心输送风电5500MW时,输送过程中产生的总有功损耗667MW,为输送容量的12%。另一方面,大规模风电输送过程中产生大量无功损耗,难以满足无功需求,需要电网供给大量无功,无功流动造成有功网损进一步增大。

当输电线与变压器采用串联结构,相同电压等级,通过相同容量功率的变压器电抗往往大于输电线电抗。例如甘肃干西风场330kV送出线采用LGJ-2*300型号线,长45km,电抗值为0.0116p.u35/330kV主升压变电抗值为0.05875p.u,通过相同功率时,同电压下的工作电流近似相等,电抗上消耗的无功,则变压器和线路的无功损耗关系为:

     (17)

即通常情况下,通过同功率的变压器和输电线,变压器的无功损耗大于输电线上的无功损耗。在风电场并网的无功损耗中,变压器损耗占大部分。

甘肃电网桥东风电场总容量为702MW。当风电场按单位功率因数运行,有功出力在0-80%额定容量变化时,桥东风电场至敦煌变330kV母线的各元件无功损耗情况如表3和图3所示。

3 桥东风电场到敦煌330kV的无功损耗情况

Tab. 3 The reactive power loss from Qiaodong wind farm to Dunhuang 330kV

风电场

有功出力

(MW)

两绕组变压器

(MVar)

330kV线路

与集电线路

MVar

总损耗

MVar

0.69/35

35/330

0

0

0

-18.306

-18.306

140

7.681

12.38

-15.361

4.7

280

17.957

28.942

-7.334

39.565

420

29.765

47.974

8.551

86.29

560

53.274

85.864

29.706

168.844

 

3 随桥东风电场有功出力变化,其送出系统的无功损耗变化情况

Fig. 3 The changing of reactive power loss of Sending system in pace with the active power output changing of Qiaodong wind farm

可见,随风电出力增加,无功损耗迅速增大。当风电出力560MW时,总无功损耗为168.844MVar,需要从外部电网吸收大量无功,无功流动将造成有功网损进一步增大。在总无功损耗中,变压器无功损耗远大于线路无功损耗,占总损耗的80%左右。

因此,可得出下述结论:

1)由于风电往往需要多级升压,远距离外送。相比常规电源,输电通道等效阻抗大得多,导致输电过程中的电网损耗大幅度增多。

2)当输电线与变压器采用串联结构外送功率时,变压器电抗往往大于输电线电抗,变压器无功损耗远大于线路无功损耗,占总损耗的80%左右。变压器无功损耗是造成无功流动增大的主要因素。

1.4风机运行特性对网损的影响

风力机采用异步发电机时,需要从电网吸收无功建立磁场,无功流动较大。而双馈变速风电机组的转速和定子侧的无功功率都可以调节,无功功率控制可以根据接入电力系统的实际运行方式设定为功率因数恒定或端电压恒定等。恒功率因数控制时可将风电场节点视为PQ节点,恒电压控制时将风电场节点视为PV节点。

仅考虑风机运行特性,线路和变压器有功损耗公式分别为:

         (18)

      (19)

单位功率因数运行时,机端输出无功=0;功率因数-0.98运行时,=0.203;功率因数0.98运行时,0.203;恒电压控制时,。可见,采用恒功率因数0.98控制和恒电压控制时,有功网损更小。当输出功率较大时,恒功率因数0.98控制输出无功,更有利。                                                                                                                                                                          

分别对甘肃玉门接入的风电机组进行恒功率因数控制和恒电压控制,恒功率因数控制时,选取的功率因数分别为-0.9810.98。各种情况下,玉门嘉峪关地区网损变化曲线如图4和图5

4 不同控制方式下有功损耗情况

Fig.4 Active power loss under different control modes

5 不同控制方式下无功损耗情况

Fig. 5 reactive power loss under different control modes

可见,风机不同控制方式下,网损情况各异。大规模风电接入时,功率因数保持0.98运行时,有功网损和无功网损最小;恒电压运行次之;单位功率因数运行再次之;功率因数-0.98运行最差,当风电接入900MW时,风电场出口和玉门330kV母线电压过低,不能正常运行。

这是因为,风电场输出大量有功时,输电线路上无功损耗很大,需要从外部电网吸收大量无功。功率因数0.98和恒电压运行两种方式下,风电机均发出部分无功,缓解了无功缺额,减小了无功损耗值,降低了无功流动,从而也使由无功流动产生有功损耗大大减小。单位功率因数运行,风力机不发无功,起不到减小无功流动的效果。功率因数-0.98恒定运行,风力机需要吸收无功,加剧了无功缺额,所以最严重。

    与恒电压运行相比,功率因数0.98运行更佳。这是因为恒电压运行目的是保持机端电压恒定,发出的无功比功率因数0.98运行时少些。

2 网-源协调降损控制策略

2.1 降损控制措施

根据大规模风电送出对网损的影响机理提出网-源协调降损控制策略。

(1) 针对大规模风电波动性对网损的影响,提出在大规模风电接入的输电通道,采用常规发电厂配合调峰的策略,当风电功率大幅度增加时,常规发电厂少发功率,反之亦然,降低风电大幅度波动产生的网损;

大规模风电的波动性会导致输电通道上功率的波动,引起功率流动的改变。风电是清洁能源,应充分发挥其发电能力,因此,采用“风火打捆”输电,火电配合风电调峰,当风电功率大幅度增加时,常规发电厂少发功率,反之亦然,可以保持外送有功稳定,将输送通道无功流动保持在较低的水平,令由无功流动产生的有功网损降到最低。

(2) 针对大规模风电接入结构对网损的影响,提出将风电三级升压改造成两级升压,并在升压变压器低压侧安装SVC,进行无功补偿。

在风电并网的总无功损耗中,变压器的无功损耗占80%左右。将风电三级升压改造成两级升压,减少风电所经变压器,可降低变压器的有功损耗和无功损耗。在升压变压器低压侧安装SVC,进行无功补偿,可降低变压器无功损耗。两种方法均能减小由变压器无功损耗引起的无功流动,可以有效降低大规模风电接入时的无功和有功损耗。

(3) 针对风机运行特性对网损的影响,提出风力机采用定功率因数0.98运行,发出部分无功功率。

    风力机采用定功率因数0.98运行,相比其他运行方式,风机发出的无功最多,有利于缓解大规模风电送出时的无功缺额,减小无功的流动,从而降低有功网损。并随风电有功出力的增加,该措施对降低有功网损的效果越明显。

3 实例分析

    对甘肃酒泉风电基地运用上述网-源协调降损控制策略。2015年酒泉风电基地结构图如下。

6 2015年酒泉风电基地电网结构图

Fig. 6 The power grid structure diagram of Jiuquan wind power base in 2015

2015年建设的甘桥六八、甘安二三、甘安六马二、甘安北四风电场均采用由0.69/38.335/363两级升压方式接入电网。

各双馈风电机组均按功率因数0.98运行。

各风电场满发情况下,计算各节点电压。昌西、桥西、桥东、桥湾、干东、干北、干西、玉门330kV母线电压低于95%,在这些风电场的主变低压侧安装SVC,控制各330kV母线电压恒定。

750kV双回线自然功率近似为4200MW。由于除750线路无功损耗外,存在其他无功损耗线路高抗,经计算,当河西-武胜双回线输送功率3700MW时,酒泉风电基地与甘肃主网之间无功流动最小。

风电波动时,调节酒钢、酒新、酒热、张掖、金昌等火电厂出力。保持河西-武胜输电通道3700MW恒定运行。

采取上述策略后,甘肃总有功网损由721MW下降为647MW,降低了10.3%,有效降低了有功损耗。验证了该策略的有效性。

4 结论

1、通过分析有功网损公式得到有功网损主要由有功流动和无功流动产生的网损两部分组成。降损的关键是减小电网无功流动性。

2、大规模风电波动性会引起输电通道输送功率波动。随风电出力增大,输电通道有功流动增大,无功流动先减小后增大。起主导作用的有功流动使有功损耗不断增大,无功流动最小时,由无功流动产生的有功损耗最小。

3、大规模风电接入电网呈现远距离输送、多级变压的网架结构。这样的结构导致有功损耗和无功损耗很大,无功流动性大。在总无功损耗中,变压器无功损耗远大于线路无功损耗,占总损耗的80%左右。

4、大规模风电接入时,风电机组功率因数保持0.98运行时,有功网损和无功网损最小;恒电压运行次之;单位功率因数运行再次之;功率因数-0.98运行,网损情况最差。

5、针对大规模风电接入对网损的影响机理,提出“风火打捆”火电配合风电调峰、风电两级升压接入电网、主变低压侧安装SVC、双馈机组按功率因数0.98恒定运行等降损措施,形成了一套网源协调降损控制策略,并用酒泉电网运行实例验证了该策略的有效性。

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收稿日期:2016-07-03。

作者简介:

吴晓丹(1988—),女,硕士,研究方向为电力系统及其自动化。

刘卫明(1980—),男,高级工程师,从事电力系统自动化、继电保护工作;

李江南(1988—),男,中级工程师,从事发电厂电气工作。

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