串补改善新能源大规模汇集远距离输送的静态电压特性的研究

王新浩，袁绍军，刘振宇，周迎伟，尹兆磊，白明辉

(国网冀北承德供电公司，河北 承德 067000)

随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，构建以新能源为主体的新型电力系统成为能源电力的发展要求和趋势，因此未来新能源大规模汇集远距离输送将会成为一种常见模式[1-2]，由此带来的诸如在电压[3-5]、短路[6-8]、暂态[9-11]、振荡[12-14]等方面的问题，不但会影响新能源的发电和输送，而且会威胁电网的安全稳定运行。研究新能源大规模汇集远距离输送模式的静态电压特性，寻找改善静态电压特性的方法，对提升新能源大规模汇集远距离输送模式的运行效益具有重要意义。

1 静态电压特性

1.1 静态电压特性数学模型

为研究新能源大规模汇集远距离输送模式的静态电压特性，引用一般输电线路的数学模型[15]，如图1所示。

一般远距离输送负荷，馈供线路有功、无功潮流方向和图1所示方向相反；一般大型水火电厂的机组为集中式布置，相比于有功可以发出较多无功，送出线路有功、无功潮流方向和图1所示方向相同；一般新能源场站的发电单元为分布式布置，无功发出能力较弱；动态无功补偿容量按照装机量的一定比例进行配置，场站无功送出能力有限。在新能源大规模汇集远距离输送模式下，新能源场站也呈现分布式状态，整体效果是有功送出能力较强，无功送出能力较弱；当有功出力较大时，汇集输送线路有功潮流方向和图1所示方向一致，电场侧无法上送线路所需消耗的大量无功，因而线路会从电网侧获取大量无功，无功潮流方向和图1所示方向相反。

综合上面分析，根据电压降落公式[15]，新能源大规模汇集远距离输送模式的电压降落为：

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

将(2)、(3)、(4)式带入(1)式得到：

(5)

(5)式可以较完整地体现电场侧相对于电网侧电压降落的影响因素，下面逐项作出分析：

如果忽略P1和P′1的差异，将其他变量看作是固定值，就可以将(5)式看成ΔU和P1/P′1一元二次函数，一般输电线路的P-V曲线所呈现出的随着有功功率增加而使电压加速降低的非线性性质就和该函数关系密切。

综合前面分析可知，输电线路电压降落受到多种因素影响，其中主要有传输有功功率、无功功率、功率因数及线路参数等。

1.2 串补改善静态电压特性分析

由于在新能源大规模汇集远距离输送模式下，送出线路无功潮流方向为从电网侧流向电场侧，电场侧电压低于电网侧，当有功出力较大时甚至可能进入电压崩溃状态，即静态电压特性较差，因而会限制新能源场站有功出力以保证系统运行稳定性，即因静态电压特性而可能出现弃风、弃光现象。

2 仿真算例

使用PSD-BPA软件进行仿真计算，在大电网的枢纽站旁搭建新能源大规模汇集远距离输送模型，如图2所示，在常规线路模型的基础上，分别在线路的汇集站侧、线路中间、枢纽站侧加入串补，同时对串补的补偿比例进行调节，分别取补偿比例为50%、70%、90%、110%，逐步增加新能源有功出力，记录电压、无功等随有功出力变化情况，进行相关特性分析。

2.1 电压特性

汇集站和枢纽站电压随新能源有功出力变化曲线如图3所示。

从图3中可以看出，未采取串补措施时，汇集站和枢纽站的电压均随着有功出力的增加而降低，汇集站的电压低于枢纽站，汇集站电压的降低幅度大于枢纽站。采取串补措施后，汇集站和枢纽站的电压水平均有所提升，电压随着有功出力的增加而降低的幅度变小，即静态电压特性得到改善；补偿比例越大，静态电压特性越好；串补安装位置对静态电压特性影响不大，该结果符合前面的理论分析。

2.2 无功特性

枢纽站输送和输电线路消耗的无功功率随新能源有功出力变化曲线如图4所示。

从图4中可以看出，未采取串补措施时，枢纽站向线路输送和输电线路损耗的无功功率均较高，均随着有功出力的增加而增加。采取串补措施后，枢纽站向线路输送和输电线路损耗的无功功率随着有功出力的增加而增加的幅度变小；补偿比例越大，枢纽站向线路输送和输电线路损耗的无功功率越小；串补安装位置对这种特性影响不大，该结果符合前面的理论分析。

2.3 串补电容两侧电压差特性

串补电容两侧电压差随新能源有功出力变化曲线如图5所示。

从图5中可以看出，串补电容两侧的电压差不但和补偿比例有关，而且和串补安装位置有关，即补偿比例越大(小于100%时)电压差越大，串补安装位置越靠近电网侧电压差越大，该结果无法从前面的理论分析得出，下面给出进一步说明。

1)补偿比例越大电压差越大。实际上，加入串补后，输电线路导线部分的无功损耗并未减少，只是串补发出无功对其进行补偿，从而形成了整体无功损耗降低的效果；补偿比例越大，串补发出无功越多，因而串补电容两侧电压差就越大，同时对电容的要求和故障率也就越高，因此可能会对补偿比例有一定限制。

2)串补安装位置越靠近电网侧电压差越大。在新能源大规模汇集远距离输送模式下，电网侧提供了输电线路所消耗的大量无功功率，这些无功功率也在线路上传输；实际上，输电线路传输的无功功率从电网侧向电场侧逐渐减少，这种特性使用集中参数模型无法体现，使用分布参数模型才能体现；串补安装位置越靠近电网侧，通过串补电容的感性电流就越大，因而串补电容两侧的电压差也就越大。这一特性对于新能源大规模汇集远距离输送模式的串补安装位置的选择具有一定的实际指导意义，因为根据本小节的结果，将串补安装在新能源汇集站侧，不但便于运行维护管理，而且电容两侧压差越小，对电容的要求和故障率都会随之降低。

3 结论

1)新能源大规模汇集远距离输送模式的静态电压特性较差，因而可能会限制有功出力水平。

2)串补可以改善新能源大规模汇集远距离输送模式的静态电压特性，补偿比例越高，静态电压特性越好，有利于提高新能源的有功出力水平。

3)串补可以减少输电线路从电网侧吸收无功功率，补偿比例越高，从电网侧吸收的无功功率越小，有利于电网的安全稳定运行。

4)串补补偿比例越大，串补电容两侧电压差就越大，对电容的要求和故障率也就越高，因此可能会对补偿比例有一定限制。

5)串补安装位置越靠近电场侧，串补电容两侧电压差就越小，对电容的要求和故障率也就越小，这一特性具有一定的实际指导意义。

6)串补对新能源大规模汇集远距离输送模式的短路、暂态、振荡等其他方面的影响及解决措施将是下一步的研究方向。