風電對孤立電網第三道防線的影響

時建鋒

(云南電網公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000)

風電對孤立電網第三道防線的影響

時建鋒

(云南電網公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000)

通過對實際系統建立模型并仿真，分析了風電并網后對孤立電網第三道防線高頻切機和低頻減載裝置動作情況。結果表明風電接入電網后，不可避免地會過切造成系統失穩情況，系統原有的高頻切機和低頻減載方案已不適合。提出將風電機組高頻/低頻保護與孤立電網第三道防線建設合理配置方案，對于保證故障后孤立電網第三道防線可靠運行有著重要的現實意義。

風電；第三道防線；孤立電網

0 前言

由于特定的地理條件，我國還存在許多形式各異的中、小規模孤立電網，這類電網通過聯絡線與外部進行功率交換，極易遭受大的干擾。由于重要機組或重要聯絡線故障，導致孤立電網形成[1-3]。

為滿足規程對電力系統承受第Ⅲ類大擾動時的安全要求，防止系統崩潰，我國電力系統普遍設置了高頻切機和低頻減載措施作為保證系統安全的第三道防線，在確保電網安全穩定方面發揮了重要作用[4]。

我國風電事業發展迅速，裝機容量逐年提高。在實際電網中，故障后孤立電網出現大量風機脫網現象，對孤立電網第三道防線造成嚴重威脅[5]。文中以某地區220 kV等級孤立電網為研究對象，通過仿真多種工況下風電并網，檢驗孤立電網高頻切機和低頻減載動作情況，提出了適用于風電并網的孤網系統高頻切機和低頻低壓減載配置方案。

1 風電并網對孤網第三道防線影響

文中以2013年某電網典型方式下某地區220 kV系統為例進行分析，仿真工具采用PSD-BPA潮流和暫態穩定計算程序[6-9]。根據可研規劃，該地區可能新建一座B風電場，這里所模擬的結構可為其他有風電并入的孤網分析提供參考。該地區220 kV系統結構為下圖1所示。

圖1 2013年某地區220 kV系統

由圖1可以看出，假設雙回線路A-C發生N-2故障，導致該電網與主網解列，形成孤立電網。

根據規劃方案，2013年該孤網系統內水電總計裝機容量96.375 MW，其中K、F、J水電廠分別裝機容量為1?50 MW、2?11 MW、1?13 MW。B風電場裝機容量為99 MW，占裝機總量的50.67%。在典型方式 (豐期、枯期)下，該區域平均負荷為80～120 MW。該孤網高頻切機方案是，F水電廠52 Hz、0.5 s；J水電廠53 Hz、0.5 s。該孤網低頻減載方案是：共設七個基本輪和兩個特殊輪。第1基本輪至第7基本輪切負荷比例分別為：4%、5%、6%、6%、6%、6%、6%。頻率動作值分別為：49 Hz、48.8 Hz、48.6 Hz、48.4 Hz、48.2 Hz、48 Hz、47.8 Hz，各輪級動作時限均為0.2 s。低頻減載第1特殊輪至第2特殊輪切負荷比例分別為：2.5%、2.5%。第1特殊輪動作時限：15 s。第2特殊輪動作時限20 s。

由于我國現行的標準沒有對風電機組參與系統調頻提出要求，故現有運行風電機組均不參與系統頻率調整。在滿足 《風電場接入電力系統技術規定》(GBT-19963-2011)條件下，風電場通?？紤]保護風電機組需要，將風電機組低頻/高頻保護范圍設定為48～51.5 Hz，若越上限或越下限2 s，機組將會跳閘。鑒于保護未考慮系統調頻，本文以此為例，在雙回線路A-C發生N-2故障跳閘情況下，對風電機組不同出力對孤網第三道防線影響進行分析，檢驗相關嚴重故障下的孤網運行能力。

1)豐期水電滿發，風電按0.5的同時率出力。豐期水電出力90 MW，風電出力按0.5的同時率考慮，出力49.5 MW。故障后，功率過剩39.8 WM左右，高周切F水電廠機組后，風電機組切機，低頻減載無動作，孤網系統頻率迅速恢復至正常范圍之內，其穩態的最高頻率可達52.5 Hz，穩態恢復頻率至50.2 Hz，再經水電一次調頻，系統穩定。故障后相關母線正序電壓曲線、孤網母線頻率見圖2所示。圖中，Pw是風電機組的實際有功出力；Pwn是風電機組的額定有功功率。

圖2 故障后孤網內的特征曲線

2)豐期水電滿發、風電按1.0的同時率出力。水電滿發出力為90 MW，風電機組出力按1.0的同時率考慮，出力99 MW。故障后，功率過剩99 MW，風電機組檢測電網頻率超過51.5 Hz，2 s后動作切機，F和J水電廠也相繼高頻切機。16 s后電網頻率出現波動，電網失穩。如圖3所示。

圖3 故障后孤網內的特征曲線

3)枯期、風電按0.5的同時率出力。水電出力總45 MW，風電機組出力按0.5的同時率考慮，出力49.8 MW。故障后，功率缺額30 MW左右，風電機組檢測電網頻率低于48 Hz，2 s后動作切機，低頻低壓共動作7輪，水電機組脫網，孤網失穩。如圖4所示。

圖4 故障后孤網內的特征曲線

4)枯期、風電按1.0的同時率出力。水電出力總45 MW，風電機組出力按1.0的同時率考慮，出力99 MW。故障后，功率過剩54 MW左右，水電機組高頻切機后，風電機組全部切機。由于切除過多電源，系統進入低頻狀態，低頻低壓減載動作共7輪后，孤網失穩。如圖5所示。

圖5 故障后孤網內的特征曲線 (枯期、Pw=100%Pwn)

由上述分析可知：在典型方式下，風電并網與原有的安全控制裝置已不配合，如1)中，高頻切水電機組與風機切機幾乎同時進行，無相互配合，電網雖最終穩定，但導致過切；2)中，過切導致系統失穩；3)中低頻減載方案動作緩慢，導致風機低頻2s后動作，最后系統失穩；4)中，風電機組高頻與高頻切機不配合，導致過多切機，進入低頻減載階段，以致系統失穩?？梢钥闯觯械牡谌婪谰€安全控制裝置不再適用于風電機組接入。

2 含風電并網的孤網第三道防線方案

2.1 高頻切機新方案

考慮到風電并網下，受孤立電網頻率變化影響，風電機組基本都會切機，造成與原有的安全控制不配合情況。為了保持電網穩定，通過調研分析，結合電網的實際情況，對有風電接入且上網功率大且呈現波動性、解列后孤網頻率升高、水電機組具有一次調頻功能等情況，可以先切部分風電機組，然后切水電機組。

由于風電機組占裝機總量已超過50%，改進后的安全控制設置還需保證在風電零出力情況下穩定，這里將風電機組發電能力的60%，即49.8 MW，51 Hz、0.5 s和51.5 Hz、0.5 s動作時限；剩余40%，即39.6 MW，51.5 Hz、1.5 s動作時限即放進高頻切機方案，F水電廠機組切機延時0.5 s，形成廠網協調方案。風電并網高頻切機新方案表1所示。

2.2 低頻減載新方案

由于原低頻減載方案動作緩慢，造成風電并網功率缺額后負荷、風電過切現象，因此提高低頻第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪機減載容量可有效杜絕此現象，形成廠網協調方案。孤網低頻減載新方案是第1基本輪至第7基本輪切負荷比例分別調整為：7 %、8%、8%、6%、3%、3%、3%。頻率動作值和時限均不變。

表1 孤網系統高頻切機新方案

3 孤立電網第三道防線新方案驗證

1)豐期水電滿發，風電按0.5的同時率出力。風電場、水電廠出力與2.1情況相同。故障后，風電經三個輪機切除負荷49.5 MW，經20 s后孤網頻率穩定在50.3 Hz。新方案相比原高頻切機方案解決了水電機組過切水電機組現象，保存了水電機組一次調頻作用，母線電壓曲線也較好，如圖6所示。

圖6 故障后孤網內的特征曲線 (豐期、Pw=50%Pwn)

2)豐期水電滿發、風電按1.0的同時率出力。風電場、水電廠出力與2.2情況相同。故障后，風電經三個輪機切除，孤網頻率在17 s內快速恢復至50.4 Hz。相比原高頻切機方案，解決了過切水電機組，且在恢復時間和電壓質量方面很好。如圖7所示。

圖7 故障后孤網內的特征曲線 (豐期、Pw=100%Pwn)

3)枯期、風電按0.5的同時率出力。風電，水電機組出力與2.3相同。故障后，低頻減載共動作3輪，切除負荷28 MW，孤網頻率在5 s恢復穩定。由于低頻減載方案設置得當，相比原方案維護了風電電源對孤立電網支撐的作用，避免了電網失穩。如圖8所示。

圖8 故障后孤網內的特征曲線 (枯期、Pw=50%Pwn)

4)枯期、風電按1.0的同時率出力。風電，水電機組出力與2.4相同。故障后，風電經過兩個輪機，切除負荷59.4 MW，孤立電網頻率經20 s后恢復至50.3 Hz，再經水電機組的一次調頻后，電網穩定。可以看出，新高周切機方案相比原方案，在孤立電網功率過剩頻率升高時，避免了過切水電機組，有效穩固了孤立電網第三道防線。如圖9所示。

圖9 故障后孤網內的特征曲線 (枯期、Pw=100%Pwn)

5)檢驗新方案在風電出力為零時，對孤立電網的適應性。在水電豐期和枯期 (水電出力不小于45 MW，小于此值孤網將不能穩定)兩種情況下，依靠新低頻減載方案，孤立電網能可靠穩定，如圖10所示。

圖10 故障后孤網內的特征曲線 (豐期或枯期、Pw=0)

4 結束語

文中以某地區孤立電網為對象，通過建立風電并網孤立電網的模型，分析了各種工況下，風電并網對孤立電網第三道防線的影響。提出了利用風電機組高頻/低頻保護與孤立電網第三道防線配合設置，形成了新的高頻切機和低頻減載方案。仿真結果表明，此方案既能大大化解風電對故障后孤立電網的影響，又能起到電源支撐作用，對孤立電網建立安全可靠第三道防線提供了保證。

1)由于風電并網不能參與電網的一次調頻，在故障后孤立電網發生高頻后，可考慮先行切除部分風電機組。

2)風電作為一個電源點，應發揮對故障后孤立電網支撐作用，避免過切造成孤立電網失穩。

3)風電并網的孤立電網，低頻減載方案需適當提高第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪機的減載容量。

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Analysis and Countermeasures of Wind Power on the Third Defense Line for Isolated Power-grid

SHI Jianfeng
(Yunnan Qujing Power Supply Bureau，Qujing，Yunnan 655000)

With the access of wind power，it brings a greater impact on the stability of the isolated power-grid.Based on the actual system model and simulation，this article analyzes the third defense line of high-frequency cut machine and under frequency load shedding(UFLS)device operation for the wind power access of isolated power-grid.The results shows that wind power will inevitably bring about over-cut causing system instability，and the original high-frequency cut machine and UFLS design is not suitable. Proposed rational configuration scheme of wind machine high frequency/low frequency protection and isolation power-grid，to ensure reliable operation of the third defense line of isolated power-grid after the failure has important practical significance.

wind power；the third defense line；isolated power-grid

TM73

B

1006-7345(2014)05-0031-04

2014-04-02

時建鋒 (1982)，男，碩士，工程師，云南電網公司曲靖供電局，從事電力系統運行方式及穩定控制研究 (e-mail)shijianfengyx＠163.com。