新能源接入對西北—新疆聯網通道輸電能力及系統安全穩定性影響分析

孫玉嬌，吳俊玲，王雅婷，申洪，周勤勇，程麗華

(1. 中國電力科學研究院，北京市 100192；2. 河南省高壓電器研究所，河南省平頂山市 467000)

新能源接入對西北—新疆聯網通道輸電能力及系統安全穩定性影響分析

孫玉嬌1，吳俊玲1，王雅婷1，申洪1，周勤勇1，程麗華2

(1. 中國電力科學研究院，北京市 100192；2. 河南省高壓電器研究所，河南省平頂山市 467000)

西北地區新能源接入主要受西北—新疆聯網通道輸電能力的影響和限制，為合理規劃發展西北地區新能源，對新能源接入與西北—新疆聯網通道輸電能力及系統安全穩定性進行了研究。采用PSD-BPA機電暫態仿真程序，分析了新疆哈密地區風電、甘肅河西走廊地區風電、甘肅金昌等地光伏電源以及青海柴達木地區光伏電源接入后，對西北—新疆聯網通道輸電能力及系統安全穩定性的影響。結果表明：哈密風電接入規模及風電機組控制方式對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響不大，但哈密風電接入會降低系統的安全穩定水平；而甘肅風電及光伏電源的接入有利于西北—新疆聯網通道輸電能力及系統安全穩定水平的提高；青海地區光伏電源的接入會使西北—新疆聯網通道輸電能力下降，且使西北—新疆聯網第一通道安全穩定性下降，但會使總的新能源接入規模得到大幅提高。根據分析結果，建議合理發展青海、甘肅光伏電源規模，并注意發展比例。同時，在發展大規模風電及光伏電源的同時，應注意西北—新疆聯網通道安全穩定控制措施的合理制定。

風電；光伏；西北—新疆聯網通道；輸電能力；安全穩定性

0 引 言

目前，西北電網已形成750 kV主網架，西北—新疆聯網通道作為西北地區與新疆聯網的咽喉要道，不僅承擔起新疆煤電外送的重任，同時新疆起點匯集了新疆哈密地區大規模風電，且為哈密—鄭州±800 kV特高壓直流工程落點，而中間途徑甘肅嘉酒、金昌地區及青海柴達木地區，匯集了大量的風電及光伏電源，其中，位于西北—新疆聯網第一通道上的橋灣750 kV變電站又為酒泉—湖南±800 kV特高壓直流工程落點，因此，西北—新疆聯網通道既是常規交流輸電通道，也是大規模新能源匯集通道，同時又與2條±800 kV特高壓直流相聯，屬于多直流送出通道，其運行特性十分復雜。由于該通道線路較長，電氣距離遠，屬于西北電網的薄弱環節，其安全穩定運行對西北電網以及華北-華中電網的安全穩定運行均起到至關重要的作用。

西北地區風能及太陽能資源十分豐富，適合大規模風電、光伏電源的開發利用，而風電及光伏電源出力具有隨機波動性，其大規模接入將對電網的電壓穩定性、暫態穩定性產生較大影響，并增加調度運行的復雜性。西北—新疆聯網通道匯集了新疆哈密地區大規模風電、甘肅河西走廊地區大規模風電及光伏電源以及青海柴達木地區大規模光伏電源，因此，有必要針對大規模新能源接入，研究其對西北—新疆聯網通道輸電能力及系統安全穩定性的影響，為該通道的實際運行提供參考。

目前，有關西北—新疆聯網通道以及新能源接入對西北—新疆聯網通道影響方面已開展了較多的相關研究。文獻[1]分析了影響通道輸電能力的相關敏感因素，包括串聯補償裝置、線路類型、通道開機方式、電力系統穩定器(power system stabilizer, PSS)配置等，研究了電壓無功補償控制及安全穩定控制措施有關運行控制的相關問題；文獻[2-4]就該通道的動態穩定問題進行了分析和研究；文獻[5]研究了該通道聯絡線功率波動峰值的估計方法；文獻[6]對包含風電的電力系統調峰能力計算方法進行了探討；文獻[7]對應對甘肅風電接入后的系統功率調節方式進行了研究；文獻[8-10]對西北電網應對大規模風電接入提出了措施建議；文獻[11]針對酒泉風電基地二期風電接入后的無功補償設備配置及輸電能力問題進行了研究；文獻[12]研究了新疆與西北主網聯網第二通道工程投運后對青海海西地區電網暫態安全穩定的影響問題；文獻[13-15]研究了利用柔性交流輸電系統(flexible alternating current transmission systems, FACTS)裝置提高系統安全穩定性的問題；文獻[16]對西北電網失步振蕩中心分布及其相關影響因素以及解列措施改進進行了研究和分析。此外，也有相關文獻研究了新能源接入對主動配電網的影響[17]、西北—新疆聯網后新疆電網的穩定特性及應對措施[18]以及提高新疆南部電網受電能力的措施[19]等。

現有文獻沒有系統地分析大規模風電、光伏電源接入后對西北—新疆通道輸電能力及系統安全穩定性的影響。本文即針對這一問題進行了詳細分析。本文通過計算4種典型方式下，西北地區新能源的不同接入規模及不同分布情況下西北—新疆聯網通道輸電能力、潮流分布及系統安全穩定性等，從中總結出一般規律，為西北新能源發展提出建議，為西北實際電網運行規劃提供參考。

1 西北—新疆聯網通道及附近新能源分布

西北—新疆聯網通道結構示意如圖1所示。其中，本文對潮流斷面的定義包括：(1)哈密—敦煌及哈密南—沙洲斷面本文后續將簡稱為新疆外送斷面；(2)酒泉—河西及沙洲—魚卡斷面本文簡稱為河西通道斷面。本文對通道的定義包括：(1)哈密—敦煌線路本文簡稱為新疆外送一通道，哈密南—沙洲線路本文簡稱為新疆外送二通道，二者合稱為新疆外送通道；(2)敦煌—橋灣—酒泉—河西—武勝線路本文簡稱為西北新疆聯網一通道，沙洲—魚卡—柴達木線路本文簡稱為西北新疆聯網二通道，二者合稱為西北新疆聯網外送通道。

圖1 西北—新疆聯網通道結構示意圖及附近新能源分布Fig.1 Northwest-Xinjiang corridor structure and nearby renewable resource distribution

西北—新疆聯網通道屬于中間有落點、有電源支撐的狹長形通道，其通道薄弱環節一般在酒泉—河西線路及柴達木地區。酒泉—河西線路電氣距離遠，潮流重，電壓支撐能力弱，是通道上的薄弱環節。而柴達木地區缺乏常規電源支撐，對系統的安全穩定性影響較大，當西北—新疆聯網一通道的線路發生故障或直流發生故障后，大量潮流涌入使得西北—新疆聯網二通道潮流加重，柴達木地區常因缺乏動態電壓支撐能力而導致系統失穩，因此，該地區也是系統的薄弱環節。

新疆外送通道及西北新疆聯網通道新能源分布如圖1所示。新疆哈密地區風電主要分布在哈密和哈密南地區，甘肅河西地區風電主要分布在敦煌、橋灣、酒泉地區，甘肅光伏電源主要分布在酒泉、河西地區，青海光伏電源主要分布在柴達木地區。根據2012年7月國家發展與改革委員會印發的《可再生能源發展“十二五”規劃》[20]，預計2015年西北電網風電裝機容量將達到29 460 MW，其中甘肅將達到11 000 MW、新疆將達到10 000 MW。預計2015年西北電網太陽能發電裝機容量將達到13 140 MW，其中甘肅將達到5 530 MW、青海將達到4 100 MW。

如此大規模的風電、光伏電源集中接入，給本身就較為薄弱的西北—新疆聯網通道運行帶來更多的復雜性，對其系統安全穩定性也產生很大影響。

2 新能源接入對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響

本文在計算西北—新疆聯網通道輸電能力時，考慮的是西北—新疆聯網通道750 kV交流線路N-1三相永久短路故障后的系統暫態穩定輸電能力，計算方法是增加該通道輸送功率的同時校核該通道750 kV線路N-1故障情況，當其中某條線路剛好失穩時，認為該通道達到最大輸電能力，且認為該失穩線路為通道的薄弱環節，通道輸電能力受限于該線路三相永久N-1故障。對于直流單極閉鎖故障的情況，認為通過采取切機措施進行控制是合理的。在計算輸電能力時，當關注某一因素時，盡量保持其他條件不變，以排除其他因素的影響。此外，風電及光伏電源匯集站均配置靜止無功補償器(static var compensator, SVC)，風電匯集站SVC配置容量為風電裝機容量的-2.5%(感性)～15%(容性)，光伏匯集站SVC配置容量為光伏裝機容量的-12.5%(感性)～25%(容性)。風機模型采用GE公司的雙饋風機模型。

2.1 風電接入及風機控制方式對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響

2.1.1 風電接入對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響

考慮新疆哈密風電裝機4 600 MW，甘肅河西走廊風電裝機11 000 MW，風電機組采用恒電壓控制方式，4種典型方式下不同風電出力對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響情況如表1所示。

表1 風電接入不同情況下西北—新疆聯網通道輸電能力

Table 1 Transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor in different conditions with wind power’s integration MW

由表1可知：西北—新疆聯網通道輸電能力主要受酒泉—河西線路N-1暫態穩定極限限制，而豐大方式下，酒泉風電出力為0時西北—新疆聯網通道輸電能力主要受哈密換—哈密南線路N-1暫態穩定極限限制。這說明豐大方式下酒泉風電出力為0時，西北—新疆聯網通道輸電能力受新疆內部網架輸電能力的限制，而酒泉風電出力較大時，由于新疆送出的電力減少，因此，西北—新疆聯網通道輸電能力主要受本通道輸電能力限制。其他方式下哈密風電接入及出力變化對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響不大。而酒泉風電接入后4種典型運行方式下西北—新疆聯網通道輸電能力均受酒泉—河西線路N-1暫態穩定極限限制，從計算結果看，酒泉風電接入整體有利于西北—新疆聯網通道輸電能力的提高。

2.1.2 風機控制方式對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響

僅考察哈密風電機組采用恒功率因數控制方式(功率因數為1)時，西北—新疆聯網通道輸電能力，對比情況如圖2所示。

圖2 哈密風電恒功率因數控制方式對西北—新疆聯網 通道輸電能力的影響Fig.2 Influence of constant power factor control mode of Hami wind power units on transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor

由圖2可看出，哈密風電機組控制方式對西北—新疆聯網通道輸電能力影響不大。

2.2 光伏電源接入對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響

前述研究結果表明，哈密風電接入對西北—新疆聯網通道輸電能力影響不大，因此，本部分僅分析甘肅風電與青海光伏電源接入以及青海光伏與甘肅光伏電源接入對西北—新疆聯網通道輸電能力的影響。

2.2.1 甘肅風電與青海光伏電源接入的關系

枯大運行方式下，考察哈密風電出力3 588 MW甘肅風電不同出力時青海、甘肅光伏電源接入前后西北—新疆聯網通道輸電能力結果如圖3所示。

由圖3可看出，甘肅光伏接入后對西北新疆聯網通道輸電能力影響不大，而青海光伏接入則會使西北—新疆聯網通道輸電能力大幅降低，但總的新能源接入量會大大增加。

2.2.2 甘肅光伏與青海光伏電源接入的關系

考察枯大運行方式下哈密風電出力3 588 MW、甘肅風電出力為6 930 MW時，青海、甘肅光伏電源不同出力下西北—新疆聯網通道輸電能力，結果如表2所示。根據以上結果，繪制甘肅、青海光伏電源出力與西北—新疆聯網通道輸電能力之間的關系圖如圖4所示。

圖3 青海、甘肅光伏電源接入對西北—新疆聯網 通道輸電能力的影響Fig.3 Influence of Qinghai and Gansu PV power’s integration on transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor表2 枯大方式下酒泉風電出力6 930 MW時，不同光伏 電源出力下西北新疆聯網通道輸電能力及 新疆外送通道輸送功率Table 2 Transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor and corresponding power flow of Xinjiang power delivering corridor with different PV power’s output when Gansu wind power’s output is 6 930 MW during winter peak power load period MW

圖4 甘肅、青海光伏電源出力與西北—新疆聯網通道 輸電能力的關系Fig.4 Relation between transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor and Gansu, Qinghai PV power’s output

從圖4可以看出，西北—新疆聯網通道輸電能力與青海光伏出力呈近似反比關系，甘肅光伏電源接入的影響不大。

因此，不同的光伏電源接入規模下，不同的青海、甘肅光伏電源出力比例下，西北—新疆聯網通道輸電能力隨之變化且呈現出一定的規律。實際運行中應根據青海、甘肅光伏電源出力情況進行合理調度，充分利用西北—新疆聯網通道輸電能力。

3 新能源接入對西北—新疆聯網通道潮流分布及系統安全穩定性的影響

3.1 新能源接入對西北—新疆聯網通道潮流分布的影響

西北風電及光伏電源分布在西北—新疆聯網通

道的不同位置，接入后會改變西北—新疆聯網通道的潮流分布情況及系統的安全穩定水平。將枯大運行方式不同情況下西北—新疆聯網通道達最大輸電能力時的潮流分布結果列表如表3所示。

從表3可以看出：哈密風電及甘肅光伏電源的接入對西北—新疆聯網通道的潮流分布影響不大；甘肅風電的接入對西北新疆聯網通道潮流分布產生的影響不大，但會使得疆電外送一通道哈密—敦煌線路的潮流減輕，使疆電外送二通道哈密南—沙洲線路潮流加重，從而改變了疆電外送一、二通道潮流比值；青海光伏電源的接入會使疆電外送一通道哈密—敦煌線路及西北新疆聯網一通道酒泉—河西線路潮流加重，而使疆電外送二通道哈密南—沙洲線路及西北新疆聯網二通道沙洲—魚卡線路潮流減輕。

3.2 新能源接入對西北—新疆聯網通道暫態安全穩定性的影響

風電及光伏電源不同出力情況下酒泉—河西及沙洲—魚卡N-2嚴重故障后切機量列表如表4所示。

西北—新疆聯網通道各線路的安全穩定性一方面與線路的電氣距離有關，另一方面受線路的潮流大小、電壓水平等影響，當線路潮流較重、電壓水平較低時其安全穩定性較差。此外，電源的動態電壓支撐能力對系統的安全穩定性也產生較大影響，一般風電、光伏電源的動態電壓支撐能力相對較弱，雖在匯集站加裝動態無功補償裝置，但其大規模接入仍有可能降低系統的安全穩定水平。

酒泉—河西、沙洲—魚卡N-2故障切機量及與其他因素的關系如表5所示。

從表5結果可以看出：

(1)酒泉—河西線路N-2故障的安全穩定措施量與西北新疆聯網通道輸電能力、酒泉—河西線路功率以及西北新疆聯網通道線路潮流比值均沒有呈現出直接的線性關系，這說明，風電、光伏電源的接入，影響了該線路的安全穩定水平。詳細對比風電和光伏電源接入的影響可以看出，哈密風電的接入使得酒泉—河西線路的安全穩定性變差，而青海光伏電源的接入同樣使得該線路的安全穩定性變差。甘肅風電及光伏電源的接入對西北—新疆聯網通道輸電能力及酒泉—河西線路的安全穩定水平反而會產生較好的影響。

表3 枯大方式下西北—新疆聯網通道達最大輸電能力時潮流結果

Table 3 Power flow in different conditions when Northwest-Xinjiang power corridor reached the maximum transmission capability during winter peak power load period

表4 枯大方式下酒泉—河西及沙洲—魚卡線路N-2故障后切機量Table 4 Control measures when an N-2 fault occurred to Jiuquan-Hexi and Shazhou-Yuqia transmission lines in different conditions during winter peak power load period MW

表5 酒泉—河西、沙洲—魚卡N-2故障切機量及其影響因素Table 5 Control measures for N-2 fault of Jiuquan-Hexi and Shazhou-Yuqia transmission lines and their relationship to other influence factors

(2)沙洲—魚卡線路N-2嚴重故障的安全穩定措施量與西北新疆聯網通道輸電能力呈現出一定的線性關系，但在光伏電源接入的部分，線性關系的比例系數發生了一定的變化，這說明，沙洲—魚卡線路的安全穩定性主要受通道潮流水平的影響，同時，受光伏電源接入的影響，詳細分析可以看出，甘肅光伏電源全部接入或青海光伏電源全部接入均會使沙洲—魚卡線路的安全穩定性提高，但二者在一定規模內成比例接入時，西北—新疆聯網通道輸電能力提高的同時，沙洲—魚卡線路的安全穩定性有所下降。

(3)當只有甘肅光伏電源接入電網時，西北—新疆聯網通道輸電能力提高的同時系統的安全穩定性也有所提高。而酒泉—河西線路N-2故障后切機措施量遠遠大于其故障前輸送功率，沙洲—魚卡線路N-2故障后切機量與其故障前輸送功率基本相當或更小，這說明，西北新疆聯網一通道相對西北新疆聯網二通道網架更強。在實際運行中，應注意西北新疆聯網一通道線路故障后安全穩定控制措施的合理制定。

4 結 論

分析了西北地區大規模風電、光伏電源接入后對西北—新疆聯網通道輸電能力及系統安全穩定性的影響，結果表明：

(1)甘肅河西地區風電、光伏電源單獨接入電網，西北—新疆聯網通道輸電能力有所增加或保持不變，系統的安全穩定性有所提高。

(2)新疆哈密地區風電接入電網，西北—新疆聯網通道輸電能力略有上升或基本保持不變，系統的安全穩定性變差。

(3)青海省光伏電源接入電網，西北—新疆聯網通道輸電能力有所下降，且西北新疆聯網一通道安全穩定性變差，西北新疆聯網二通道安全穩定性提高，但總的新能源接入規模大大增加。

(4)哈密風電機組控制方式對西北—新疆聯網通道輸電能力影響不大。

建議發展甘肅地區風電及光伏電源的同時，需注意西北新疆聯網一通道線路發生N-2故障后的安全穩定控制問題。同時，青海、甘肅光伏電源應發展合理規模，并注意發展比例。實際調度運行過程中，應注意西北新疆聯網通道潮流情況及西北地區風電、光伏電源的出力情況，協調新能源接入與疆電外送電力之間的關系，制定合理的系統安全穩定控制措施。

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(編輯 蔣毅恒)

Influence Analysis of Renewable Power Resources’ Integration on Transmission Capability of Northwest to Xinjiang Power Corridor and System’s Security and Stability

SUN Yujiao1, WU Junling1, WANG Yating1, SHEN Hong1, ZHOU Qinyong1, CHENG Lihua2

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2.He’nan High Voltage Apparatus Research Institute, Pingdingshan 467001, Henan Province, China)

The integration of Northwest renewable power resources in Northwest area is mainly restricted by the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor. In order to make reasonable development planning of the Northwest renewable power resources, this paper studies the relations of the integration of renewable power resources to the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the power system’s security and stability. We adopt PSD-BPA electromechanical transient simulation program to analyze the impact of wind power integration in Xinjiang Hami, Gansu Hexi Corridor and PV power integration in Gansu Jinchang, Qinghai Qaidam on the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the power system’s security and stability. The results indicate that the Hami wind power’s integration and the Hami wind power units’ control mode have small influence on the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor, but the Hami wind power’s integration will decrease the power system’s stability; the Gansu wind power and PV power’s integration will increase the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the power system’s stability; the Qinghai PV power’s integration will decrease the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the stability of the first corridor of the Northwest-Xinjiang power corridor, but the total integration amount of the renewable power resources will be greatly increased. According to the analysis results, it is suggested that the development scale and the scale ratio of the Gansu and Qinghai PV power resources should be reasonably made, and the development proportion should be paid attention. Meanwhile, the suitable security and stability control measures should be made when the power system has large scale wind power and PV power’s integration.

wind power; PV power; Northwest-Xinjiang power corridor; transmission capability; security and stability

TM 721

A

1000-7229(2016)06-0017-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.06.003

2016-02-22

孫玉嬌(1979)，女，高級工程師，研究方向為電網規劃、電力系統分析及新能源發展；

吳俊玲(1978)，女，高級工程師，研究方向為電網規劃、電力系統分析及新能源發展。

王雅婷(1987)，女，工程師，研究方向為電網規劃、電力系統分析及新能源發展、FACTS應用技術。

申洪(1974)，男，高級工程師，主要研究方向為電網規劃、電力系統分析及新能源發展。

周勤勇(1977)，男，高級工程師，主要研究方向為電網規劃、電力系統分析及新能源發展。

程麗華(1983)，女，工程師，主要研究方向為電力系統分析。