末端送出電網風電大規模脫網對主電網安全穩定控制策略分析

，張穎3，張燕

(1.新疆天電達坂城風力發電有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000； 3.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 前 言

電力系統穩定指正常運行時，系統經受干擾(如短路、切除故障、切除線路、切機等)，電網保持同步運行、不發生頻率和電壓崩潰的一種能力。這種抗干擾的能力就是電力系統能保證正常運行所必須具備的能力，通常用暫態穩定來判據。電力系統每一次遭受大擾動后，電網中各發電機之間的相對功角開始大幅振蕩，然后快速恢復至另一個穩定狀態，電網中各變電站電壓也恢復到一個合理的范圍。

電網中，通過換流器并網的新能源發電設備，由于設備內換流器在受到電網擾動(如短路等)時，廠家為保護換流器的電子設備，發電設備這時將自動切機，起到保護自身的作用，但對電網將造成二次擾動。根據切機容量的不同，這種方式將增大電網運行的風險。

下面主要針對含大量風電場的末端地區電網外送通道由220 kV上升為750 kV網架后，研究風電機組大規模脫網時，地區電網和主電網電壓、頻率的動態過程，提出在關鍵節點加裝動態無功補償設備，快速響應電網電壓的變化。

1 風機和風場模型

1.1 風機模型

仿真計算的新疆某末端電網中，風電場機組以雙饋風電機組占比較多、直驅式風電機組占比較少。雙饋風機控制系統如圖1所示。

圖1 雙饋風機控制系統

從圖1中可以看出，轉子經一個背靠背脈沖寬度調制的變流器與大電網相連，這種控制系統就是雙饋電動機的一個特色。

1.2 風場等效模型

大規模的風電場接入電網的系統潮流仿真分析時，為減少數據節點加速計算，采取整個風電場等效的形式參與系統潮流計算，風電場的等效包含發電機模型等效和風速分布模型等效兩個方面。不計尾流效應和電場風速分布，將一個風電場按同一個風速考慮，仿真的風電場機組采用額定容量為1.5 MW的雙饋感應風電機組多臺并聯方式接入系統，如圖2所示。

圖2 風電場等效模型

風電場內的機組端電壓0.69 kV，經第1級升壓到35 kV，再經第2級升壓到220 kV后，通過220 kV線路并入公用電網。

風電場的有功出力等效為

(1)

風電場的無功出力等效為

(2)

式中，n為被等效風電場發電機臺數。

2 有功功率波動與電壓波動之間的關系

由電壓變化計算公式可以推算出，當風電場送出的無功功率Q保持恒定時，因風電出力的間隙性，風電場送出的有功功率是一個變化的值，這個時刻為P，下一個時刻為ΔP+P，ΔP即為變化值?？梢酝扑愠靓變化與ΔU之間的數學公式為

ΔU≈-(X/USscΔP2+2X/USscPΔP)

(3)

式中：U為送端電壓；X為聯絡線的電抗；Ssc為母線的短路容量。

從式(3)可以得出，電壓的波動變化與ΔP的變化十分緊密，同時與送端電壓、線路電抗、母線短路容量等指標也有密切的聯系。ΔP變化越大，ΔU的波動幅度也越大。

由式(3)繼續推導可得

ΔQ=[(X/U)×(ΔP+2P)×(ΔP/Δt) ]× Δt

(4)

因ΔU受ΔP的影響，ΔQ的快速變化能控制ΔU的振幅，所以要求風電場的動態無功補償設備能快速響應，降低ΔU對電網的影響。

3 有功功率波動與頻率波動之間的關系

衡量電能質量的關鍵指標之一就是電網頻率，電網頻率跟電網中發出的和使用的有功功率平衡有關。因風電機組無勵磁系統，不具備快速調節有功出力的能力，然而大規模風電并網后，風電的出力占據了常規能源機組的發電出力空間。當電網受到大的擾動時(如切機、切負荷等)，此時電網頻率勢必將發生波動。因常規機組開機降低，旋轉備用不足，勢必導致電網頻率波動恢復緩慢。若此時風電機組因電壓波動，出于自身設備原因再發生機組脫網，電網將出現大的有功缺額，電網頻率恢復將更加緩慢，甚至發生頻率失去穩定，造成安全自動裝置低頻切負荷，將電網事故進一步擴大。

4 風電脫網仿真分析

用于仿真的末端電網處于新疆電網的最北端，總裝機容量約2 520.5 MW，其中風電為1 138.5 MW，水電為732 MW，火電為600 MW，其他為50 MW。網內負荷約800 MW。剩余電量原通過220 kV豐齊線和龍豐線與新疆主電網聯絡送出。750 kV塔城變電站、五家渠變電站投運后，通過750 kV塔五雙線將該地區豐富的風電出力送入新疆主網、送往內地省份，如圖3所示。

圖3 某地區電網結構及與主電網聯絡

1)工況1：脫網30%，約300 MW。

由圖4至圖6可知，當電網風機脫網300 MW時，750 kV母線電壓最高達762.9 kV，波動3.26%；220 kV母線電壓最高達235.8 kV，振幅3.47%，振幅最大為750 kV塔城變電站的220 kV母線電壓。脫網30%風電對電網頻率幾乎無影響。

圖4 750 kV變電站母線電壓波動(工況1)

圖5 220 kV變電站母線電壓波動(工況1)

圖6 電網頻率波動(工況1)

圖7 750 kV變電站母線電壓波動(工況2)

圖8 220 kV變電站母線電壓波動(工況2)

圖9 電網頻率波動(工況2)

2)工況2：脫網60%，約600 MW。

由圖7至圖9可知，當電壓風機脫網600 MW時，750 kV母線電壓最高達765.3 kV，波動3.45%；220 kV母線電壓最高達246.1 kV，振幅11.51%，振幅最大為220 kV薩爾塔木變電站的220 kV母線電壓。脫網60%風電對電網頻率幾乎無影響。

3)工況3：脫網90%，約900 MW。

由圖10至圖12可知，當電網風機脫網900 MW時，750 kV母線電壓最高達766.9 kV，波動3.67%；220 kV母線電壓最高達248.3 kV，振幅12.48%，振幅最大為220 kV薩爾塔木變電站的220 kV母線電壓。脫網90%風電對電網頻率幾乎無影響。

圖10 750 kV變電站母線電壓波動(工況3)

圖11 220 kV變電站母線電壓波動(工況3)

圖12 電網頻率波動(工況3)

各工況下數據分析如表1所示。

表1 3種工況下電網電壓變化情況

從表1可以看出該末端電網風電有功出力脫網30%及以下的時候，對電網幾乎無影響。但脫網60%及以上的時候，對電網220 kV變電站的母線電壓影響較大，超過運行上限，對電網一次設備的耐高壓水平提出了更高的要求。此時急需動態無功補償設備快速響應防止高電壓損壞電網一次設備。

5 控制措施

采取在電壓波動最大的220 kV薩爾塔木變電站加裝容量為18 MVA的SVC裝置，風電脫網后的3.5 s采取控制措施，薩爾塔木變電站220 kV母線電壓的攀升得到了控制，如圖13所示。

6 結 語

1)末端風電送出電網發生機組脫網，由于地區電網潮流較輕，充電無功功率增大，導致該地區電網220 kV以及近區的塔城變電站和對端五家渠變電站750 kV母線電壓幅值都有一定程度增加，但相對而言，片區的220 kV母線電壓增長和波動幅度較750 kV大些。

圖13 脫網工況3下薩爾塔木變電站220 kV母線電壓升高的控制效果

2)當風電區域的脫網容量由30%增長至90%時，仿真計算得出，變電站220 kV母線電壓波動的幅度與一次性脫網的風電區域容量成線性關系。當風電脫網60%時，220 kV薩爾塔木變電站220 kV母線電壓越上限(242 kV)；當風電脫網達到90%時，750 kV塔城變電站、220 kV額爾齊斯變電站、龍灣變電站、和豐變電站、薩爾塔木變電站等220 kV母線電壓均越上限運行，給電網的安全穩定造成風險。因此，隨著末端電網的風電并網規模增大，應控制風電的接入，按照并網標準強化風電的故障穿越能力，增強其抗擾動性。

3)在風電匯集的220 kV變電站加裝動態無功補償設備是控制220 kV母線電壓越線的有效措施。