基于風(fēng)電并網(wǎng)的江西電網(wǎng)安全穩(wěn)定性分析研究

高彥麗，高寶祥，陳世明

（華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，南昌330013）

0 引言

作為一種可擴(kuò)大規(guī)模的新能源技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展。中國(guó)風(fēng)力資源豐富，近年來(lái)風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。江西省缺乏一次能源，風(fēng)電等清潔綠色能源的蓬勃發(fā)展，是優(yōu)化江西能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)江西綠色生態(tài)的重要途徑。系統(tǒng)地研究和分析風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)的影響已經(jīng)迫在眉睫，因?yàn)榻┠陙?lái)江西風(fēng)電裝機(jī)容量增加，對(duì)電網(wǎng)的影響與日俱增[1-5]，主要的影響有：功率分布、電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。

本文的基礎(chǔ)是江西電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電2020年的規(guī)劃數(shù)據(jù)，仿真工具利用PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序）軟件，建立江西電網(wǎng)新能源接入PSASP計(jì)算分析模型，研究江西電網(wǎng)在大的運(yùn)行方式下，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率對(duì)電網(wǎng)主要潮流斷面的影響，分析主要的500kV輸電線路并進(jìn)行相應(yīng)的N-1計(jì)算；通過(guò)理論和仿真分析全網(wǎng)主要的變電站節(jié)點(diǎn)電壓和功率因數(shù)的關(guān)系以及風(fēng)電出力的影響，通過(guò)求取薄弱區(qū)域來(lái)考核江西電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性；臨界切除時(shí)間是評(píng)判暫態(tài)穩(wěn)定性的指標(biāo)，所以在省內(nèi)主要聯(lián)絡(luò)線路上設(shè)置三相金屬性短路故障以衡量電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性[6]。針對(duì)受影響較大的風(fēng)電場(chǎng)舉例分析無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。最后，結(jié)合江西電網(wǎng)現(xiàn)狀提出改善電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的措施。

1 江西電網(wǎng)概況

1.1 江西電網(wǎng)綜述

500kV的江西電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，2020年統(tǒng)調(diào)可裝機(jī)容量將達(dá)到2 760萬(wàn)千瓦，最大用電負(fù)荷預(yù)計(jì)2 600萬(wàn)千瓦。江西電網(wǎng)位于華中電網(wǎng)東南端，且整體規(guī)模較小，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)強(qiáng)，省內(nèi)電源分布比較平均。同時(shí)2020年還將投運(yùn)兩條特高壓工程即±800千伏直流特高壓輸電工程（雅中～南昌）以及1 000千伏華中交流特高壓輸變電環(huán)網(wǎng)工程（荊門(mén)～武漢～南昌～長(zhǎng)沙～荊門(mén)）。

圖1 江西電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 風(fēng)電規(guī)劃

根據(jù)江西電網(wǎng)規(guī)劃到2020年省內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量將突破300萬(wàn)千瓦，主要集中在南部贛州地區(qū)和北部九江地區(qū)，特點(diǎn)是南部山區(qū)風(fēng)電和北部環(huán)鄱陽(yáng)湖風(fēng)電。風(fēng)電接入位置分布情況如圖2所示。

2 并網(wǎng)后江西電網(wǎng)潮流的分布

2.1 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)主干潮流的影響

利用江西省2020年夏季大負(fù)荷運(yùn)行方式，在滿足統(tǒng)總功率與總負(fù)荷保持平衡；新能源場(chǎng)站的就地消納原則；滿足靜態(tài)N-1安全校核;滿足典型n-1故障暫態(tài)穩(wěn)定校核的原則下，通過(guò)調(diào)整傳統(tǒng)火力發(fā)電廠有功出力，確定電網(wǎng)的運(yùn)行方式并建立江西電網(wǎng)新能源接入PSASP計(jì)算分析模型[7]。

在風(fēng)電接入的夏季大負(fù)荷方式下，選取5條江西電網(wǎng)500kV主要潮流送電通道：撫紅線、石洪線、永南線、羅文線、文贛線，其功率變化如圖3所示。

圖2 風(fēng)電接入位置分布情況

圖3 大方式下的通道功率

由圖3可以得出，隨著風(fēng)電機(jī)組出力的增加，省內(nèi)各個(gè)潮流斷面的聯(lián)絡(luò)通道上的功率有所減少，這一點(diǎn)很好地應(yīng)征了新能源就地消納的原則。羅文線是南部贛州地區(qū)受電通道，由于南部地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量較大，所以圖3中，隨著風(fēng)電出力增大，羅文線受電明顯減少。石洪線是北部九江地區(qū)電力外送的主要通道，由于九江地區(qū)電力充盈，再加上風(fēng)電裝機(jī)容量較大，所以由圖3知，隨著風(fēng)電功率的增加，石洪線潮流有增加的趨勢(shì)。

2.2 主要輸電通道N-1故障分析

對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)后的江西電網(wǎng)500kV網(wǎng)架的線路進(jìn)行N-1故障分析，均不存在過(guò)載的危險(xiǎn)。為驗(yàn)證在N-1故障下，新能源接入前后系統(tǒng)穩(wěn)定性，特選擇潮流斷面中的關(guān)鍵線路，觀察系統(tǒng)電壓和功角變化。其中電壓變化參考標(biāo)準(zhǔn)為贛安源500kV高壓母線，贛馬回嶺500kV高壓母線，贛撫州500kV高壓母線以及贛雷公山500kV高壓母線這四條500kV母線的電壓水平變化情況。功角變化參考標(biāo)準(zhǔn)為贛新昌01-贛安源電01，贛神九電廠01-贛安源電01，贛撫州電廠01-贛安源電01以及贛瑞金電01-贛安源電01這四組功角水平變化情況。

風(fēng)電接入前后，潮流斷面上關(guān)鍵線路發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)的電壓水平變化情況與功角水平變化情況發(fā)生了一定改變，變化的趨勢(shì)大體相同，這里選取石洪線作為典型來(lái)分析其變化情況。

如圖4和5所示，風(fēng)機(jī)接入后關(guān)鍵線路故障導(dǎo)致系統(tǒng)母線電壓稍有抬高，震蕩幅度更小，回穩(wěn)時(shí)間更短。對(duì)于功角水平，風(fēng)機(jī)接入后比接入前，關(guān)鍵線路發(fā)生故障時(shí)引起的系統(tǒng)功角震蕩幅度稍大，回穩(wěn)時(shí)間也略慢。以上電壓和功角的變化證明了風(fēng)機(jī)接入后江西電網(wǎng)的發(fā)電方式及潮流分布的合理性。

圖4 石洪線N-1系統(tǒng)電壓變化情況

圖5 石洪線N-1系統(tǒng)功角變化情況

3 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)江西電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電并網(wǎng)后，輸電通道上的500kV樞紐節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)因風(fēng)電出力的隨機(jī)性與波動(dòng)性而有不同程度的波動(dòng)，這將不可避免地影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)相關(guān)資料收集研究可知，風(fēng)電場(chǎng)的出力情況，風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性和對(duì)電網(wǎng)無(wú)功的補(bǔ)償強(qiáng)弱對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定都有一定的影響，本節(jié)主要是對(duì)在不同風(fēng)電場(chǎng)的出力情況下對(duì)并網(wǎng)后的電壓穩(wěn)定性的分析研究。

3.1 風(fēng)電接入對(duì)江西電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

3.1.1 基于PSASP的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性原理分析

1)潮流方程的雅可比矩陣[8]

令潮流方程的修正方程為

其中，JS為常規(guī)潮流雅可比矩陣，為功率不平衡向量，為電壓不平衡向量。若令?P=0，則系統(tǒng)負(fù)載無(wú)功功率與節(jié)點(diǎn)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

模態(tài)分析法的基本原理是用JR的特征值和特征向量來(lái)衡量系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。分解JR的特征值為

令x=η-1，則有

其中：Λ=diag{λ1,λ2,…,λn},λ1,λ2,…,λn為JR的特征值；將η稱為左特征向量；則ξ就為右特征向量。將（4）式代入（2）可得

其中：ηi為左特征向量陣η的第i行；ξi為右特征向量的第i列。由式（5）得出

令η?V=?v，η?Q=?q，則有

式中?v代表模態(tài)電壓的變化量，?q為模態(tài)無(wú)功的變化量。由式（8），對(duì)第i個(gè)模式有

其中λi是靈敏度，具體就是第i個(gè)模態(tài)無(wú)功功率相對(duì)于模態(tài)電壓的變化。系統(tǒng)接近不穩(wěn)定可以表示為模態(tài)無(wú)功的微量變化會(huì)引起電壓的劇烈變動(dòng)（此時(shí)λi很小或忽略不計(jì)）。所以模態(tài)電壓崩潰就相當(dāng)于電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。

2)薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱區(qū)域的確定

通過(guò)式（6）獲得的負(fù)載母線k的V-Q靈敏度近似為

從等式（10）可得到，V-Q變動(dòng)模式的綜合作用決定其靈敏度，即不取決于個(gè)體的崩潰。此時(shí)薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱區(qū)域再次被考慮，然后引入“總線參與因子”的概念：

此時(shí)影響V-Q靈敏度的因子就是λi和k。JR矩陣的特點(diǎn)是：首先其特征值是實(shí)數(shù)，其次是實(shí)對(duì)稱陣。因此，JR的最小模特征值就代表著系統(tǒng)中的薄弱節(jié)點(diǎn)，即主要特征值，以及與之對(duì)應(yīng)相關(guān)的最大節(jié)點(diǎn)參與因子。

應(yīng)進(jìn)一步解釋的是，由于電壓崩潰與模態(tài)電壓崩潰存在互聯(lián)的關(guān)系，因此可基于電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)與JR的主要特征值相關(guān)的各節(jié)點(diǎn)參與因子來(lái)首先確定系統(tǒng)不穩(wěn)定性的因素：如果通過(guò)模態(tài)分析得到的薄弱區(qū)域在電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)處是負(fù)載區(qū)域，則可以確定此時(shí)將發(fā)生單調(diào)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象；如果通過(guò)電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)處的模態(tài)分析獲得的薄弱節(jié)點(diǎn)是發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)特別注意系統(tǒng)中單調(diào)功角失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。此時(shí)可在極限點(diǎn)處運(yùn)用基于系統(tǒng)狀態(tài)方程的嚴(yán)格小干擾特征值分析方法來(lái)進(jìn)一步識(shí)別系統(tǒng)的失穩(wěn)方式。

3.1.2 江西電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性

據(jù)以上分析和江西電網(wǎng)的實(shí)際情況，利用PSASP軟件分析風(fēng)電一體化下的江西電網(wǎng)穩(wěn)定性。風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)分別取-0.98（風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率）、1.00和0.98（風(fēng)機(jī)發(fā)出無(wú)功功率），以此來(lái)分析江西電網(wǎng)母線電壓和風(fēng)電場(chǎng)功率的關(guān)系，當(dāng)然核心就是要設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)在每個(gè)模式下具有不同功率因數(shù)和出力。圖6～8為具體的三種不同模式下，7座樞紐變電站母線電壓與風(fēng)電出力變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)為-0.98

圖6～8中，江西電網(wǎng)樞紐變壓站母線電壓隨著風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的增加而降低。功率因數(shù)為1時(shí)下降幅度較小。三種功率因數(shù)下，在風(fēng)電機(jī)組出力80%～100%，節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)有大幅度下降，尤其是功率因數(shù)為-0.98和0.98的情況下。贛州站的節(jié)點(diǎn)電壓變化幅度最大，由上節(jié)分析得，贛州站是電壓薄弱節(jié)點(diǎn)，南部贛州地區(qū)是電壓薄弱區(qū)域，這也與風(fēng)電場(chǎng)的分布吻合，贛州地區(qū)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量較大，增加了地區(qū)電壓的不可控性和不穩(wěn)定性。

圖7 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)為1

圖8 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)為0.98

3.2 風(fēng)電接入對(duì)江西電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

影響電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的因素主要有慣性水平的不同、潮流分布以及結(jié)構(gòu)的差異。暫態(tài)穩(wěn)定是在電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上的大擾動(dòng)故障時(shí)的穩(wěn)定性[10-12]。故障發(fā)生的位置和條件的不同會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不同的沖擊。本文利用電力系統(tǒng)分析仿真軟件PSASP，并結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)選取典型的5條500kV輸電線即撫紅線、石洪線、永南線、文贛線和夢(mèng)羅線，設(shè)置三相金屬短路故障并計(jì)算不同風(fēng)電輸出條件下線路的臨界切除時(shí)間[13]，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可得到，隨著風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的增加，臨界切除時(shí)間縮短，表明隨著風(fēng)電場(chǎng)輸出的增加，風(fēng)電系統(tǒng)的瞬態(tài)電壓正在惡化。即風(fēng)電并網(wǎng)區(qū)域的綜合慣量水平降低的原因就是風(fēng)電并網(wǎng)功率的增大。離風(fēng)電場(chǎng)較為集中且電氣距離較近的撫紅線、石洪線的臨界切除時(shí)間下降幅度較大。

充足的無(wú)功功率能夠?yàn)殡娋W(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)如三相短路故障時(shí)繼續(xù)良好運(yùn)行提供保證。但是如果電網(wǎng)中不能提供或者不能及時(shí)提供足夠的無(wú)功支撐，很有可能引起風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)。所以為保證故障時(shí)暫態(tài)不失穩(wěn)，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地過(guò)度，本文提出一種可行的措施：在風(fēng)電場(chǎng)中采用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，為暫態(tài)過(guò)程提供需要的無(wú)功[14-15]。具體而言，本文通過(guò)裝設(shè)提高暫態(tài)穩(wěn)定性最有效的設(shè)備SVC來(lái)提供暫態(tài)過(guò)程中消耗的無(wú)功功率，補(bǔ)償無(wú)功缺額，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

圖9 不同風(fēng)電出力下線路的故障臨界切除時(shí)間

根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果知，在選取的5條500kV線路上發(fā)生三相短路故障時(shí)，在出力不同的情況下臨界故障切除時(shí)間變化幅度最大的是撫紅線。為此，選取離500kV紅都變電站電力距離較近的基隆嶂風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償研究。如圖9所示，風(fēng)電出力100%時(shí)，撫紅線三相短路，臨界切除時(shí)間為0.29秒，此時(shí)基隆嶂風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)端電壓波形如圖10所示（無(wú)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備），如果在風(fēng)電場(chǎng)升壓站加裝50Mvar的SVC，同等故障條件下，風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)端電壓變化如圖10所示（裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備）。

圖10 故障后風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓波形

由圖10可得，很顯然機(jī)端電壓無(wú)法恢復(fù)的情況就是在沒(méi)有SVC的狀態(tài)下發(fā)生了三相短路故障。而在安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后，由于SVC能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組提供無(wú)功支撐，幫助機(jī)組在故障后恢復(fù)機(jī)端電壓。

4 提高并網(wǎng)后安全穩(wěn)定性的相關(guān)措施

經(jīng)分析可知，電網(wǎng)的功率分布以及電壓節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定都會(huì)受到風(fēng)電并網(wǎng)的影響，進(jìn)而對(duì)并網(wǎng)后的新電網(wǎng)安全穩(wěn)定造成一定的影響，故本節(jié)主要針對(duì)上述問(wèn)題提出要一些相對(duì)應(yīng)的措施與建議，以提高并網(wǎng)后的電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。

4.1 最大程度上合理地改變潮流的分布

江西電網(wǎng)500kV輸電通道潮流在風(fēng)電接入后分布不均，甚至部分風(fēng)電場(chǎng)的送出會(huì)受到限制。南部地區(qū)文贛I線檢修方式下，文贛P線發(fā)生N-1，220kV釣埠線潮流過(guò)重。過(guò)載程度和井岡山一期與釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)出力有關(guān)，必要時(shí)需限制釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)出力。所以有必要對(duì)江西電網(wǎng)500kV輸電通道潮流分布進(jìn)行調(diào)整。

4.2 優(yōu)化無(wú)功電源配置

大負(fù)荷方式下，從全網(wǎng)來(lái)看，無(wú)功不存在缺額，從分區(qū)平衡來(lái)看，中、北部地區(qū)無(wú)功電源容量不滿足導(dǎo)則要求，南部電網(wǎng)的容性無(wú)功補(bǔ)償容量剩余較多，呈現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象，而風(fēng)電機(jī)組大部分集中在南部和北部地區(qū)，所以有必要優(yōu)化調(diào)整省內(nèi)無(wú)功電源的配置，同時(shí)控制好發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力。

在風(fēng)電接入?yún)^(qū)域，由于風(fēng)電機(jī)組出力的變化會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，并網(wǎng)點(diǎn)所需的無(wú)功功率補(bǔ)償容量也會(huì)隨之變動(dòng)，所以有必要利用風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)能力并配合地區(qū)內(nèi)其他無(wú)功電源，建立協(xié)調(diào)機(jī)制。

4.3 優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)控制措施提高故障穿越能力

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，若風(fēng)電場(chǎng)中沒(méi)有相應(yīng)的保護(hù)控制裝置與措施，由于電網(wǎng)故障會(huì)造成電壓及功率的減少，進(jìn)而會(huì)造成風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，而使得電網(wǎng)不能安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)江西電網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越試驗(yàn)，在變壓器出口1%設(shè)置故障情況下，即最嚴(yán)重情況下，有6座風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越失敗。因此提高風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力也是打造堅(jiān)強(qiáng)、穩(wěn)固電網(wǎng)的措施，使用功率控制技術(shù)，使其能夠在故障時(shí)向電網(wǎng)提供無(wú)功支撐，以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以在2～3年的規(guī)劃期間要對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行必要的研究。本文以江西電網(wǎng)2020年的規(guī)劃數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用PSASP軟件分析了風(fēng)電接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)潮流分布、電壓穩(wěn)定性以及暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合江西電網(wǎng)現(xiàn)狀，提出一些建議措施。