河北省南部電網“3.18”風機切出事件對電網影響的仿真分析

劉翔宇，李鐵成，李曉明，王一峰，李曉軍

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊 050021;2.國網河北省電力有限公司，石家莊 050021)

新能源占比越來越高是電網的發展趨勢，也給電網帶來了各種新問題和新挑戰[1-2]。預計到2020年底，我國新能源裝機將達5億k W，其中河北省3 680萬k W，新能源裝機占比35%以上。新能源的大量并網[3]，降低了電力系統的轉動慣量[4]、增高了非線性化程度[5]、改變了電網的固有特性[6]。為了保障電網的安全，現行技術標準要求并網新能源機組均需具備低電壓穿越能力，但隨著新場景和復雜運行狀況的出現[7-9]，電網安全仍面臨諸多挑戰。

目前河北省南部電網(簡稱“河北南網”)風電裝機容量296.1萬kW，約占裝機容量的7.3%。風電作為一種輸出不可控、難以預測的電源類型，其大量接入會對電網安全運行造成一定的影響[10]。風電并網后會導致系統穩態和暫態特性改變，引起電壓波動和頻率問題。隨著風電技術的不斷發展，風電并網的影響評估以及對策研究顯得更為重要。合理而全面地評估風電接入電網的影響[11]，并針對可能出現的運行風險采取必要措施，對保障電網安全和提升新能源消納具有重要意義。

1 風機切出事件的概述

1.1 河北南網“3.18”風機大規模切除事件

2020年3月18日17：00開始，河北南網出現大風天氣，各地區最大風力均達4級以上，沿海地區最大風力達到10級。河北南網大量風機在達到切出風速后陸續切出，風電出力隨著風速增加不升反降，功率降低70萬k W。經統計，在風電接入集中的滄州地區，全部風場陸續出現風機切出，海興、岐豐、永紅等3座風場全部風機退出運行，東灣、舊城、黃南排干、靖遠、阜城、仵龍堂等6座風場切出容量超過90%。滄州地區共計12座風場、573臺、95.7萬k W容量風機退出運行。

河北南網“3.18”風機切出事件，涉及風場23座、風機744臺、容量153萬k W，規模之大、范圍之廣屬于河北南網首次。

1.2 風機超速切機的原理及典型限值

風機在運行時，為防止過大風速造成塔架倒塌、葉輪飛車等事故，設置了相應保護。達到額定風速后，風機采用恒功率運行方式，通過調整葉片角度保持輸入～輸出功率平衡。當出現風速過大，判定風機機艙的瞬時風速或平均風速超過定值時，立即調整葉片角度與風向一致，即所謂的“順漿”，風機轉為待機狀態。

風機“順漿”后，當檢測到平均風速小于定值且無故障時，控制系統便將風機切換至加速狀態，控制葉片“展槳”，轉速達到規定轉速后風機狀態切換至發電狀態。

切出風速主要與風機輪轂高度、塔架和葉片材質等因素有關，由于風機廠家、型號不同，具體定值不盡相同。河北南網主要風機的切出風速的限值如表1所示。

表1 河北南網典型風機高轉速切出定值

對于某風場而言，風機型號基本一致，但由于風機布點一般較為分散，因此大風天氣下風機未出現集中切出，而是陸續切出，各風場出力降低持續時長均在30 min左右。

1.3 “3.18”事件對電網的影響

3月18日電網最大負荷2 612萬k W，出現在早峰，晚峰最大負荷2 590萬k W，全天電力供需平衡。風機集中切出的時刻電網負荷處于下降階段，風機出力降低與電網負荷下降保持了一致，未對調峰造成影響。

本次滄州地區風速較大，選取滄州地區風電集中的臨海站母線電壓進行分析。如圖1所示，在18：00～20：00期間未發現電壓明顯波動，僅在19：00左右110kV母線電壓有1kV的短時波動，未對電網造成影響。

圖1 臨海站110kV母線電壓示意

2 風機切出的電壓影響仿真分析

選取電網2020年小負荷方式(保守方式)，進行河北南網風機切除影響分析。仿真模型包含華北、華中電網實際數據，該小方式下，華北電網負荷17 107萬k W、華中電網7 890萬k W、長南線南送270萬k W，河北南網負荷為2 311萬k W。

以滄州風電集中接入的部分區域電網為研究對象，分析風機切出前后地區電網的電壓波動水平，滄州地區電網結構如圖2所示。

圖2 滄州風電集中接入區域電網結構

2.1 “3.18”事件的電壓影響仿真

“3.18”風機切出事故發生過程中，圖2所示局部電網中風機的切出情況如表2所示。按照表2計算風電場機組切出前后的局部電網電壓如圖3、圖4所示。

表2 “3.18”風機切出故障中局部風機切出情況

圖3 “3.18”風機切出前局部電網電壓(單位：k V)

圖4 “3.18”風機切出后局部電網電壓(單位：k V)

對比圖3和圖4可知，大港、臨海、韓村220kV母線電壓升高約為1kV，海興、舊城、東灣風電110kV母線電壓升高2.6kV左右。風機脫網后，220kV電網的潮流變化不大，未造成過載風險。

2.2 風機50%切出對電壓影響仿真

以圖2所示局部電網為研究對象，計算并網風機滿功率運行情況下，出現50%瞬時切出時的電壓與潮流變化情況。風機滿功率運行和50%切出時局部電網的電壓水平如圖5、圖6所示。

對比圖5和圖6可知，在風電場由滿負荷運行，進入50%切機運行狀態時，大港、臨海、韓村220kV母線變化約1.2kV，舊城站110kV母線電壓最大變化約3.1kV。風機脫網后，220kV電網的潮流變化不大，未造成過載風險。

圖5 風機滿功率運行時局部電網電壓(單位：k V)

圖6 風機50%切出后局部電網電壓(單位：k V)

2.3 風機100%切出對電壓影響仿真

以圖2所示局部電網為研究對象，計算并網風機滿功率運行情況下，出現100%瞬時切出時的電壓與潮流變化情況。風機100%切出時局部電網的電壓水平如圖7所示。

圖7 風機100%切出后局部電網電壓(單位：k V)

對比圖5和圖7可知，在風電場由滿負荷運行，進入100%切機運行狀態時，大港、臨海、韓村220kV母線變化約1.3kV，舊城站110kV母線電壓最大變化約3.7kV。風機脫網后，220kV電網的潮流變化不大，未造成過載風險。

3 風機切出的頻率影響仿真分析

3.1 “3.18”事件的頻率波動仿真

仿真“3.18”風機脫網事件發生時，風機出力值由193萬k W迅速降低至123萬k W的故障過程。在2020年小方式下，設置河北風電出力瞬時減小70萬k W故障，故障后華北電網的頻率波動曲線如圖8所示。

圖8 河北南網“3.18”風機脫網頻率曲線

由圖8可知，故障后約14 s電網頻率達到最低值，最大頻率偏差為-0.046 Hz。在全網小負荷，70萬風機同時脫網的條件下，系統最低頻率約為49.954 Hz，穩態頻率不低于49.960 Hz。在風機順序逐一脫網時頻率應不低于該值。

3.2 風機50%切出對頻率影響分析

仿真河北南網風機額定滿功率運行時，發生50%風機(150萬千瓦)瞬時切出故障。在2020年小方式下，設置河北風電出力瞬時減小150萬千瓦故障，故障后華北電網的頻率波動曲線如圖9所示。

圖9 河北南網50%風機切出頻率曲線

由圖9可知，故障后約13 s電網頻率達到最低值，最大頻率偏差為-0.072 Hz。在全網小負荷，50%風機同時脫網的條件下，系統最低頻率約為49.928 Hz，穩態頻率不低于49.950 Hz。在風機順序逐一脫網時頻率應不低于該值。

3.3 風機100%切出對頻率影響分析

仿真河北南網風機額定滿功率運行時，發生100%風機(300萬k W)瞬時切出故障。在2020年小方式下，設置河北風電出力瞬時減小300萬k W故障，故障后華北電網的頻率波動曲線如圖10所示。

圖10 河北南網100%風機切出頻率曲線

由圖10可知，故障后約5.5 s電網頻率達到最低值，最大頻率偏差為-0.097 Hz。在全網小負荷，100%風機同時脫網的條件下，系統最低頻率約為49.903 Hz，穩態頻率不低于49.900 Hz。在風機順序逐一脫網時頻率應不低于該值。

4 結論及建議

隨著新能源裝機規模的快速增長，新能源運行對電網影響日益明顯。“3.18”事件是河北南網首次出現的大規模風機切出事件，雖未對電網產生較大影響，但針對風機特性進行研究分析是十分必要的。針對“3.18”事件的仿真結論和建議如下。

4.1 結論

a.針對“3.18”風機切出事故進行仿真分析發現，河北南風機70萬kW脫網時，電網最大頻率波動小于0.046 Hz，風電集中接入區域220kV母線電壓波動水平約為1kV，110kV母線最大電壓變化約為2.6kV左右。對電網運行安全影響不大。

b.河北南網風機發生50%切出(150萬k W)事故時，最大頻率偏差小于0.072 Hz;風電集中接入區域220kV母線電壓最大變化約1.2kV，110kV母線電壓最大變化約3.1kV。電網能夠保持安全穩定運行。

c.河北南網風機發生100%切出(300萬k W)事故時，最大頻率偏差小于-0.097 Hz;風電集中接入區域220kV母線電壓最大變化約1.3kV，110kV母線電壓最大變化約3.7kV。電網能夠保持安全穩定運行。

4.2 建議

a.結合近年積累的新能源運行數據，開展新能源運行特性分析，對發電原理、特殊工況下的動作行為開展針對性的研究。

b.構建電網氣象監測應用平臺，將場站的氣象信息與傳統氣象數據相結合，提升新能源功率預測準確性的同時，實現極端天氣狀態下的預報預警。

c.制定高滲透率新能源接入對電網安全運行的影響分析專題，制定合理的發電計劃。