新能源高滲透率電網高周切機方案研究

陳義宣，何燁，李玲芳，朱欣春

（云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，云南 昆明 650011）

0 前言

云南電網異步聯網后，頻率穩定成為威脅電網安全穩定運行的主要因素之一，直流故障（功率富余）后云南電網存在嚴重的高頻問題。并且伴隨著500 kV／220 kV電磁環網解環工作的逐步開展，發生局部電網故障、極端天氣或地質災害以及人為操作失誤，均可能導致聯系薄弱的地區電網與主網解列，形成孤網運行的情況。特別是對于滇西北、滇西南等送端電網，由于外送功率較大，導致孤網后地區電網頻率迅速升高越限，如果控制措施不當，可能出現大面積停電事故，帶來極大的經濟損失。高周切機方案作為電網的第三道防線之一，有利于功率富余故障后頻率的快速恢復。

傳統的高周切機方案一般只將水電、火電納入切機對象，隨著風電、光伏等間歇性電源比例的增加，特別是楚雄、大理地區，高滲透率風光不同于常規電源的特性，使得電網高頻特性變得愈加復雜。風電、光伏等新能源的大規模接入引發了風電和光伏能否作為切機對象；風電、光伏和傳統電源的切機比例究竟設置多少合適；風電、光伏的不確定性如何處理；如何制定新能源高滲透率電網高周切機方案等一系列問題。

本文以楚雄州地區電網為研究對象，根據風電及光伏頻率耐受特性，提出了新能源高滲透率電網高周切機方案制定方法，并取得良好的效果。

1 新能源機組對系統頻率特性的影響

大量光伏和風電機組并網后，由于風電和光伏與常規機組的運行特性不同，高滲透率下系統的頻率特性也會發生變化。而這種頻率特性的改變主要體現為發電機組頻率調節效應系數和系統慣性時間的改變。

由于新能源機組缺乏一次調頻能力，則新能源機組的頻率調節效應系數為：KGN=0。

在一個地區電網中，若水、火電等傳統機組的裝機容量為PGC，風光電機組的總裝機容量為PGN，系統的總容量為PS，則可得出：

則新能源機組的滲透率β為：

通常滲透率大于10%，則被認為是高滲透率。假設電網中機組僅有水、火電機組時的全系統頻率調節效應系數為KG*，而如果并入風電和光伏機組后，系統的調節效應系數為：

由上式可知，風電和光伏機組的并網使得系統的頻率調節效應系數被“稀釋”，并且隨著滲透率的增加，系統等效頻率調節系數下降越大。因此隨著新能源滲透率的增加，系統穩態頻率差值增大。

除此之外，系統頻率變化與慣量大小密切相關。系統慣量越大，則暫態頻率變化越小。對于光伏機組，由于不具備慣性，其慣性時間常數為0，對于風電機組，由于通過電力電子元件與電網相連，機械系統與電網系統完全解耦，其慣性時間時間常數也為0（或非常小）。因此，對于新能源機組，其慣性時間常數可以近似表示為

新能源機組的并網影響到整個系統的慣性，使得全系統慣性時間常數降低。假設電網中機組僅有水、火電機組時的全系統慣性時間常數為Ts*，當新能源并網后，全系統的慣性時間常數Tsc*為：

由上式可知，風電和光伏機組的并網使得系統的總慣量減小，系統慣性時間常數降低，并且隨著滲透率的增加，系統慣性時間常數下降越大，暫態過程中頻率偏差也越大。

2 風電與光伏參與切機方案的處理

2.1 風光不確定性的處理

實際運行中，高周切機方案投入使用后相當一段長的時間內是不會隨意修改的，若將風電、光伏機組納入高周切機對象，為防止過切或欠切等不利情形的發生，參數整定時需要解決其出力不確定的問題。結合電網實際情況，目前可行的處理方式有兩種：

1）基于歷史統計數據，給出風電與光伏的概率分布，從而求取均值；

2）采用場景方法，通過設置場景來獲取風電和光伏典型的出力值，其中場景的設置可依據相關人員的經驗和偏好來確定。

除此之外，光伏機組出力還具有一定的時效性。在白天，光伏出力較多，在某些時段達到其出力的峰值，但到了夜晚，光伏基本不再向電網輸出功率。因此，針對光伏機組這一特性，若光伏機組容量太小或者同時率過低，則在高周切機方案整定中可不考慮光伏機組，倘若光伏機組容量達到一定程度且同時率過高，則在整定時還應考慮光伏機組出力的時效性。

本文將采用上述第二種方式，即場景方法來處理風光的不確定性，其中具體場景可分為，荷大方式（負荷容量最大方式），荷小方式（負荷容量最小方式），光大方式（光伏出力達到最大方式），光小方式（光伏出力達到最小方式），風大方式（風電出力達到最大方式），風小方式（風電出力達到最小方式），大外送方式（外送功率達到最大方式），小外送方式（外送功率達到最小方式）等。

2.2 云南風、光頻率耐受特性

根據云南電網并網標準，風電場頻率特性要求：

1）當電網頻率在49.5～51.5 Hz時，風機不脫網保持正常運行；

2）當電網頻率大于51.5 Hz時，風機至少持續運行5 min不脫網；

3）當電網頻率在48～49.5 Hz時，風機能至少持續運行30 min；

4）當電網頻率低于48 Hz時，按風電機組設備承受能力設置。

光伏電站頻率特性要求：

1）當電網頻率在48～51.5 Hz以內正常持續運行；

2）當電網頻率高于51.5 Hz時允許光伏陣列脫網；

3）當電網頻率低于48 Hz時，根據光伏發電站逆變器允許運行的最低頻率而定。

2.3 含高滲透率新能源地區電網高頻切機方案

結合云南電網新能源并網標準，光伏電站高頻耐受特性低于風電場，故可考慮先切除光伏電站再切除風電場?？蓪⒉糠止夥哳l保護定值設為51.5 Hz，剩余光伏電站通過改造使其具備高頻能力，放置在特殊輪里切除，從而避免光伏一次性切除過多，造成過切。

因此，可在光伏出力最大時，不斷追加第一輪待切光伏機組，使得系統穩態頻率恢復至50 Hz左右，完成第一輪高頻切機整定。隨后將光伏出力設為0，不斷增加風電出力，不斷追加第二輪待切風電機組，使得系統穩態頻率恢復至50 Hz左右，完成第二輪高頻切機整定。并將剩余光伏和風電機組放至于特殊輪中。若該區域常規電源發電容量大于負荷容量，則將常規機組選為第三輪高頻切機待切對象，進行整定，否則，不設置第三輪。

3 楚雄和平供電片區高頻切機方案

本文采用楚雄和平供電片區電網作為實際算例對含新能源的高頻切機策略進行研究。

2019年底，該區域電網發電機機組容量分類如圖1所示，其中水電站10座，總裝機容量229 MW；光伏電站8座，總裝機容量247 MW；風電發電站3座，裝機容量343 MW，新能源裝機比重高達72%，如圖1所示。

圖1 2020年楚雄和平地區發電機機組容量分類圖

根據該地區風電場，光伏，負荷的典型功率曲線，可以近似得到該地區的上網功率曲線，如圖2所示，并且從圖中可以看出，該地區電網功率在19 MW～216 MW之間變化。

圖2 和平地區日功率變化曲線

光大方式下，設置第一輪高頻切機動作頻率為51.5 Hz，延時0.2 s，不斷追加光伏機組，使得系統穩態頻率接近50 Hz。當切除大莊電站和有家電站時，系統穩態頻率約為50.01 Hz，如圖3所示，切機后穩態頻率符合要求。

圖3 光大方式切除大莊和有家光伏電站

風大方式下，光伏出力為0，設置第二輪高頻切機動作頻率為52 Hz，延時0.2 s，不斷追加待切風電機組，使得系統穩態頻率接近50 Hz。當切除大龍口，云臺箱，雷應山時，系統穩態頻率約為50.04 Hz，如圖4所示，切機后穩態頻率符合要求。

圖4 風大方式切除大龍口，云臺箱，雷應山

從圖2可以看出負荷功率在凌晨3點到5點左右最小，且最小值為295 MW，而水電功率為209 MW。因此負荷功率始終大于水電功率，故該區暫不設置水電作為第三輪切機對象。

因此，故該地區的高頻切機方案如表2所示。

表2 和平地區電網高頻切機方案

4 楚雄和平供電片區高頻切機方案校核

選取荷大，荷小，光大，光小，風大，風小，大外送，小外送等典型方式對高頻切機方案進行校驗，結果如下：

1）荷大方式下（上網功率99.6 MW）穩態頻率50.01 Hz。

2）荷小方式下（上網功率161 MW）穩態頻率50.03 Hz。

3）光大方式下（上網功率191 MW）穩態頻率50.01 Hz。

4）風大方式下（上網功率213 MW）穩態頻率50.04 Hz。

5）外送功率最大（上網功率213 MW）穩態頻率50.04 Hz（同風大方式）。

6）外送功率最?。ㄉ暇W功率20.5 MW）穩態頻率50.01 Hz。

以荷小方式為例，圖5（a）和5（b）分別給出了和平主變故障時不采取任何措施與采取本方案后的系統頻率變化圖。比較兩圖，不難發現，本文方案能有效降低系統暫態最高頻率，并且切機后系統穩態頻率恢復到50 Hz附近。

圖5 系統頻率變化圖

5 結束語

本文根據風電及光伏頻率耐受特性，提出了新能源高滲透率電網高周切機方案制定方法。由于光伏頻率耐受特性最差，風電次之，光伏機組可作為第一輪切機對象，風電機組作為第二輪切機對象，水電等常規電源作為第三輪切機對象（如有必要），避免切除常規電源造成孤網的慣量下降，以提高地區電網孤網后的頻率穩定水平。