滇西北區域大規模新能源接入對穩定影響及提升措施研究

陳義宣，高杉雪

（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

“十四五”期間以風電、光伏為代表的新能源發電設備將大規模接入滇西北地區，根據規劃，2022-2023年滇西五地州將新增新能源裝機600萬千瓦，2023年底，新能源裝機比重將超過1/3。滇西北地區又是水電富集區域，片區有金沙江中游的梨園、阿海及瀾滄江上游黃登、苗尾等大型水電，功角穩定突出。新能源大規模接入后，改變了電網原有的潮流分布、線路傳輸功率與整個系統的慣量，且新能源的靜態特性及電網發生故障時的暫態特性與傳統同步電機也有很大不同。因此新能源大規模接入后電網電壓穩定性、暫態穩定性及頻率穩定性都會發生變化，需研究新能源大規模接入后系統運行的穩定特性變化情況，以保障電網的安全穩定運行。國內外專家學者已對新能源接入對電力系統穩定性的影響開展了廣泛而深入的研究[1-7]。上述文獻雖然從多個角度分析了新能源接入對系統功角穩定的影響，但缺少實際工程應用。

本文建立了滇西北區域的新能源機電仿真模型，開展了新能源大規模接入后滇西北電網穩定特性分析。針對500 kV黃仁雙線N-2切機后仍有暫態低電壓問題，從穩控切機措施、新能源參數優化、SVG參數優化等角度提出控制措施，提高新能源大規模并網后電網的安全性與穩定性。

1 區域新能源仿真建模情況

新能源機電暫態模型用于電網故障下系統穩定分析時，需要準確模擬新能源發電機組的故障穿越控制和保護特性。新能源模型參數眾多，將模型參數分為關鍵參數和非關鍵參數。需整定的關鍵參數主要包括與故障穿越控制和保護相關的參數，如進出低、高穿狀態電壓閾值；無功低、高穿電流系數；低穿期間的有功控制方式、有功電流系數；出低穿后的有功恢復速度等，對于雙饋機型還應重點關注發電機定子、轉子的電阻、電抗及勵磁電感等參數。

1）現有存量新能源機型

目前云南電網存量的新能源機組未開展大規模的參數的辨識工作，依據新能源類型、單機容量等選取典型參數。

2）在建/規劃新能源機型

對于在建/規劃的新能源電站，僅明確機組類型（風電/光伏），根據國家標準要求和當前主流機型的實際模型參數，選擇保守參數，具體如表1所示。

表1 新能源發電機組的故障穿越控制主要參數

2）根據新能源的高低穿特性，考慮低壓/過壓保護。保護延時根據光伏/風電場接入電力系統技術規定的高低穿越曲線選擇。

3）考慮無功補償SVG等裝置建模。

2 新能源大規模接入后滇西北電網穩定特性分析

新能源集中接入滇西北電網，外送需求加大，主要斷面潮流加重，與此同時，系統故障期間，新能源的有功、無功出力特性也會影響重要交流斷面的潮流、電壓，間接影響系統功角穩定性水平。新能源接入量越多、故障期間新能源有功恢復速度越快，斷面潮流越重，越容易出現功角穩定問題。

通過分析，新能源出力按95%電量利用率所對應的出力系數考慮，滇西北相關500 kV線路N-1后，阻尼比遠大于3，電壓恢復較快。因此500 kV網架滿足2023年新能源送出需求。

但電網若發生更嚴重故障，如500 kV黃仁雙線N-2，系統暫態失穩，目前有穩控切機措施，切機對象為梨園、阿海、瀾上等常規水電，如果黃坪送出斷面功率較大，切機3100 MW后系統功角穩定，但因網架薄弱；且片區有金中及新東兩大直流，故障期間電壓低，直流外送功率減少，潮流轉移至交流斷面，惡化系統穩定性；同時斷面潮流重，故障發生后，潮流大范圍轉移，無功需求大，因此暫態過程中，低電壓時間較長，如圖1所示。

圖1 黃仁N-2，切機3100 MW后相關母線電壓曲線

由圖1可知，暫態過程中，最低電壓低于0.5 pu，且低于0.9 pu的時間長于2 s。導致滇西北并網新能源超過低穿耐受能力而大規模脫網，總量約5000 MW，對電網產生二次沖擊，加上穩控切機量，損失電源8000 MW，大方式情況下，系統最低頻率僅49.40 Hz，嚴重影響電網安全穩定運行。

3 穩定提升措施研究

3.1 穩控切機措施

針對500 kV黃仁雙線N-2切機后仍有暫態低電壓問題，提出以下3種改進方案：方案1，增大常規電源切機量，將梨園、阿海、瀾上水電機組切機量增加至4950 MW；方案2，采用組合方案，先集中切除新能源1650 MW，再切除梨園、阿海、瀾上水電1800 MW，共切除3450 MW；方案3，采用事前方式預控及事后穩控切機措施，不同方案效果如表2所示。

表2 不同穩控切機措施效果

由表2可知，方案1增大常規電源切機量，電壓恢復較好，新能源未大規模脫網，但系統最低頻率49.56 Hz，切機量大易導致低頻問題。方案2雖然阻尼比滿足要求，但前幾秒有暫態低電壓問題，仍易導致新能源大規模脫網，可見若不增加切機量，采用切除新能源及水電的組合效果不佳。方案3采用事前方式預控及事后穩控切機措施，阻尼比滿足要求，電壓恢復較好，新能源未大規模脫網，且頻率能較快恢復，因此推薦方案3。

3.2 新能源參數優化

針對送端的功角穩定問題，新能源參數優化優化原則為：參數優化后，不能以犧牲其他穩定問題為代價（如頻率穩定等）；可執行強，新能源模型參數優化范圍不應超出技術可實現范疇。因此針對關鍵參數，主要優化對象有：

1）無功電流系數：數值越大，新能源低電壓穿越期間對電網電壓支撐作用增大，有利于功角穩定。

2）低穿期間有功功率控制值：數值越小，新能源低電壓穿越期間斷面功率越小，有利于功角穩定。

3）低穿后有功功率恢復方式及恢復值：低穿后新能源有功功率恢復速度越慢，故障后斷面功率恢復速度越慢，越有利于功角穩定。目前國標要求至少20% PN/s的恢復速度，新能源有功功率約在數秒后恢復到初始狀態，對功角穩定改善作用有限，且有功功率恢復太慢不利于頻率快速恢復。

存在功角穩定區域新能源控制參數優化建議如表3所示。

表3 新能源控制參數優化建議（功角穩定）

采用表3的優化參數后，電壓恢復明顯改善，暫態過程中最低電壓提高至0.75 pu，電壓低于0.9 pu的持續時間約為1 s，具體如圖2所示。

圖2 參數優化后電壓恢復效果

與穩控切機措施的方案1相比，可少切除水電2000 MW。與穩控切機措施的方案3相比，若切機量保持3100 MW不變（切機后新能源不脫網），斷面極限可提高500 MW。

3.3 SVG對電壓支撐作用

目前新能源廠站均配置了一定容量的SVG，以提高新能源廠站對電壓的支撐作用，改善電網運行環境。影響SVG性能的主要參數有額定容量、控制的PI參數及過負荷能力。合適的SVG參數，可明顯改善系統電壓特性，有利于新能源安全并網，具體如表4及圖3所示。

圖3 不同SVG參數對電壓支撐效果

表4 SVG參數優化

可見，合適的SVG參數能顯著提高擾動后的最低電壓和穩態電壓，縮短系統電壓恢復時間，對滇西北區域能起到動態無功電壓支撐作用，SVG配置容量越大、響應速度越快（穩定范圍內）、過負荷能力越強，越有利于電壓穩定，提高功角穩定水平。

4 結束語

新能源發電特性和傳統同步電源相比差異大，導致新能源大規模接入后滇西北電網后，系統穩定特性隨之發生改變，通過新能源參數優化、SVG參數優化等措施，可有效提高新能源大規模并網后電網的安全穩定水平。