考慮風(fēng)電場影響的地區(qū)孤網(wǎng)運(yùn)行分析

劉娟，郭瑞珠，陳雯，趙爽，郭強(qiáng)，王凌誼，陳宇

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，云南 昆明 650011；2.臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

在能源日益緊張的今天，分布式發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢逐漸顯露出來，隨著分布式發(fā)電的容量和規(guī)模的擴(kuò)大將會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成影響。云南具有較豐富的風(fēng)力資源，2015年底并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)614.275萬kW，占全網(wǎng)電源裝機(jī)的9.33%。隨著風(fēng)電場在云南電網(wǎng)滲透率越來越高，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性與常規(guī)發(fā)電機(jī)組有著明顯的差異，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)其暫態(tài)特性與傳統(tǒng)同步電機(jī)有很大不同，大量風(fēng)電接入改變了電網(wǎng)原有的潮流分布、線路傳輸功率與整個(gè)系統(tǒng)的慣量，使得風(fēng)電接入后電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性發(fā)生變化[1-4]。本文選取云南具有風(fēng)電的地區(qū)作為研究對(duì)象，考慮孤網(wǎng)情況下電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問題。

1 云南風(fēng)電簡介

1.1 云南風(fēng)電概況

截至2022年底，云南省全口徑發(fā)電裝機(jī)11145萬千瓦。其中水電裝機(jī)8112萬千瓦，風(fēng)電裝機(jī)912萬千瓦，光伏發(fā)電裝機(jī)585萬千瓦，煤電裝機(jī)1240萬千瓦，自備電廠295萬千瓦。水電、新能源、火電、自備電廠分別占總裝機(jī)容量的73%、3.4%、11%、2.6%，云南成為全國重要的西電東送基地和綠色能源基地。

1.2 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

風(fēng)電并網(wǎng)引起的穩(wěn)定問題主要是電壓穩(wěn)定問題。風(fēng)力發(fā)電出力隨風(fēng)速大小等因素而變化，同時(shí)由于風(fēng)能資源分布的限制，尤其在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱地區(qū)，所以在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必然會(huì)影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

1.3 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率影響

風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)頻率影響主要是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組的頻繁投停及因風(fēng)速變化引起的功率波動(dòng)引起。普通異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率的變化具有一定的支持作用，有利于平抑系統(tǒng)頻率的短時(shí)波動(dòng)。電網(wǎng)頻率變化對(duì)擾動(dòng)風(fēng)能在葉片上作用的時(shí)間越長，風(fēng)速變化的越劇烈，系統(tǒng)頻率的波動(dòng)幅度越大，波動(dòng)時(shí)間就長風(fēng)速波形的峰值越高，頻率波動(dòng)的最大值就越大。

風(fēng)電場對(duì)系統(tǒng)頻率的影響取決于風(fēng)電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤．?dāng)風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占比例較大時(shí)，其輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率的影響顯著，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和一些對(duì)頻率敏感負(fù)荷的正常工作，這就要求電網(wǎng)中其他常規(guī)機(jī)組有較高的頻率響應(yīng)能力，能進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，抑制頻率的波動(dòng)。考慮到風(fēng)電場出力的間歇性，當(dāng)風(fēng)電場由于停風(fēng)或大失速而失去出力后，會(huì)使電網(wǎng)頻率降低，特別是當(dāng)風(fēng)電比重較大時(shí)，會(huì)影響到系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

2 風(fēng)電孤網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

根據(jù)云南電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、風(fēng)電分布特點(diǎn)和規(guī)模、確定具有代表性的風(fēng)電孤網(wǎng)區(qū)：

1）如圖1所示的孤網(wǎng)區(qū)域一，風(fēng)電裝機(jī)占比36.5%，500 kV主變退出運(yùn)行，同時(shí)區(qū)域一與220 kV變電站聯(lián)絡(luò)線路將因備自投退出運(yùn)行，此時(shí)區(qū)域一電網(wǎng)孤網(wǎng)。

圖1 區(qū)域一連接示意圖

2）如圖2所示的孤網(wǎng)區(qū)域二，風(fēng)電裝機(jī)占比18.6%，區(qū)域二與220 kV變電站供電線路發(fā)生N-2故障，此時(shí)區(qū)域二孤網(wǎng)。

圖2 區(qū)域二連接示意圖

表1 孤網(wǎng)區(qū)概況

2.1 風(fēng)電場不同出力時(shí)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性

孤網(wǎng)區(qū)域一內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)占比36.5%，豐小方式下，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，風(fēng)電平均出力按10%計(jì)算，孤網(wǎng)內(nèi)各電氣量變化情況如圖3所示，不考慮二道和三道防線動(dòng)作。

圖3 孤網(wǎng)區(qū)域一仿真結(jié)果（風(fēng)電出力10%，不考慮保護(hù)動(dòng)作）

從圖3來看，區(qū)域一孤網(wǎng)后，主網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。但需要注意的是孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率大幅降低，至44 Hz左右，網(wǎng)內(nèi)新能源項(xiàng)目較多，若新能源在頻率下降過程中脫網(wǎng)，會(huì)進(jìn)一步惡化系統(tǒng)頻率問題。

考慮風(fēng)電場按年平均出力約40%計(jì)算，主網(wǎng)和孤網(wǎng)內(nèi)各電氣量變化情況如圖4所示，不考慮二道和三道防線動(dòng)作。

圖4 孤網(wǎng)區(qū)域一仿真計(jì)算結(jié)果（風(fēng)電出力40%，不考慮保護(hù)動(dòng)作）

從圖4來看區(qū)域一孤網(wǎng)，主網(wǎng)依然能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)頻率降低至45 Hz左右。對(duì)比圖3以及圖4發(fā)現(xiàn)，在主變退出運(yùn)行，同時(shí)220 kV聯(lián)絡(luò)線路備自投退出運(yùn)行的極端情況下，主網(wǎng)都能保持穩(wěn)定運(yùn)行，但孤網(wǎng)有功不足，頻率大幅降低，風(fēng)電出力10%時(shí)，頻率降至44左右，在風(fēng)電出力40%時(shí)，頻率降至45 Hz左右，孤網(wǎng)區(qū)內(nèi)存在有功缺額時(shí)，大規(guī)模接入的風(fēng)電對(duì)頻率有支撐作用。頻率大幅降低后，考慮低頻減載動(dòng)作，孤網(wǎng)內(nèi)各電氣量如圖5所示。

圖5 孤網(wǎng)區(qū)域一仿真計(jì)算結(jié)果圖（風(fēng)電出力10%，考慮低頻減載動(dòng)作）

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，低頻減載啟動(dòng)后，區(qū)域一孤網(wǎng)頻率逐步恢復(fù)，在4 s內(nèi)頻率偏差恢復(fù)至±0.5 Hz。

2.2 不同規(guī)模風(fēng)電孤網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性

孤網(wǎng)區(qū)域二內(nèi)電源總裝機(jī)是孤網(wǎng)區(qū)域一的47.7%，風(fēng)電裝機(jī)占比是孤網(wǎng)一的50%，主網(wǎng)和孤網(wǎng)內(nèi)各電氣量變化情況如圖6所示。

圖6 孤網(wǎng)區(qū)域二仿真計(jì)算結(jié)果圖（風(fēng)電出力10%，不考慮保護(hù)動(dòng)作）

從圖6來看，主網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動(dòng)在50～52.3 Hz之間，考慮風(fēng)機(jī)的高頻保護(hù)，風(fēng)機(jī)有可能脫網(wǎng)。對(duì)比孤網(wǎng)區(qū)域一與孤網(wǎng)區(qū)域二在風(fēng)電場出力10%的情況下，區(qū)域一有功缺額145 MW，區(qū)域二有功過剩，55 MW，孤網(wǎng)區(qū)域一形成后頻率降低，孤網(wǎng)區(qū)域二頻率升高。

按照風(fēng)電場接入系統(tǒng)的要求，每次頻率高于50.2 Hz時(shí)，要求風(fēng)電場具有至少運(yùn)行5 min的能力，并執(zhí)行電力系統(tǒng)調(diào)度部門下達(dá)的降低出力或高周切機(jī)策略，不允許停機(jī)狀態(tài)的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)，據(jù)此，進(jìn)一步校驗(yàn)孤網(wǎng)區(qū)域二會(huì)不會(huì)脫網(wǎng)，考慮風(fēng)機(jī)保護(hù)50.2 Hz切機(jī)情況下孤網(wǎng)區(qū)內(nèi)的暫態(tài)穩(wěn)定性，孤網(wǎng)內(nèi)各電氣量變化情況如圖7所示。考慮風(fēng)電高頻切機(jī)保護(hù)動(dòng)作情況下，頻率波動(dòng)在50～51.7 Hz之間，孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定在50.5 Hz。

3 結(jié)束語

從孤網(wǎng)區(qū)域一及孤網(wǎng)區(qū)域二計(jì)算結(jié)果來看，孤網(wǎng)區(qū)域一形成后孤網(wǎng)內(nèi)頻率降低，孤網(wǎng)區(qū)域二頻率升高，表明風(fēng)電大規(guī)模接入地區(qū)孤網(wǎng)情況下，電網(wǎng)的穩(wěn)定性與風(fēng)電場的出力、占比、電網(wǎng)容量都有一定關(guān)系，在有功不足的情況下，風(fēng)電場的接入對(duì)頻率穩(wěn)定起到一定的支撐作用，孤網(wǎng)后如果頻率大幅降低，為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要采取低頻減載措施；在孤網(wǎng)內(nèi)有功過剩的情況下，頻率過高，需要采取一定的切機(jī)措施。