何世恩，張柏林，崔崗，李曉虎，馬彥宏，劉福潮，劉光途

（1.甘肅省電力公司 風電技術中心，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省電力公司 調度通信中心，甘肅 蘭州 730050）

風能是一種潔凈的、儲量極為豐富的可再生能源。受化石能源日趨枯竭、能源供應安全和保護環(huán)境等的驅動，自20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都重視風能的開發(fā)利用。特別是自20世紀90年代初以來，隨著風能最主要的利用形式——風力發(fā)電的發(fā)展十分迅速，世界風電裝機容量的年平均增長率超過了30%。風能將是21世紀最有發(fā)展前景的綠色能源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的主要新動力源。

甘肅是我國風能資源相對豐富的省區(qū)之一，風能資源理論儲量237 GW。而位于河西走廊西端的酒泉地區(qū)是甘肅風能資源最為豐富的地區(qū)，風能資源可開發(fā)量在40 000 MW左右。酒泉地區(qū)是我國規(guī)劃建設的第一座千萬千瓦級風電基地。2009年8月8日，酒泉風電基地正式開工建設。到2010年底，酒泉風電基地裝機容量達到5 160 MW，到2015年，達到12 710 MW，到2020年，達到20 000 MW[1]。

風電接入對電網(wǎng)的影響已經(jīng)有大量研究[2-6]，文獻[2]提出了有關研究課題，文獻[3]對大型風電場接入后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響進行了研究，通過仿真計算得出結論：基于雙饋風電機組的風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響要好于在同一點上接入相同容量的同步發(fā)電機組。文獻[4]主要研究風電場接入對電網(wǎng)帶來的各方面影響，闡述了風電場接入電力系統(tǒng)研究的新進展、研究方法及相關結論。文獻[5]結合實際分析了風電場對調度運行的影響。文獻[6]在規(guī)劃的西北、新疆電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的條件下，仿真研究了河西走廊遠距離大容量輸電問題?？梢钥闯?，由于電網(wǎng)薄弱風電送出受限情況下，研究風電并網(wǎng)并提出合理的措施來提高風電接納的文獻很少。

嘉酒電網(wǎng)位于甘肅電網(wǎng)末端，按負荷中心劃分，該網(wǎng)分為東西兩部分，東部電網(wǎng)的330 kV嘉峪關變通過330 kV線路與主網(wǎng)連接，西部電網(wǎng)的330 kV瓜州變、玉門變通過一回330 kV線路與嘉峪關變鏈式相連。為了保證嘉峪關、敦煌等重要旅游景點的供電可靠性，嘉酒電網(wǎng)采用330/110 kV電磁環(huán)網(wǎng)供電形式。嘉酒電網(wǎng)風電的集中上網(wǎng)點主要在嘉酒電網(wǎng)西部的330 kV瓜州、330 kV玉門變變和110 kV陽關變，截至2009年12月底，風電裝機容量已達到807.1MW。此外，嘉酒網(wǎng)內的小水電發(fā)展也相當迅速，但是布局相對于風電來說較為均衡，目前小水電的規(guī)模已達到252.93 MW，東西部大約各占50%。目前，嘉酒網(wǎng)內最大用電負荷為480 MW，在平衡網(wǎng)內用戶電廠出力后，有600 MW以上富裕的風電、水電需要送出，送出受限的矛盾更加突出，加之水電發(fā)電的季節(jié)性和風電發(fā)電的隨機性，給調度運行帶來了極大的困難[7]。

解決嘉酒電網(wǎng)風電、水電的送出問題，可從兩個方面著手，一是加強電網(wǎng)結構；二是合理布置穩(wěn)定控制裝置。目前在建的河西750 kV電網(wǎng)將于2010年底投運，但是在750 kV網(wǎng)架建成前的過渡時期，采用穩(wěn)定控制裝置將是提高嘉酒電網(wǎng)風電、水電送出能力的主要途徑。本文結合嘉酒電網(wǎng)中風電場接入系統(tǒng)的實例，分析了風電接入后對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，以及通過合理配置安全自動裝置對提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和提高風電送出能力的作用。

1 電網(wǎng)結構及計算條件

1.1 電網(wǎng)結構

嘉酒電網(wǎng)主要分為2個部分，嘉酒東部和嘉酒西部電網(wǎng)。其中嘉酒東部電網(wǎng)是以330 kV嘉峪關變?yōu)楹诵牡妮椛錉罟╇娋W(wǎng)絡，嘉酒西部電網(wǎng)是以330 kV瓜州變、330 kV玉門變?yōu)楹诵牡妮椛錉罟╇娋W(wǎng)絡，東、西部電網(wǎng)通過330 kV瓜玉線、嘉玉線及110 kV電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運行。截至2009年底的嘉酒電網(wǎng)見圖1，風電場裝機容量見表1。

圖1 截至2009年底的嘉酒電網(wǎng)示意圖

表1 2009年底嘉酒電網(wǎng)風電場裝機容量MW

1.2 計算條件

1）采用電力系統(tǒng)綜合分析程序[8]中提供鼠籠式風電機組模型和雙饋直驅風機通用模型（數(shù)據(jù)見附錄），并與電網(wǎng)其余元件聯(lián)接，形成含有風電場的電網(wǎng)計算模型。其中A、B、C風電場為鼠籠式風電機組，D、E、F、G風電場為雙饋風機。鼠籠式風電機組在電網(wǎng)足夠強壯、風電場裝機容量又不是很大的情況下，在故障清除后依靠電網(wǎng)提供勵磁就可以恢復機端壓，其暫態(tài)電壓穩(wěn)定性能夠得到保證；但是在電網(wǎng)不夠強壯且風電場的裝機容量又很大的情下，依靠電網(wǎng)及風電機組自身的能力其機端電壓無法重建。雙饋風機由于具有變速運行的特性，能夠提高風電機組的風能轉換效率，實現(xiàn)最大風能捕獲并減小風電機組機械部件所受應力，并且能夠通過變頻器控制系統(tǒng)將發(fā)電機有功、無功功率實現(xiàn)解耦控制，改善風電場功率因數(shù)及電壓穩(wěn)定性，因此其靜態(tài)及暫態(tài)電壓穩(wěn)定性要遠遠好于基于普通異步發(fā)電機的鼠籠式風電機組，但由于故障情況下線路切除導致電網(wǎng)結構變弱，機端電壓降低，風電機組有功功率可能無法完全送出，風電機組機械轉矩大于電磁轉矩引起風電機組超速，會導致整個風電場內所有風電機組超速保護動作將風電機組切除，影響到了風電場運行及電網(wǎng)安全。

2）根據(jù)文獻[9]第一級安全穩(wěn)定標準的規(guī)定，計算采取的故障集主要為元件N-1故障，其中：同級電壓的雙回線或多回線和環(huán)網(wǎng)，任一回線路三相故障斷開不重合；兩級電壓的電磁環(huán)網(wǎng)中單回高一級電壓線路故障或無故障斷開，必要時可采用切機或快速降低發(fā)電機組出力的措施。

3）安全穩(wěn)定的標準為：當系統(tǒng)受到2）中故障的擾動后，保護、開關及重合閘正確動作，保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行和向負荷正常供電，同時保證風電機組掛網(wǎng)安全運行。

4）初始運行狀態(tài)下，風電場高壓側功率因數(shù)保持在1.0，即風電機組吸收的無功功率和風電場升壓站變壓器的無功損耗由風電機組機端電容器和變電站無功補償裝置補償。

2 嘉酒電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

嘉酒網(wǎng)內僅有兩回330 kV線路，網(wǎng)內的110 kV線路多為長線路供電，線型多為LGJ原150和LGJ原120，此外，嘉酒網(wǎng)通過330 kV嘉張雙回線與主網(wǎng)連接。因此如圖1所示，嘉酒網(wǎng)有四個重點斷面。

2.1 斷面玉

斷面玉是由330 kV瓜玉線與110 kV瓜鎮(zhèn)雙回線形成的電磁環(huán)網(wǎng)，按330 kV瓜玉線發(fā)生三相永久性故障校核，瓜玉線暫態(tài)穩(wěn)定極限按140 MW控制。當瓜玉線潮流大于145 MW后，330 kV瓜州變及其110 kV系統(tǒng)的母線電壓均不能恢復至正常水平，A、B、C風電場異步發(fā)電機滑差持續(xù)降低不能恢復，異步發(fā)電機組加速失穩(wěn)系統(tǒng)失穩(wěn)時的有關變量隨時間的變化如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)失穩(wěn)時有關變量隨時間變化曲線

應注意，此時嘉酒網(wǎng)內其他火電水電機組的功角仍然保持穩(wěn)定。其中，U為風電場所在母線電壓，s、Q分別為風電機組滑差、無功功率，啄為功角特性曲線，該曲線反映嘉酒網(wǎng)內其他火電、水電機組與主網(wǎng)大機組間的功角特性，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生故障時除風電機組外，嘉酒網(wǎng)內其他火電、水電機組是否存在功角失穩(wěn)的情況，系統(tǒng)功率基準值為100 MV·A。

當瓜玉線潮流在140 MW以下時，330 kV瓜玉線發(fā)生三相永久性故障后嘉酒電網(wǎng)可以保持穩(wěn)定運行，系統(tǒng)穩(wěn)定時有關變量隨時間的變化如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)穩(wěn)定時有關變量隨時間變化曲線

在故障發(fā)生的初始瞬間，由于電磁慣性的緣故，發(fā)電機內電勢遠高于故障端電壓，表現(xiàn)為異步發(fā)電機向系統(tǒng)倒送無功功率，由于轉子磁鏈的衰減很快，這個過程很快結束，故障清除后，發(fā)電機從系統(tǒng)吸收無功功率。應注意，由于此時330 kV瓜玉線潮流轉移至110 kV瓜鎮(zhèn)雙回線，暫態(tài)過程中瓜州變110 kV系統(tǒng)母線電壓最高電壓為額定電壓的1.2 pu，系統(tǒng)穩(wěn)定后瓜州變110 kV系統(tǒng)母線電壓小于1.1倍額定電壓，雖然滿足風電場對最高運行電壓的要求，但需要運行人員對110 kV系統(tǒng)的運行電壓進行適當?shù)恼{整。

2.2 斷面域

斷面域是指330 kV嘉玉線。330 kV嘉玉線的暫態(tài)穩(wěn)定極限按照100 MW控制，當嘉玉線潮流大于100 MW后，嘉玉線發(fā)生三相永久性故障，330 kV瓜州變、玉門變及其110 kV系統(tǒng)的母線電壓均不能恢復至正常水平，A、B、C風電場異步發(fā)電機滑差持續(xù)降低不能恢復，此時嘉酒網(wǎng)內其他火電水電機組的功角仍然保持穩(wěn)定。另外當嘉玉線無故障斷開，330 kV線路潮流轉移至110 kV線路，可能造成110 kV相關線路過載問題，因此該斷面還需加裝判斷線路無故障斷開、相關110 kV線路過載切機功能。

2.3 斷面芋

斷面芋是由110 kV嘉陽線、新八線、八玉線形成。該斷面的主要問題是正常電磁環(huán)網(wǎng)運行以及330 kV嘉玉、玉瓜線停運，而玉門鎮(zhèn)變、陽關變上網(wǎng)的風電、小水電機組大發(fā)時，110 kV嘉陽線、新八線、八玉線的過載問題，因此該斷面主要考慮線路過載切機裝置。

2.4 斷面郁

斷面郁是嘉酒網(wǎng)與主網(wǎng)的連接通道——330 kV嘉張雙回線。在風電接入嘉酒電網(wǎng)后，該斷面暫態(tài)穩(wěn)定極限按300 MW控制。當嘉張雙回線潮流大于310 MW后，嘉張一回線發(fā)生三相永久性故障，330 kV瓜州變、玉門變及其110 kV系統(tǒng)的母線電壓均不能恢復至正常水平，A、B、C風電場異步發(fā)電機滑差持續(xù)降低不能恢復，此時嘉酒網(wǎng)內其他火電水電機組的功角仍然保持穩(wěn)定。

對比斷面玉、斷面域和斷面郁存在的主要問題都是系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障后，330 kV瓜州變、玉門變及其110 kV系統(tǒng)的母線電壓均不能恢復至正常水平，A、B、C風電場異步發(fā)電機滑差持續(xù)降低不能恢復，而D、E、F、G風電場均采用雙饋機組，不存在上述問題。此外，在一定潮流范圍內，風電場發(fā)電機組失穩(wěn)并不會導致嘉酒電網(wǎng)的失穩(wěn)，從故障后嘉酒網(wǎng)內火電、水電機組能夠與主網(wǎng)大機組保持功角穩(wěn)定可以看出這一點。因此斷面玉、斷面域和斷面郁主要考慮線路發(fā)生故障后的聯(lián)切相應風電機組的裝置。

3 安全自動裝置的配置及效果

在風電場接入嘉酒電網(wǎng)后，一方面為了提高電網(wǎng)的輸送能力，解決風電出力受限的局面，另一方面解決斷面玉、域、郁存在的暫態(tài)穩(wěn)定問題，以及斷面芋存在的過載問題，考慮在嘉酒電網(wǎng)內幾個關鍵變電站配置相應的安全自動裝置，組成嘉原玉原瓜穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

該穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要有330 kV瓜州變電站、嘉峪關變電站、玉門變電站，110 kV新北郊變電站、玉門鎮(zhèn)變電站、玉門市變電站及陽關變電站組成，其中瓜州變?yōu)榭刂浦髡?，其余為控制子站?/p>

3.1 安全自動裝置的策略

對于斷面玉、域、郁，主要考慮330 kV瓜玉、330 kV嘉玉或330 kV嘉張雙回線中的一回發(fā)生三相永久性故障后電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，要求安全自動裝置在線路故障后，在A、B、C、D、E、F、G風電場中選擇合適的風電場進行切除。同時對斷面域無故障斷開，判斷110 kV電網(wǎng)線路是否過載，在A、B、C、D、E、F、G風電場中選擇合適的風電場進行切除。對于斷面芋，主要考慮110 kV嘉陽線、新八線、八玉線的過載問題，要求安全自動裝置在監(jiān)測到110 kV嘉陽線、新八線、八玉線的過載時，在A、B、C、D、E、F、G風電場中選擇合適的風電場進行切除。安全自動裝置的配置策略見表2。

表2 安全自動裝置的配置策略表

3.2 安全自動裝置配置后的效果

系統(tǒng)故障后，通過安全自動裝置切除風電機組，可快速隔離風電機組暫態(tài)過程中從電網(wǎng)吸收的無功功率，從而快速恢復系統(tǒng)電壓，保證向網(wǎng)內負荷正常供電。圖4是瓜玉線潮流190 MW時，采取和不采取切除風電機組措施的系統(tǒng)電壓恢復情況比較?？梢姡收虾笄谐L電機組是有效的控制手段。

圖4 故障后切機/不切機系統(tǒng)電壓恢復比較

通過合理配置安全自動裝置，提高了嘉酒電網(wǎng)的輸電能力，表3列出了斷面玉、域、芋、郁在安全自動裝置配置前后的最大輸電能力，現(xiàn)場實際運行中也得到驗證。

表3 安全自動裝置配置前后斷面玉、域、芋、郁的動穩(wěn)定水平

3.3 有關問題討論

風電接入電網(wǎng)技術規(guī)定[10]對并網(wǎng)風電機組提出了要求。在上例所研究的嘉酒電網(wǎng)內切除400 MW的風電電源后，網(wǎng)內110 kV電網(wǎng)最低頻率為49.48 Hz，而330 kV主網(wǎng)最低頻率為49.9 Hz，風電電源的切除對電網(wǎng)的頻率未造成明顯的影響。這說明當風電場規(guī)模較小且送電通道受限時，風電機組可以不具備低電壓穿越能力，以降低風電機組成本，電網(wǎng)發(fā)生故障時不具備低壓穿越能力的機組可以根據(jù)實際情況整定及時切除；但是，應當注意，若電網(wǎng)中接入有大量風電機組，風電機組應具備低電壓穿越能力。電網(wǎng)發(fā)生故障后安全自動裝置切除一定容量的風電機組以保證穩(wěn)定水平，而其余機組必須保持并網(wǎng)以免系統(tǒng)頻率越界甚至不穩(wěn)定。

如果局部電網(wǎng)僅用于風電送出，在不影響電力供應的前提下，可以不考慮N-1原則，以提高風電的送出能力。

4 結語

1）風電作為潔凈能源，是國家重點扶持的主要新動力源，因此對于風電的開發(fā)、利用應作系統(tǒng)的規(guī)劃，電網(wǎng)規(guī)劃要與之協(xié)調配合，同時對風電接入電網(wǎng)后的調度運行應作更加深入、系統(tǒng)的研究。

2）在風電接入電網(wǎng)的初期，可適當?shù)牟捎冒踩詣友b置來解決風能送出與電網(wǎng)傳輸之間的矛盾，并不斷完善，使風電控制更加公平、精確，并盡可能減小風電損失。

3）受不同類型風電機組性能的影響，對于網(wǎng)架結構薄弱的電網(wǎng)，采用雙饋機組或永磁直驅機組更為適宜。

4）嘉酒電網(wǎng)的穩(wěn)定計算結果表明，當鼠籠機組失穩(wěn)時，風機所接入的系統(tǒng)未必失穩(wěn)，這取決于風機所占系統(tǒng)總裝機的比例，以及系統(tǒng)潮流分布情況。

附錄

風電機組參數(shù)（機組容量標幺值）：

鼠籠機組：單機額定有功功率0.75 MW；切入風速4 m/s；額定風速15 m/s；切出風速25 m/s；轉子電阻0.017 18 pu；轉子電抗0.124 pu；定子電抗0.11 pu；定子開路轉子回路電氣時間常數(shù)1.47 s；轉子轉動慣量6 s；傳動系統(tǒng)時間常數(shù)1 s；電機轉子額定轉速1 200rpm。

雙饋機組1：單機額定有功功率1.5 MW；電機轉子額定轉速1 200 rpm；轉子轉動慣量1.14 s；切入風速3 m/s；額定風速11.8 m/s；切出風速25 m/s；風輪半徑35.2 m；風輪慣性時間常數(shù)7.64 s；風輪額定轉速15.4 rpm ；無功上限0.312 pu；無功下限0.436 pu；控制方式原功率因數(shù)；軸系模型原雙質塊；軸系彈性系數(shù)1.246 pu；阻尼系數(shù)1.5 pu；風電場空氣密度1.23 kg/m3。

雙饋機組2：單機額定有功功率0.85 MW；電機轉子額定轉速1 620 rpm；轉子轉動慣量1 s；切入風速4 m/s；額定風速15 m/s；切出風速25 m/s；風輪半徑26 m；風輪慣性時間常數(shù)5 s；風輪額定轉速20 rpm；無功上限0.192 pu；無功下限0.312 pu；控制方式原功率因數(shù)；軸系模型原雙質塊；軸系彈性系數(shù)2.79 pu；阻尼系數(shù)1 pu；風電場空氣密度1.06 kg/m3。

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