時(shí)建鋒

(云南電網(wǎng)公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000)

風(fēng)電對(duì)孤立電網(wǎng)第三道防線的影響

時(shí)建鋒

(云南電網(wǎng)公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000)

通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建立模型并仿真，分析了風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)孤立電網(wǎng)第三道防線高頻切機(jī)和低頻減載裝置動(dòng)作情況。結(jié)果表明風(fēng)電接入電網(wǎng)后，不可避免地會(huì)過切造成系統(tǒng)失穩(wěn)情況，系統(tǒng)原有的高頻切機(jī)和低頻減載方案已不適合。提出將風(fēng)電機(jī)組高頻/低頻保護(hù)與孤立電網(wǎng)第三道防線建設(shè)合理配置方案，對(duì)于保證故障后孤立電網(wǎng)第三道防線可靠運(yùn)行有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)電；第三道防線；孤立電網(wǎng)

0 前言

由于特定的地理?xiàng)l件，我國(guó)還存在許多形式各異的中、小規(guī)模孤立電網(wǎng)，這類電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線與外部進(jìn)行功率交換，極易遭受大的干擾。由于重要機(jī)組或重要聯(lián)絡(luò)線故障，導(dǎo)致孤立電網(wǎng)形成[1-3]。

為滿足規(guī)程對(duì)電力系統(tǒng)承受第Ⅲ類大擾動(dòng)時(shí)的安全要求，防止系統(tǒng)崩潰，我國(guó)電力系統(tǒng)普遍設(shè)置了高頻切機(jī)和低頻減載措施作為保證系統(tǒng)安全的第三道防線，在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面發(fā)揮了重要作用[4]。

我國(guó)風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅速，裝機(jī)容量逐年提高。在實(shí)際電網(wǎng)中，故障后孤立電網(wǎng)出現(xiàn)大量風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)現(xiàn)象，對(duì)孤立電網(wǎng)第三道防線造成嚴(yán)重威脅[5]。文中以某地區(qū)220 kV等級(jí)孤立電網(wǎng)為研究對(duì)象，通過仿真多種工況下風(fēng)電并網(wǎng)，檢驗(yàn)孤立電網(wǎng)高頻切機(jī)和低頻減載動(dòng)作情況，提出了適用于風(fēng)電并網(wǎng)的孤網(wǎng)系統(tǒng)高頻切機(jī)和低頻低壓減載配置方案。

1 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)孤網(wǎng)第三道防線影響

文中以2013年某電網(wǎng)典型方式下某地區(qū)220 kV系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，仿真工具采用PSD-BPA潮流和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算程序[6-9]。根據(jù)可研規(guī)劃，該地區(qū)可能新建一座B風(fēng)電場(chǎng)，這里所模擬的結(jié)構(gòu)可為其他有風(fēng)電并入的孤網(wǎng)分析提供參考。該地區(qū)220 kV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為下圖1所示。

圖1 2013年某地區(qū)220 kV系統(tǒng)

由圖1可以看出，假設(shè)雙回線路A-C發(fā)生N-2故障，導(dǎo)致該電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，形成孤立電網(wǎng)。

根據(jù)規(guī)劃方案，2013年該孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)水電總計(jì)裝機(jī)容量96.375 MW，其中K、F、J水電廠分別裝機(jī)容量為1?50 MW、2?11 MW、1?13 MW。B風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為99 MW，占裝機(jī)總量的50.67%。在典型方式 (豐期、枯期)下，該區(qū)域平均負(fù)荷為80～120 MW。該孤網(wǎng)高頻切機(jī)方案是，F(xiàn)水電廠52 Hz、0.5 s；J水電廠53 Hz、0.5 s。該孤網(wǎng)低頻減載方案是：共設(shè)七個(gè)基本輪和兩個(gè)特殊輪。第1基本輪至第7基本輪切負(fù)荷比例分別為：4%、5%、6%、6%、6%、6%、6%。頻率動(dòng)作值分別為：49 Hz、48.8 Hz、48.6 Hz、48.4 Hz、48.2 Hz、48 Hz、47.8 Hz，各輪級(jí)動(dòng)作時(shí)限均為0.2 s。低頻減載第1特殊輪至第2特殊輪切負(fù)荷比例分別為：2.5%、2.5%。第1特殊輪動(dòng)作時(shí)限：15 s。第2特殊輪動(dòng)作時(shí)限20 s。

由于我國(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻提出要求，故現(xiàn)有運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組均不參與系統(tǒng)頻率調(diào)整。在滿足 《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GBT-19963-2011)條件下，風(fēng)電場(chǎng)通?？紤]保護(hù)風(fēng)電機(jī)組需要，將風(fēng)電機(jī)組低頻/高頻保護(hù)范圍設(shè)定為48～51.5 Hz，若越上限或越下限2 s，機(jī)組將會(huì)跳閘。鑒于保護(hù)未考慮系統(tǒng)調(diào)頻，本文以此為例，在雙回線路A-C發(fā)生N-2故障跳閘情況下，對(duì)風(fēng)電機(jī)組不同出力對(duì)孤網(wǎng)第三道防線影響進(jìn)行分析，檢驗(yàn)相關(guān)嚴(yán)重故障下的孤網(wǎng)運(yùn)行能力。

1)豐期水電滿發(fā)，風(fēng)電按0.5的同時(shí)率出力。豐期水電出力90 MW，風(fēng)電出力按0.5的同時(shí)率考慮，出力49.5 MW。故障后，功率過剩39.8 WM左右，高周切F水電廠機(jī)組后，風(fēng)電機(jī)組切機(jī)，低頻減載無動(dòng)作，孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率迅速恢復(fù)至正常范圍之內(nèi)，其穩(wěn)態(tài)的最高頻率可達(dá)52.5 Hz，穩(wěn)態(tài)恢復(fù)頻率至50.2 Hz，再經(jīng)水電一次調(diào)頻，系統(tǒng)穩(wěn)定。故障后相關(guān)母線正序電壓曲線、孤網(wǎng)母線頻率見圖2所示。圖中，Pw是風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際有功出力；Pwn是風(fēng)電機(jī)組的額定有功功率。

圖2 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線

2)豐期水電滿發(fā)、風(fēng)電按1.0的同時(shí)率出力。水電滿發(fā)出力為90 MW，風(fēng)電機(jī)組出力按1.0的同時(shí)率考慮，出力99 MW。故障后，功率過剩99 MW，風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)電網(wǎng)頻率超過51.5 Hz，2 s后動(dòng)作切機(jī)，F(xiàn)和J水電廠也相繼高頻切機(jī)。16 s后電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)，電網(wǎng)失穩(wěn)。如圖3所示。

圖3 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線

3)枯期、風(fēng)電按0.5的同時(shí)率出力。水電出力總45 MW，風(fēng)電機(jī)組出力按0.5的同時(shí)率考慮，出力49.8 MW。故障后，功率缺額30 MW左右，風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)電網(wǎng)頻率低于48 Hz，2 s后動(dòng)作切機(jī)，低頻低壓共動(dòng)作7輪，水電機(jī)組脫網(wǎng)，孤網(wǎng)失穩(wěn)。如圖4所示。

圖4 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線

4)枯期、風(fēng)電按1.0的同時(shí)率出力。水電出力總45 MW，風(fēng)電機(jī)組出力按1.0的同時(shí)率考慮，出力99 MW。故障后，功率過剩54 MW左右，水電機(jī)組高頻切機(jī)后，風(fēng)電機(jī)組全部切機(jī)。由于切除過多電源，系統(tǒng)進(jìn)入低頻狀態(tài)，低頻低壓減載動(dòng)作共7輪后，孤網(wǎng)失穩(wěn)。如圖5所示。

圖5 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (枯期、Pw=100%Pwn)

由上述分析可知：在典型方式下，風(fēng)電并網(wǎng)與原有的安全控制裝置已不配合，如1)中，高頻切水電機(jī)組與風(fēng)機(jī)切機(jī)幾乎同時(shí)進(jìn)行，無相互配合，電網(wǎng)雖最終穩(wěn)定，但導(dǎo)致過切；2)中，過切導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)；3)中低頻減載方案動(dòng)作緩慢，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)低頻2s后動(dòng)作，最后系統(tǒng)失穩(wěn)；4)中，風(fēng)電機(jī)組高頻與高頻切機(jī)不配合，導(dǎo)致過多切機(jī)，進(jìn)入低頻減載階段，以致系統(tǒng)失穩(wěn)?？梢钥闯?，原有的第三道防線安全控制裝置不再適用于風(fēng)電機(jī)組接入。

2 含風(fēng)電并網(wǎng)的孤網(wǎng)第三道防線方案

2.1 高頻切機(jī)新方案

考慮到風(fēng)電并網(wǎng)下，受孤立電網(wǎng)頻率變化影響，風(fēng)電機(jī)組基本都會(huì)切機(jī)，造成與原有的安全控制不配合情況。為了保持電網(wǎng)穩(wěn)定，通過調(diào)研分析，結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際情況，對(duì)有風(fēng)電接入且上網(wǎng)功率大且呈現(xiàn)波動(dòng)性、解列后孤網(wǎng)頻率升高、水電機(jī)組具有一次調(diào)頻功能等情況，可以先切部分風(fēng)電機(jī)組，然后切水電機(jī)組。

由于風(fēng)電機(jī)組占裝機(jī)總量已超過50%，改進(jìn)后的安全控制設(shè)置還需保證在風(fēng)電零出力情況下穩(wěn)定，這里將風(fēng)電機(jī)組發(fā)電能力的60%，即49.8 MW，51 Hz、0.5 s和51.5 Hz、0.5 s動(dòng)作時(shí)限；剩余40%，即39.6 MW，51.5 Hz、1.5 s動(dòng)作時(shí)限即放進(jìn)高頻切機(jī)方案，F(xiàn)水電廠機(jī)組切機(jī)延時(shí)0.5 s，形成廠網(wǎng)協(xié)調(diào)方案。風(fēng)電并網(wǎng)高頻切機(jī)新方案表1所示。

2.2 低頻減載新方案

由于原低頻減載方案動(dòng)作緩慢，造成風(fēng)電并網(wǎng)功率缺額后負(fù)荷、風(fēng)電過切現(xiàn)象，因此提高低頻第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪機(jī)減載容量可有效杜絕此現(xiàn)象，形成廠網(wǎng)協(xié)調(diào)方案。孤網(wǎng)低頻減載新方案是第1基本輪至第7基本輪切負(fù)荷比例分別調(diào)整為：7 %、8%、8%、6%、3%、3%、3%。頻率動(dòng)作值和時(shí)限均不變。

表1 孤網(wǎng)系統(tǒng)高頻切機(jī)新方案

3 孤立電網(wǎng)第三道防線新方案驗(yàn)證

1)豐期水電滿發(fā)，風(fēng)電按0.5的同時(shí)率出力。風(fēng)電場(chǎng)、水電廠出力與2.1情況相同。故障后，風(fēng)電經(jīng)三個(gè)輪機(jī)切除負(fù)荷49.5 MW，經(jīng)20 s后孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定在50.3 Hz。新方案相比原高頻切機(jī)方案解決了水電機(jī)組過切水電機(jī)組現(xiàn)象，保存了水電機(jī)組一次調(diào)頻作用，母線電壓曲線也較好，如圖6所示。

圖6 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (豐期、Pw=50%Pwn)

2)豐期水電滿發(fā)、風(fēng)電按1.0的同時(shí)率出力。風(fēng)電場(chǎng)、水電廠出力與2.2情況相同。故障后，風(fēng)電經(jīng)三個(gè)輪機(jī)切除，孤網(wǎng)頻率在17 s內(nèi)快速恢復(fù)至50.4 Hz。相比原高頻切機(jī)方案，解決了過切水電機(jī)組，且在恢復(fù)時(shí)間和電壓質(zhì)量方面很好。如圖7所示。

圖7 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (豐期、Pw=100%Pwn)

3)枯期、風(fēng)電按0.5的同時(shí)率出力。風(fēng)電，水電機(jī)組出力與2.3相同。故障后，低頻減載共動(dòng)作3輪，切除負(fù)荷28 MW，孤網(wǎng)頻率在5 s恢復(fù)穩(wěn)定。由于低頻減載方案設(shè)置得當(dāng)，相比原方案維護(hù)了風(fēng)電電源對(duì)孤立電網(wǎng)支撐的作用，避免了電網(wǎng)失穩(wěn)。如圖8所示。

圖8 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (枯期、Pw=50%Pwn)

4)枯期、風(fēng)電按1.0的同時(shí)率出力。風(fēng)電，水電機(jī)組出力與2.4相同。故障后，風(fēng)電經(jīng)過兩個(gè)輪機(jī)，切除負(fù)荷59.4 MW，孤立電網(wǎng)頻率經(jīng)20 s后恢復(fù)至50.3 Hz，再經(jīng)水電機(jī)組的一次調(diào)頻后，電網(wǎng)穩(wěn)定。可以看出，新高周切機(jī)方案相比原方案，在孤立電網(wǎng)功率過剩頻率升高時(shí)，避免了過切水電機(jī)組，有效穩(wěn)固了孤立電網(wǎng)第三道防線。如圖9所示。

圖9 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (枯期、Pw=100%Pwn)

5)檢驗(yàn)新方案在風(fēng)電出力為零時(shí)，對(duì)孤立電網(wǎng)的適應(yīng)性。在水電豐期和枯期 (水電出力不小于45 MW，小于此值孤網(wǎng)將不能穩(wěn)定)兩種情況下，依靠新低頻減載方案，孤立電網(wǎng)能可靠穩(wěn)定，如圖10所示。

圖10 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (豐期或枯期、Pw=0)

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以某地區(qū)孤立電網(wǎng)為對(duì)象，通過建立風(fēng)電并網(wǎng)孤立電網(wǎng)的模型，分析了各種工況下，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)孤立電網(wǎng)第三道防線的影響。提出了利用風(fēng)電機(jī)組高頻/低頻保護(hù)與孤立電網(wǎng)第三道防線配合設(shè)置，形成了新的高頻切機(jī)和低頻減載方案。仿真結(jié)果表明，此方案既能大大化解風(fēng)電對(duì)故障后孤立電網(wǎng)的影響，又能起到電源支撐作用，對(duì)孤立電網(wǎng)建立安全可靠第三道防線提供了保證。

1)由于風(fēng)電并網(wǎng)不能參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，在故障后孤立電網(wǎng)發(fā)生高頻后，可考慮先行切除部分風(fēng)電機(jī)組。

2)風(fēng)電作為一個(gè)電源點(diǎn)，應(yīng)發(fā)揮對(duì)故障后孤立電網(wǎng)支撐作用，避免過切造成孤立電網(wǎng)失穩(wěn)。

3)風(fēng)電并網(wǎng)的孤立電網(wǎng)，低頻減載方案需適當(dāng)提高第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪機(jī)的減載容量。

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Analysis and Countermeasures of Wind Power on the Third Defense Line for Isolated Power-grid

SHI Jianfeng
(Yunnan Qujing Power Supply Bureau，Qujing，Yunnan 655000)

With the access of wind power，it brings a greater impact on the stability of the isolated power-grid.Based on the actual system model and simulation，this article analyzes the third defense line of high-frequency cut machine and under frequency load shedding(UFLS)device operation for the wind power access of isolated power-grid.The results shows that wind power will inevitably bring about over-cut causing system instability，and the original high-frequency cut machine and UFLS design is not suitable. Proposed rational configuration scheme of wind machine high frequency/low frequency protection and isolation power-grid，to ensure reliable operation of the third defense line of isolated power-grid after the failure has important practical significance.

wind power；the third defense line；isolated power-grid

TM73

B

1006-7345(2014)05-0031-04

2014-04-02

時(shí)建鋒 (1982)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)公司曲靖供電局，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行方式及穩(wěn)定控制研究 (e-mail)shijianfengyx＠163.com。