周 俊，丁 劍，王 青，宋云亭，李媛媛

（中國電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出，光伏發(fā)電因其清潔、安全、便利、高效等特點，已成為世界各國普遍關注和重點發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。在此背景下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。青海地區(qū)太陽能資源豐富，資源儲量僅次于西藏，年總輻射量可達 5800～7400 MJ/m2，開發(fā)條件較為便利。根據(jù)規(guī)劃，青海電網(wǎng)“十二五”期間海西光伏發(fā)電規(guī)模將達4 GW。光伏電站具有間歇式出力特性，且和接入地區(qū)電網(wǎng)結構密切相關，大規(guī)模光伏接入系統(tǒng)將會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。與此同時，由于各地經(jīng)濟發(fā)展不平衡、地理環(huán)境差異大等原因，各地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展階段和網(wǎng)架特點差異很大，部分局部電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)系較為薄弱，嚴重故障時將解列為孤網(wǎng)運行，而光伏、風電等新能源的加入使得弱聯(lián)系電網(wǎng)的問題更為突出。

為保證弱聯(lián)系電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，二次系統(tǒng)應配備性能完善的繼電保護系統(tǒng)和安全穩(wěn)定控制措施，組成完善的防御系統(tǒng)。目前，對于孤網(wǎng)安全穩(wěn)定特性及控制策略已有研究。文獻[1]研究了水電群孤網(wǎng)運行方式下影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定的主導因素，提出了水電群孤網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定控制策略。文獻[2]分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響。文獻[3]提出了直流孤島運行方式下的安全穩(wěn)定控制策略。目前的研究主要還是集中在大電網(wǎng)、特高壓直流等方面[4-5]?？梢?，國內外對于局部電網(wǎng)的穩(wěn)定問題尚未引起足夠的重視，特別是含光伏等新能源接入的局部電網(wǎng)相關專題研究較少，尚未形成較系統(tǒng)的防范措施原則和解決方案。

本文以玉樹電網(wǎng)為例，針對與主網(wǎng)聯(lián)系較弱的局部電網(wǎng)的網(wǎng)架特點，分析光伏發(fā)電接入系統(tǒng)后對電網(wǎng)安控策略的影響，并根據(jù)存在的問題提出切實可行的解決措施。對其解列后的頻率、電壓特性進行深入透徹的研究，提出弱聯(lián)系電網(wǎng)運行控制和穩(wěn)定控制原則及措施，降低電網(wǎng)運行控制風險，減少負荷損失。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的機電暫態(tài)建模

光伏發(fā)電系統(tǒng)建模針對其主要部分光伏電池陣列、VSC并網(wǎng)換流器及其控制系統(tǒng)建立能夠反映其運行特性的數(shù)學模型，并按各部分之間的連接關系建立其接口數(shù)據(jù)模型，從而形成能準確反映并網(wǎng)特性的光伏發(fā)電系統(tǒng)機電暫態(tài)模型，模型總體結構如圖1所示，圖中Udc為直流母線側電壓，Ip、Iq分別為輸出電流在靜止坐標系中p、q軸的分量。從圖1中可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模主要包括光伏陣列模型、VSC并網(wǎng)換流器及控制系統(tǒng)模型以及各部分之間的數(shù)據(jù)接口。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 Overall structure of PV power generation system

1.1 光伏陣列模型

光伏電池主要技術參數(shù)為：短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點的負載電流Im、最大功率點的負載電壓Um、光伏電池溫度T和光照強度S。

在實際溫度和光照強度條件（標準電池溫度Tref（15℃）和標準光照強度 Sref（1000 W/m2））下對上述參數(shù)進行折算[6-7]：

其中，a、b、c 為常數(shù)，a=0.0015 ℃，b=0.5，c=0.0018℃；T為實際溫度；S為光照強度；Uoc為單體電池標準條件下的開路電壓（kV）；Isc為單體電池標準條件下的短路電流（kA）；Um為單體電池標準條件下的最大功率點電壓（kV）；Im為單體電池標準條件下的最大功率點電流（kA）。

折算后可得到光伏電池適用于工程計算的數(shù)學模型表達式：

其中，IL、U分別為光伏電池的輸出端直流電流和直流電壓。

1.2 儲能電池模型

電池自身的充放電特性具有高度的非線性，其電氣參數(shù)具有很強的時變性，建立其完整的充放電模型難度較大。對于機電暫態(tài)模型，其時間尺度在分鐘以內，在這么短的時間內電池的幾個反映其特性的指標基本保持不變，如電池荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）、開路電壓等。因此，可以認為電池在機電暫態(tài)過程中的充放電特性和參數(shù)是線性和非時變的。在此基礎上建立了電池組在機電暫態(tài)仿真計算中的等效電路模型[7-8]，如圖2所示。圖中，EO為電池某個運行狀態(tài)時的電池電勢，與SOC有關，接近靜置電壓；Rb為電池的歐姆電阻；Rp、Cp分別為電池的極化電阻、電容，用以描述整個極化特性。。

圖2 電池組機電暫態(tài)等效電路模型Fig.2 Electromechanical transient equivalent circuit model of battery group

1.3 DC/AC換流器模型

圖3 換流器控制框圖Fig.3 Block diagram of converter control

光伏并網(wǎng)需要經(jīng)過DC/AC換流器，其控制目標可以按照不同的直流側設備進行不同的設置，圖3為光伏電站的電壓源并網(wǎng)控制模式。圖中，Udcref為直流電壓參考值，TmA為有功測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)，TA1為有功外環(huán)超前時間常數(shù)，TA為有功外環(huán)滯后時間常數(shù)，KPA為有功外環(huán)比例環(huán)節(jié)放大倍數(shù)，KIA為有功外環(huán)積分環(huán)節(jié)放大倍數(shù)，TSA為有功外環(huán)延遲時間常數(shù)，TmB為無功測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)，TB1為無功外環(huán)超前時間常數(shù)，TB為無功外環(huán)滯后時間常數(shù)，KPB為無功外環(huán)比例環(huán)節(jié)放大倍數(shù)，KIB為無功外環(huán)積分環(huán)節(jié)放大倍數(shù)，TSB為無功外環(huán)延遲時間常數(shù)，Kd為無功外環(huán)電壓控制放大倍數(shù)。換流器的無功控制有2種：一種為定電壓控制（即電壓閉環(huán)控制），又稱電壓源控制模式；另一種為定無功功率控制（即電壓開環(huán)控制），又稱電流源控制模式[9-11]。

2 弱聯(lián)系電網(wǎng)暫態(tài)特性分析

弱聯(lián)系電網(wǎng)一般是指與主網(wǎng)聯(lián)系較為薄弱的局部電網(wǎng)，故障后可能導致電網(wǎng)與主網(wǎng)解列或較容易發(fā)生熱穩(wěn)等問題。弱聯(lián)系局部電網(wǎng)種類較多，大致可分為全負荷的局部電網(wǎng)、電源與負荷基本平衡、電源送出地區(qū)、電源受入地區(qū)共4類。下面以玉樹電網(wǎng)為例分析其暫態(tài)特性。

2.1 玉樹電網(wǎng)概況

玉樹電網(wǎng)遠離青海主網(wǎng)，主要靠小水電和主網(wǎng)供電以及共和光伏供電。從圖4可以看出，玉樹電網(wǎng)典型運行方式下發(fā)電機組實際出力8.4 MW，機組平均功率因數(shù)0.96，有功負荷為46.7 MW。玉樹電網(wǎng)通過唐乃亥—瑪多—玉樹單回長距離330 kV線路受電38.3 MW，線路全長610 km左右，屬于典型的弱聯(lián)系電網(wǎng)。

圖4 玉樹電網(wǎng)地理接線圖Fig.4 Geographic diagram of Yushu Grid

2.2 暫態(tài)后孤網(wǎng)運行特性分析

玉樹電網(wǎng)與青海主網(wǎng)聯(lián)系較為薄弱，瑪多—玉樹單回330 kV線路N-1故障將導致玉樹電網(wǎng)與青海主網(wǎng)解列，解列后將形成玉樹孤網(wǎng)。當瑪多—玉樹單回330 kV線路N-1故障導致玉樹地區(qū)電網(wǎng)與青海主網(wǎng)解列后，玉樹孤網(wǎng)內機組功角穩(wěn)定，330 kV母線電壓跌落后能恢復至320 kV左右，網(wǎng)內電壓水平偏低但滿足運行要求。經(jīng)計算可知，解列后孤網(wǎng)頻率大幅跌落，最低頻率32 Hz，系統(tǒng)頻率失穩(wěn)。由于玉樹電網(wǎng)主要送電通道屬于長鏈式結構，在線路N-1故障或主變故障跳開后將形成孤網(wǎng)。孤網(wǎng)運行方式下，網(wǎng)內發(fā)電機組功角均能保持穩(wěn)定，電壓水平較低，但能保持穩(wěn)定運行。孤網(wǎng)最主要的問題是頻率失穩(wěn)，應配備安控措施解決頻率穩(wěn)定問題。

2.3 光伏出力對安控措施的影響

由于光伏等新能源的間歇性特性，光伏接入必然會對玉樹電網(wǎng)安控措施造成一定影響。在光伏出力為0 MW、140 MW、280 MW情況下，分析光伏出力對330 kV線路N-1故障后安控措施的影響，暫態(tài)穩(wěn)定計算結果如圖5所示。

由圖5可知，光伏出力主要影響日月山—共和斷面，對共和—唐乃亥斷面基本無影響，光伏出力對安控措施的影響如下。

a.共和光伏出力為0。共和—日月山斷面潮流為受電91.5 MW。除唐乃亥—班多線路N-1故障，系統(tǒng)保持穩(wěn)定外，其余線路故障均導致玉樹或唐乃亥地區(qū)形成孤網(wǎng)，孤網(wǎng)失穩(wěn)形式主要是頻率失穩(wěn)，當形成玉樹—唐乃亥聯(lián)合孤網(wǎng)時，通過切除28.9 MW負荷措施并切除相應切負荷點的無功補償，可以保持孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。

b.共和光伏出力140 MW。共和—日月山斷面潮流為外送53MW。除唐乃亥—班多線路N-1故障，系統(tǒng)保持穩(wěn)定外，其余線路故障均將導致玉樹或唐乃亥地區(qū)形成孤網(wǎng)，孤網(wǎng)失穩(wěn)形式主要是頻率失穩(wěn)，當形成玉樹—唐乃亥聯(lián)合孤網(wǎng)時，通過切37.9 MW負荷措施并切除相應切負荷點的無功補償，可以保持孤網(wǎng)穩(wěn)定。

圖5 光伏出力與安控切負荷量關系曲線Fig.5 Relationship between PV power output and shedding load for safety control

c.共和光伏出力280 MW。共和—日月山斷面潮流為外送186.4 MW。除唐乃亥—班多線路N-1故障，系統(tǒng)保持穩(wěn)定外，其余線路故障均將導致玉樹或唐乃亥地區(qū)形成孤網(wǎng)，孤網(wǎng)失穩(wěn)形式主要是頻率失穩(wěn)，當形成玉樹—唐乃亥聯(lián)合孤網(wǎng)時，通過切91.3MW負荷措施并切除相應切負荷點的無功補償，可以保持孤網(wǎng)穩(wěn)定。

綜上，光伏出力主要影響共和—日月山、共和—唐乃亥330 kV斷面，且光伏出力與安控切負荷量成正比。比較而言，共和光伏對唐乃亥—瑪多、瑪多—玉樹斷面安控措施基本無影響。

2.4 光伏接入地點對安控措施的影響

根據(jù)規(guī)劃，共和光伏將直接與日月山連接，唐乃亥與日月山通過單回330 kV線路相連。光伏電站接入位置的變化也會對安控措施造成一定影響，光伏移走后玉樹電網(wǎng)330 kV線路N-1故障計算結果如表1所示。仿真結果表明，共和光伏移走后主要影響日月山—唐乃亥，而對唐乃亥—瑪多、瑪多—玉樹斷面基本無影響，但仍會對安控措施造成影響，結論如下：共和光伏移走后，唐乃亥—日月山斷面潮流為受電93.8 MW。當線路故障導致玉樹地區(qū)形成孤網(wǎng)時，采取切負荷措施后，系統(tǒng)最高頻率49.5 Hz，穩(wěn)態(tài)恢復頻率49.3 Hz。

表1 光伏移走后玉樹電網(wǎng)330 kV線路N-1故障計算結果Tab.1 Calculative results for 330 kV line N-1 fault of Yushu Grid without PV station

綜上，光伏接入主要影響日月山—唐乃亥斷面。比較而言，共和光伏接入方式對唐乃亥—瑪多、瑪多—玉樹斷面安控措施基本無影響。

3 玉樹電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制措施

3.1 電網(wǎng)安全穩(wěn)定標準及配置

通常按照故障的嚴重程度分為正常狀態(tài)下的安全穩(wěn)定控制、緊急狀態(tài)下的安全穩(wěn)定控制、極端緊急狀態(tài)下的安全穩(wěn)定控制3道防線。第一道防線是對系統(tǒng)安全性能的最基本要求，由系統(tǒng)主要元件的自動調節(jié)裝置或調度自動化系統(tǒng)的預防性控制實現(xiàn)，一般不需要采取措施，本文主要針對第二、三道防線展開研究。

玉樹電網(wǎng)第二、三道防線的協(xié)調配合，從根本上應遵循導則要求：針對第Ⅱ類擾動，配置第二道防線措施，針對第Ⅲ類擾動，配置第三道防線措施，各項措施本身沒有嚴格的劃分。為保證玉樹電網(wǎng)發(fā)生第Ⅲ類大擾動時系統(tǒng)的安全穩(wěn)定要求，應配置振蕩解列、低頻低壓減載等第三道防線措施以防止事故擴大避免系統(tǒng)崩潰。第三道防線除了要滿足玉樹電網(wǎng)發(fā)生第Ⅲ類大擾動后系統(tǒng)的安全穩(wěn)定要求，還應當能夠在第二道防線措施不能正確動作時發(fā)揮作用，第二道防線與第三道防線各司其職，滿足安全穩(wěn)定控制要求[12]。

3.2 第二道防線措施

根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術導則》：電力系統(tǒng)第二道防線是指針對預先考慮的故障形式和運行方式，按預定的控制策略，采用安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)（裝置）實施切機、切負荷、局部解列等控制措施，防止系統(tǒng)失去穩(wěn)定。

3.3 第三道防線措施

電力系統(tǒng)第三道防線是由失步解列、頻率和電壓緊急控制裝置構成，當電力系統(tǒng)發(fā)失步振蕩、頻率異常、電壓異常等事故時采取解列、切負荷、切機等控制措施，防止系統(tǒng)崩潰。由于故障后玉樹電網(wǎng)較容易與主網(wǎng)解列，本文主要對第三道防線中的振蕩解列、低壓減載、高頻切機以及低頻減載等內容展開研究。

3.3.1 振蕩解列

經(jīng)過仿真未發(fā)現(xiàn)玉樹電網(wǎng)存在失步振蕩現(xiàn)象，且玉樹電網(wǎng)容易斷開形成孤網(wǎng)，不具備形成失步振蕩的電網(wǎng)結構條件。因此在玉樹電網(wǎng)典型方式下，無需配置振蕩解列裝置[13]。

3.3.2 低壓減載

玉樹電網(wǎng)小水電機組較多，同時玉樹330 kV變電站配有SVC裝置，典型方式下，玉樹整體負荷水平較輕，基本不存在低壓問題。仿真結果表明，孤網(wǎng)條件下，電壓水平控制較好。唐乃亥電網(wǎng)常規(guī)電源少，動態(tài)無功調節(jié)手段不足，大負荷方式下電壓水平偏低，夜間輕負荷時電壓偏高，相關故障孤網(wǎng)后，如大量切負荷，則電壓水平迅速升高。存在低電壓和高電壓2種控制需求。低壓減載僅可對解決故障下低壓問題有效，但有可能進一步惡化孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定特性。針對上述情況，不建議配置低壓減載裝置[14-15]。

3.3.3 高頻切機及低頻減載

由于玉樹電網(wǎng)內全部為水電機組，對頻率異常運行工況的耐受能力強于火電機組。同時，在相關故障形成孤網(wǎng)時，頻率呈振蕩衰減，且振幅較大，時間較長。另一方面，經(jīng)調研國內孤立小電網(wǎng)運行時，水電機組高頻和低頻保護情況可知，其整定值相對放寬。綜上，結合玉樹頻率穩(wěn)定突出的特點，建議玉樹電網(wǎng)典型方式下，不配置高頻切機措施，主要由機組自身保護應對可能出現(xiàn)的高頻問題。

3.3.4 低頻減載方案

低頻減負荷整定方案共設7輪，其中基礎輪6輪，特殊輪1輪。玉樹孤網(wǎng)條件下，低頻減載裝置共動作6輪，切除負荷總量為23.869 MW。具體情況如表2所示[16]。

表2 低頻減負荷配置情況Tab.2 Configuration of low-frequency load shedding

配置低頻減載裝置后，孤網(wǎng)暫態(tài)響應如圖6所示，由圖中可知，孤網(wǎng)頻率最低值39.5 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率可以恢復到49.0 Hz以內，滿足運行要求。

圖6 配置低頻減載后頻率偏差曲線Fig.6 Frequency error after low-frequency load shedding is configured

4 結論

本文對玉樹孤網(wǎng)方式下的系統(tǒng)穩(wěn)定情況及安全穩(wěn)定控制策略進行了研究，結論如下。

a.玉樹電網(wǎng)整體負荷較小，潮流水平輕。相關故障對青海主網(wǎng)基本無影響，地區(qū)電網(wǎng)失穩(wěn)形式主要是孤網(wǎng)后的頻率失穩(wěn)。

b.光伏出力變化和光伏接入位置會對安控措施產(chǎn)生影響，且主要影響近端斷面，光伏出力與安控切負荷量成正比。

c.玉樹電網(wǎng)形成孤網(wǎng)后，頻率穩(wěn)定問題較為突出，第二道防線措施大幅提前，安控措施的主要目標是解決孤網(wǎng)下的頻率穩(wěn)定問題。

d.為避免進一步惡化玉樹孤網(wǎng)下的頻率穩(wěn)定問題，建議適當簡化配置與頻率相關的第三道防線措施。仿真表明：低頻減載方案能夠有效提升孤網(wǎng)安全穩(wěn)定水平。