李媛媛，余秀月，丁 劍，陳 峰，宋云亭，于光耀

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含高滲透率風電的孤網(wǎng)頻率動態(tài)特性研究

李媛媛1，余秀月2，丁 劍1，陳 峰2，宋云亭1，于光耀3

(1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003；3.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010)

大規(guī)模風電集中并網(wǎng)后，風電近區(qū)系統(tǒng)的頻率動態(tài)穩(wěn)定性將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。以實際電網(wǎng)為例，以現(xiàn)有頻率保護配置方案為基礎(chǔ)，仿真模擬了風電近區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時風電機組、常規(guī)機組、核電機組高頻保護裝置的動作情況。分析了各類機組在暫態(tài)過程中的差異，深入研究了近區(qū)孤網(wǎng)的頻率動態(tài)特性，并提出了適用于風核聯(lián)合運行工況下的孤網(wǎng)高頻保護優(yōu)化配置方案。該研究成果對大規(guī)模風電集中并網(wǎng)近區(qū)各類機組頻率保護定值的整定具有重要的參考價值。

風電集中并網(wǎng)；頻率動態(tài)特性；孤網(wǎng)運行；頻率保護；高頻切機

0 引言

我國把風能資源的開發(fā)利用作為改善能源結(jié)構(gòu)、推動環(huán)境保護、保持經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大舉措[1-2]，2014年我國新增風電裝機容量為2 319.6萬kW，風電裝機規(guī)模累計達1.146億kW，居世界第一[3]。風電接入電網(wǎng)主要有2種方式：分散接入和集中接入[4-6]。分散接入主要用于風電開發(fā)規(guī)模小、以就地消納為主的情況，接入電壓等級低，對系統(tǒng)運行影響較小[7-9]。集中接入主要用于風電開發(fā)規(guī)模大、以異地消納為主的情況，接入電壓等級高，遠距離輸送，對系統(tǒng)運行影響較大[10-12]。

風電規(guī)劃中常根據(jù)風電場分布特點，將大規(guī)模風電集中接入某地區(qū)電網(wǎng)，由于這些地區(qū)風電接入比例較高，同時存在功率外送，一旦地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，高滲透率的風電機組及剩余功率都將給地區(qū)孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來極大壓力。本文以福建莆田、福清地區(qū)電網(wǎng)為研究對象，以現(xiàn)有頻率保護配置方案為基礎(chǔ)，仿真模擬了地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時風電機組、常規(guī)機組、核電機組高頻保護裝置的動作情況，分析了各類機組在暫態(tài)過程中的差異，深入研究了地區(qū)孤網(wǎng)的頻率動態(tài)特性，并提出了適用于風核聯(lián)合運行工況下的孤網(wǎng)高頻保護配置方案，保障了孤網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 電力系統(tǒng)頻率動態(tài)特性

頻率是電能質(zhì)量的一個重要指標，保證電力系統(tǒng)的頻率合乎標準是系統(tǒng)運行調(diào)整的一項基本任務(wù)。頻率動態(tài)特性[13]是指頻率在擾動事故下隨時間的動態(tài)變化過程，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)頻率動態(tài)特性

由圖1可知，系統(tǒng)頻率不能突變，而是按一定的指數(shù)規(guī)律變化。當系統(tǒng)的頻率在45~51 Hz變化、且系統(tǒng)無備用容量時，其表達式為

因此，實際運行時在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、發(fā)電機組分布、機組參數(shù)及負荷類型等因素共同作用下，系統(tǒng)的頻率動態(tài)特性更加突出[14]。當電力系統(tǒng)受到大機組跳閘、聯(lián)絡(luò)線跳線或是大容量負荷投切等擾動時，由于系統(tǒng)有功功率平衡遭到破壞，引起系統(tǒng)頻率發(fā)生變化繼而發(fā)生頻率動態(tài)過程。在動態(tài)過程中，頻率或會重新恢復至期望值，或發(fā)生失穩(wěn)，因此可根據(jù)頻率動態(tài)過程判斷頻率的穩(wěn)定性。

低頻減載、高/低頻切機作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行3道防線[15-16]中的最后一道防線，是防止電力系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰的緊急控制措施。大規(guī)模風電集中并網(wǎng)后，風電的隨機性和波動性將嚴重影響到近區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時的頻率動態(tài)穩(wěn)定性，風電近區(qū)系統(tǒng)原有的頻率保護配置方案也將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

2 風電集中并網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)概況

本文以福建電網(wǎng)為仿真算例，福建省地處歐亞大陸的東南邊緣，瀕臨東海和臺灣海峽，沿海風能資源十分豐富?！笆濉逼陂g，福建電網(wǎng)將有大規(guī)模的風電集中接入莆田、福清地區(qū)電網(wǎng)，2020年該區(qū)域風電總裝機3 282 MW。典型方式下該區(qū)域電網(wǎng)潮流圖如圖2所示，總負荷為5 922 MW，網(wǎng)內(nèi)常規(guī)機組出力為3 300 MW，核電機組出力4 600 MW，風電最大出力為2 778 MW，風電出力在該地區(qū)電源總出力中所占比例為22%。典型方式下，該區(qū)域電網(wǎng)存在大量功率剩余，外送功率約為4 700 MW。

圖2 2020年風電集中并網(wǎng)近區(qū)電網(wǎng)潮流圖

仿真中以該地區(qū)電網(wǎng)與福建主網(wǎng)500 kV、220 kV連接線無故障斷開(圖中虛線斷面)為例進行分析，此時莆田和福清地區(qū)220 kV電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，該區(qū)域中風電接入比例較高，但由于地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，且孤網(wǎng)內(nèi)具備常規(guī)電源機組，具備較強的事故支撐能力，因此解列后，上述區(qū)域孤網(wǎng)面臨的主要問題是過剩功率造成的高頻問題。下面將深入研究上述區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時的頻率動態(tài)特性和頻率保護配置方案。

3 孤網(wǎng)頻率動態(tài)特性仿真分析

3.1 頻率保護配置現(xiàn)狀

上述區(qū)域電網(wǎng)中低頻減載方案、核電及常規(guī)機組頻率保護配置如表1、表2所示。

表1 低頻減載配置(Hz/s/p.u.)

表2 機組頻率保護配置(Hz/s)

通過調(diào)研福建電網(wǎng)已投產(chǎn)風電場的機組頻率保護配置方案，發(fā)現(xiàn)其中較為常用的為以下3種頻率保護定值，如表3所示。

表3 福建電網(wǎng)現(xiàn)有風機頻率保護配置方案統(tǒng)計(Hz/s)

仿真中，將分別按照以上3種配置方案對風電機組頻率保護定值進行模擬，分析其對孤網(wǎng)頻率動態(tài)特性的影響。

3.2 孤網(wǎng)頻率動態(tài)特性仿真分析

(1) 方案1、2

風機頻率保護定值按照方案1、2配置時，仿真過程中機組高頻保護裝置動作情況如表4所示。

表4 孤網(wǎng)機組高頻保護動作情況

孤網(wǎng)后由于地區(qū)電網(wǎng)有功過剩，造成孤網(wǎng)頻率快速升高，首先達到福清核電機組高頻保護定值，切除全部核電機組后，孤網(wǎng)頻率恢復至50.1 Hz左右。該過程中孤網(wǎng)頻率動態(tài)響應(yīng)特性如圖3所示。 由上述仿真分析可見，在故障過程中核電機組高頻保護動作，但風電機組高頻保護由于孤網(wǎng)頻率未達到其整定值而未動作。雖然故障后孤網(wǎng)頻率能夠恢復至穩(wěn)定范圍內(nèi)，但考慮到風電機組的控制特性較差，且其出力伴隨著隨機性和波動性，因此從故障后保障孤網(wǎng)穩(wěn)定運行的角度來看，應(yīng)將風電機組作為孤網(wǎng)高頻切機的優(yōu)先參與機組，盡量使常規(guī)機組保持在電網(wǎng)中，以利于孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

圖3 孤網(wǎng)頻率動態(tài)響應(yīng)特性(方案1、2)

(2) 方案3

風機頻率保護定值按照方案3配置時，仿真過程中機組高頻保護裝置動作情況如表5所示。

表5 孤網(wǎng)機組高頻保護動作情況

孤網(wǎng)后頻率快速升高，首先達到風電機組高頻保護動作定值，切除全部風電機組2 790 MW，由于切機規(guī)模較小，孤網(wǎng)頻率繼續(xù)上升，達到福清核電機組高頻保護動作定值，切除福清核電廠全部機組4 600 MW，此時由于切機規(guī)模過大，造成孤網(wǎng)出現(xiàn)大量有功缺額，孤網(wǎng)頻率快速下降，觸發(fā)低頻減載裝置動作，并相繼觸發(fā)江陰電廠、江熱電廠低頻保護動作定值，切除其全部機組1 650 MW，孤網(wǎng)失穩(wěn)，無法維持穩(wěn)定運行。該過程中孤網(wǎng)頻率動態(tài)響應(yīng)特性如圖4所示。

由上述仿真分析可知，孤網(wǎng)后由于福清核電高頻保護動作，導致全部機組同時切除，雖然地區(qū)電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)保持完整，但由于福清核電機組容量大，同時全部退出運行后對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定沖擊較大，因此風電并網(wǎng)近區(qū)孤網(wǎng)后，大容量的福清核電機組應(yīng)盡量保持在電網(wǎng)中。

(3) 高頻保護優(yōu)化配置方案

參考國際原子能機構(gòu)核電高頻運行范圍，核電機組接入電網(wǎng)，當其機端電壓在0.95~1.05 p.u.，機端頻率為51~52 Hz時，可持續(xù)運行時間為5 s。則可知福清核電機組現(xiàn)有高頻保護定值設(shè)置較為嚴苛，存在一定的優(yōu)化空間，本文提出的福清核電機組高頻保護動作定值初步優(yōu)化方案如表6所示。

圖4 孤網(wǎng)頻率動態(tài)響應(yīng)特性(方案3)

表6 福清核電機組高頻保護定值優(yōu)化方案

在風機高頻保護定值采取方案3的基礎(chǔ)上，按照福清核電機組高頻保護定值優(yōu)化方案，仿真過程中機組高頻保護裝置動作情況如表7所示。

表7 孤網(wǎng)機組高頻保護動作情況

孤網(wǎng)后首先達到風電機組高頻保護動作定值，切除全部風電機組2 790 MW，由于切機規(guī)模較小，孤網(wǎng)頻率繼續(xù)上升，達到福清核電1#、2#機組的高頻保護動作定值，切除1#、2#機組2 300 MW，此時，由于切機規(guī)模過大，形成過切，孤網(wǎng)頻率下降至49 Hz以下，并觸發(fā)低頻減載裝置動作，動作2輪切除655 MW負荷后，孤網(wǎng)恢復穩(wěn)定運行，最終恢復頻率為50.5 Hz左右。該過程中孤網(wǎng)頻率動態(tài)響應(yīng)特性如圖5所示。

圖5 孤網(wǎng)頻率動態(tài)響應(yīng)特性(優(yōu)化方案)

4 結(jié)論和建議

本文針對大規(guī)模風電集中并網(wǎng)后，風電近區(qū)電網(wǎng)的孤網(wǎng)運行工況，研究了網(wǎng)內(nèi)風電機組、核電機組及常規(guī)機組對孤網(wǎng)頻率動態(tài)特性的影響。計算結(jié)果表明：

(1) 風電集中并網(wǎng)后，當故障導致并網(wǎng)近區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列時，該區(qū)域電網(wǎng)因功率過剩將面臨嚴重的高頻問題，為保障該區(qū)域孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行，需合理整定孤網(wǎng)內(nèi)風電機組、核電機組、常規(guī)機組的高頻保護動作定值。

(2) 由于風電機組的控制特性較差，且其出力過程伴隨著隨機性和波動性，因此從故障后保障孤網(wǎng)穩(wěn)定運行的角度來看，應(yīng)將風電機組作為孤網(wǎng)高頻切機的優(yōu)先參與機組，盡量使常規(guī)機組保持在電網(wǎng)中，以利于孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

(3) 風電集中并網(wǎng)后可能使孤網(wǎng)內(nèi)大容量機組原有的高頻保護配置面臨嚴峻挑戰(zhàn)，此種情況在孤網(wǎng)內(nèi)風電、核電聯(lián)合運行工況下，影響愈加惡劣。由于核電機組保護定值設(shè)置較為嚴苛，且核電機組容量大，同時全部退出運行后對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定沖擊較大，某些情況下可能進一步擴大故障后果，因此應(yīng)在合適范圍內(nèi)調(diào)整大容量核電機組的高頻保護定值，使其盡量保持在電網(wǎng)中，以利于孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。在本文所研究的算例和核電高頻保護配置優(yōu)化方案下，孤網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定運行。

(4) 鑒于本文的研究是在部分常規(guī)機組調(diào)速參數(shù)為典型參數(shù)的條件下開展的，下一步將在收集核電機組實際高、低頻耐受范圍資料，并補充完整機組實際調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)后，開展核電、風電頻率保護整定值的相關(guān)優(yōu)化分析。

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(編輯 葛艷娜)

Study on frequency dynamic characteristics of isolated network with high penetration of wind power

LI Yuanyuan1, YU Xiuyue2, DING Jian1, CHEN Feng2, SONG Yunting1, YU Guangyao3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350003, China; 3. State Grid Fujian Electric Power Company Electric Power Research Institute, Tianjin 300010, China)

After the centralized integration of large-scale wind farms, the frequency dynamic stability of the network nearby will face serious challenges. Based on the existing frequency protection scheme, high-frequency protection equipment action sequence of wind turbines, conventional units and nuclear power plants is simulated for the network near wind farms in isolated operation in actual power grid. The differences between various types of units in the transient process are analyzed, frequency dynamic characteristics of the isolated regional network are studied, and the optimal allocation of high-frequency protection of the isolated network is proposed which is suitable for operating conditions combined with wind and nuclear power. The result is beneficial for protective set value adjustment after the centralized integration of large-scale wind farms.

centralized integration of wind farms; frequency dynamic characteristics; isolated operation; frequency protection; high frequency generator tripping

10.7667/PSPC152171

2015-12-25；

2016-02-25

李媛媛(1983-)，女，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、電源接入；E-mail: liyuanyuan2010 @epri.sgcc.com.cn

余秀月(1978-)，女，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度與運行、電壓穩(wěn)定與控制。