胡仁祥，徐立亮，王明慧，趙亞南，常喜強

(1.吐魯番供電公司，新疆 吐魯番　838000；2.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊　830002)

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含大量風電場的地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后穩(wěn)定控制策略分析

胡仁祥1，徐立亮1，王明慧1，趙亞南1，常喜強2

(1.吐魯番供電公司，新疆 吐魯番838000；2.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊830002)

針對含大量風電場的地區(qū)電網(wǎng)，外送時聯(lián)絡(luò)線發(fā)生永久故障造成地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后，運用PSASP程序仿真分析電網(wǎng)電壓、功角穩(wěn)定問題的動態(tài)過程，提出穩(wěn)定控制策略，并對不同的穩(wěn)定控制策略進行了分析。結(jié)果表明，不同運行方式下，采用不同的控制策略，可以保證孤網(wǎng)穩(wěn)定運行，該結(jié)果可為此類事故的處理提供依據(jù)。

電力系統(tǒng)；穩(wěn)控；控制策略；風電場

0　前　言

電力系統(tǒng)穩(wěn)定指電力系統(tǒng)在正常運行時，經(jīng)受干擾而不發(fā)生非同步運行、頻率崩潰和電壓崩潰的能力。暫態(tài)穩(wěn)定通常指保持第一或第二個振蕩周期而不失步，其判據(jù)是電力系統(tǒng)遭受每一次大擾動(如短路、切除故障、切除線路、切機等)后，引起電力系統(tǒng)機組之間的相對功角增大，在經(jīng)過第一個最大值后作同步的衰減振蕩，系統(tǒng)中樞點電壓逐步恢復(fù)。

電網(wǎng)正常運行時，風電場變槳距風力發(fā)電機可自動調(diào)節(jié)自身的槳距來實現(xiàn)最大功率輸出，卻不能根據(jù)電網(wǎng)的總負荷量自動調(diào)節(jié)功率輸出，風電所獨有的隨機性、間歇性特性，使得風電的出力不可控。對于系統(tǒng)功率缺額，風力發(fā)電機無能為力。

下面主要針對含大量風電場的地區(qū)電網(wǎng)，兩回外送聯(lián)絡(luò)線通道發(fā)生故障造成地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后，分析并采用不同的控制策略，保證孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。

1　風電機組和風電場模型

1.1基于雙饋感應(yīng)電機的風電機組模型

仿真分析的地區(qū)電網(wǎng)中，風電機組以雙饋風電機組居多，其控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　雙饋變速風電機組的控制系統(tǒng)

雙饋發(fā)電機的最大特點就是轉(zhuǎn)子通過一個背靠背脈沖寬度調(diào)制變流器與電網(wǎng)相連。電網(wǎng)側(cè)變流器的主要功能是控制電容電壓使其恒定，從而為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器提供電源支持；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器為轉(zhuǎn)子繞組提供幅值、相位和頻率可變的勵磁電流，從而可對有功功率和無功功率進行獨立控制。

1.2風電場模型

風電機組額定容量相對較小，這里采用額定容量為1.5 MW的雙饋感應(yīng)電機的變速風電機組進行仿真分析，風電場裝機容量較大時，采用多臺風電機組并聯(lián)的方式接入系統(tǒng)。風電場模型如圖2所示。

圖2　風電場等效模型

風電機組輸出電壓690 V，經(jīng)過一級升壓到35 kV，通過35 kV線路輸入風電場升壓站，再通過220 kV變電站升壓后，經(jīng)220 kV輸電線路接入電網(wǎng)。

2　風電對系統(tǒng)頻率的影響

頻率是電力系統(tǒng)重要的電能質(zhì)量，由系統(tǒng)中有功功率的供需平衡決定。當風電大規(guī)模并網(wǎng)后勢必替代部分常規(guī)發(fā)電機組，在電網(wǎng)頻率發(fā)生改變時，風電機組無法對電網(wǎng)提供頻率響應(yīng)，導致當電網(wǎng)發(fā)生功率缺額時，電網(wǎng)頻率下降的變化率較高，頻率跌落的幅度較大，不利于電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。此外當電力系統(tǒng)中風電裝機容量達到一定規(guī)模時，風電功率波動或者風電場因故整體退出運行時，可能會導致系統(tǒng)有功出力和負荷之間的動態(tài)不平衡，當電網(wǎng)其他發(fā)電機組不能夠快速響應(yīng)風電功率波動時，則有可能造成系統(tǒng)頻率偏差，嚴重時可能導致系統(tǒng)頻率越限，進而危及電網(wǎng)安全運行。

3　風電對系統(tǒng)電壓的影響

根據(jù)電壓變化經(jīng)驗公式，風電場到其接入點的聯(lián)絡(luò)線功率在傳輸無功功率Q不變，輸送有功功率由P波動至P+ΔP時，可得電壓變化水平與有功功率變化量之間的關(guān)系為

ΔU≈-X/USscΔP2-2X/USscPΔP

(1)

式中：Ssc為母線短路容量；X、U為聯(lián)絡(luò)線電抗及送端電壓。

由式(1)可知，電壓變化與聯(lián)絡(luò)線傳輸功率、聯(lián)絡(luò)線潮流波動大小、線路阻抗以及母線短路容量相關(guān)。聯(lián)絡(luò)線有功功率變化越大，電壓變化越大；聯(lián)絡(luò)線基礎(chǔ)潮流越大，電壓變化越大。因此，對具體風電場而言，有功功率變化可能導致電壓越限。

由于風電場出力的間歇性，其出力的變化率也對電壓的穩(wěn)定性帶來影響。 由式(1)可得

ΔQ/Δt=(X/U)×(ΔP+2P)×(ΔP/Δt)

(2)

因此，為滿足風電場出力快速增長的要求，必須配備響應(yīng)速度足夠快的無功補償裝置，才能保證電壓快速穩(wěn)定。無功補償裝置的響應(yīng)速率受到線路電壓、輸送有功功率、線路參數(shù)和有功功率變化率的影響。

綜合公式(1)、(2)可知，單個風電場的有功送出受輸送功率總值、電壓水平和線路參數(shù)影響，并且有功變化率也對無功補償?shù)捻憫?yīng)速率提出了要求。

4　某地區(qū)電網(wǎng)簡介

該電網(wǎng)處于新疆主電網(wǎng)的末端，網(wǎng)內(nèi)電源主要以風電、水電裝機為主，其中6座風電場的總裝機規(guī)模為336.5 MW，5座水電的總裝機規(guī)模為732 MW，其他為50 MW。網(wǎng)內(nèi)用電負荷約750 MW，剩余電力通過220 kV兩回線路(龍豐線、齊豐線)與新疆主電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。風電場主要集中在龍灣地區(qū)。

圖3　某地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及與主電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)圖

5　電源不同出力下電網(wǎng)發(fā)生解列分析

5.1方式1：水電滿發(fā)、風電出力為零

電源此種出力情況下，地區(qū)電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線下網(wǎng)負荷約220 MW。兩回送出線路發(fā)生三相永久性故障，0.12 s后切除。

控制策略：切除地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)220 MW用電負荷后，由于網(wǎng)內(nèi)無功功率過剩，及時退出部分電容器組，電網(wǎng)相關(guān)變化見圖4、圖5。

從圖4、圖5可以看出，電網(wǎng)解列后，通過安全穩(wěn)定自動裝置對負荷進行及時控制，水電機組一次調(diào)頻參與，機組轉(zhuǎn)速有所提高，孤網(wǎng)系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定運行。

圖4　方式1下地區(qū)電網(wǎng)中變電站母線電壓變化情況

圖5　方式1下地區(qū)電網(wǎng)中水電機組轉(zhuǎn)速變化情況

5.2方式2：水電、風電滿發(fā)

電源此種出力情況下，地區(qū)電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線外送電力約190 MW。兩回送出線路發(fā)生三相永久性故障，0.12 s后切除。

控制策略：地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后，網(wǎng)內(nèi)有功出力過剩，需切除部分機組。由于該電網(wǎng)發(fā)電機組主要由風電和水電構(gòu)成，風電不能隨負荷變化而變化，在電力平衡能力以及故障期間的電壓支撐能力上都明顯弱于水電?？紤]切除龍灣地區(qū)風電190 MW出力。電網(wǎng)相關(guān)變化見圖6～圖9。

圖6　方式2下地區(qū)電網(wǎng)變電站母線電壓變化情況

圖7　方式2下地區(qū)電網(wǎng)中水電機組轉(zhuǎn)速變化情況

圖8　方式2下地區(qū)電網(wǎng)中風電機組機端母線電壓變化情況

圖9　方式2下地區(qū)電網(wǎng)中風電機組機端母線頻率變化情況

從圖6～圖9中可以看出，故障后孤網(wǎng)電壓、水電機組功角轉(zhuǎn)速以及風電機組機端母線電壓、頻率，都在振蕩后恢復(fù)了穩(wěn)定運行。

但在故障期間，風電機組機端母線頻率振蕩幅度較大，最高56.5 Hz左右，最低47.5 Hz左右。這是因為電網(wǎng)頻率改變時基于雙饋發(fā)電機的變速風電機組固有的慣量對電網(wǎng)側(cè)表現(xiàn)成為一個“隱含慣量”，因此頻率的變化幅度較大。故障發(fā)生時，電網(wǎng)電壓急劇下降，有功功率無法送出，同步發(fā)電機組轉(zhuǎn)速上升，電網(wǎng)頻率上升；故障清除時，電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)，電網(wǎng)頻率則有一個顯著的下降。但這個頻率的改變只在故障發(fā)生的瞬間或故障切除的瞬間產(chǎn)生，通常在2～3個周波以內(nèi)。而風電機組變頻器頻率保護的時間設(shè)置一般為0.2 s，所以故障瞬間產(chǎn)生的頻率變化不會也不應(yīng)導致風電機組切機。電網(wǎng)設(shè)備故障切除后，風電機組機端頻率在49.7～50.5 Hz之間振蕩，并最終恢復(fù)穩(wěn)定。

所以，接入電網(wǎng)的風電機組必須滿足GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，風電機組應(yīng)在不同電力系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)按規(guī)定的要求運行，在系統(tǒng)頻率高于50.2 Hz時，風電場需要至少運行5 min的能力；在系統(tǒng)頻率低于49.5 Hz時，要求風電場有至少運行30 min的能力，才能保證系統(tǒng)故障時不會出現(xiàn)大面積風電機組脫網(wǎng)，加劇電網(wǎng)事故風險。

5.3方式3：水電小發(fā)、風電滿發(fā)

電源此種出力情況下(水電小發(fā)考慮為滿發(fā)的30%)，地區(qū)電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線從主網(wǎng)下網(wǎng)電力約180 MW。兩回送出線路發(fā)生三相永久性故障，0.12 s后切除。

控制策略：切除地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)180 MW用電負荷后，及時退出部分電容器組，電網(wǎng)相關(guān)變化見圖10～圖13。

圖10　方式3下地區(qū)電網(wǎng)變電站母線電壓變化情況

圖11　方式3下地區(qū)電網(wǎng)中水電機組轉(zhuǎn)速變化情況

圖12　方式3下地區(qū)電網(wǎng)中風電機組機端母線電壓變化情況

圖13　方式3下地區(qū)電網(wǎng)中風電機組機端母線頻率變化情況

從圖10～圖13中可以看出，故障后孤網(wǎng)內(nèi)的電壓、水電機組轉(zhuǎn)速以及風電場內(nèi)機端電壓、頻率都在振蕩后恢復(fù)了穩(wěn)定運行。故障期間，風電機組機端母線頻率振蕩幅度較大；故障后，由于水電機組一次調(diào)頻設(shè)備投入運行，網(wǎng)內(nèi)同步電機轉(zhuǎn)速略有升高。同樣可以看出，風電機組必須滿足《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，才能保證風電機組不脫網(wǎng)。

5.4小結(jié)

1)地區(qū)電網(wǎng)在方式1、方式3下發(fā)生孤網(wǎng)時，通過聯(lián)切網(wǎng)內(nèi)多余用電負荷，水電機組一次調(diào)頻設(shè)備投入運行，孤網(wǎng)系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定運行。

2)地區(qū)電網(wǎng)在方式2下發(fā)生孤網(wǎng)時，通過快速聯(lián)切除風電機組出力，能保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。前提是風電機組必須滿足《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，否則風電機組將出現(xiàn)大面積脫網(wǎng)，加劇電網(wǎng)事故風險。

6　結(jié)　論

1)當220 kV聯(lián)絡(luò)線通道(龍豐線、齊豐線)發(fā)生故障后，地區(qū)電網(wǎng)與主電網(wǎng)解列，形成孤網(wǎng)運行，

網(wǎng)內(nèi)電壓、頻率發(fā)生變化，采取相應(yīng)穩(wěn)定控制策略和手段，可以保證孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。

2)由于網(wǎng)內(nèi)主要以風電和水電組成，風電不能隨負荷變化而變化，在電力平衡能力以及故障期間的電壓支撐能力上都明顯弱于水電。為保證孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行，建議直接采取切除部分風電出力來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

3)在電網(wǎng)設(shè)備故障發(fā)生瞬間或故障切除瞬間，風電機組機端母線頻率變化幅度較大，在49.7～50.5 Hz之間振蕩。為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，所以接入電網(wǎng)內(nèi)的風電機組必須滿足《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，才能保證電網(wǎng)設(shè)備故障后，風電機組不脫網(wǎng)。

[1]陳珩．電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M]．北京：中國電力出版社，1995：223-229.

[2]常喜強, 解大, 姚秀萍, 等. 新疆阿勒泰地區(qū)電網(wǎng)的頻率動態(tài)過程仿真[J]. 四川電力技術(shù), 2008,31(5):35-38.

[3]徐衍會, 賀仁睦, 孔祥云. 調(diào)速系統(tǒng)超速保護控制對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響[J]. 現(xiàn)代電力，2006, 23 (6):6-9.

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[7]GB/T 26399-2011，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導則[S].

胡仁祥(1987)，碩士，從事電網(wǎng)調(diào)度運行。

During the power delivery of regional power grid with large amount of wind farms, a permanent fault occurs in the tie line, which makes the regional power grid be isolated. The dynamic process of grid voltage and power angle stability is analyzed with PSASP simulation program, the stability control strategies are proposed, and the different stability control strategies are analyzed. The results show that under different operation modes, using different control strategies can ensure the stable operation of isolated power grid, which can provide a basis for dealing with such accidents.

power system; stability control; control strategy; wind farm

TM712

A

1003-6954(2016)03-0017-04

2016-01-30)