陳　赟，陳得治，馬世英,王　毅，宋云亭，高　峰，楊定乾

(1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定　071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京　100192；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川　750002；4.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830000)

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風(fēng)光火打捆高壓直流外送下送端電網(wǎng)高頻切機(jī)方案適應(yīng)性研究

陳赟1，陳得治2，馬世英2,王毅1，宋云亭2，高峰3，楊定乾4

(1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750002；4.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830000)

0　引　言

我國(guó)風(fēng)光資源主要分布在西北地區(qū)，以大規(guī)模集中接入、高壓交直流送出模式為主。當(dāng)外送通道發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)送端電網(wǎng)產(chǎn)生較大的能量沖擊，引起嚴(yán)重的高頻問題。而大規(guī)模風(fēng)光電源固有的間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，使得電網(wǎng)的頻率特性變得更加復(fù)雜，若未采取恰當(dāng)?shù)木o急高頻切機(jī)策略，可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰、大面積停電，帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)光火打捆高壓直流外送下送端系統(tǒng)的高頻切機(jī)配置的研究還很少，大部分高頻切機(jī)的研究都是基于常規(guī)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]基于常規(guī)火電機(jī)組，研究了故障后高頻切機(jī)與機(jī)組超速保護(hù)優(yōu)化配置方案；文獻(xiàn)[5]對(duì)比了不同風(fēng)電接入規(guī)模和負(fù)荷水平對(duì)孤網(wǎng)高頻特性的影響，但并沒有提出具體的切機(jī)方案；文獻(xiàn)[6]指出高頻切機(jī)的效果會(huì)受到風(fēng)電出力波動(dòng)的影響，提出了高頻切機(jī)應(yīng)切除一定量的風(fēng)電機(jī)組的建議；文獻(xiàn)[7]針對(duì)風(fēng)火比例較高的局部電網(wǎng)高頻問題，提出了一種風(fēng)電場(chǎng)主導(dǎo)切機(jī)方法，但沒有考慮與火電機(jī)組的協(xié)調(diào)配合。因此，當(dāng)新能源滲透率較高的送端系統(tǒng)遭受外送通道中斷等較大事故時(shí)，風(fēng)光機(jī)組如何與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)配合，共同參與到高頻切機(jī)措施中，是一亟待深入研究的課題。

本文基于我國(guó)西部某省級(jí)電網(wǎng)風(fēng)光火打捆高壓直流外送典型輸電模式，理論與仿真分析了風(fēng)光接入后的頻率響應(yīng)特性；針對(duì)外送直流故障后含風(fēng)光火的送端電網(wǎng)出現(xiàn)的高頻問題，分析了既有的高頻切機(jī)方案不適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)光接入的問題所在，按最優(yōu)切機(jī)目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束條件對(duì)原始切機(jī)方案進(jìn)行改進(jìn)，并提出了“首輪切風(fēng)光后續(xù)輪切火電”的高頻切機(jī)方案，結(jié)合多種典型運(yùn)行方式進(jìn)行了仿真校核，驗(yàn)證了所提高頻切機(jī)改進(jìn)方案的適應(yīng)性。

1　電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性

1.1系統(tǒng)頻率特性的影響因素分析

當(dāng)電網(wǎng)受到有功擾動(dòng)時(shí)，若整個(gè)系統(tǒng)以同一頻率波動(dòng)到另一穩(wěn)定或失穩(wěn)狀態(tài)，則可用單機(jī)模型來(lái)分析此系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)過程，其等值系統(tǒng)框圖如圖1所示[8]。

圖1　單機(jī)等值系統(tǒng)框圖

當(dāng)功率過剩時(shí)，系統(tǒng)方程為

(1)

式中：ΔP為功率過剩量；ΔPL、ΔPG分別為負(fù)荷、發(fā)電機(jī)因頻率變化而產(chǎn)生的有功變化量;kL、kG分別為負(fù)荷、發(fā)電機(jī)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù);TG為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù);Ts為系統(tǒng)整體慣性時(shí)間常數(shù)。

頻率響應(yīng)方程可由式(2)表示：

(2)

由式(1)、(2)可以看出，系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)變化過程主要決定于電網(wǎng)的功率過剩量、負(fù)荷的頻率特性及系統(tǒng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。頻率初始變化率與功率過剩量成正比，與系統(tǒng)整體慣性時(shí)間常數(shù)成反比。穩(wěn)態(tài)頻率偏差由功率過剩量和功率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)決定。

1.2常規(guī)電源的頻率響應(yīng)特性

多機(jī)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)i的動(dòng)態(tài)頻率特性方程如下式(3)所示：

(3)

式中：Pmi、Pei為發(fā)電機(jī)i的機(jī)械功率、電磁功率；Ji為發(fā)電機(jī)i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω0為額定轉(zhuǎn)速。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率過剩擾動(dòng)時(shí)，各火電機(jī)組的電磁功率將迅速響應(yīng)負(fù)荷的變化，有

(4)

而機(jī)械功率受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的限制，不能突變，電磁功率與機(jī)械功率的不平衡將引起發(fā)電機(jī)角速度的增加，進(jìn)而引起系統(tǒng)頻率升高。當(dāng)角速度的變化量達(dá)到限定值時(shí)，將觸發(fā)調(diào)速器動(dòng)作，并按機(jī)組特性進(jìn)一步降低有功出力，最后按照系統(tǒng)的綜合調(diào)速特性決定系統(tǒng)的頻率和各發(fā)電機(jī)組的出力。

1.3風(fēng)光電源的頻率響應(yīng)特性

本文風(fēng)電場(chǎng)均配置雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率關(guān)系如下[9]：

(5)

式中：f1是定子電流頻率;p是發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù);n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;f2為轉(zhuǎn)子電流頻率。

當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)，可通過對(duì)f2的調(diào)節(jié)，保證f1的恒定輸出，實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行[10]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與風(fēng)電類似，太陽(yáng)光照在光伏電池板上產(chǎn)生電流，經(jīng)集中式逆變器逆變成交流電后通過升壓變接入電網(wǎng)。通常對(duì)變頻器施加一定的控制策略，使風(fēng)電機(jī)組或光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近，以提高風(fēng)光電源的工作效率，即最大功率跟蹤運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只與風(fēng)力大小或光照強(qiáng)度有關(guān)，與電網(wǎng)頻率解耦[11]。

雖然采用模擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的風(fēng)光電源運(yùn)行方式已有了一定的研究基礎(chǔ)，但實(shí)際系統(tǒng)中風(fēng)光電源受各方面條件限制，多處于傳統(tǒng)的變速恒頻和最大功率跟蹤運(yùn)行狀態(tài)，本文暫不考慮額外的附加控制功能。因此，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)有功擾動(dòng)時(shí)，風(fēng)光電源仍然遵循最大功率跟蹤控制指令向電網(wǎng)輸送功率，不能響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷的變化，不具有類似于常規(guī)機(jī)組的調(diào)速功能，對(duì)系統(tǒng)慣量無(wú)貢獻(xiàn)。

2　實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算與分析

2.1系統(tǒng)概況

我國(guó)西部地區(qū)某省級(jí)電網(wǎng)地理接線示意圖如圖2所示，計(jì)算工具采用PSD-BPA潮流和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算程序。

圖2　目標(biāo)年西部某省級(jí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

目標(biāo)年該省火電總裝機(jī)容量約為30 000MW，負(fù)荷約為14 700MW。風(fēng)光總裝機(jī)容量約為12 000MW，集中接入于SZS、WZ、YC、ZW和GY地區(qū)。YS和TZ為兩條省際外送直流，分別外送4 000MW和8 000MW，交流通道經(jīng)SD、BY、JY、XF、PL站與西北主網(wǎng)相連。其中，直流采用定功率控制，風(fēng)電場(chǎng)采用定功率因數(shù)控制。本文分析中，暫不計(jì)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)頻率特性，并假設(shè)典型方式下該省與西北主網(wǎng)交流功率交換為0，且風(fēng)電和光伏機(jī)組的故障穿越能力較強(qiáng)，不存在因擾動(dòng)主動(dòng)脫網(wǎng)的情況。

2.2直流閉鎖下含規(guī)?；L(fēng)光火電源送端電網(wǎng)高頻特性

仿真TZ直流于0.2s發(fā)生故障，停止功率外送，同時(shí)省級(jí)電網(wǎng)與主網(wǎng)交流聯(lián)絡(luò)線解列，此時(shí)省級(jí)電網(wǎng)出現(xiàn)8 000MW的過剩功率?？紤]以下3種典型方式(負(fù)荷相同)，對(duì)故障后該省電網(wǎng)的暫態(tài)頻率進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　相同故障類型，不同運(yùn)行方式下的頻率對(duì)比

圖4　運(yùn)行方式3下，各個(gè)類型電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果

方式1：風(fēng)光零發(fā)，常規(guī)機(jī)組大開機(jī)，且留有5%備用容量；

方式2：風(fēng)光大發(fā)，常規(guī)機(jī)組大開機(jī)且與方式1相同，常規(guī)機(jī)組采取均勻減出力的方式為增大的風(fēng)光出力調(diào)峰，由于常規(guī)機(jī)組均勻減出力調(diào)峰，備用容量在方式1的5%基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大至44%；

方式3：風(fēng)光大發(fā)，常規(guī)機(jī)組采取啟停方式為增大的風(fēng)光出力調(diào)峰，因此在方式1基礎(chǔ)上大開機(jī)的常規(guī)機(jī)組部分關(guān)停，直至每個(gè)電廠約保留一半開機(jī)的較為嚴(yán)重的方式，剩余機(jī)組留有5%備用容量。

由公式(4)可知，同步發(fā)電機(jī)i電磁功率的改變與發(fā)電機(jī)i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ji成正比，與系統(tǒng)所有發(fā)電機(jī)的慣量和JΣ成反比，而同步慣量之和與常規(guī)機(jī)組的開機(jī)規(guī)模成正比。因此，常規(guī)機(jī)組開機(jī)規(guī)模越小，系統(tǒng)慣量越低，相同擾動(dòng)下由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定的某臺(tái)發(fā)電機(jī)i的電磁功率改變?cè)酱?，機(jī)械功率與電磁功率之間的不平衡相應(yīng)增大，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)速變化量的增大，加快了頻率變化速率。

由圖3可以看出，直流故障導(dǎo)致功率外送受阻，交流聯(lián)絡(luò)線解列，省級(jí)電網(wǎng)功率過剩，導(dǎo)致頻率升高。對(duì)比方式1和方式3曲線可以看出，風(fēng)光取代火電，常規(guī)機(jī)組開機(jī)規(guī)模變小導(dǎo)致系統(tǒng)慣量降低，頻率上升速率加快，暫態(tài)最高點(diǎn)變高，穩(wěn)態(tài)頻率偏差也更大，出現(xiàn)高頻問題的風(fēng)險(xiǎn)加大。

對(duì)比方式1和方式2曲線可以看出，如果常規(guī)機(jī)組開機(jī)保持不變，風(fēng)電在零到最大出力范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，常規(guī)機(jī)組采取均勻增減出力響應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)，風(fēng)電不同出力狀態(tài)下省級(jí)電網(wǎng)的高頻特性具有一致性。

圖4所示的風(fēng)光火出力是以各機(jī)組額定出力為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。由圖4可以看出，故障發(fā)生瞬間，發(fā)電機(jī)電磁功率迅速減小，而機(jī)械功率保持不變，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率上升。隨后，受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和調(diào)速器的影響，機(jī)械功率逐漸降低，頻率上升速率得到抑制。經(jīng)過一段時(shí)間振蕩后，機(jī)械功率與電磁功率最終保持平衡，頻率恢復(fù)穩(wěn)定，與理論分析相吻合。

而風(fēng)電、光伏并網(wǎng)線路有功受故障擾動(dòng)短暫振蕩后，迅速恢復(fù)至初始值，沒有對(duì)電網(wǎng)功率不平衡產(chǎn)生慣性響應(yīng)，與系統(tǒng)頻率變化近似解耦。

綜上所述，風(fēng)光接入將對(duì)系統(tǒng)高頻特性帶來(lái)以下影響：

① 風(fēng)光接入后，如果常規(guī)機(jī)組開機(jī)保持不變，風(fēng)光在零到最大出力范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，常規(guī)機(jī)組采取均勻增減出力響應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)，風(fēng)光不同出力狀態(tài)下省級(jí)電網(wǎng)的高頻特性具有一致性；

② 風(fēng)光接入后，如果常規(guī)機(jī)組開機(jī)規(guī)模變小，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)總的慣量減小，將會(huì)使系統(tǒng)調(diào)頻能力減弱，出現(xiàn)高頻問題的風(fēng)險(xiǎn)加大。

3　風(fēng)光接入后高頻切機(jī)方案的校核及改進(jìn)

3.1最優(yōu)高頻切機(jī)決策

故障導(dǎo)致省級(jí)電網(wǎng)過剩功率比例較高時(shí)，采取高頻切機(jī)方案是減小過剩功率，迅速恢復(fù)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的較好方式。

根據(jù)《電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》(DL/T10402007)，系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，允許的頻率偏差為±0.2Hz，而事故狀態(tài)下頻率偏差允許放寬到±0.5Hz。當(dāng)電網(wǎng)頻率達(dá)到51.5Hz且持續(xù)30s時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)應(yīng)立即啟動(dòng)機(jī)組高頻保護(hù)切機(jī)。因此，本文確定高頻切機(jī)方案的邊界條件是控制頻率曲線，最高不超過51.5Hz，同時(shí)為避免觸發(fā)低頻減載動(dòng)作，頻率最低不低于49.0Hz，最終穩(wěn)態(tài)恢復(fù)頻率應(yīng)在49.5～50.5Hz之間。

① 切機(jī)控制約束：Pf+Ph=Pq

② 頻率穩(wěn)定約束：fL≤f∞≤fH式中：Pq為頻率穩(wěn)定約束下所需總切機(jī)量；Pf和Ph分別為風(fēng)光和火電切機(jī)量；fH和fL分別為運(yùn)行規(guī)定穩(wěn)態(tài)頻率上下限，即50.5Hz和49.5Hz。

本節(jié)將結(jié)合實(shí)例，計(jì)及風(fēng)光接入對(duì)電網(wǎng)高頻切機(jī)的影響，分析最優(yōu)切機(jī)所需的其他附加約束條件，并制定符合目標(biāo)函數(shù)和所有約束條件的最優(yōu)高頻切機(jī)方案。

3.2方式1下切機(jī)方案

根據(jù)2015年運(yùn)行方式報(bào)告，該省電網(wǎng)既有高頻切機(jī)方案如表1所示[12]。

表1　西北某省電網(wǎng)2015年高頻切機(jī)方案

將省級(jí)電網(wǎng)與西北主網(wǎng)交流線路解列，仿真0.2s發(fā)生各種典型直流故障，對(duì)該省級(jí)電網(wǎng)既有高頻切機(jī)方案的適應(yīng)性進(jìn)行分析，方式1配置表1切機(jī)方案后，仿真結(jié)果如表2所示。

表2　方式1下2015年切機(jī)方案校核結(jié)果

由表2可以看出，發(fā)生故障4時(shí)高頻切機(jī)動(dòng)作后穩(wěn)態(tài)頻率為50.61Hz，高于50.5Hz，該方案不滿足要求，需要對(duì)2015年高頻切機(jī)方案進(jìn)行改進(jìn)。

由于不同的直流故障類型使電網(wǎng)產(chǎn)生了不同的功率過剩，引起省級(jí)電網(wǎng)不同的頻率變化，難以合理分配每輪切機(jī)量。文獻(xiàn)[14]指出適當(dāng)加大第一輪的切機(jī)量有利于減小頻率波動(dòng)，抑制頻率上升速率，因此，在發(fā)生故障4時(shí)，優(yōu)先選擇逐漸增大第一輪切機(jī)量，使得f∞≤50.5Hz，同時(shí)需滿足目標(biāo)函數(shù)Pq最小，仿真得第一輪臨界最小切機(jī)量為4 500MW，則方式1下該省2016年改進(jìn)高頻切機(jī)方案如表3所示。

表3　西北某省電網(wǎng)2016年改進(jìn)高頻切機(jī)方案

校核表3方案在所有故障類型下的適應(yīng)性，仿真結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，該省級(jí)電網(wǎng)配置表3改進(jìn)高頻切機(jī)方案后，各故障下的暫態(tài)頻率最高值、最低值和穩(wěn)態(tài)頻率均滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。因此，無(wú)風(fēng)光接入時(shí)，采用3.1節(jié)所提約束即能決策出最優(yōu)高頻切機(jī)方案。

3.3方式2下切機(jī)方案

為校核風(fēng)光接入后改進(jìn)高頻切機(jī)方案的適應(yīng)性，在方式2下配置表3方案，仿真發(fā)生最嚴(yán)重故障，即YS和TZ同時(shí)發(fā)生雙極故障，電網(wǎng)功率過剩12 000MW時(shí)的頻率特性，如圖5所示。

表4　方式1下2016年改進(jìn)切機(jī)方案校核結(jié)果

圖5　YS+TZ雙極故障，高頻切機(jī)動(dòng)作后頻率偏差曲線

由圖5可以看出，風(fēng)光接入下配置表3方案后，暫態(tài)頻率最高值為51.22Hz，穩(wěn)態(tài)頻率為50.68Hz，不滿足要求。

風(fēng)光接入后，方式2下常規(guī)機(jī)組采用壓出力方式調(diào)峰，若要切除相同容量的火電，則需切除的機(jī)組數(shù)量增多，常規(guī)機(jī)組總慣量減小，而風(fēng)光機(jī)組不具有慣性響應(yīng)能力，導(dǎo)致系統(tǒng)總慣量的減小，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力減弱。因此，只考慮常規(guī)機(jī)組的高頻切機(jī)方案不能適應(yīng)大規(guī)模的風(fēng)光接入，需進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

文獻(xiàn)[15]運(yùn)用改進(jìn)支路暫態(tài)能量函數(shù)法分析了DFIG和常規(guī)機(jī)組切機(jī)效果的差異性，指出切除常規(guī)機(jī)組有利于消除暫態(tài)加速能量，而切除風(fēng)電則有利于維持系統(tǒng)阻尼比，因此，須考慮風(fēng)電與火電機(jī)組的切機(jī)配合。文獻(xiàn)[16]也指出若單獨(dú)切風(fēng)電，雖有利于系統(tǒng)電壓恢復(fù)，但有可能導(dǎo)致火電機(jī)組功角失穩(wěn)；若采取風(fēng)火聯(lián)合切機(jī)方案，可顯著降低系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定所需切機(jī)量，且電壓、功角恢復(fù)效果也比較好。因此，應(yīng)附加系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定約束，考慮風(fēng)電與火電的共同切機(jī)，以改善系統(tǒng)的恢復(fù)特性。

同時(shí)，在整定計(jì)及風(fēng)電接入的最優(yōu)高頻切機(jī)方案時(shí)，還應(yīng)考慮切機(jī)和并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性約束。調(diào)研得知，風(fēng)電切機(jī)具體過程如下：①受高頻切機(jī)指令斷開風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)出線斷路器；②風(fēng)電場(chǎng)功率外送受限，剎車系統(tǒng)啟動(dòng)；③槳距角調(diào)節(jié)啟動(dòng)，直至不再接受風(fēng)力。再并網(wǎng)的具體過程為：①閉合風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)出線斷路器，建立母線電壓，保證無(wú)功補(bǔ)償在運(yùn)。②調(diào)節(jié)槳距角，達(dá)到額定并網(wǎng)風(fēng)速，風(fēng)機(jī)控制柜控制各風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)功率傳輸。光伏電站切機(jī)和并網(wǎng)過程與風(fēng)電類似。

火電切機(jī)步驟為：①受高頻切機(jī)指令斷開指定發(fā)電機(jī)并網(wǎng)線路斷路器；②火電機(jī)組功率外送受限，機(jī)組超速保護(hù)動(dòng)作；③調(diào)節(jié)勵(lì)磁，轉(zhuǎn)為廠用電運(yùn)行。再并網(wǎng)的具體過程為：①加勵(lì)磁，驗(yàn)證同期；②同期投入并網(wǎng)斷路器，并網(wǎng)。

因此，對(duì)比機(jī)組并網(wǎng)、切除的過程，可以看出風(fēng)光切除、并網(wǎng)較常規(guī)火電機(jī)組更簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。由上文分析可知，優(yōu)先切除對(duì)系統(tǒng)頻率沒有慣性響應(yīng)的風(fēng)光機(jī)組，將有利于維持原系統(tǒng)的慣量，保持系統(tǒng)的調(diào)頻能力，因此，綜合切機(jī)控制約束、頻率穩(wěn)定約束，以及附加的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定約束和切機(jī)并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性約束，本文提出“首輪切風(fēng)光后續(xù)輪切火電”的改進(jìn)建議，切機(jī)量和動(dòng)作值不變，則方式2下2016年改進(jìn)切機(jī)方案如表5所示。

表5　方式2下2016年改進(jìn)切機(jī)方案

再次校核此方案在方式2所有故障類型下的適應(yīng)性，仿真結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，仿真結(jié)果均滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求，即表5改進(jìn)方案在方式2下可行。

對(duì)比表4和表6可以看出，方式1和方式2發(fā)生相同故障類型時(shí)，方式2切機(jī)后的穩(wěn)態(tài)頻率值均低于方式1，即采用“首輪切風(fēng)光后續(xù)輪切火電”的改進(jìn)方案后，電網(wǎng)具有更好的頻率恢復(fù)特性。

表6　方式2下2016年改進(jìn)切機(jī)方案校核結(jié)果

3.4方式3下切機(jī)方案

首先，仿真方式3下配置表3切機(jī)方案，YS和TZ同時(shí)發(fā)生雙極故障，該省750kV母線電壓和剩余火電機(jī)組的功角曲線如圖6、圖7所示。

圖6　表3方案下的750kV母線電壓

圖7　表3方案下的火電機(jī)組功角

結(jié)合圖3頻率曲線可以看出，故障后無(wú)切機(jī)措施下，雖然暫態(tài)頻率上升速度較快、穩(wěn)態(tài)頻率偏差較大，但此時(shí)系統(tǒng)有足夠的阻尼比，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，功角穩(wěn)定，電網(wǎng)只存在頻率問題。而一旦此時(shí)優(yōu)先切除大量常規(guī)機(jī)組，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電穿透率過大，系統(tǒng)阻尼比過低，電網(wǎng)恢復(fù)過程振蕩明顯，應(yīng)考慮適當(dāng)切除部分風(fēng)電機(jī)組以減小剩余電網(wǎng)的風(fēng)電穿透率，維持系統(tǒng)阻尼比，改善系統(tǒng)的恢復(fù)特性。

仿真方式3下配置表5“首輪切風(fēng)光后續(xù)切火電”的改進(jìn)方案，發(fā)生相同的YS和TZ雙極故障，系統(tǒng)母線頻率偏差、750kV母線電壓和剩余機(jī)組功角曲線如圖8～圖10所示。

圖8　表5方案下的母線頻率偏差

圖9　表5方案下的750kV母線正序電壓

圖10　表5方案下的火電機(jī)組功角

由圖8～圖10可以看出，該切機(jī)方案下系統(tǒng)頻率、母線電壓、發(fā)電機(jī)功角均穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。校核表5切機(jī)方案在其它故障類型下的適用性，仿真結(jié)果如表7所示。

仿真結(jié)果均滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求，表5“首輪切風(fēng)光后續(xù)切火電”的改進(jìn)方案在方式3下可行。

表7　方式3下配置表5切機(jī)方案校核

綜上所述，本文所提“首輪切風(fēng)光后續(xù)切火電”的改進(jìn)高頻切機(jī)方案適用于該省級(jí)電網(wǎng)風(fēng)光火打捆高壓直流外送典型輸電模式。

4　結(jié)　語(yǔ)

① 風(fēng)光接入后，如果常規(guī)機(jī)組開機(jī)保持不變，風(fēng)光在零到最大出力范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，常規(guī)機(jī)組采取均勻增減出力響應(yīng)風(fēng)光的波動(dòng)，風(fēng)光不同出力狀態(tài)下省級(jí)電網(wǎng)的高頻特性具有一致性；風(fēng)光接入后，如果常規(guī)機(jī)組開機(jī)規(guī)模變小，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)總的慣量減小，將會(huì)使系統(tǒng)調(diào)頻能力減弱，出現(xiàn)高頻問題的風(fēng)險(xiǎn)加大。

② 基于我國(guó)西部某省級(jí)電網(wǎng)風(fēng)光火打捆高壓直流外送典型運(yùn)行方式，針對(duì)外送通道故障出現(xiàn)的高頻問題，對(duì)于風(fēng)光零發(fā)的方式，提出了考慮切機(jī)控制約束和頻率穩(wěn)定約束的最優(yōu)切機(jī)決策，對(duì)原始切機(jī)方案進(jìn)行改進(jìn)；對(duì)于風(fēng)光大發(fā)的方式，附加系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定約束和切機(jī)并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性約束，提出“首輪切風(fēng)光后續(xù)輪切火電”的改進(jìn)高頻切機(jī)方案，結(jié)合多種典型運(yùn)行方式進(jìn)行了仿真校核，驗(yàn)證了所提改進(jìn)方案的適應(yīng)性。

③ 對(duì)于有風(fēng)光并網(wǎng)的電力系統(tǒng)，須考慮風(fēng)光和火電切機(jī)效果的不同，本文改進(jìn)思路和配置方案對(duì)同類送端電網(wǎng)高頻切機(jī)方案的配置具有一定的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯：林海文)

Adaption Studies on High-frequency Generator-tripping Strategy for Sending System of Wind-PV-thermal-bundled Power Transmitted by HVDC

CHEN Yun1,CHEN Dezhi2,MA Shiying2,WANG Yi1,SONG Yunting2,GAO Feng3,YANG Dingqian4

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;3.Ningxia Electric Power Research Institute,Yinchuan 750002,China;4.Xinjiang Electric Power Scientific Research Institute,Urumqi 830000,China)

針對(duì)風(fēng)光火打捆高壓直流外送下送端電網(wǎng)的高頻問題，分析了既有高頻切機(jī)方案的適應(yīng)性，并提出了改進(jìn)方案。首先，理論分析了不同類型電源的動(dòng)態(tài)頻率特性；其次，基于我國(guó)西部某省級(jí)電網(wǎng)，提出了用于高頻切機(jī)方案適應(yīng)性分析的多種典型方式，并仿真對(duì)比了不同運(yùn)行方式下，含風(fēng)光火的省級(jí)送端電網(wǎng)與西北主網(wǎng)解列后的頻率特性變化；最后，分析了既有的高頻切機(jī)方案不適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)光接入的問題所在，對(duì)原始高頻切機(jī)方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出了“首輪切風(fēng)光后續(xù)輪切火電”的高頻切機(jī)方案，結(jié)合多種典型運(yùn)行方式進(jìn)行了仿真校核，驗(yàn)證所提改進(jìn)方案的適應(yīng)性。

風(fēng)光火打捆；送端電網(wǎng)；直流閉鎖；頻率特性；高頻切機(jī)

On the high-frequency issue for sending system of wind-PV-thermal-bundled power transmitted by HVDC,the adaptability of existing high-frequency generator tripping strategy is analyzed,and then the improvement strategy is proposed.Firstly,the impacts of wind and PV power integration on system dynamic frequency characteristics are analyzed theoretically.Secondly,based on a provincial grid in the west of China,a variety of typical operation modes are presented to study the adaptability of existing high-frequency generator tripping strategy.Furthermore,some simulation comparisons on the provincial frequency characteristics after system separation are made under different operation modes.Finally,the reason that the existing strategy is not adaptive to power system integrated with large-scale wind power and photovoltaic is analyzed.Meanwhile,the improvement strategy of “first round to trip wind and PV power,and the follow-up rounds to trip thermal power” is proposed.The effectiveness of the proposed strategy under different typical operation modes is verified,and its adaptability is proved.

wind-PV-thermal-bundled power; sending system; DC block fault; frequency characteristics; high-frequency generator tripping strategy

1007-2322(2016)04-0087-08

A

TM72

國(guó)家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目課題(SGCC-MPLG001-2012)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(XT71-14-040)；國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司科技項(xiàng)目(XTB11201402108)

2015-06-06

陳赟(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、安全與控制,E-mail：ncepu.chen@foxmail.com；

陳得治(1974-)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)及大電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析，E-mail：chendz@epri.sgcc.com.cn；

馬世英(1969-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)仿真分析、電壓穩(wěn)定及無(wú)功控制技術(shù)、源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)等方面的研究，E-mail：mashiy@epri.sgcccom.cn；

王毅(1977-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，E-mail：yi.wang@ncepu.edu.cn；

宋云亭(1972-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性、電力系統(tǒng)分析與控制，E-mail：syt@epri.sgcc.com.cn；

高峰(1982-)，男，工程師，從事電力系統(tǒng)仿真與分析研究，E-mail：botong9999@126.com；

楊定乾(1990-)，男，本科，助理工程師，從事電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)的研究工作,E-mail：qianmeng3448@qq.com。