劉一峰，祁　鑫

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏　銀川　750001）

近年來，我國風(fēng)電和光伏發(fā)電快速發(fā)展，在風(fēng)電、光資源豐富的三北地區(qū)，區(qū)域內(nèi)的新能源發(fā)電消納能力已難以滿足消納需求［1-2］。研究表明：風(fēng)、光、火打捆經(jīng)特高壓直流跨區(qū)外送是實現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電等清潔能源的集約高效開發(fā)和利用的有效手段［3-7］，但近期國內(nèi)發(fā)生過多起風(fēng)機群體性脫網(wǎng)事故［8-11］，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了很大的隱患。當(dāng)大規(guī)模的風(fēng)電并入電網(wǎng)后，將導(dǎo)致地區(qū)系統(tǒng)電壓波動、電網(wǎng)穩(wěn)定性變差等問題［12］，給寧夏電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)，急需進行風(fēng)電脫網(wǎng)控制策略研究。

1　研究現(xiàn)狀及存在的問題

預(yù)計至2017年年底，寧夏電網(wǎng)風(fēng)電裝機容量將達到11.5 GW，約占總裝機容量的25%。寧夏地理面積小，風(fēng)電同時率高；同時，隨著大規(guī)模集中式新能源的并網(wǎng)接入，在直流近區(qū)存在大量風(fēng)電、光伏的運行方式下，新能源與直流、交流電網(wǎng)的耦合特性日益增強，電網(wǎng)故障將會引起系統(tǒng)無功電壓波動［13-14］、短路電流水平升高等一系列新問題，此類問題的出現(xiàn)勢必會影響到新能源的并網(wǎng)運行。通過對近期風(fēng)電脫網(wǎng)事故的分析，發(fā)現(xiàn)故障原因主要是由設(shè)備故障和匯集地區(qū)風(fēng)電場調(diào)壓能力不足造成的［15］。文獻［16］ 研究了初期并網(wǎng)的風(fēng)電機組自身普遍低電壓穿越水平不足，引發(fā)風(fēng)電機組大規(guī)模脫網(wǎng)。文獻［17］ 研究了部分風(fēng)電機組因低電壓穿越失敗而脫網(wǎng)后，系統(tǒng)無功過剩，造成電壓飆升，風(fēng)電機組因過電壓保護動作而脫網(wǎng)，擴大了故障的影響。文獻［18-19］ 研究了風(fēng)電機組的涉網(wǎng)配置、設(shè)備性能參差不齊，電網(wǎng)適應(yīng)性差，不滿足正常運行需要。

以上研究是從風(fēng)機低電壓穿越及涉網(wǎng)配置參數(shù)進行了分析，而本文主要從以下兩個方面進行研究：一是風(fēng)電機組動態(tài)無功補償方面因裝置配置不完善，風(fēng)機電壓調(diào)整能力不足造成的風(fēng)機脫網(wǎng)問題；二是風(fēng)電機組涉網(wǎng)定值整定不合理，導(dǎo)致風(fēng)機耐高壓性能不滿足電網(wǎng)正常運行要求的問題。針對以上兩個問題，以寧夏電網(wǎng)為例，利用電力系統(tǒng)分析綜合程序（power system analysis software package,PSASP）建立典型系統(tǒng)仿真模型，仿真分析電網(wǎng)發(fā)生交直流故障時，新能源場站的動態(tài)無功補償和風(fēng)電機組涉網(wǎng)定值整定的作用。

2　仿真計算及分析

2.1　系統(tǒng)建模

2.1.1電源規(guī)劃

預(yù)計到2017年底，寧夏電網(wǎng)總裝機容量將達到48.42 GW，各類電源裝機容量及占比如表1所示。截止到2017年初，寧夏地區(qū)已投運81座風(fēng)電場，總裝機容量9.42 GW。在分布位置方面較為集中，主要分布在吳忠、中衛(wèi)地區(qū)集中接入330 kV牛首山、星能、香山、麻黃山、邱渠、九彩、羅山變電站，約占風(fēng)電裝機的58%。寧夏電網(wǎng)負(fù)荷以高載能負(fù)荷為主，約占總負(fù)荷的70%，全網(wǎng)用電負(fù)荷率較高，峰谷差較小。

表1　寧夏電網(wǎng)各類電源裝機比例

2.1.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

寧夏主網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，形成750 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架，銀東、靈紹2回直流近電氣距離接入，靈紹換流站規(guī)劃的火電廠全部投產(chǎn)，甘寧斷面通過4回750 kV交流線路與西北主網(wǎng)相連。

圖1　寧夏電網(wǎng)2017年主網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1.3仿真條件

寧夏電網(wǎng)計算負(fù)荷16.6 GW，電源計算出力25.2 GW，其中風(fēng)光新能源出力12 GW，風(fēng)電出力8.3 GW，光伏出力3.7 GW，常規(guī)電源出力13.2 GW，留有旋備1.2 GW。靈紹特高壓直流外送8 GW，銀東直流外送4 GW，甘寧斷面受入4 GW，考慮寧夏風(fēng)電機組滿足文獻［20-21］ 要求的低電壓穿越能力進行仿真計算。

2.2　局部系統(tǒng)解列故障對風(fēng)機電壓的影響

應(yīng)用PSASP綜穩(wěn)系統(tǒng)對寧夏電網(wǎng)系統(tǒng)模型進行了計算建模，并對直流故障、局部系統(tǒng)解列等故障進行了仿真分析。首先，設(shè)置甘寧斷面解列的故障，在寧夏電網(wǎng)低頻減載第一輪（49 Hz，延時0.2 s）動作前，有部分新能源電站因電壓低（0.9 pu，超過2 s）發(fā)生脫網(wǎng)，脫網(wǎng)量525.348 MW，分布在中衛(wèi)、牛首山、寧東等地區(qū)，隨著低頻減載動作切除負(fù)荷，系統(tǒng)電壓升高，大量新能源電站因電壓高而發(fā)生脫網(wǎng)，系統(tǒng)頻率嚴(yán)重下跌，電網(wǎng)配置的低頻減載全部動作也無法避免頻率崩潰，寧夏電網(wǎng)的頻率變化特性如圖2所示，電壓變化特性如圖3所示。在仿真100 s時間內(nèi)，低頻減載切除的總有功負(fù)荷7 360.058 MW，新能源脫網(wǎng)共5 398.168 MW，其中風(fēng)電4 112.44 MW，光伏1 285.728 MW。

圖2　寧夏電網(wǎng)頻率變化曲線

圖3　寧夏電網(wǎng)母線電壓變化曲線

若發(fā)生甘寧斷面解列故障，如果不考慮新能源場站的動態(tài)無功補償作用（如圖3所示），寧夏電網(wǎng)電壓隨著寧夏電網(wǎng)的頻率（如圖2所示）發(fā)生大幅的波動，大量新能源會因為高低壓問題脫網(wǎng)，即使電網(wǎng)配置的低頻減載全部動作也無法避免頻率崩潰。在當(dāng)前電網(wǎng)運行方式下，考慮新能源場站的動態(tài)無功補償作用，風(fēng)電場配置的靜止式無功發(fā)生器（static var generator,SVG）感性、容性容量相等，為風(fēng)電場裝機容量的24%；光伏電站配置的SVG感性、容性容量也相等，為光伏電站裝機容量的20%。甘寧斷面解列故障再次進行仿真計算進行對比，在電網(wǎng)配置的低頻減載動作3輪，切除負(fù)荷3 680.026 MW，系統(tǒng)頻率（如圖4所示）可恢復(fù)在要求范圍內(nèi)；電壓變化特性（如圖5所示）未發(fā)生大幅波動，避免了風(fēng)電機組的脫網(wǎng)。

圖4　考慮動態(tài)無功補償?shù)膶幭碾娋W(wǎng)頻率變化曲線

圖5　考慮動態(tài)無功補償?shù)膶幭碾娋W(wǎng)電壓變化曲線

2.3　直流系統(tǒng)故障對風(fēng)機電壓的影響

在考慮新能源場站的SVG退出的情況下，分別進行靈紹直流雙極閉鎖，0.1 s切除交流濾波器；靈紹直流雙極閉鎖，1 s切除交流濾波器；銀東直流雙極閉鎖，0.1 s切除交流濾波器；銀東直流雙極閉鎖，1 s切除交流濾波器的計算分析結(jié)果如表2所示，計算結(jié)果顯示直流近區(qū)電壓均在合格范圍之內(nèi)。

表2　直流閉鎖故障下送端電壓升高情況（SVG退出）

在考慮新能源場站的SVG投入的情況下，分別進行靈紹直流雙極閉鎖，0.1 s切除交流濾波器；靈紹直流雙極閉鎖，1 s切除交流濾波器；銀東直流雙極閉鎖，0.1 s切除交流濾波器；銀東直流雙極閉鎖，1 s切除交流濾波器的計算分析，結(jié)果見表3。計算結(jié)果顯示投入SVG后直流近區(qū)電壓較表2所示電壓更加合理。

表3　直流閉鎖故障下送端電壓升高情況（SVG投入）

將新能源高壓保護動作定值由原始定值1.1 p.u.持續(xù)0.5 s，1.15 p.u.持續(xù)0.1 s，1.3 p.u.持續(xù)0 s，修改為1.1 p.u.持續(xù)1.2 s，1.15 p.u.持續(xù)0.3 s，1.3 p.u.持續(xù)0 s。定值修改后，靈紹直流雙極閉鎖后1 s切除交流濾波器故障擾動下，即使羅山和星能接入的風(fēng)光場站SVG未運行，新能源機組也可以避免因高電壓保護動作而脫網(wǎng)?？梢姼哪透邏罕Ｗo定值提高了風(fēng)機的電網(wǎng)適應(yīng)性，更加符合寧夏電網(wǎng)實際情況，同時SVG的運行對新能源機組的電壓穩(wěn)定有積極作用，降低了新能源機組脫網(wǎng)的風(fēng)險。

3　效果評價

（1）在合理配置動態(tài)無功補償裝置后，低頻減載裝置只切除部分負(fù)荷，既能保持電網(wǎng)的頻率、電壓穩(wěn)定，又避免了風(fēng)機脫網(wǎng)。新能源場站SVG的運行對新能源機組的電壓穩(wěn)定有積極作用，應(yīng)配置性能良好的動態(tài)無功補償裝置，根據(jù)系統(tǒng)要求能夠進行快速投切、連續(xù)調(diào)整補償系統(tǒng)的無功功率，保持風(fēng)電并網(wǎng)點電壓的穩(wěn)定，降低新能源因低壓問題脫網(wǎng)的風(fēng)險。

（2）將風(fēng)電機組高壓保護動作定值更改為1.1 p.u.持續(xù) 1.2 s，1.15 p.u.持續(xù) 0.3 s以上能夠提高風(fēng)電機組耐高壓能力，有效避免因高壓保護動作造成的脫網(wǎng)。因?qū)幭碾娋W(wǎng)的多直流外送特性對其耐高壓能力提出了更高要求，更改后的風(fēng)電耐壓能力比之前的定值更符合區(qū)域特點，可大幅提高風(fēng)電的高電壓穿越能力，提升風(fēng)機的抗擾動能力，降低風(fēng)機因高壓脫網(wǎng)風(fēng)險。

（3）針對風(fēng)電機組因交直流故障造成的高低壓問題導(dǎo)致的脫網(wǎng)，在合理配置動態(tài)無功補償裝置和更改風(fēng)電機組耐高壓保護定值后進行仿真分析，風(fēng)電場的電壓水平得到了改善，有效地避免了風(fēng)電機組因高低壓問題造成的脫網(wǎng)，提高了發(fā)用電用戶的電壓水平，保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4　結(jié)論

（1）當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)的電壓特性也會產(chǎn)生一定的影響。通過增加動態(tài)無功補償裝置和提高風(fēng)電機組耐壓能力的技術(shù)，在系統(tǒng)發(fā)生故障電壓波動時，可以防止風(fēng)電機組大量脫網(wǎng)，同時故障后可以及時向系統(tǒng)提供無功功率的支持，用來加速系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，為系統(tǒng)運行及風(fēng)險管控提供理論指導(dǎo)及應(yīng)對策略。

（2）本次仿真基于電網(wǎng)電壓異常導(dǎo)致的風(fēng)電機組脫網(wǎng)進行的計算，結(jié)果符合寧夏電網(wǎng)運行特點，但故障設(shè)置較為單一。隨著風(fēng)力發(fā)電場的機組裝機規(guī)模及容量越來越大，風(fēng)電在整個系統(tǒng)發(fā)電中所占的比重上升，風(fēng)電發(fā)電對電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響將呈現(xiàn)多重化、復(fù)雜化的新特點。結(jié)合未來電網(wǎng)規(guī)劃情況，針對大規(guī)模的風(fēng)電機組群體性脫網(wǎng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，是下一步需要深入分析及研究的方向。

［1］ 賀靜波，莊偉，許濤，等.暫態(tài)過電壓引起風(fēng)電機組連鎖脫網(wǎng)風(fēng)險分析及對策[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016,40(6):1839-1844.

［2］ 劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M].北京:中國電力出版社,2015:4-10.

［3］ 劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯[M].北京:中國電力出版社，2006:3-7.

［4］ 張文亮,于永清,李光范,等.特高壓直流技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007,27(22):1-7.

［5］ 舒印彪,張文亮.特高壓輸電若干關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007,27(31):1-6.

［6］ 劉振亞,張啟平.國家電網(wǎng)發(fā)展模式研究[J].中國電機工程學(xué)報，2013,33(7):1-10.

［7］ 劉振亞,張啟平,董存，等.通過特高壓直流實現(xiàn)大型能源基地風(fēng)、光、火電力大規(guī)模高效率安全外送研究[J].中國電機工程學(xué)報，2014,33(7):1-10.

［8］ 國家電力監(jiān)管委員會.關(guān)于近期三起風(fēng)電機組大規(guī)模脫網(wǎng)事故的通報[R].2011.

［9］ 何世恩.大規(guī)模風(fēng)電機組脫網(wǎng)原因分析及對策[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(1):131-137.

［10］ 汪寧渤.酒泉風(fēng)電基地脫網(wǎng)事故頻發(fā)的原因分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(19):42-46.

［11］ 李丹,賈琳.風(fēng)電機組脫網(wǎng)原因及對策分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(22):41-44.

［12］ 袁鐵江,晁勤,李建林.風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:25-28.

［13］ 陳錫磊,周浩,王東舉,等.±800 kV浙西特高壓直流換流站暫態(tài)過電壓研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(3):22-27.

［14］ 王春明,劉兵.區(qū)域互聯(lián)多回直流換相失敗對送端系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(4):1052-1057.

［15］ 陳永祥,方征.中國風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及建議[J].科技綜述,2010,04:14-19.

［16］ SHENG Hu,R.An Improved Low-Voltage Ride-Through Control Strategy of Doubly Fed Induction Generator During Grid Faults[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(12):3653-3665.

［17］ 劉俊,何世恩.建設(shè)堅強智能電網(wǎng)助推酒泉風(fēng)電基地發(fā)展[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（21）：19-23.

［18］ 邢文琦,晁勤.含不同風(fēng)電機組的風(fēng)電電網(wǎng)仿真研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(7):103-106.

［19］ 魏林君,遲永寧,趙建國,等.雙饋變速風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越控制[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(2):41-45.

［20］ 風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定：GB/T19963-2011[S].

［21］ 大型風(fēng)電場并網(wǎng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范：NB/T 31003-2011[S].