，張穎3，張燕

(1.新疆天電達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000； 3.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 前 言

電力系統(tǒng)穩(wěn)定指正常運(yùn)行時，系統(tǒng)經(jīng)受干擾(如短路、切除故障、切除線路、切機(jī)等)，電網(wǎng)保持同步運(yùn)行、不發(fā)生頻率和電壓崩潰的一種能力。這種抗干擾的能力就是電力系統(tǒng)能保證正常運(yùn)行所必須具備的能力，通常用暫態(tài)穩(wěn)定來判據(jù)。電力系統(tǒng)每一次遭受大擾動后，電網(wǎng)中各發(fā)電機(jī)之間的相對功角開始大幅振蕩，然后快速恢復(fù)至另一個穩(wěn)定狀態(tài)，電網(wǎng)中各變電站電壓也恢復(fù)到一個合理的范圍。

電網(wǎng)中，通過換流器并網(wǎng)的新能源發(fā)電設(shè)備，由于設(shè)備內(nèi)換流器在受到電網(wǎng)擾動(如短路等)時，廠家為保護(hù)換流器的電子設(shè)備，發(fā)電設(shè)備這時將自動切機(jī)，起到保護(hù)自身的作用，但對電網(wǎng)將造成二次擾動。根據(jù)切機(jī)容量的不同，這種方式將增大電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險。

下面主要針對含大量風(fēng)電場的末端地區(qū)電網(wǎng)外送通道由220 kV上升為750 kV網(wǎng)架后，研究風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)時，地區(qū)電網(wǎng)和主電網(wǎng)電壓、頻率的動態(tài)過程，提出在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加裝動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，快速響應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化。

1 風(fēng)機(jī)和風(fēng)場模型

1.1 風(fēng)機(jī)模型

仿真計算的新疆某末端電網(wǎng)中，風(fēng)電場機(jī)組以雙饋風(fēng)電機(jī)組占比較多、直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組占比較少。雙饋風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

從圖1中可以看出，轉(zhuǎn)子經(jīng)一個背靠背脈沖寬度調(diào)制的變流器與大電網(wǎng)相連，這種控制系統(tǒng)就是雙饋電動機(jī)的一個特色。

1.2 風(fēng)場等效模型

大規(guī)模的風(fēng)電場接入電網(wǎng)的系統(tǒng)潮流仿真分析時，為減少數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)加速計算，采取整個風(fēng)電場等效的形式參與系統(tǒng)潮流計算，風(fēng)電場的等效包含發(fā)電機(jī)模型等效和風(fēng)速分布模型等效兩個方面。不計尾流效應(yīng)和電場風(fēng)速分布，將一個風(fēng)電場按同一個風(fēng)速考慮，仿真的風(fēng)電場機(jī)組采用額定容量為1.5 MW的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組多臺并聯(lián)方式接入系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場等效模型

風(fēng)電場內(nèi)的機(jī)組端電壓0.69 kV，經(jīng)第1級升壓到35 kV，再經(jīng)第2級升壓到220 kV后，通過220 kV線路并入公用電網(wǎng)。

風(fēng)電場的有功出力等效為

(1)

風(fēng)電場的無功出力等效為

(2)

式中，n為被等效風(fēng)電場發(fā)電機(jī)臺數(shù)。

2 有功功率波動與電壓波動之間的關(guān)系

由電壓變化計算公式可以推算出，當(dāng)風(fēng)電場送出的無功功率Q保持恒定時，因風(fēng)電出力的間隙性，風(fēng)電場送出的有功功率是一個變化的值，這個時刻為P，下一個時刻為ΔP+P，ΔP即為變化值。可以推算出ΔP變化與ΔU之間的數(shù)學(xué)公式為

ΔU≈-(X/USscΔP2+2X/USscPΔP)

(3)

式中：U為送端電壓；X為聯(lián)絡(luò)線的電抗；Ssc為母線的短路容量。

從式(3)可以得出，電壓的波動變化與ΔP的變化十分緊密，同時與送端電壓、線路電抗、母線短路容量等指標(biāo)也有密切的聯(lián)系。ΔP變化越大，ΔU的波動幅度也越大。

由式(3)繼續(xù)推導(dǎo)可得

ΔQ=[(X/U)×(ΔP+2P)×(ΔP/Δt) ]× Δt

(4)

因ΔU受ΔP的影響，ΔQ的快速變化能控制ΔU的振幅，所以要求風(fēng)電場的動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備能快速響應(yīng)，降低ΔU對電網(wǎng)的影響。

3 有功功率波動與頻率波動之間的關(guān)系

衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)頻率跟電網(wǎng)中發(fā)出的和使用的有功功率平衡有關(guān)。因風(fēng)電機(jī)組無勵磁系統(tǒng)，不具備快速調(diào)節(jié)有功出力的能力，然而大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，風(fēng)電的出力占據(jù)了常規(guī)能源機(jī)組的發(fā)電出力空間。當(dāng)電網(wǎng)受到大的擾動時(如切機(jī)、切負(fù)荷等)，此時電網(wǎng)頻率勢必將發(fā)生波動。因常規(guī)機(jī)組開機(jī)降低，旋轉(zhuǎn)備用不足，勢必導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動恢復(fù)緩慢。若此時風(fēng)電機(jī)組因電壓波動，出于自身設(shè)備原因再發(fā)生機(jī)組脫網(wǎng)，電網(wǎng)將出現(xiàn)大的有功缺額，電網(wǎng)頻率恢復(fù)將更加緩慢，甚至發(fā)生頻率失去穩(wěn)定，造成安全自動裝置低頻切負(fù)荷，將電網(wǎng)事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 風(fēng)電脫網(wǎng)仿真分析

用于仿真的末端電網(wǎng)處于新疆電網(wǎng)的最北端，總裝機(jī)容量約2 520.5 MW，其中風(fēng)電為1 138.5 MW，水電為732 MW，火電為600 MW，其他為50 MW。網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷約800 MW。剩余電量原通過220 kV豐齊線和龍豐線與新疆主電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)送出。750 kV塔城變電站、五家渠變電站投運(yùn)后，通過750 kV塔五雙線將該地區(qū)豐富的風(fēng)電出力送入新疆主網(wǎng)、送往內(nèi)地省份，如圖3所示。

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

1)工況1：脫網(wǎng)30%，約300 MW。

由圖4至圖6可知，當(dāng)電網(wǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)300 MW時，750 kV母線電壓最高達(dá)762.9 kV，波動3.26%；220 kV母線電壓最高達(dá)235.8 kV，振幅3.47%，振幅最大為750 kV塔城變電站的220 kV母線電壓。脫網(wǎng)30%風(fēng)電對電網(wǎng)頻率幾乎無影響。

圖4 750 kV變電站母線電壓波動(工況1)

圖5 220 kV變電站母線電壓波動(工況1)

圖6 電網(wǎng)頻率波動(工況1)

圖7 750 kV變電站母線電壓波動(工況2)

圖8 220 kV變電站母線電壓波動(工況2)

圖9 電網(wǎng)頻率波動(工況2)

2)工況2：脫網(wǎng)60%，約600 MW。

由圖7至圖9可知，當(dāng)電壓風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)600 MW時，750 kV母線電壓最高達(dá)765.3 kV，波動3.45%；220 kV母線電壓最高達(dá)246.1 kV，振幅11.51%，振幅最大為220 kV薩爾塔木變電站的220 kV母線電壓。脫網(wǎng)60%風(fēng)電對電網(wǎng)頻率幾乎無影響。

3)工況3：脫網(wǎng)90%，約900 MW。

由圖10至圖12可知，當(dāng)電網(wǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)900 MW時，750 kV母線電壓最高達(dá)766.9 kV，波動3.67%；220 kV母線電壓最高達(dá)248.3 kV，振幅12.48%，振幅最大為220 kV薩爾塔木變電站的220 kV母線電壓。脫網(wǎng)90%風(fēng)電對電網(wǎng)頻率幾乎無影響。

圖10 750 kV變電站母線電壓波動(工況3)

圖11 220 kV變電站母線電壓波動(工況3)

圖12 電網(wǎng)頻率波動(工況3)

各工況下數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1 3種工況下電網(wǎng)電壓變化情況

從表1可以看出該末端電網(wǎng)風(fēng)電有功出力脫網(wǎng)30%及以下的時候，對電網(wǎng)幾乎無影響。但脫網(wǎng)60%及以上的時候，對電網(wǎng)220 kV變電站的母線電壓影響較大，超過運(yùn)行上限，對電網(wǎng)一次設(shè)備的耐高壓水平提出了更高的要求。此時急需動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備快速響應(yīng)防止高電壓損壞電網(wǎng)一次設(shè)備。

5 控制措施

采取在電壓波動最大的220 kV薩爾塔木變電站加裝容量為18 MVA的SVC裝置，風(fēng)電脫網(wǎng)后的3.5 s采取控制措施，薩爾塔木變電站220 kV母線電壓的攀升得到了控制，如圖13所示。

6 結(jié) 語

1)末端風(fēng)電送出電網(wǎng)發(fā)生機(jī)組脫網(wǎng)，由于地區(qū)電網(wǎng)潮流較輕，充電無功功率增大，導(dǎo)致該地區(qū)電網(wǎng)220 kV以及近區(qū)的塔城變電站和對端五家渠變電站750 kV母線電壓幅值都有一定程度增加，但相對而言，片區(qū)的220 kV母線電壓增長和波動幅度較750 kV大些。

圖13 脫網(wǎng)工況3下薩爾塔木變電站220 kV母線電壓升高的控制效果

2)當(dāng)風(fēng)電區(qū)域的脫網(wǎng)容量由30%增長至90%時，仿真計算得出，變電站220 kV母線電壓波動的幅度與一次性脫網(wǎng)的風(fēng)電區(qū)域容量成線性關(guān)系。當(dāng)風(fēng)電脫網(wǎng)60%時，220 kV薩爾塔木變電站220 kV母線電壓越上限(242 kV)；當(dāng)風(fēng)電脫網(wǎng)達(dá)到90%時，750 kV塔城變電站、220 kV額爾齊斯變電站、龍灣變電站、和豐變電站、薩爾塔木變電站等220 kV母線電壓均越上限運(yùn)行，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成風(fēng)險。因此，隨著末端電網(wǎng)的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模增大，應(yīng)控制風(fēng)電的接入，按照并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化風(fēng)電的故障穿越能力，增強(qiáng)其抗擾動性。

3)在風(fēng)電匯集的220 kV變電站加裝動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備是控制220 kV母線電壓越線的有效措施。