張坤，王堅

（中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心調(diào)度處，廣東 廣州 518000）

0 前言

隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷擴大，由于風(fēng)電間歇性和波動性的特點，風(fēng)電對電網(wǎng)的影響由最初簡單的電壓水平波動、線路傳輸功率超出熱極限等電能質(zhì)量問題發(fā)展到對電網(wǎng)系統(tǒng)短路容量增加、經(jīng)濟調(diào)度、調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻以及暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。2017年底，云南風(fēng)電裝機達(dá)8372 MW，占本省總裝機容量的9.9%。

云南異步聯(lián)網(wǎng)后，頻率問題成為云南電網(wǎng)所面臨的最主要風(fēng)險[1]，根據(jù)仿真分析的結(jié)果，N-2條件下，云南電網(wǎng)頻率最低達(dá)到49.2 Hz，最高50.6 Hz[2]。云南風(fēng)電裝機容量大，發(fā)展速度快，部分風(fēng)場不滿足國標(biāo)對運行頻率的要求，即系統(tǒng)頻率在50.2 Hz以上時，保持5分鐘不脫網(wǎng)。云南電網(wǎng)是典型的外送型電網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生直流閉鎖等大擾動時，若大量風(fēng)場無序脫網(wǎng)，可能對電網(wǎng)造成二次沖擊，甚至崩潰[3]。2006年“11.4”歐洲大停電的原因之一就是風(fēng)電場的無序脫網(wǎng)，因此不可不重視。

本文結(jié)合云南電網(wǎng)風(fēng)電場實際運行情況及實際參數(shù)，利用BPA仿真軟件對云南異步聯(lián)網(wǎng)后風(fēng)電對頻率的影響進行了詳細(xì)的分析，并提出相應(yīng)的建議和措施。

1 風(fēng)電場脫網(wǎng)對頻率影響機理分析

異步聯(lián)網(wǎng)后，云南電網(wǎng)脫離南網(wǎng)主網(wǎng)，電網(wǎng)規(guī)模變小，風(fēng)電對電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)頻能力產(chǎn)生明顯影響，電網(wǎng)對風(fēng)電的不確定性響應(yīng)更加敏感。最突出的一個問題是電網(wǎng)頻率發(fā)生大幅波動下，風(fēng)機無序脫網(wǎng)將對電網(wǎng)產(chǎn)生不可控的影響。

在異步聯(lián)網(wǎng)之前，整個南方電網(wǎng)一個同步電網(wǎng)，風(fēng)電裝機比例相對較低，對系統(tǒng)的功率-頻率特性影響尚不明顯。但異步聯(lián)網(wǎng)之后，云南風(fēng)電裝機占比隨之明顯增大，滲透率提高，對云南電網(wǎng)的整體同步轉(zhuǎn)動慣量影響不可忽視[4-5]。

電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻是通過兩部分構(gòu)成。一部分是同步發(fā)電機釋放轉(zhuǎn)子動能以及調(diào)速器動作釋放火電機組鍋爐蓄熱或調(diào)整調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開改變進水量實現(xiàn)的；另一部分是系統(tǒng)負(fù)荷電磁場和旋轉(zhuǎn)質(zhì)塊中的能量會發(fā)生變化，以阻止系統(tǒng)頻率的變動[6]。下面以當(dāng)前電網(wǎng)中主流的兩種風(fēng)機類型為例，分別說明其對電網(wǎng)的影響。

定速感應(yīng)風(fēng)電機組(FSIG):基于異步電機的定速感應(yīng)風(fēng)電機組，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率緊密結(jié)合。當(dāng)電力系統(tǒng)的頻率下降時，定速風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速也會降低，可釋放出質(zhì)塊中部分的旋轉(zhuǎn)動能，為系統(tǒng)提供慣性支持。其響應(yīng)的幅度取決于風(fēng)力機葉片、風(fēng)力機軸系與發(fā)電機轉(zhuǎn)子中儲存的旋轉(zhuǎn)動能以及電網(wǎng)頻率變化率。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機組(DFIG):基于雙饋電機的變速風(fēng)電機組具有靈活的功率控制能力，其發(fā)電機的電磁功率與風(fēng)力機的機械功率解耦運行，能夠?qū)ζ溆泄β屎蜔o功功率進行獨立控制，因此雙饋機組可以追蹤得到最大的風(fēng)功率。但正是由于雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率的完全解耦控制方式，使得機組在頻率發(fā)生波動時無法對系統(tǒng)提供動態(tài)慣性響應(yīng)。

目前風(fēng)機單臺容量已經(jīng)進入兆瓦時代，由于技術(shù)成熟，經(jīng)濟性好，雙饋風(fēng)機已經(jīng)成為主流。云南雙饋風(fēng)機占比90%以上。因此從這一點上講，云南風(fēng)電對電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動慣量貢獻很小，降低了整體的功率-頻率因子β。

另外，風(fēng)電機組多采用最大風(fēng)功率追蹤(MPPT)控制以最大限度的捕獲風(fēng)能，因此，風(fēng)電機組沒有備用容量，無法對系統(tǒng)提供一次頻率支持[7]，不利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

2 大擾動下風(fēng)電場頻率越限脫網(wǎng)仿真

仿真算例說明：2017年夏大方式數(shù)據(jù)，云南與主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)，各大直流接近滿功率送出，云南風(fēng)電出力約2400 MW。由于風(fēng)電場的低頻特性定值完全滿足國標(biāo)要求，且云南電網(wǎng)低頻問題不是很突出，故本文著重分析頻率高越限問題。

2.1 試驗一：風(fēng)機快速脫網(wǎng)實驗

直流閉鎖故障，模擬功率過剩，頻率升高，風(fēng)場快速脫網(wǎng)。旨在研究不同容量的風(fēng)電場在故障初期，頻率未到達(dá)最高點前脫網(wǎng)對電網(wǎng)的影響。

直流FLC功能退出，金中直流單機閉鎖（單極1600 MW），在閉鎖后1s時刻風(fēng)場脫網(wǎng)。模擬三種不同情況:

1）無風(fēng)電場脫網(wǎng)；

2）1000 MW 風(fēng)場脫網(wǎng)；

3）2400 MW 風(fēng)場脫網(wǎng)。

仿真曲線如圖1-圖3所示。

圖1 云南電網(wǎng)頻率偏差曲線

圖2 南網(wǎng)主網(wǎng)頻率偏差曲線

圖3 楚穗直流單極功率曲線

2.1.1 原因分析

1）當(dāng)脫網(wǎng)風(fēng)場容量不同，云南電網(wǎng)頻率響應(yīng)差別較大，甚至出現(xiàn)反向頻率偏差。

2）當(dāng)脫網(wǎng)風(fēng)場容量不同，南網(wǎng)主網(wǎng)頻率響應(yīng)差別不大，且總體偏差較小，小于0.1 Hz。

圖4 阿海電廠#1機組原動機機械功率曲線

原因分析，頻率偏差幅度取決于有功功率的偏差值。即Δf=F（Δ P），ΔP=直流閉鎖容量-風(fēng)電場脫網(wǎng)容量。直流閉鎖發(fā)生后，大量風(fēng)場快速脫網(wǎng)，調(diào)速器的慣性常數(shù)一般6-10 s，還未來的及完成動作，有功偏差快速減小，減緩了調(diào)速器動作幅度。當(dāng)風(fēng)場脫網(wǎng)容量大于直流閉鎖產(chǎn)生的功率差額時，造成反向頻率問題，較之同等容量不平衡有功偏差造成的頻率偏差更加嚴(yán)重。因為此時調(diào)速器已經(jīng)動作在關(guān)閉主汽閥，突然出現(xiàn)反向調(diào)整量，反向動作所需時間更長，響應(yīng)變慢，見圖4。

3）主網(wǎng)頻率波動主要是由于直流功率波動引起有功偏差造成的，不同容量脫網(wǎng)引起的直流功率波動差別不大。因此，故障發(fā)生后，短時間內(nèi)不同風(fēng)場脫網(wǎng)容量對主網(wǎng)頻率影響很小。

2.1.2 影響

1）當(dāng)脫網(wǎng)容量小于直流閉鎖容量時，有利于頻率的恢復(fù)。但對于調(diào)度運行是不利的，因為風(fēng)場脫網(wǎng)是不可控的、無序的[8]。風(fēng)場切除量并不在二、三道防線考慮的范圍內(nèi)。

2）脫網(wǎng)容量大于直流閉鎖容量時，使頻率波動更加復(fù)雜，對系統(tǒng)也更加不利，特別是對調(diào)速系統(tǒng)帶來較大的沖擊。二、三道防線所設(shè)定值可能無法適應(yīng)這樣復(fù)雜的情況，誤動風(fēng)險增加。

2.2 試驗二：風(fēng)場經(jīng)延時脫網(wǎng)

模擬風(fēng)電場在頻率達(dá)到最高點后經(jīng)不同的延時脫網(wǎng)，分析其對系統(tǒng)頻率的影響。

直流FLC功能退出，金中直流單機閉鎖（單極1600 MW），分別模擬閉鎖后 5 s和8 s時刻切除風(fēng)場1000 MW。

圖5 云南電網(wǎng)頻率偏差曲線

圖6 主網(wǎng)頻率偏差曲線

圖7 阿海電廠#1機原動機機械功率曲線

圖8 楚穗直流有功功率波動曲線

仿真曲線如圖5-圖8所示，分析可知，在頻率偏差經(jīng)過最高點后，發(fā)生大量風(fēng)機脫網(wǎng)，會引起頻率反向大幅波動，且對主網(wǎng)頻率產(chǎn)生二次沖擊。

2.2.1 原因分析

1）轉(zhuǎn)動慣量和一次調(diào)頻已經(jīng)產(chǎn)生作用，有功偏差已經(jīng)縮小，向新的頻率平衡點過渡。

2）風(fēng)電場在此時脫網(wǎng)，相當(dāng)于給電網(wǎng)有功功率造成了負(fù)偏差，從有功過剩到有功不足。

3）系統(tǒng)內(nèi)一次調(diào)頻動作后，風(fēng)場脫網(wǎng)對系統(tǒng)造成的影響非常復(fù)雜，從直流的功率波動來看，風(fēng)場脫網(wǎng)時間越晚，功率波動越嚴(yán)重，如圖8所示。將更大的波動傳遞到主網(wǎng)，從而引起對主網(wǎng)的二次沖擊。直流功率波動由電壓波動引起，電壓波動是有潮流轉(zhuǎn)移引起動態(tài)過程。

2.2.2 影響

1）造成頻率正反兩個方向大幅波動，恢復(fù)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的時間更久，甚至長期越限。

2）調(diào)速器頻繁動作，損傷設(shè)備，引起發(fā)電機功率輸出波動，可能引起振蕩[10]。

3）云南異步聯(lián)網(wǎng)后FLC動作死區(qū)是±0.14 Hz，造成FLC頻繁動作，且動作方向相反，即先上調(diào)輸送功率，然后下調(diào)輸送功率。相當(dāng)于將功率的波動傳遞到主網(wǎng)，引起主網(wǎng)頻率波動，可能激發(fā)主網(wǎng)振蕩。

3 云南風(fēng)電對頻率影響評估

表1 異步前云南風(fēng)電場頻率特性定值統(tǒng)計

據(jù)統(tǒng)計，異步聯(lián)網(wǎng)前（異步后參數(shù)進行優(yōu)化，使用異步前數(shù)據(jù)較為保守）云南風(fēng)場參數(shù)如下：頻率低于49.5 Hz時，風(fēng)電場100%滿足國標(biāo)和南網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求，96%的風(fēng)電場能夠在頻率49.5-51.5 Hz范圍內(nèi)長期不脫網(wǎng)運行，在頻率高于51.5 Hz僅有24%滿足運行5 min不脫網(wǎng)要求。詳見表1。

3.1 N-2故障情況

夏季大方式下，退出FLC功能，楚穗雙極閉鎖故障為最嚴(yán)重的N-2故障[3]。仿真得到的N-2條件下電網(wǎng)頻率極值如表2所示。

表2 N-2條件下電網(wǎng)頻率極值

按照N-2考慮，云南電網(wǎng)最大的頻率波動范圍是49.17 Hz-51.39 Hz，在此區(qū)間內(nèi)，僅有4%風(fēng)電場不滿足頻率要求，最大脫網(wǎng)容量150 MW（按風(fēng)電60%額定功率出力考慮）。仿真曲線如圖9所示。風(fēng)電脫網(wǎng)對系統(tǒng)頻率影響小，基本可以忽略。

圖9 N-2條件下云南電網(wǎng)頻率

圖10 WindINERTIA 投退對頻率影響

3.2 多回直流換相失敗

廣東受端電網(wǎng)交流故障易引發(fā)多回直流換相失敗，若交流故障不能快速切除，將導(dǎo)致持續(xù)換相失敗或閉鎖，此時將給云南電網(wǎng)帶來更嚴(yán)重的高頻問題。

羅洞、北郊、西江、花都等4個500 kV變電站出現(xiàn)單相短路單相拒動，或穗東、橫瀝、水鄉(xiāng)等16個變電站三相短路單相拒動，將導(dǎo)致楚穗、普僑、牛從以及金中直流持續(xù)換相失敗[1]。云南電網(wǎng)的二、三道防線動作，高周大量切機。此時76%風(fēng)電場將不能繼續(xù)掛網(wǎng)運行5分鐘，約經(jīng)0.2 s延時跳閘。相當(dāng)于加大了電源切除容量。分兩種情況討論：

1）若此時直流閉鎖，由于過切，將出現(xiàn)于2.1中所模擬的類似情況，引起頻率反向大幅波動，并通過直流傳動到主網(wǎng)，引起主網(wǎng)頻率越限。

2）如果交流故障切除，直流送出功率恢復(fù)正常，大量切除的電源無法短時間內(nèi)恢復(fù)，頻率反向越限，可能引起低頻減載動作，切除負(fù)荷。風(fēng)電場在這一過程中推波助瀾，使原本嚴(yán)重的頻率穩(wěn)定問題惡化。

總的來說，在一般N-2故障下，風(fēng)電場基本能夠滿足電網(wǎng)運行要求，對電網(wǎng)頻率產(chǎn)生的不利影響基本可以忽略。在極端故障情況下，由于大量風(fēng)電場不滿足頻率特性要求，會對電網(wǎng)產(chǎn)生非常不利的影響，故障時刻風(fēng)電出力越大，影響越嚴(yán)重。

4 建議和措施

4.1 電網(wǎng)方面

1）合理安排一次、二次、三次調(diào)頻容量，總調(diào)、云南中調(diào)要加強對一次、二次、三次調(diào)頻備用的監(jiān)視，確保備用滿足要求。

2）直流FLC對頻率穩(wěn)定有重要作用，加強對直流FLC投退的監(jiān)視，確保有足夠的調(diào)節(jié)能力。

3）合理設(shè)置南網(wǎng)主網(wǎng)AGC和云南電網(wǎng)AGC 參數(shù)[9]。

4）部署安全穩(wěn)定防線措施，保證穩(wěn)控系統(tǒng)能夠在關(guān)鍵時刻準(zhǔn)確動作，提高第三道防線的適應(yīng)性。

5）直流功率加減時段盡量與云南省內(nèi)負(fù)荷的爬坡、下降時段錯開，避免直流功率與云南負(fù)荷同步大幅增減。

4.2 風(fēng)電場方面

1）確保投產(chǎn)風(fēng)電場按規(guī)定整定定值，風(fēng)電場的頻率特性必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，防止風(fēng)電場無序脫網(wǎng)[11]。

2）深入挖掘雙饋風(fēng)機的有功控制能力，提高電網(wǎng)的功率-頻率因子β值[12-13]，見圖10。目前雙饋風(fēng)機一般都具有WindINERTIA（附加慣性控制）功能[5]。在風(fēng)電機組控制系統(tǒng)中增加輔助頻率控制環(huán)節(jié)，使該“隱含轉(zhuǎn)動慣量”顯性化，從而對系統(tǒng)提供有效的慣性支持。

5 結(jié)束語

在云南異步聯(lián)網(wǎng)的背景下，風(fēng)電場的并網(wǎng)調(diào)控問題更加突出。本文根據(jù)風(fēng)電運行參數(shù)，摸清了當(dāng)前云南風(fēng)電場的頻率適應(yīng)特性。利用BPA仿真軟件，詳細(xì)分析了風(fēng)電場無序脫網(wǎng)對電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定影響，對云南風(fēng)電對系統(tǒng)頻率影響進行評估，提出合理化建議，為異步聯(lián)網(wǎng)后調(diào)度運行工作提供有利支持。