規?；L電直流孤島外送的安全穩定特性分析

代明，陳得治，嚴鳳，劉文軒

（1.華北電力大學，河北保定071000;2.中國電力科學研究院，北京100192）

我國風能資源總體非常豐富，但風能主要集中在西北和東北遠離負荷中心的地區，而電力負荷主要分布在京津唐、長江三角洲和珠江三角洲地區。資源與負荷分布的不均衡決定了我國近階段要大規模發展新能源，并采取建設大電源基地、融入大電網的規劃和布局方式[1-2]，在更大的范圍內消納風電。高壓直流是解決風電輸送問題的有效辦法之一，而直流孤島運行方式是高壓直流送電比較典型的運行方式（如向—上直流孤島運行方式解決水電輸送）。

風電作為間歇性電源，大規模風電接入電網在優化地區電源結構的同時，給電網的調頻調峰、無功電壓控制等方面帶來很大沖擊。本文以某大型風電基地輸電規劃為基礎，結合《風電場接入電網技術規定》、《電力系統安全穩定導則》等相關規范的要求，深入研究直流孤島外送規模化風電系統的電壓、頻率、功角運行特性，針對此系統運行存在的風險問題提出相應的防控建議[3-4]。

1 邊界條件

1.1 直流孤島外送風電系統的構建

本文基于未來目標年某大型風電基地的風火電打捆直流送出的實際規劃方案，搭建了直流孤島外送風電的仿真算例系統，其中的直流系統采用額定負荷傳輸、定功率控制的方式。

風火打捆外送按照火電相對于風電裝機容量最小配比為2∶1的原則配置，在風電零發的時候，由火電來補充功率的缺失，在風電滿發的時候，對火電機組進行出力控制，確保直流送電的平穩性和通道的充分利用性。本算例系統火電基地容量3 800 MW，風電基地容量1 644 MW。由于系統是風電直流外送系統，所以當地負荷較小，除了電廠的自身廠用電，有功負荷僅為305 MW，無功負荷135 MV·A。本文基于風電零出力、滿出力2個典型方式進行系統特性的分析、研究[5-6]。

表1 火電廠容量Tab.1 Capacity of thermal power plants

圖1是風電直流孤島運行系統的接線示意圖，包括風電場、火電廠以及變電站的名稱、布局。

1.2 研究工具

本次研究的潮流和穩定分析，采用PSD電力系統分析軟件工具包完成，包括：

1）PSD-BPA潮流計算程序。

2）PSD-BPA暫態穩定計算程序。

圖1 直流孤島系統接線示意圖Fig.1 DC island system schematic diagram

3）PSD-CLIQUE地理接線圖格式潮流圖繪制程序。

4）MYCHART穩定計算曲線繪制程序。

2 直流孤島外送風電系統運行特性分析

風火打捆送端系統的裝機容量很大，集中化程度較高，且既有風電也有火電，送端負荷較小，直流是此系統外送的唯一通道，大部分電力將通過直流通道送出。

就出力外特性而言，風電是間歇式電源，它具有大幅、高頻、長時間波動尺度的出力特性，并網后電網潮流分布隨風電出力波動而發生改變，增加了電網安全穩定運行風險，如元件是否重載、過載、是否會影響系統功角穩定性等。

就風電機組模型而言，對電網安全穩定性影響較大的有兩方面：一是風電機組的無功電壓電氣控制模式；二是風電機組是否具有低電壓穿越能力。本研究中設定風電機組無功電壓控制模式為恒定功率因數1，且具有按照并網標準規定的低電壓穿越能力。

2.1 典型方式潮流圖

圖2為直流孤島送端的常規機組均勻開出，風電零出力的典型方式潮流圖。

圖2 常規機組均勻開出、風電零出力，直流孤島送端電網典型方式潮流圖Fig.2 Flow diagram of conventional unit uniform open,zerooutput of wind power and DCisolated sending-oriented power grid

當直流孤島輸電的送端風電出力滿發時，為了保證直流定功率送出，開出的常規機組要均勻降低出力來接納風電，圖3即為相應的此典型方式潮流圖。

圖3 常規機組均勻開出、風電滿出力，直流孤島送端電網典型方式潮流圖Fig.3 Flow diagram of conventional unit uniform open,full output of wind power and DC isolated sending-oriented power grid

2.2 系統的穩定計算列表

由穩定計算結果（見表2、表3和表4）可知：風電零出力、滿出力2種典型方式下，線路N-1故障時系統能夠維持穩定；當系統N-2故障時，風電零出力下除了標號為11、13、14線路N-2系統能夠維持穩定，其余線路N-2故障系統都不能維持穩定；當風電滿出力下，除了標號為11、12、14線路N-2系統能夠維持穩定，其余線路N-2故障系統都不能維持穩定。

2.3 直流孤島運行系統N-1故障分析

圖4～8為風電零出力、滿出力方式下先鋒站到換流站線路N-1故障對比的仿真結果。

由圖4火電二廠G5機組功角輸出可知：風零、風滿方式下的N-1故障發電機功角都穩定，但是風電滿發比風電零發的功角曲線平緩，波動的幅度較小。

由圖5可知：在風滿、風零方式N-1故障下的火電二廠G5機組的速度偏差都在合理范圍內，但是風電滿發比風電零發的速度偏差曲線平緩，波動的范圍較小。

表2 直流孤島外送系統判穩條件Tab.2 Stable operation conditions of DC island sending system

表3 常規機組均勻開出、風電零發、安全穩定分析結果Tab.3 Results of uniform open,zero-fat of wind power,safe and stable for conventional units

表4 常規機組均勻壓出力、風電滿發、安全穩定分析結果Tab.4 Results of uniform open,full-fat of wind power,safe and stable for conventional units

圖4 火電二廠G5發電機組功角Fig.4 Power angleof thermalpower twoplant G5generators

圖5 火電二廠G5發電機組速度偏差Fig.5 Speed deviation of thermal power two plant G5 generators

由圖6火電二廠G5機組輸出功率可知：風零、風滿方式下N-1故障消除后，發電機組有功功率都可恢復至穩態合理值。

圖6 火電二廠G5發電機組輸出功率Fig.6 Output power of thermal power two plant G5 generators

由圖7可知：風零、風滿方式下N-1故障的母線頻率偏差一般都在0.2 Hz以內，屬于正常的范圍。從頻率波動的幅度來看，相對于風電零發，風電滿發波動幅值要小一些。

圖7 系統頻率偏差Fig.7 System frequency deviation

由圖8可知：電壓的波動在故障消除后都能夠恢復到正常水平，風零、風滿方式下系統最高電壓分別約為1.07 pu、1.05 pu。

圖8 系統母線電壓Fig.8 System bus voltage

2.4 直流孤島運行系統N-2故障分析

由表3和表4可看出：在風零、風滿方式下風云-換流站線路N-2故障時都能保持穩定，但是仿真結果有所差別，圖9~11是對比的仿真結果。

圖9 系統母線頻率偏差Fig.9 System bus frequency deviation

從圖9可以看出，線路出現N-2故障后，風電滿發時系統母線頻率偏差要比風電零發大。

從圖10可以看出，在發生N-2故障后，風電零發時，G5發電機的功角波動較小，經過較短時間恢復到穩定水平；在風電滿發時，G5的功角波動較大，經過較長時間擾動，最后同樣也恢復穩定。

圖10 發電二廠G5發電機功角Fig.10 Power angle of power two plant G5 generator

圖11 系統節點電壓Fig.11 Node voltage of system

從圖11可以看出，系統節點電壓風電滿發要比風電零發偏低。這樣風電不能對系統的電壓做較好的支撐。

由圖9~11的仿真結果可知：大多情況下風電場在故障后對系統頻率、電壓恢復不能提供很好的支撐，甚至發生風機脫網情況，不利于系統的安全穩定，使系統抗風險的能力變差[7]。

3 規模化風電直流孤島外送運行特性分析

通過風電零發和風電滿發的方式下，對系統頻率、母線電壓、發電機功角進行比較，在N-1故障時，在風力輸出穩定的理想情況下，可以看出風滿要比風零穩定。這初看有悖于平時的思維，認為風電接入定會給系統帶來不穩定，但這也要分情況。在此種N-1故障情況的下，風滿表現出更穩定特性，直接原因就是風電的接入使系統的功率流改變了。在風電零發時，發電廠的功率完全由發電廠的線路輸送到換流站，此時電廠的發電功率很大，并且較為集中，線路的潮流較重，在線路發生故障時，對系統的沖擊較大；而在風電滿發的時候，常規電廠由于調峰的原因，降出力運行，另一部分功率則由風電場輸送到換流站，這樣的結果就造成風零方式下的功率輸送較為集中，而風滿方式下的功率輸送相對分散。由此風滿方式下的N-1故障對系統的沖擊比風零方式下的要小，所以才出現風滿方式下系統的頻率、母線電壓、發電機功角波動更小一些的現象[8]。

對于N-2故障而言，無論是風零還是風滿方式，除了個別線路外，其余多條線路在故障后都不能維持穩定，同時，風滿方式下對系統的沖擊要比風零方式下的大。由圖9~11的仿真結果可知，大多情況下，風電場在故障后對系統頻率、電壓恢復不能提供很好的支撐，甚至發生風機脫網情況，不利于系統的安全穩定，使系統抗風險能力變差。

4 維持直流孤島系統穩定運行控制策略

4.1 直流調制功能

在系統發生比較嚴重的故障時，比如N-2故障或者風機脫網等原因，使電網的功率不平衡，造成系統頻率降低甚至失穩等問題?？赏ㄟ^直流調制，直流降功率運行，來減小由于功率缺失造成的頻率問題。直流調制一般在系統頻率降低到49.3 Hz的時候，延遲10個周波（0.2 s）開始降功率運行，電網頻率開始恢復。當矸石電廠發生N-2故障的擾動，系統頻率降低，部分風機由于低電壓穿越能力不足等原因，不能承受擾動，發生脫網，致使系統頻率進一步降低，直至低于49 Hz，系統頻率失穩。通過直流調制后系統頻率可恢復至穩定，仿真結果如圖12所示。

圖12 直流調制對系統頻率恢復作用Fig.12 Effect of DC modulation on the restore of the system frequency

可以看出，在進行直流調制過程后，系統的頻率逐步恢復，最后穩定在49.8 Hz以上，高于系統要求的49.5 Hz，滿足了系統頻率要求。

4.2 提高系統備用容量

平常系統一般留有2%～5%的備用容量，在這種網架比較薄弱，又接入了大量的風電直流孤島運行系統，適當提高系統備用容量對電網的安全穩定有重要意義。對于同樣的矸石電廠發生N-2故障，且部分風機又相繼脫網，造成系統頻率失穩出現。通過對基礎方式的開機方式備用容量進行增大調整，并對增加備用前后的仿真結果進行比對。仿真結果如圖13所示。

圖13 系統備用對系統的影響Fig.13 System backup effect on the system

可以看出，系統的備用容量對于系統穩定有明顯的作用。在風機脫網造成系統功率缺額后，系統備用容量越大，系統的頻率偏差越小。在系統功率缺額150 MW后，基礎方式3%備用情況下，頻率偏差已經遠遠大于1 Hz，對系統頻率安全夠成嚴重影響。但是系統備用容量在6%的情況下，在同樣缺額150 MW的情況下，系統頻率偏差不會達到1 Hz，說明系統的抗干擾能力大大增強。由于直流孤島輸電系統比較特殊，為了能夠確保風電輸送的安全性，可以適當提高系統的備用容量來維持系統穩定[9]。

5 結論

對于規模化風電直流孤島外送系統的安全穩定性進行了仿真計算，分析了在風零、風滿典型方式下，系統發生N-1、N-2故障時的功角、電壓以及頻率等運行風險，尤其是在電網發生較為嚴重故障時的風機脫網可能會給系統帶來頻率失穩的問題。但是從另一個角度來看，在某些典型方式下，由于風電接入后分散了直流孤島送端系統各元件的功率流，也一定程度上降低系統運行風險。對于嚴重故障下風電脫網給系統帶來的頻率穩定問題，可通過直流調制和增加系統備用等措施來增強系統的頻率安全性。

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