含大量風電場的地區電網孤網后穩定控制策略分析

胡仁祥，徐立亮，王明慧，趙亞南，常喜強

(1.吐魯番供電公司，新疆 吐魯番　838000；2.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊　830002)

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含大量風電場的地區電網孤網后穩定控制策略分析

胡仁祥1，徐立亮1，王明慧1，趙亞南1，常喜強2

(1.吐魯番供電公司，新疆 吐魯番838000；2.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊830002)

針對含大量風電場的地區電網，外送時聯絡線發生永久故障造成地區電網孤網后，運用PSASP程序仿真分析電網電壓、功角穩定問題的動態過程，提出穩定控制策略，并對不同的穩定控制策略進行了分析。結果表明，不同運行方式下，采用不同的控制策略，可以保證孤網穩定運行，該結果可為此類事故的處理提供依據。

電力系統；穩控；控制策略；風電場

0　前　言

電力系統穩定指電力系統在正常運行時，經受干擾而不發生非同步運行、頻率崩潰和電壓崩潰的能力。暫態穩定通常指保持第一或第二個振蕩周期而不失步，其判據是電力系統遭受每一次大擾動(如短路、切除故障、切除線路、切機等)后，引起電力系統機組之間的相對功角增大，在經過第一個最大值后作同步的衰減振蕩，系統中樞點電壓逐步恢復。

電網正常運行時，風電場變槳距風力發電機可自動調節自身的槳距來實現最大功率輸出，卻不能根據電網的總負荷量自動調節功率輸出，風電所獨有的隨機性、間歇性特性，使得風電的出力不可控。對于系統功率缺額，風力發電機無能為力。

下面主要針對含大量風電場的地區電網，兩回外送聯絡線通道發生故障造成地區電網孤網后，分析并采用不同的控制策略，保證孤網穩定運行。

1　風電機組和風電場模型

1.1基于雙饋感應電機的風電機組模型

仿真分析的地區電網中，風電機組以雙饋風電機組居多，其控制系統如圖1所示。

圖1　雙饋變速風電機組的控制系統

雙饋發電機的最大特點就是轉子通過一個背靠背脈沖寬度調制變流器與電網相連。電網側變流器的主要功能是控制電容電壓使其恒定，從而為轉子側變流器提供電源支持；轉子側變流器為轉子繞組提供幅值、相位和頻率可變的勵磁電流，從而可對有功功率和無功功率進行獨立控制。

1.2風電場模型

風電機組額定容量相對較小，這里采用額定容量為1.5 MW的雙饋感應電機的變速風電機組進行仿真分析，風電場裝機容量較大時，采用多臺風電機組并聯的方式接入系統。風電場模型如圖2所示。

圖2　風電場等效模型

風電機組輸出電壓690 V，經過一級升壓到35 kV，通過35 kV線路輸入風電場升壓站，再通過220 kV變電站升壓后，經220 kV輸電線路接入電網。

2　風電對系統頻率的影響

頻率是電力系統重要的電能質量，由系統中有功功率的供需平衡決定。當風電大規模并網后勢必替代部分常規發電機組，在電網頻率發生改變時，風電機組無法對電網提供頻率響應，導致當電網發生功率缺額時，電網頻率下降的變化率較高，頻率跌落的幅度較大，不利于電網的頻率穩定。此外當電力系統中風電裝機容量達到一定規模時，風電功率波動或者風電場因故整體退出運行時，可能會導致系統有功出力和負荷之間的動態不平衡，當電網其他發電機組不能夠快速響應風電功率波動時，則有可能造成系統頻率偏差，嚴重時可能導致系統頻率越限，進而危及電網安全運行。

3　風電對系統電壓的影響

根據電壓變化經驗公式，風電場到其接入點的聯絡線功率在傳輸無功功率Q不變，輸送有功功率由P波動至P+ΔP時，可得電壓變化水平與有功功率變化量之間的關系為

ΔU≈-X/USscΔP2-2X/USscPΔP

(1)

式中：Ssc為母線短路容量；X、U為聯絡線電抗及送端電壓。

由式(1)可知，電壓變化與聯絡線傳輸功率、聯絡線潮流波動大小、線路阻抗以及母線短路容量相關。聯絡線有功功率變化越大，電壓變化越大；聯絡線基礎潮流越大，電壓變化越大。因此，對具體風電場而言，有功功率變化可能導致電壓越限。

由于風電場出力的間歇性，其出力的變化率也對電壓的穩定性帶來影響。 由式(1)可得

ΔQ/Δt=(X/U)×(ΔP+2P)×(ΔP/Δt)

(2)

因此，為滿足風電場出力快速增長的要求，必須配備響應速度足夠快的無功補償裝置，才能保證電壓快速穩定。無功補償裝置的響應速率受到線路電壓、輸送有功功率、線路參數和有功功率變化率的影響。

綜合公式(1)、(2)可知，單個風電場的有功送出受輸送功率總值、電壓水平和線路參數影響，并且有功變化率也對無功補償的響應速率提出了要求。

4　某地區電網簡介

該電網處于新疆主電網的末端，網內電源主要以風電、水電裝機為主，其中6座風電場的總裝機規模為336.5 MW，5座水電的總裝機規模為732 MW，其他為50 MW。網內用電負荷約750 MW，剩余電力通過220 kV兩回線路(龍豐線、齊豐線)與新疆主電網聯絡。風電場主要集中在龍灣地區。

圖3　某地區電網結構及與主電網聯絡圖

5　電源不同出力下電網發生解列分析

5.1方式1：水電滿發、風電出力為零

電源此種出力情況下，地區電網通過聯絡線下網負荷約220 MW。兩回送出線路發生三相永久性故障，0.12 s后切除。

控制策略：切除地區電網內220 MW用電負荷后，由于網內無功功率過剩，及時退出部分電容器組，電網相關變化見圖4、圖5。

從圖4、圖5可以看出，電網解列后，通過安全穩定自動裝置對負荷進行及時控制，水電機組一次調頻參與，機組轉速有所提高，孤網系統可以快速穩定運行。

圖4　方式1下地區電網中變電站母線電壓變化情況

圖5　方式1下地區電網中水電機組轉速變化情況

5.2方式2：水電、風電滿發

電源此種出力情況下，地區電網通過聯絡線外送電力約190 MW。兩回送出線路發生三相永久性故障，0.12 s后切除。

控制策略：地區電網孤網后，網內有功出力過剩，需切除部分機組。由于該電網發電機組主要由風電和水電構成，風電不能隨負荷變化而變化，在電力平衡能力以及故障期間的電壓支撐能力上都明顯弱于水電。考慮切除龍灣地區風電190 MW出力。電網相關變化見圖6～圖9。

圖6　方式2下地區電網變電站母線電壓變化情況

圖7　方式2下地區電網中水電機組轉速變化情況

圖8　方式2下地區電網中風電機組機端母線電壓變化情況

圖9　方式2下地區電網中風電機組機端母線頻率變化情況

從圖6～圖9中可以看出，故障后孤網電壓、水電機組功角轉速以及風電機組機端母線電壓、頻率，都在振蕩后恢復了穩定運行。

但在故障期間，風電機組機端母線頻率振蕩幅度較大，最高56.5 Hz左右，最低47.5 Hz左右。這是因為電網頻率改變時基于雙饋發電機的變速風電機組固有的慣量對電網側表現成為一個“隱含慣量”，因此頻率的變化幅度較大。故障發生時，電網電壓急劇下降，有功功率無法送出，同步發電機組轉速上升，電網頻率上升；故障清除時，電網電壓快速恢復，電網頻率則有一個顯著的下降。但這個頻率的改變只在故障發生的瞬間或故障切除的瞬間產生，通常在2～3個周波以內。而風電機組變頻器頻率保護的時間設置一般為0.2 s，所以故障瞬間產生的頻率變化不會也不應導致風電機組切機。電網設備故障切除后，風電機組機端頻率在49.7～50.5 Hz之間振蕩，并最終恢復穩定。

所以，接入電網的風電機組必須滿足GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統技術規定》要求，風電機組應在不同電力系統頻率范圍內按規定的要求運行，在系統頻率高于50.2 Hz時，風電場需要至少運行5 min的能力；在系統頻率低于49.5 Hz時，要求風電場有至少運行30 min的能力，才能保證系統故障時不會出現大面積風電機組脫網，加劇電網事故風險。

5.3方式3：水電小發、風電滿發

電源此種出力情況下(水電小發考慮為滿發的30%)，地區電網通過聯絡線從主網下網電力約180 MW。兩回送出線路發生三相永久性故障，0.12 s后切除。

控制策略：切除地區電網內180 MW用電負荷后，及時退出部分電容器組，電網相關變化見圖10～圖13。

圖10　方式3下地區電網變電站母線電壓變化情況

圖11　方式3下地區電網中水電機組轉速變化情況

圖12　方式3下地區電網中風電機組機端母線電壓變化情況

圖13　方式3下地區電網中風電機組機端母線頻率變化情況

從圖10～圖13中可以看出，故障后孤網內的電壓、水電機組轉速以及風電場內機端電壓、頻率都在振蕩后恢復了穩定運行。故障期間，風電機組機端母線頻率振蕩幅度較大；故障后，由于水電機組一次調頻設備投入運行，網內同步電機轉速略有升高。同樣可以看出，風電機組必須滿足《風電場接入電力系統技術規定》要求，才能保證風電機組不脫網。

5.4小結

1)地區電網在方式1、方式3下發生孤網時，通過聯切網內多余用電負荷，水電機組一次調頻設備投入運行，孤網系統可以快速穩定運行。

2)地區電網在方式2下發生孤網時，通過快速聯切除風電機組出力，能保證電網穩定運行。前提是風電機組必須滿足《風電場接入電力系統技術規定》要求，否則風電機組將出現大面積脫網，加劇電網事故風險。

6　結　論

1)當220 kV聯絡線通道(龍豐線、齊豐線)發生故障后，地區電網與主電網解列，形成孤網運行，

網內電壓、頻率發生變化，采取相應穩定控制策略和手段，可以保證孤網穩定運行。

2)由于網內主要以風電和水電組成，風電不能隨負荷變化而變化，在電力平衡能力以及故障期間的電壓支撐能力上都明顯弱于水電。為保證孤網的穩定運行，建議直接采取切除部分風電出力來維持系統穩定。

3)在電網設備故障發生瞬間或故障切除瞬間，風電機組機端母線頻率變化幅度較大，在49.7～50.5 Hz之間振蕩。為保證電網安全穩定運行，所以接入電網內的風電機組必須滿足《風電場接入電力系統技術規定》要求，才能保證電網設備故障后，風電機組不脫網。

[1]陳珩．電力系統穩態分析[M]．北京：中國電力出版社，1995：223-229.

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[7]GB/T 26399-2011，電力系統安全穩定控制技術導則[S].

胡仁祥(1987)，碩士，從事電網調度運行。

During the power delivery of regional power grid with large amount of wind farms, a permanent fault occurs in the tie line, which makes the regional power grid be isolated. The dynamic process of grid voltage and power angle stability is analyzed with PSASP simulation program, the stability control strategies are proposed, and the different stability control strategies are analyzed. The results show that under different operation modes, using different control strategies can ensure the stable operation of isolated power grid, which can provide a basis for dealing with such accidents.

power system; stability control; control strategy; wind farm

TM712

A

1003-6954(2016)03-0017-04

2016-01-30)