含大量風電場的末端電網750kV外送通道故障后的孤網控制策略分析

鄧梅 李長福 張燕 胡仁祥

摘 ?要：針對含大量風電場的末端地區電網外送通道由220千伏上升為750千伏網架后，研究外送750千伏通道發生故障后，地區電網電壓、頻率問題的動態過程，運用電力系統綜合分析程序（power system analysis software package， PSASP）程序仿真分析，不同的切機組合策略，對孤網快速穩定的效果。

關鍵詞：電力系統;孤網;風電場;切機

中圖分類號：TM727 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）18-0134-03

Abstract： After the external transmission channel of the terminal regional power network with a large number of wind farms rises from 220kV to 750kV grid， the dynamic process of voltage and frequency problems in the regional power network after the failure of 750kV transmission channel is studied. Using the power system analysis software package（PSASP） program simulation analysis， this paper studies different cutting combination strategiesand the effect of fast and stable isolated network.

Keywords： power system; isolated network; wind farm; cutting machine

前言

電力系統穩定指正常運行時，系統經受干擾（如短路、切成故障、切除線路、切機等），電網保持同步運行、不發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能保證正常運行所必須具備的能力。通常用暫態穩定來判據電力系統每一次遭受大擾動后，電網中各發電機之間的相對功角開始大幅震蕩，然后快速恢復至另一個穩定狀態，電網中各變電站電壓也恢復到一個合理的范圍。

在風電資源豐富的新疆阿勒泰和塔城地區，由于地區經濟主要以養殖和旅游為主，電網負荷較輕。大量的風電場接入后，改變了原有的地區潮流，以外送為主。2018年底，750kV塔城變投運后，750kV塔五雙線成為阿勒泰和塔城電網與新疆電網聯絡的主通道，原220kV下野地變和夾河子變分列運行。送出通道電壓等級的提升，直接帶來了外送的增加，有利于降低風電的棄風率。但風電出力的有功增加，改變線路傳輸功率與新疆主電網系統的慣量，使得地區電網暫態穩定性發生了變化。

本文選取新疆北部末端阿勒泰和塔城電網作為研究對象，該地區為大電源（風電裝機規模大，常規水電和火電裝機規模小）、小負荷地區，風電發展快。地區電網通過750kV塔五雙線外送有功680MW，極端情況下發生750kV雙回線路跳閘，造成新疆阿勒泰和塔城地區孤網運行。網內的多余的發電出去必須通過穩控裝置快速切除，避免發生機組功角和頻率失穩。但如何在風電送出地區分配切除方案，是關系電網能否快速恢復穩定的關鍵。本文通過PSASP軟件仿真分析多種切機方案，找到最優。

1 風電出力與電網頻率之間的關系

風電場裝機規模占地區電網比例越大，對地區電網頻率影響越大。風電因其自身的隨機波動性和間隙性，決定了風電場出力的功率波動，將對電網的頻率產生影響，這種影響隨著出力越大，影響越顯著。對電網中一些對頻率敏感負荷將產生一定影響，甚至影響正常工作。出于此種情況考慮，地區電網中配備的其他常規機組，就必須具備快速的頻率響應能力，能進行頻率跟蹤調節，抑制頻率的波動。

2 風電出力與電網電壓之間的關系

3 某末端電網情況

新疆阿勒泰和塔城電網處于新疆電網的最北端，2018年底，750kV塔城變、750kV塔五雙線將該地區豐富的風電出力送入新疆主網、送往內地省份，同時也大幅度降低片區棄風率（圖1）。

4 仿真分析

故障設置：750kV塔五雙線在1s時，五側發生三相短路接地，1.2s兩側斷路器跳閘，新疆主網與阿勒泰和塔城電網解網。

4.1 方案1：僅切除孤網地區風電680MW風電出力。切機分配方案（風電：火電：水電=100%：0：0）

從圖2、圖3可以看出，在切除同等風電的發電出力下，電網能夠快速得到穩定。750kV塔城變的220kV母線電壓下降幅度較大，且恢復較慢，最后穩定在216kV左右。其他變電站母線電壓均能恢復到故障前水平。孤網瞬間電網頻率飆升至50.72Hz，逐步成下降趨勢，在故障后的第13S時，電網頻率下降至50.3Hz。

4.2 方案2：切除孤網地區風電480MW和水電200MW出力。切機分配方案（風電：火電：水電=70%：0：30%）

從圖4、圖5可以看出，在切除70%的風電和30%的水電發電出力下，電網也能夠快速得到穩定。750kV塔城變的220kV母線電壓下降幅度較大，且恢復較慢，最后穩定在214kV左右，較方案1，電壓下降了2kV。其他變電站母線電壓均能恢復到故障前水平。孤網瞬間電網頻率飆升至50.68Hz，逐步成下降趨勢，在故障后的第13S時，電網頻率下降至50.4Hz，電網頻率恢復較慢。

4.3 方案3：切除孤網地區風電350MW和火電300MW出力。切機分配方案（風電：火電：水電=55%：45%：0）

從圖6、圖7可以看出，此種方案，電壓在160kV以下，頻率在51.5Hz，電壓和頻率均未能恢復，孤網失去穩定。

4.4 方案4：切除孤網地區水電350MW和火電300MW出力。切機分配方案（風電：火電：水電=0：45%：55%）

因孤網內僅有兩座火電廠，一座出力300MW（油田電廠），另一座150MW（賽爾電廠），當考慮此種方案，切除了孤網中的主力火電廠和大部分水電機組，電網失去了快速響應的常規機組，剩下的風電機組，因自身特性，不具備調頻和調壓能力，造成電網失去穩定。

4.5 小結

從圖8、圖9中可以看出，方案1和方案2兩種切機方式，孤網的電壓和頻率均能滿足穩定。從電壓和頻率波動幅度以及快速恢復上看，方案1優于方案2。

5 結論

（1）大規模風電通過750kV電網網架送出的末端電網，在孤網后的電網電壓和頻率與風電出力大小息息相關。孤網前的風電出力越大，孤網后電網的電壓和頻率越不容易控制。

（2）孤網后的電網能否快速穩定，與自動裝置的可靠性和快速性密切相關，從而避免發生系統崩潰。

（3）孤網中的風電場，不僅要考慮風機的低電壓穿越的能力。特別是在送出電網，還應提高風機的高頻能力，在電網發生高頻時，在規定的時間內不能發生風電機組自動脫網，否則會造成孤網內的頻率高低來回波動，最后導致孤網系統崩潰。

（4）末端送出電網，在發生故障后，要充分保留具有調節功能的水電和火電機組，在切機方案制定時，優先選擇切除風電機組，以提高常規機組對孤網系統的頻率控制能力。

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