淺析電力系統網源協調及其對電力系統安全穩定的影響

殷齊

一、研究背景

回顧近幾年的國外大停電事故，其事故發展過程中總能看到由于網源不協調而導致事故擴大的情況。2018年巴西“3.21”大停電事故中存在因發電機輔機高壓耐受能力不足、涉網保護失配無序動作導致其東北部電網頻率、電壓崩潰而最終垮網的情況[1] 。2016年南澳“9.28”大停電事故中，由于地區風電機組連續多次低電壓穿越失敗導致風機大量脫網，聯絡線潮流增加而后跳閘使得南澳地區形成孤網并最終崩潰垮網[2] 。2019年英國“8.9”大停電事故中，風電機組耐低頻能力不足，導致大量風機脫網，進一步引起頻率降低，最終在低頻減載切除大量負荷后頻率才得以恢復。可見加強電網和電源的協調，對電力系統安全穩定運行有著及其重要的意義。

二、網源協調對電力系統安全穩定運行有重要影響

電力系統網源協調涉及發電機勵磁系統及電力系統穩定器（PSS）、調速系統及一次調頻、涉網繼電保護及安全自動裝置、自動發電控制系統（AGC）、自動電壓控制系統（AVC）和其他廠用涉網設備等多個方面，均對電力系統安全穩定運行起著重要作用。凡涉及以上方面的發電機組設備，其參數、功能必須經過嚴格試驗調試，合格之后方可投入運行，以確保發電機組并網運行后對電力系統安全穩定運行不會造成影響。

1.發電機勵磁系統及電力系統穩定器參數設置可能影響電力系統穩定性

發電機組勵磁系統在維持發電機端電壓水平、合理分配發電機的無功功率、提高電力系統穩定性等方面起到關鍵性作用。發電機組勵磁系統采用高放大倍數的快速勵磁調節可以提高電力系統暫態穩定性，但如果其參數配置不當，產生負阻尼則容易引發系統振蕩甚至失步，《電力系統安全穩定導則》[3] 中規定，對于電力系統中存在采用快速勵磁調節系統及快關汽門等自動調節措施的情況，應該做長過程的動態穩定分析，即是對這種情況下的電力系統的阻尼比進行校驗分析，預防電力系統潛在的振蕩甚至失步風險。發電機組勵磁調差系數設置不合理時，當系統波動造成無功變化時，機組電壓變化可能對系統波動起助增作用，可能擴大成更嚴重的振蕩故障，進一步影響機組及系統安全穩定。發電機組低勵限制也會影響系統穩定。低勵限制可保證發電機組在調壓時安全穩定運行，不進入失磁保護動作區導致機組跳閘繼而引發其他電網連鎖事故，其定值整定、校核以及動態穩定性校核由發電機組進相試驗確定。

因為發電機組采用快速勵磁調節器會降低了系統的阻尼，從而導致電力系統抑制低頻振蕩的能力下降，針對這種情況，發電機組增加了一種輔助勵磁控制裝置——電力系統穩定器。電力系統穩定器用于抑制電力系統0.1-2.0Hz頻率范圍內的低頻振蕩，其參數設置及選型對電力系統穩定性有重要影響。電力系統穩定器參數設置不當，在特定頻率范圍的振蕩內不能提供足夠的正阻尼，則不能起到抑制振蕩作用。電力系統穩定器會帶來發電機組無功“反調”的現象，可能引起運行中的機組無功劇烈波動，如2005年12月，小浪底水電廠#2機組運行期間出現因電力系統穩定器“反調”導致的無功大幅波動現象。這種無功波動可能導致近區系統電壓的異常變化，也會影響發電機組正常運行，從而危害電力系統安全。因此發電機組因合理配置參數且盡可能選用無反調作用的電力系統穩定器。

2.調速系統及一次調頻功能對電力系統安全穩定的影響

發電機組調速系統多采用數字電液調節系統（DEH），其特點是提高了調速系統的動態特性及響應速度，但研究表明，其對電力系統動態穩定性影響也越來越顯著。調速系統參數設置不合理，將為電力系統提供負阻尼，可能引發振蕩。2013年云南鎮雄電廠500kV送出線路改造停運，電廠僅經220kV線路送出期間，由于其機組調速系統惡化系統阻尼引發了南方電網主要聯絡線功率振蕩。需要注意的是，在水電發電比例大、與電力系統存在弱聯系的地區電網，發生低頻振蕩的風險大大增加。

當電力系統發生頻率升高（或下降）時，發電機組調速系統的一次調頻功能動作，自動降低（或升高）發電機組出力，以恢復電網頻率。尤其是在電網發生故障導致電網頻率偏離額定值時，發電機組在一次調頻功能作用下，第一時間向電網頻率恢復至額定值的方向調節，在電力系統事故過程中起到關鍵的事故支撐的作用，這對于電力系統保持穩定有著重要意義。

3.發電機組涉網保護與電力系統必須相互協調

發電機組涉網保護包括發電機組轉子過電流保護、定子過電流保護、頻率異常保護、失磁保護、失步保護、過激磁保護、汽輪機超速保護控制、重要輔機保護、定子過電壓保護、過勵限制及保護。《電力系統安全穩定導則》規定發電機組的繼電保護和自動裝置的配置與整定等必須與電力系統相協調，保證其性能滿足電力系統穩定運行的要求。

4.自動發電控制系統和自動電壓控制系統是電網調節的重要手段

自動發電控制系統是電網二次調頻手段，與發電機組一次調頻配合可實現與電力系統額定頻率的無偏差調整。在電網事故時，如失去大容量機組或者用戶側負荷大量減載導致系統頻率偏離額定值時，發電機組一次調頻與自動發電控制配合，可快速恢復系統頻率。

自動電壓控制系統在考慮發電機和無功調節設備運行約束的情況下，通過控制策略在線優化計算，可以極大程度地提高系統動態無功儲備，提高電網靜態電壓穩定裕度，既保證了發電機和調節設備的運行安全，又可保障電力系統的電壓穩定。

5.風電、光伏等新能源大量接入導致電力抗擾動能力下降

《風電場接入電力系統技術規定》、《光伏發電站接入電力系統技術規定》等國家標準對風電場、光伏電站的低電壓穿越能力、高電壓耐受能力以及高頻和低頻持續運行能力做了非常詳細的規定，并要求其能在電網故障情況下提供足夠的動態無功支撐能力。電網發生故障時，極易導致電網頻率、電網的明顯變化，如果風電、光伏機組的電壓和頻率抗擾動能力不足要求而大規模脫網，將很可能使得事故進一步發展，在前文中講到的南澳“9.28”大停電以及英國“8.9”大停電事故中即出現了由于風電機組低壓穿越能力不足、低頻耐受能力不足導致風電機組大規模脫網，從而進一步導致電網崩潰垮網的情況;另一方面風電、光伏等新能源的大量接入，使得傳統燃煤、水力發電機組提供的電力系統轉動慣量水平遭到削弱，從而導致電力系統穩定水平下降，新能源發電比例越高，電力系統穩定水平也就越低，同時目前風電場和光伏電站均不能提供一次調頻功能，電網故障時事故支撐能力不足。

三、加強電力系統網源協調管理

隨著我國越來越多的特高壓輸電工程投產，使得電網呈現復雜的交直流互聯特性，而其大功率輸電的特征導致在發生直流閉鎖時，直流送、受端電網會產生巨大的功率沖擊擾動。風電、光伏等新能源高滲透率使得電力系統轉動慣量下降，電力系統穩定水平下降和抗擾動能力不足，一旦發生事故，電力系統電壓、頻率不能得到快速恢復加強，甚至出現反向調節，則可能最終發展成為大面積停電事故。電源作為電力系統保持穩定運行的重要支點，其在電網事故時支撐能力對電力系統保持穩定起到非常重要的作用，因此必須加強電力系統網源協調管理：

1.制定網源協調管理制度規定，建立網源協調管理體系，對網源協調進行專業管理;

2.對已投運發電機組進行全面排查，組織具備資質電力試驗單位對發電機組各項涉網參數、設備性能進行試驗驗證，對不合格機組進行整改;

3.新入網發電機組應將網源協調作為可投入商業運行的依據之一;

4.加強發電廠涉網功能及參數管理，嚴禁擅自更改、投退相關功能參數。開展不定期核查和定期校核性試驗;

5.建立網源協調在線監測系統，實現網源協調實時監視。

參考文獻：

[1] 易俊，卜廣全，郭強.巴西”3.21”大停電事故分析及對中國電網的啟示[J].電力系統自動化，43（02）：7-15.

[2] 曾輝，孫峰，李鐵.澳大利亞“9.28”大停電事故分析及對中國的啟示[J].電力系統自動化（13）.

[3] 電力系統安全穩定導則[J].中國電力，1982（6）：3-7.

（作者單位：國網江西省電力有限公司）