異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)的慣性及頻率穩(wěn)定研究

姜昶，劉青，朱益瑩，代躍勝

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院研究生工作站，昆明 650011；2.華北電力大學(xué)電力工程系，保定 071003）

0 前言

以交直流混合運行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，區(qū)域故障可能造成電網(wǎng)大面積停電風(fēng)險，這對南方電網(wǎng)主網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有極大的威脅。為解決這種潛在威脅，“十三五”期間云南電網(wǎng)與南方主網(wǎng)實行了異步聯(lián)網(wǎng)[1]。云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化[2-5]。相較異步聯(lián)網(wǎng)前，云南電網(wǎng)負荷水平較低，同步電網(wǎng)規(guī)模變小，同步裝機容量也較小，這使得云南電網(wǎng)呈現(xiàn)顯著的低慣性特性特征。同時，多直流外送的規(guī)模和高滲透型新能源（風(fēng)電、太陽能）并網(wǎng)比重不斷增大，云南電網(wǎng)的系統(tǒng)慣性變得更為復(fù)雜，這使得研究云南電網(wǎng)的慣性勢在必行[6-9]。

本文先分析了異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)的運行現(xiàn)狀，再針對云南電網(wǎng)的豐大方式典型數(shù)據(jù)計算了云南電網(wǎng)的等效慣性時間常數(shù)和相對慣性時間常數(shù)，結(jié)合算例得出在典型故障下的云南電網(wǎng)頻率變化特性，最后得出異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)慣性特性[10-11]。

1 云南異步聯(lián)網(wǎng)后的直流和風(fēng)電

直流異步聯(lián)網(wǎng)使得云南電網(wǎng)由一個大同步電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾⊥诫娋W(wǎng)，系統(tǒng)同步規(guī)模大大下降，同步裝機容量大大變小，同時，由于缺少了南方主網(wǎng)的頻率支撐，云南電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整，小擾動干擾或者發(fā)生嚴重故障等情況下頻率特性與同步聯(lián)網(wǎng)時頻率特性有顯著不同。頻率變化將會更加劇烈，這對云南電網(wǎng)這個小負荷電網(wǎng)將會造成較為嚴重的影響。

從2016年6月30日異步聯(lián)網(wǎng)開始，至2021年為止，云南電網(wǎng)將有9回直流外送，總?cè)萘窟_到41 600 MW，多回直流外送對云南電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響程度越來越大，尤其是直流閉鎖故障。文獻[2]指出了云南電網(wǎng)高頻問題較為嚴重。為此，云南電網(wǎng)設(shè)定了三道防線：直流輸電頻率控制（FLC）、穩(wěn)控切機以及高頻切機，其中FLC作為第一道防線對直流閉鎖后頻率變化的反應(yīng)速度最為靈敏。

然而除了同步電網(wǎng)規(guī)模變小、直流外送等問題對頻率造成不利影響外，滲透型新能源并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大也對系統(tǒng)頻率影響加深，特別是云南大力發(fā)展的風(fēng)電，讓系統(tǒng)的頻率變化更為復(fù)雜。從2008年12月開始云南電網(wǎng)第一個風(fēng)電場的接入，至2018年為止，云南電網(wǎng)的風(fēng)電規(guī)模達到總裝機的10.3%[7-9]。

2 慣性時間常數(shù)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的力學(xué)定律，發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械角加速度與作用再轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)矩?Ma之間的關(guān)系可以用下面方程表示：

方程中J為轉(zhuǎn)動慣量，Ω是機械角速度，?Ma=MT-Me，MT為發(fā)電機輸入的機械轉(zhuǎn)矩，Me為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。作適當(dāng)變化后可得到：

其中Ω*=Ω?ΩN為發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速標幺值，TJ=JΩ02?SB為發(fā)電機組的慣性時間常數(shù)，單位為秒，SB為發(fā)電機功率基值。

國際上慣用的慣性時間常數(shù)的HJ為：

對于一個大系統(tǒng)的等效慣性時間常數(shù)HAC，公式為：

在包含新能源機組的系統(tǒng)中，一般用系統(tǒng)相對慣性時間常數(shù)HDC表示，即：

SAC為系統(tǒng)的交流功率，PDC為系統(tǒng)的直流功率。

根據(jù)不同年份豐大典型方式數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的等效慣性時間常數(shù)、相對慣性時間常數(shù)為表1所示：

表1 時間常數(shù)表

從表1可以看出，隨著年份的增長，新能源滲透率的不斷增強，系統(tǒng)的等效慣性時間常數(shù)HAC雖然變化不太大，但是系統(tǒng)的相對慣性時間常數(shù)HDC下降較為明顯。其中2020年HAC相對減小的緣故在于云南電網(wǎng)新增新能源機組較多，使得公式（4）分母部分增大，從而導(dǎo)致HAC相應(yīng)減小。同時，2018年與2019年在豐大典型方式數(shù)據(jù)中，新增新能源機組相對較少，同時傳統(tǒng)機組容量變化也較小，故此2018年與2019年的系統(tǒng)相對慣性時間常數(shù)變化不大。

3 典型故障模擬與分析

下面利用BPA軟件來模擬直流單極閉鎖、云南電網(wǎng)大機組跳閘、云南電網(wǎng)負荷突變等三類故障，為了更好的分析故障后頻率變化情況，統(tǒng)一選取寶峰變母線頻率偏差值為模擬量，并對其故障后頻率偏差曲線進行相應(yīng)分析。

3.1 直流單極閉鎖

采用2017、2019、2020年豐大典型方式數(shù)據(jù)，在BPA軟件上進行普僑直流單極閉鎖故障模擬，相應(yīng)頻率變化如圖1所示：

圖1 普僑直流單極閉鎖后的云南頻率曲線

由圖1可知，發(fā)生普僑直流單極閉鎖后，2017年頻率偏差值約在4秒左右達到最大，峰值約0.68 Hz；2019年頻率偏差值約在5秒左右達到最大，峰值約為0.62 Hz；2020年頻率偏差值約在6.8秒左右達到最大，峰值約為0.71 Hz。

由于電網(wǎng)發(fā)生普僑直流單極閉鎖故障，云南電網(wǎng)功率有部分無法傳送至南方電網(wǎng)主網(wǎng)，導(dǎo)致云南電網(wǎng)內(nèi)部功率過剩，發(fā)電機AGC調(diào)節(jié)不能立刻執(zhí)行，在故障發(fā)生后一段時間內(nèi)，系統(tǒng)頻率上升，所以出現(xiàn)了系統(tǒng)頻率升高較明顯的圖像。就頻率偏差變化特性曲線來看，2017年比2019年和2020年恢復(fù)至穩(wěn)定速度更為快速，約在12秒左右頻率便逐漸恢復(fù)至50 Hz左右，而2019年約為16秒，2020年更是在20秒之后。

3.2 云南電網(wǎng)大機組故障

同樣在BPA軟件上針對不同年份的豐大典型方式數(shù)據(jù)進行云南電網(wǎng)大機組故障跳閘模擬。小灣機組1#機在20周波時刻故障跳閘，相應(yīng)頻率變化特性如圖2所示：

圖2 小灣機組1#機跳閘后云南的頻率曲線

由圖2可以看出，小灣機組1#機跳閘后，2017年頻率偏差約在6.5秒左右達到最大，最大值約為0.14 Hz；2019年頻率偏差值約在7.5秒左右達到最大，最大值約為0.18 Hz；2020年頻率偏差約在8秒左右達到最大，最大值約為0.23 Hz。

由于云南電網(wǎng)內(nèi)部大機組因故障而脫網(wǎng)，其余發(fā)電機由于慣性不能夠立馬增大功率填補缺失，整個云南電網(wǎng)發(fā)出的功率減小，因此整個云南電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率也相應(yīng)下降，故在故障發(fā)生后的一段時間內(nèi)，出現(xiàn)了系統(tǒng)頻率減小較為顯著的圖像。就頻率偏差變化特性曲線來看，2017年較其他年份重新恢復(fù)到50 Hz的速度快，約為12.5秒左右，而2019年約是13秒左右，2020年則達到了14秒。

3.3 云南電網(wǎng)負荷突變

同樣在BPA軟件上針對不同年份的豐大典型方式數(shù)據(jù)進行云南電網(wǎng)負荷突變故障模擬。負荷突變故障具體為在穩(wěn)定運行為10周波時，突然減少云南電網(wǎng)整體10%的負荷，即在10周波時，利用切機切負荷卡，切去云南電網(wǎng)整體10%負荷，系統(tǒng)的頻率變化情況如圖3所示：

圖3 云南電網(wǎng)甩10%負荷后云南的頻率曲線

由圖3可以看出，在云南電網(wǎng)發(fā)生負荷突變后，2017年頻率偏差值約在4.5秒左右達到最大，峰值約為0.523 Hz；2019年頻率偏差值約在5.1秒左右達到最大，峰值約為0.642 Hz；2020年頻率偏差值約在7.2秒左右達到最大，峰值約為0.68 Hz。

云南電網(wǎng)發(fā)生負荷突變，會使云南電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)出的功率不能夠完全被消耗，同時傳遞給南方主網(wǎng)的功率不能夠立刻增加，這便導(dǎo)致云南電網(wǎng)系統(tǒng)功率富余，進而使得系統(tǒng)頻率升高，故在故障發(fā)生后的一段時間內(nèi)，系統(tǒng)頻率升高顯著。就頻率偏差變化特性曲線來看，2017年較其他年份恢復(fù)至穩(wěn)定時間明顯較短，約為14秒左右，并且其波峰也要小于其他年份，2019年恢復(fù)時間約是17秒左右，2020年更是在20秒時才恢復(fù)至50 Hz。

3.4 小結(jié)

通過上述分析可知，電網(wǎng)慣性和云南電網(wǎng)頻率之間有潛在關(guān)聯(lián)。研究表明：慣性時間常數(shù)的大小影響著頻率恢復(fù)到正常速度的快慢以及頻率偏差峰值的大小；慣性時間常數(shù)越大，頻率恢復(fù)到正常的速度越快，頻率偏差峰值越小。

4 結(jié)束語

云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，同步電網(wǎng)規(guī)模大大變小，同步裝機容量降低，相應(yīng)的慣性時間常數(shù)也隨之減小，再加上高滲透型新能源逐年增加，使得系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)更為復(fù)雜。

不同年份豐大典型方式數(shù)據(jù)的BPA分析軟件模擬表明，云南異步電網(wǎng)含有的滲透型新能源容量越大，其對應(yīng)的慣性時間常數(shù)越小，頻率偏差值越大，頻率恢復(fù)的速度越慢。