麻城市多能互補百萬千瓦新能源基地一期機電-電磁暫態(tài)仿真分析

張良一，陳汝斯，蔡德福，孫冠群，萬 黎，劉海光

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

中國作為全球第一大電力消費國同時也是第一大碳排放國，電力在我國能源消費與碳排放中占據(jù)重要地位。截至2021年底，我國的發(fā)電裝機總?cè)萘恳堰_到23.8 億kW，但其中火電裝機容量占比為56.58%，可再生能源發(fā)電裝機容量占比僅為41.13%［1］。從發(fā)電量看，火電發(fā)電量占比為70.29%，可再生能源發(fā)電量占比為29.5%，其中風(fēng)光發(fā)電占比僅為9.7%，電力碳排放占全國碳排放總量的四成以上，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對“碳達峰，碳中和”目標的實現(xiàn)將起到關(guān)鍵作用［2］。

麻城市多能互補百萬千瓦新能源基地（以下簡稱“麻城新能源基地”）位于湖北省黃岡市麻城市，由中電（湖北）新能源有限公司負責(zé)基地新能源項目建設(shè)和運營。本基地規(guī)劃容量為130萬kW，以1回500 kV線路接入大別山電廠500 kV配電裝置，采用光火打捆方式利用大別山電廠～道觀河雙回500 kV線路接入電網(wǎng)，在充分考慮了麻城當?shù)靥柲苜Y源、土地資源的前提下，按全容量光伏基地建設(shè)。結(jié)合業(yè)主項目建設(shè)計劃，基地站址1（400萬kW）計劃于2022年6月30日前投產(chǎn)，站址2、站址3（共90萬kW）計劃于2023年12月31日前投產(chǎn)。

本文對麻城新能源基地接入后基地近區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定進行分析，采用機電-電磁混合仿真的方式，重點對500 kV 木泉+木孝N-2 故障進行分析，同時校驗四種大別山機群不同開機組合的穩(wěn)定特性。

1 機電-電磁混合仿真

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可按時間尺度分為電磁暫態(tài)（微秒級～毫秒級）、機電暫態(tài)（毫秒～秒級）及中長期動態(tài)（分鐘級）3類［3］。

其中，電磁暫態(tài)仿真主要研究諧波、畸變等快速變化過程，通常用于過電壓和絕緣配合等設(shè)備分析；機電暫態(tài)仿真主要研究機械、電磁轉(zhuǎn)矩之間不平衡引起的轉(zhuǎn)子慣性運動過程，用于系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；中長期動態(tài)仿真主要研究自動發(fā)電控制等受擾后的慢速過程，用于中長時間的系統(tǒng)動態(tài)特性分析。

在實際電網(wǎng)運行分析中，主要采用機電暫態(tài)仿真的方式進行仿真分析，近年來，電磁暫態(tài)仿真在電力系統(tǒng)仿真中的占比不斷擴大。機電暫態(tài)仿真及電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)劣對比如表1所示［4］。

表1 機電暫態(tài)仿真及電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)劣對比Table 1 Advantages and disadvantages of electromechanical transient simulation and electromagnetic transient simulation

一方面，基于基波相量模型的機電暫態(tài)仿真無法模擬HVDC、FACTS 等電力電子裝置的快速瞬變過程以及飽和元件、非線性元件引起的波形畸變；另一方面，采用瞬時值計算的電磁暫態(tài)仿真規(guī)模一般不大，等值化簡會引入仿真誤差［5］。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和FACTS、HVDC設(shè)備在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)仿真規(guī)模和仿真精度之間的矛盾日益顯現(xiàn)。

理論上，可以不斷擴大電磁暫態(tài)仿真規(guī)模，最終達到大電網(wǎng)全網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真，實現(xiàn)對交直流系統(tǒng)連鎖反應(yīng)最精確的仿真。然而，全系統(tǒng)電磁仿真技術(shù)目前難以實現(xiàn)，且必要性仍值得商榷［6］。

機電-電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)，結(jié)合機電暫態(tài)與電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)點，規(guī)模與機電暫態(tài)相當，直流、新能源等關(guān)注的電力電子設(shè)備采用電磁暫態(tài)模型精確仿真。因此，采用機電-電磁暫態(tài)混合仿真，并根據(jù)研究目的的需要，確定合理的交直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真規(guī)模，可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定分析的工程需求［7-12］。

2 新能源基地及電力系統(tǒng)概況

麻城新能源基地位于湖北省黃岡市麻城市，由中電（湖北）新能源有限公司負責(zé)基地新能源項目建設(shè)和運營。本基地規(guī)劃容量為130萬kW，在充分考慮了麻城當?shù)靥柲苜Y源、土地資源的前提下，按全容量光伏基地建設(shè)。結(jié)合業(yè)主項目建設(shè)計劃，本基地站址1（40 萬kW）計劃于2022 年6 月30 日前投產(chǎn)，站址2、站址3（共90萬kW）計劃于2023年12月31日前投產(chǎn)。

麻城市百萬新能源基地項目近區(qū)220 kV 及以上主要電源如表2所示。

表2 麻城新能源基地近區(qū)主要電源Table 2 Main Power Sources Near Macheng New Energy Base

近區(qū)500 kV主變主要有：道觀河變1×100萬kW；柏泉變3×120萬kW；木蘭變2×100萬kW（4×100萬kW）；大吉變2×1 000+75萬kW。

麻城市多能互補百萬千瓦新能源基地投運后，基地近區(qū)500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 麻城市多能互補百萬千瓦新能源基地近區(qū)500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 500 kV power grid near Macheng Multi Energy Complementary Million-kilowatt New Energy Base

3 新能源基地接入后系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算分析

本文采用機電-電磁混合仿真的方式對麻城市多能互補百萬千瓦新能源基地接入后的近區(qū)電網(wǎng)進行暫態(tài)穩(wěn)定分析，其中，麻城市多能互補百萬千瓦新能源基地的光伏機組采用電磁暫態(tài)模型進行仿真，電網(wǎng)的其他部分采用機電暫態(tài)模型進行仿真［13-16］。光伏電站整體電磁模型如圖2所示。

圖2 麻城新能源基地光伏電站電磁模型Fig.2 Electromagnetic model of photovoltaic power station in Macheng New Energy Base

基于2022年上半年國調(diào)下發(fā)的低谷方式，對正常方式下近區(qū)500 kV木泉+木孝N-2等故障進行計算分析。麻城新能源基地投產(chǎn)后，與大別山火電廠共用500 kV大別山-道觀河雙回外送通道。為突顯近區(qū)的電力送出穩(wěn)定問題，校核近區(qū)500 kV 木泉+木孝N-2故障時，在40 萬kW 時對新能源機電與大別山電廠發(fā)電功率進行置換［17-18］，研究新能源基地投入運行后對近區(qū)電網(wǎng)特性的影響（滿足陜武直流對鄂東機組開機和旋備的要求）。

陜武特高壓直流投運后，500 kV 木泉+木孝N-2故障會導(dǎo)致大別山、陽邏等鄂東近區(qū)電廠功角失穩(wěn)，鄂東近區(qū)場站電壓失穩(wěn)等問題，故障后需采取閉鎖陜武直流的措施［19］，并且對鄂東地區(qū)機組最小開機及旋備提出了運行要求。麻城新能源基地40萬kW光伏電站投產(chǎn)后，對500 kV木泉+木孝N-2故障進行計算分析。

依據(jù)華中電網(wǎng)的主網(wǎng)穩(wěn)定規(guī)定［20］，當湖北省負荷在2 000萬kW～2 500萬kW之間，陜武直流送鄂負240萬kW～300萬kW之間，對應(yīng)的湖北最小開機要求及旋備要求為：武漢江北東 220 kV 層面最小開機2 臺、黃石黃岡最小開機2臺、光鋼鄂最小開機3臺、鄂東其他片區(qū)最小開機3臺；500 kV層面最小開機0臺。此外，陽邏5號、6號機，大別山1號、2號、3號、4號機需留旋備30%。在計算過程中，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中大別山1 號、2號、3號、4號旋備按10%留取。

在此方式下，若發(fā)生木泉+木孝N-2 故障后，大別山近區(qū)機組曲線如圖3～圖5所示。

圖3 500 kV木泉+木孝N-2故障后機組功角曲線Fig.3 Power Angle curve after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

圖4 500 kV木泉+木孝N-2故障后母線電壓曲線Fig.4 Bus voltage curve after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

圖5 500 kV木泉+木孝N-2故障后麻城新能源光伏機組機端電壓曲線Fig.5 Terminal voltage curve of Macheng new energy PV unit after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

由上計算結(jié)果可見，500 kV 木泉+木孝N-2 故障會導(dǎo)致大別山、西塞山等鄂東近區(qū)電廠功角失穩(wěn)，鄂東近區(qū)場站電壓失穩(wěn)，麻城新能源基地光伏電站脫網(wǎng)，與光伏電站投產(chǎn)前穩(wěn)定情況一致。故障后采取閉鎖陜武直流措施后［21-24］，近區(qū)穩(wěn)定情況如圖6～圖8所示。

圖6 采取閉鎖陜武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2華中機組功角曲線Fig.6 Power angle curve of 500 kV Muquan + Muxiao N-2 Central China Unit after the measure of locking Shaan-Wu DC

圖7 采取閉鎖陜武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2華中母線電壓曲線Fig.7 Central China bus voltage curve of 500 kV Muquan + Muxiao N-2 after the measure of locking Shaan-Wu DC

由圖8 可見，500 kV 木泉+木孝 N-2 故障后采取閉鎖陜武直流的穩(wěn)控措施可使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，現(xiàn)有穩(wěn)控措施可適應(yīng)麻城新能源基地投產(chǎn)后的情況。

圖8 采取閉鎖陜武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2麻城新能源光伏機組機端電壓曲線Fig.8 Terminal voltage curve of Macheng new energy PV unit after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault and locking Shaan-Wu DC

針對 500 kV 木泉+木孝 N-2 故障采取閉鎖陜武直流的穩(wěn)控措施，在滿足鄂東最小開機要求，大別山機組留取10%旋備，校驗以下四種大別山機群不同開機組合的穩(wěn)定特性。

a：大別山機組留10%旋備，新能源40萬kW。

b：大別山機組留10%旋備，新能源關(guān)停。

c：大別山機組關(guān)一機其余留10%旋備，新能源40萬kW。

d：大別山兩臺機組在10%旋備基礎(chǔ)上各多留20萬kW旋備，新能源40萬kW。

四種開機方式對應(yīng)的500 kV木泉+木孝N-2后閉鎖陜武直流后近區(qū)電壓曲線如圖9所示。

圖9 500 kV木泉+木孝N-2閉鎖陜武直流四種開機方式木蘭220 kV電壓曲線對比圖Fig.9 Comparison of voltage curves of four startup modes after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault and locking Shaan-Wu DC

根據(jù)圖9可知，四種開機組合的電壓恢復(fù)曲線相差不大，相較而言穩(wěn)定特性排序為：c＜d＜b＜a，即大別山機組留10%旋備，新能源40萬kWh近區(qū)電壓穩(wěn)定特性相較最好，大別山機組關(guān)一機其余留10%旋備，新能源40萬kWh近區(qū)電壓穩(wěn)定特性相對較差，特性大致如下：

1）麻城新能源基地光伏電站與大別山電廠500 kV機組置換對電壓支撐效果基本一致。

2）在大別山電廠開機一致的情況下，麻城新能源基地開機較不開機對近區(qū)電網(wǎng)電壓支撐效果好，原因是新能源基地在暫態(tài)過程中提供了一定的動態(tài)無功。

4 結(jié)語

本文基于麻城新能源基地光伏電站的電磁模型及電網(wǎng)其他部分的機電模型采用機電-電磁混合仿真對近區(qū)電網(wǎng)進行安全穩(wěn)定計算分析，計算故障為500 kV木泉+木孝雙回N-2故障（滿足陜武直流鄂東地區(qū)最小開機要求），計算結(jié)果表明，500 kV 木泉+木孝N-2 故障仍可能導(dǎo)致陽邏、大別山電廠功角失穩(wěn)，故障后現(xiàn)有閉鎖陜武直流的穩(wěn)定控制措施可適用。