代明，陳得治，嚴(yán)鳳，劉文軒

（1.華北電力大學(xué)，河北保定071000;2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

我國風(fēng)能資源總體非常豐富，但風(fēng)能主要集中在西北和東北遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的地區(qū)，而電力負(fù)荷主要分布在京津唐、長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)。資源與負(fù)荷分布的不均衡決定了我國近階段要大規(guī)模發(fā)展新能源，并采取建設(shè)大電源基地、融入大電網(wǎng)的規(guī)劃和布局方式[1-2]，在更大的范圍內(nèi)消納風(fēng)電。高壓直流是解決風(fēng)電輸送問題的有效辦法之一，而直流孤島運(yùn)行方式是高壓直流送電比較典型的運(yùn)行方式（如向—上直流孤島運(yùn)行方式解決水電輸送）。

風(fēng)電作為間歇性電源，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)在優(yōu)化地區(qū)電源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，給電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰、無功電壓控制等方面帶來很大沖擊。本文以某大型風(fēng)電基地輸電規(guī)劃為基礎(chǔ)，結(jié)合《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》、《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》等相關(guān)規(guī)范的要求，深入研究直流孤島外送規(guī)模化風(fēng)電系統(tǒng)的電壓、頻率、功角運(yùn)行特性，針對(duì)此系統(tǒng)運(yùn)行存在的風(fēng)險(xiǎn)問題提出相應(yīng)的防控建議[3-4]。

1 邊界條件

1.1 直流孤島外送風(fēng)電系統(tǒng)的構(gòu)建

本文基于未來目標(biāo)年某大型風(fēng)電基地的風(fēng)火電打捆直流送出的實(shí)際規(guī)劃方案，搭建了直流孤島外送風(fēng)電的仿真算例系統(tǒng)，其中的直流系統(tǒng)采用額定負(fù)荷傳輸、定功率控制的方式。

風(fēng)火打捆外送按照火電相對(duì)于風(fēng)電裝機(jī)容量最小配比為2∶1的原則配置，在風(fēng)電零發(fā)的時(shí)候，由火電來補(bǔ)充功率的缺失，在風(fēng)電滿發(fā)的時(shí)候，對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行出力控制，確保直流送電的平穩(wěn)性和通道的充分利用性。本算例系統(tǒng)火電基地容量3 800 MW，風(fēng)電基地容量1 644 MW。由于系統(tǒng)是風(fēng)電直流外送系統(tǒng)，所以當(dāng)?shù)刎?fù)荷較小，除了電廠的自身廠用電，有功負(fù)荷僅為305 MW，無功負(fù)荷135 MV·A。本文基于風(fēng)電零出力、滿出力2個(gè)典型方式進(jìn)行系統(tǒng)特性的分析、研究[5-6]。

表1 火電廠容量Tab.1 Capacity of thermal power plants

圖1是風(fēng)電直流孤島運(yùn)行系統(tǒng)的接線示意圖，包括風(fēng)電場、火電廠以及變電站的名稱、布局。

1.2 研究工具

本次研究的潮流和穩(wěn)定分析，采用PSD電力系統(tǒng)分析軟件工具包完成，包括：

1）PSD-BPA潮流計(jì)算程序。

2）PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算程序。

圖1 直流孤島系統(tǒng)接線示意圖Fig.1 DC island system schematic diagram

3）PSD-CLIQUE地理接線圖格式潮流圖繪制程序。

4）MYCHART穩(wěn)定計(jì)算曲線繪制程序。

2 直流孤島外送風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

風(fēng)火打捆送端系統(tǒng)的裝機(jī)容量很大，集中化程度較高，且既有風(fēng)電也有火電，送端負(fù)荷較小，直流是此系統(tǒng)外送的唯一通道，大部分電力將通過直流通道送出。

就出力外特性而言，風(fēng)電是間歇式電源，它具有大幅、高頻、長時(shí)間波動(dòng)尺度的出力特性，并網(wǎng)后電網(wǎng)潮流分布隨風(fēng)電出力波動(dòng)而發(fā)生改變，增加了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，如元件是否重載、過載、是否會(huì)影響系統(tǒng)功角穩(wěn)定性等。

就風(fēng)電機(jī)組模型而言，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性影響較大的有兩方面：一是風(fēng)電機(jī)組的無功電壓電氣控制模式；二是風(fēng)電機(jī)組是否具有低電壓穿越能力。本研究中設(shè)定風(fēng)電機(jī)組無功電壓控制模式為恒定功率因數(shù)1，且具有按照并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低電壓穿越能力。

2.1 典型方式潮流圖

圖2為直流孤島送端的常規(guī)機(jī)組均勻開出，風(fēng)電零出力的典型方式潮流圖。

圖2 常規(guī)機(jī)組均勻開出、風(fēng)電零出力，直流孤島送端電網(wǎng)典型方式潮流圖Fig.2 Flow diagram of conventional unit uniform open,zerooutput of wind power and DCisolated sending-oriented power grid

當(dāng)直流孤島輸電的送端風(fēng)電出力滿發(fā)時(shí)，為了保證直流定功率送出，開出的常規(guī)機(jī)組要均勻降低出力來接納風(fēng)電，圖3即為相應(yīng)的此典型方式潮流圖。

圖3 常規(guī)機(jī)組均勻開出、風(fēng)電滿出力，直流孤島送端電網(wǎng)典型方式潮流圖Fig.3 Flow diagram of conventional unit uniform open,full output of wind power and DC isolated sending-oriented power grid

2.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算列表

由穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（見表2、表3和表4）可知：風(fēng)電零出力、滿出力2種典型方式下，線路N-1故障時(shí)系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定；當(dāng)系統(tǒng)N-2故障時(shí)，風(fēng)電零出力下除了標(biāo)號(hào)為11、13、14線路N-2系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定，其余線路N-2故障系統(tǒng)都不能維持穩(wěn)定；當(dāng)風(fēng)電滿出力下，除了標(biāo)號(hào)為11、12、14線路N-2系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定，其余線路N-2故障系統(tǒng)都不能維持穩(wěn)定。

2.3 直流孤島運(yùn)行系統(tǒng)N-1故障分析

圖4～8為風(fēng)電零出力、滿出力方式下先鋒站到換流站線路N-1故障對(duì)比的仿真結(jié)果。

由圖4火電二廠G5機(jī)組功角輸出可知：風(fēng)零、風(fēng)滿方式下的N-1故障發(fā)電機(jī)功角都穩(wěn)定，但是風(fēng)電滿發(fā)比風(fēng)電零發(fā)的功角曲線平緩，波動(dòng)的幅度較小。

由圖5可知：在風(fēng)滿、風(fēng)零方式N-1故障下的火電二廠G5機(jī)組的速度偏差都在合理范圍內(nèi)，但是風(fēng)電滿發(fā)比風(fēng)電零發(fā)的速度偏差曲線平緩，波動(dòng)的范圍較小。

表2 直流孤島外送系統(tǒng)判穩(wěn)條件Tab.2 Stable operation conditions of DC island sending system

表3 常規(guī)機(jī)組均勻開出、風(fēng)電零發(fā)、安全穩(wěn)定分析結(jié)果Tab.3 Results of uniform open,zero-fat of wind power,safe and stable for conventional units

表4 常規(guī)機(jī)組均勻壓出力、風(fēng)電滿發(fā)、安全穩(wěn)定分析結(jié)果Tab.4 Results of uniform open,full-fat of wind power,safe and stable for conventional units

圖4 火電二廠G5發(fā)電機(jī)組功角Fig.4 Power angleof thermalpower twoplant G5generators

圖5 火電二廠G5發(fā)電機(jī)組速度偏差Fig.5 Speed deviation of thermal power two plant G5 generators

由圖6火電二廠G5機(jī)組輸出功率可知：風(fēng)零、風(fēng)滿方式下N-1故障消除后，發(fā)電機(jī)組有功功率都可恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)合理值。

圖6 火電二廠G5發(fā)電機(jī)組輸出功率Fig.6 Output power of thermal power two plant G5 generators

由圖7可知：風(fēng)零、風(fēng)滿方式下N-1故障的母線頻率偏差一般都在0.2 Hz以內(nèi)，屬于正常的范圍。從頻率波動(dòng)的幅度來看，相對(duì)于風(fēng)電零發(fā)，風(fēng)電滿發(fā)波動(dòng)幅值要小一些。

圖7 系統(tǒng)頻率偏差Fig.7 System frequency deviation

由圖8可知：電壓的波動(dòng)在故障消除后都能夠恢復(fù)到正常水平，風(fēng)零、風(fēng)滿方式下系統(tǒng)最高電壓分別約為1.07 pu、1.05 pu。

圖8 系統(tǒng)母線電壓Fig.8 System bus voltage

2.4 直流孤島運(yùn)行系統(tǒng)N-2故障分析

由表3和表4可看出：在風(fēng)零、風(fēng)滿方式下風(fēng)云-換流站線路N-2故障時(shí)都能保持穩(wěn)定，但是仿真結(jié)果有所差別，圖9~11是對(duì)比的仿真結(jié)果。

圖9 系統(tǒng)母線頻率偏差Fig.9 System bus frequency deviation

從圖9可以看出，線路出現(xiàn)N-2故障后，風(fēng)電滿發(fā)時(shí)系統(tǒng)母線頻率偏差要比風(fēng)電零發(fā)大。

從圖10可以看出，在發(fā)生N-2故障后，風(fēng)電零發(fā)時(shí)，G5發(fā)電機(jī)的功角波動(dòng)較小，經(jīng)過較短時(shí)間恢復(fù)到穩(wěn)定水平；在風(fēng)電滿發(fā)時(shí)，G5的功角波動(dòng)較大，經(jīng)過較長時(shí)間擾動(dòng)，最后同樣也恢復(fù)穩(wěn)定。

圖10 發(fā)電二廠G5發(fā)電機(jī)功角Fig.10 Power angle of power two plant G5 generator

圖11 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓Fig.11 Node voltage of system

從圖11可以看出，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓風(fēng)電滿發(fā)要比風(fēng)電零發(fā)偏低。這樣風(fēng)電不能對(duì)系統(tǒng)的電壓做較好的支撐。

由圖9~11的仿真結(jié)果可知：大多情況下風(fēng)電場在故障后對(duì)系統(tǒng)頻率、電壓恢復(fù)不能提供很好的支撐，甚至發(fā)生風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)情況，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，使系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)的能力變差[7]。

3 規(guī)?；L(fēng)電直流孤島外送運(yùn)行特性分析

通過風(fēng)電零發(fā)和風(fēng)電滿發(fā)的方式下，對(duì)系統(tǒng)頻率、母線電壓、發(fā)電機(jī)功角進(jìn)行比較，在N-1故障時(shí)，在風(fēng)力輸出穩(wěn)定的理想情況下，可以看出風(fēng)滿要比風(fēng)零穩(wěn)定。這初看有悖于平時(shí)的思維，認(rèn)為風(fēng)電接入定會(huì)給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定，但這也要分情況。在此種N-1故障情況的下，風(fēng)滿表現(xiàn)出更穩(wěn)定特性，直接原因就是風(fēng)電的接入使系統(tǒng)的功率流改變了。在風(fēng)電零發(fā)時(shí)，發(fā)電廠的功率完全由發(fā)電廠的線路輸送到換流站，此時(shí)電廠的發(fā)電功率很大，并且較為集中，線路的潮流較重，在線路發(fā)生故障時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的沖擊較大；而在風(fēng)電滿發(fā)的時(shí)候，常規(guī)電廠由于調(diào)峰的原因，降出力運(yùn)行，另一部分功率則由風(fēng)電場輸送到換流站，這樣的結(jié)果就造成風(fēng)零方式下的功率輸送較為集中，而風(fēng)滿方式下的功率輸送相對(duì)分散。由此風(fēng)滿方式下的N-1故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊比風(fēng)零方式下的要小，所以才出現(xiàn)風(fēng)滿方式下系統(tǒng)的頻率、母線電壓、發(fā)電機(jī)功角波動(dòng)更小一些的現(xiàn)象[8]。

對(duì)于N-2故障而言，無論是風(fēng)零還是風(fēng)滿方式，除了個(gè)別線路外，其余多條線路在故障后都不能維持穩(wěn)定，同時(shí)，風(fēng)滿方式下對(duì)系統(tǒng)的沖擊要比風(fēng)零方式下的大。由圖9~11的仿真結(jié)果可知，大多情況下，風(fēng)電場在故障后對(duì)系統(tǒng)頻率、電壓恢復(fù)不能提供很好的支撐，甚至發(fā)生風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)情況，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，使系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力變差。

4 維持直流孤島系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行控制策略

4.1 直流調(diào)制功能

在系統(tǒng)發(fā)生比較嚴(yán)重的故障時(shí)，比如N-2故障或者風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等原因，使電網(wǎng)的功率不平衡，造成系統(tǒng)頻率降低甚至失穩(wěn)等問題?？赏ㄟ^直流調(diào)制，直流降功率運(yùn)行，來減小由于功率缺失造成的頻率問題。直流調(diào)制一般在系統(tǒng)頻率降低到49.3 Hz的時(shí)候，延遲10個(gè)周波（0.2 s）開始降功率運(yùn)行，電網(wǎng)頻率開始恢復(fù)。當(dāng)矸石電廠發(fā)生N-2故障的擾動(dòng)，系統(tǒng)頻率降低，部分風(fēng)機(jī)由于低電壓穿越能力不足等原因，不能承受擾動(dòng)，發(fā)生脫網(wǎng)，致使系統(tǒng)頻率進(jìn)一步降低，直至低于49 Hz，系統(tǒng)頻率失穩(wěn)。通過直流調(diào)制后系統(tǒng)頻率可恢復(fù)至穩(wěn)定，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 直流調(diào)制對(duì)系統(tǒng)頻率恢復(fù)作用Fig.12 Effect of DC modulation on the restore of the system frequency

可以看出，在進(jìn)行直流調(diào)制過程后，系統(tǒng)的頻率逐步恢復(fù)，最后穩(wěn)定在49.8 Hz以上，高于系統(tǒng)要求的49.5 Hz，滿足了系統(tǒng)頻率要求。

4.2 提高系統(tǒng)備用容量

平常系統(tǒng)一般留有2%～5%的備用容量，在這種網(wǎng)架比較薄弱，又接入了大量的風(fēng)電直流孤島運(yùn)行系統(tǒng)，適當(dāng)提高系統(tǒng)備用容量對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有重要意義。對(duì)于同樣的矸石電廠發(fā)生N-2故障，且部分風(fēng)機(jī)又相繼脫網(wǎng)，造成系統(tǒng)頻率失穩(wěn)出現(xiàn)。通過對(duì)基礎(chǔ)方式的開機(jī)方式備用容量進(jìn)行增大調(diào)整，并對(duì)增加備用前后的仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)備用對(duì)系統(tǒng)的影響Fig.13 System backup effect on the system

可以看出，系統(tǒng)的備用容量對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定有明顯的作用。在風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)造成系統(tǒng)功率缺額后，系統(tǒng)備用容量越大，系統(tǒng)的頻率偏差越小。在系統(tǒng)功率缺額150 MW后，基礎(chǔ)方式3%備用情況下，頻率偏差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 Hz，對(duì)系統(tǒng)頻率安全夠成嚴(yán)重影響。但是系統(tǒng)備用容量在6%的情況下，在同樣缺額150 MW的情況下，系統(tǒng)頻率偏差不會(huì)達(dá)到1 Hz，說明系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)。由于直流孤島輸電系統(tǒng)比較特殊，為了能夠確保風(fēng)電輸送的安全性，可以適當(dāng)提高系統(tǒng)的備用容量來維持系統(tǒng)穩(wěn)定[9]。

5 結(jié)論

對(duì)于規(guī)模化風(fēng)電直流孤島外送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了在風(fēng)零、風(fēng)滿典型方式下，系統(tǒng)發(fā)生N-1、N-2故障時(shí)的功角、電壓以及頻率等運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在電網(wǎng)發(fā)生較為嚴(yán)重故障時(shí)的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)可能會(huì)給系統(tǒng)帶來頻率失穩(wěn)的問題。但是從另一個(gè)角度來看，在某些典型方式下，由于風(fēng)電接入后分散了直流孤島送端系統(tǒng)各元件的功率流，也一定程度上降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于嚴(yán)重故障下風(fēng)電脫網(wǎng)給系統(tǒng)帶來的頻率穩(wěn)定問題，可通過直流調(diào)制和增加系統(tǒng)備用等措施來增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率安全性。

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