电网约束条件下的酒泉风电送出研究

何世恩，张柏林，崔岗，李晓虎，马彦宏，刘福潮，刘光途

（1.甘肃省电力公司 风电技术中心，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省电力公司 调度通信中心，甘肃 兰州 730050）

风能是一种洁净的、储量极为丰富的可再生能源。受化石能源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，随着风能最主要的利用形式——风力发电的发展十分迅速，世界风电装机容量的年平均增长率超过了30%。风能将是21世纪最有发展前景的绿色能源，是人类社会可持续发展的主要新动力源。

甘肃是我国风能资源相对丰富的省区之一，风能资源理论储量237 GW。而位于河西走廊西端的酒泉地区是甘肃风能资源最为丰富的地区，风能资源可开发量在40 000 MW左右。酒泉地区是我国规划建设的第一座千万千瓦级风电基地。2009年8月8日，酒泉风电基地正式开工建设。到2010年底，酒泉风电基地装机容量达到5 160 MW，到2015年，达到12 710 MW，到2020年，达到20 000 MW[1]。

风电接入对电网的影响已经有大量研究[2-6]，文献[2]提出了有关研究课题，文献[3]对大型风电场接入后的电力系统暂态稳定性的影响进行了研究，通过仿真计算得出结论：基于双馈风电机组的风电场对电力系统暂态稳定性的影响要好于在同一点上接入相同容量的同步发电机组。文献[4]主要研究风电场接入对电网带来的各方面影响，阐述了风电场接入电力系统研究的新进展、研究方法及相关结论。文献[5]结合实际分析了风电场对调度运行的影响。文献[6]在规划的西北、新疆电网联网的条件下，仿真研究了河西走廊远距离大容量输电问题。可以看出，由于电网薄弱风电送出受限情况下，研究风电并网并提出合理的措施来提高风电接纳的文献很少。

嘉酒电网位于甘肃电网末端，按负荷中心划分，该网分为东西两部分，东部电网的330 kV嘉峪关变通过330 kV线路与主网连接，西部电网的330 kV瓜州变、玉门变通过一回330 kV线路与嘉峪关变链式相连。为了保证嘉峪关、敦煌等重要旅游景点的供电可靠性，嘉酒电网采用330/110 kV电磁环网供电形式。嘉酒电网风电的集中上网点主要在嘉酒电网西部的330 kV瓜州、330 kV玉门变变和110 kV阳关变，截至2009年12月底，风电装机容量已达到807.1MW。此外，嘉酒网内的小水电发展也相当迅速，但是布局相对于风电来说较为均衡，目前小水电的规模已达到252.93 MW，东西部大约各占50%。目前，嘉酒网内最大用电负荷为480 MW，在平衡网内用户电厂出力后，有600 MW以上富裕的风电、水电需要送出，送出受限的矛盾更加突出，加之水电发电的季节性和风电发电的随机性，给调度运行带来了极大的困难[7]。

解决嘉酒电网风电、水电的送出问题，可从两个方面着手，一是加强电网结构；二是合理布置稳定控制装置。目前在建的河西750 kV电网将于2010年底投运，但是在750 kV网架建成前的过渡时期，采用稳定控制装置将是提高嘉酒电网风电、水电送出能力的主要途径。本文结合嘉酒电网中风电场接入系统的实例，分析了风电接入后对电网暂态稳定性的影响，以及通过合理配置安全自动装置对提高电网暂态稳定性和提高风电送出能力的作用。

1 电网结构及计算条件

1.1 电网结构

嘉酒电网主要分为2个部分，嘉酒东部和嘉酒西部电网。其中嘉酒东部电网是以330 kV嘉峪关变为核心的辐射状供电网络，嘉酒西部电网是以330 kV瓜州变、330 kV玉门变为核心的辐射状供电网络，东、西部电网通过330 kV瓜玉线、嘉玉线及110 kV电网电磁环网运行。截至2009年底的嘉酒电网见图1，风电场装机容量见表1。

图1 截至2009年底的嘉酒电网示意图

表1 2009年底嘉酒电网风电场装机容量MW

1.2 计算条件

1）采用电力系统综合分析程序[8]中提供鼠笼式风电机组模型和双馈直驱风机通用模型（数据见附录），并与电网其余元件联接，形成含有风电场的电网计算模型。其中A、B、C风电场为鼠笼式风电机组，D、E、F、G风电场为双馈风机。鼠笼式风电机组在电网足够强壮、风电场装机容量又不是很大的情况下，在故障清除后依靠电网提供励磁就可以恢复机端压，其暂态电压稳定性能够得到保证；但是在电网不够强壮且风电场的装机容量又很大的情下，依靠电网及风电机组自身的能力其机端电压无法重建。双馈风机由于具有变速运行的特性，能够提高风电机组的风能转换效率，实现最大风能捕获并减小风电机组机械部件所受应力，并且能够通过变频器控制系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制，改善风电场功率因数及电压稳定性，因此其静态及暂态电压稳定性要远远好于基于普通异步发电机的鼠笼式风电机组，但由于故障情况下线路切除导致电网结构变弱，机端电压降低，风电机组有功功率可能无法完全送出，风电机组机械转矩大于电磁转矩引起风电机组超速，会导致整个风电场内所有风电机组超速保护动作将风电机组切除，影响到了风电场运行及电网安全。

2）根据文献[9]第一级安全稳定标准的规定，计算采取的故障集主要为元件N-1故障，其中：同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线路三相故障断开不重合；两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路故障或无故障断开，必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的措施。

3）安全稳定的标准为：当系统受到2）中故障的扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，保持电网稳定运行和向负荷正常供电，同时保证风电机组挂网安全运行。

4）初始运行状态下，风电场高压侧功率因数保持在1.0，即风电机组吸收的无功功率和风电场升压站变压器的无功损耗由风电机组机端电容器和变电站无功补偿装置补偿。

2 嘉酒电网暂态稳定性分析

嘉酒网内仅有两回330 kV线路，网内的110 kV线路多为长线路供电，线型多为LGJ原150和LGJ原120，此外，嘉酒网通过330 kV嘉张双回线与主网连接。因此如图1所示，嘉酒网有四个重点断面。

2.1 断面玉

断面玉是由330 kV瓜玉线与110 kV瓜镇双回线形成的电磁环网，按330 kV瓜玉线发生三相永久性故障校核，瓜玉线暂态稳定极限按140 MW控制。当瓜玉线潮流大于145 MW后，330 kV瓜州变及其110 kV系统的母线电压均不能恢复至正常水平，A、B、C风电场异步发电机滑差持续降低不能恢复，异步发电机组加速失稳系统失稳时的有关变量随时间的变化如图2所示。

图2 系统失稳时有关变量随时间变化曲线

应注意，此时嘉酒网内其他火电水电机组的功角仍然保持稳定。其中，U为风电场所在母线电压，s、Q分别为风电机组滑差、无功功率，啄为功角特性曲线，该曲线反映嘉酒网内其他火电、水电机组与主网大机组间的功角特性，监测系统发生故障时除风电机组外，嘉酒网内其他火电、水电机组是否存在功角失稳的情况，系统功率基准值为100 MV·A。

当瓜玉线潮流在140 MW以下时，330 kV瓜玉线发生三相永久性故障后嘉酒电网可以保持稳定运行，系统稳定时有关变量随时间的变化如图3所示。

图3 系统稳定时有关变量随时间变化曲线

在故障发生的初始瞬间，由于电磁惯性的缘故，发电机内电势远高于故障端电压，表现为异步发电机向系统倒送无功功率，由于转子磁链的衰减很快，这个过程很快结束，故障清除后，发电机从系统吸收无功功率。应注意，由于此时330 kV瓜玉线潮流转移至110 kV瓜镇双回线，暂态过程中瓜州变110 kV系统母线电压最高电压为额定电压的1.2 pu，系统稳定后瓜州变110 kV系统母线电压小于1.1倍额定电压，虽然满足风电场对最高运行电压的要求，但需要运行人员对110 kV系统的运行电压进行适当的调整。

2.2 断面域

断面域是指330 kV嘉玉线。330 kV嘉玉线的暂态稳定极限按照100 MW控制，当嘉玉线潮流大于100 MW后，嘉玉线发生三相永久性故障，330 kV瓜州变、玉门变及其110 kV系统的母线电压均不能恢复至正常水平，A、B、C风电场异步发电机滑差持续降低不能恢复，此时嘉酒网内其他火电水电机组的功角仍然保持稳定。另外当嘉玉线无故障断开，330 kV线路潮流转移至110 kV线路，可能造成110 kV相关线路过载问题，因此该断面还需加装判断线路无故障断开、相关110 kV线路过载切机功能。

2.3 断面芋

断面芋是由110 kV嘉阳线、新八线、八玉线形成。该断面的主要问题是正常电磁环网运行以及330 kV嘉玉、玉瓜线停运，而玉门镇变、阳关变上网的风电、小水电机组大发时，110 kV嘉阳线、新八线、八玉线的过载问题，因此该断面主要考虑线路过载切机装置。

2.4 断面郁

断面郁是嘉酒网与主网的连接通道——330 kV嘉张双回线。在风电接入嘉酒电网后，该断面暂态稳定极限按300 MW控制。当嘉张双回线潮流大于310 MW后，嘉张一回线发生三相永久性故障，330 kV瓜州变、玉门变及其110 kV系统的母线电压均不能恢复至正常水平，A、B、C风电场异步发电机滑差持续降低不能恢复，此时嘉酒网内其他火电水电机组的功角仍然保持稳定。

对比断面玉、断面域和断面郁存在的主要问题都是系统发生严重故障后，330 kV瓜州变、玉门变及其110 kV系统的母线电压均不能恢复至正常水平，A、B、C风电场异步发电机滑差持续降低不能恢复，而D、E、F、G风电场均采用双馈机组，不存在上述问题。此外，在一定潮流范围内，风电场发电机组失稳并不会导致嘉酒电网的失稳，从故障后嘉酒网内火电、水电机组能够与主网大机组保持功角稳定可以看出这一点。因此断面玉、断面域和断面郁主要考虑线路发生故障后的联切相应风电机组的装置。

3 安全自动装置的配置及效果

在风电场接入嘉酒电网后，一方面为了提高电网的输送能力，解决风电出力受限的局面，另一方面解决断面玉、域、郁存在的暂态稳定问题，以及断面芋存在的过载问题，考虑在嘉酒电网内几个关键变电站配置相应的安全自动装置，组成嘉原玉原瓜稳定控制系统。

该稳定控制系统主要有330 kV瓜州变电站、嘉峪关变电站、玉门变电站，110 kV新北郊变电站、玉门镇变电站、玉门市变电站及阳关变电站组成，其中瓜州变为控制主站，其余为控制子站。

3.1 安全自动装置的策略

对于断面玉、域、郁，主要考虑330 kV瓜玉、330 kV嘉玉或330 kV嘉张双回线中的一回发生三相永久性故障后电网的暂态稳定性，要求安全自动装置在线路故障后，在A、B、C、D、E、F、G风电场中选择合适的风电场进行切除。同时对断面域无故障断开，判断110 kV电网线路是否过载，在A、B、C、D、E、F、G风电场中选择合适的风电场进行切除。对于断面芋，主要考虑110 kV嘉阳线、新八线、八玉线的过载问题，要求安全自动装置在监测到110 kV嘉阳线、新八线、八玉线的过载时，在A、B、C、D、E、F、G风电场中选择合适的风电场进行切除。安全自动装置的配置策略见表2。

表2 安全自动装置的配置策略表

3.2 安全自动装置配置后的效果

系统故障后，通过安全自动装置切除风电机组，可快速隔离风电机组暂态过程中从电网吸收的无功功率，从而快速恢复系统电压，保证向网内负荷正常供电。图4是瓜玉线潮流190 MW时，采取和不采取切除风电机组措施的系统电压恢复情况比较。可见，故障后切除风电机组是有效的控制手段。

图4 故障后切机/不切机系统电压恢复比较

通过合理配置安全自动装置，提高了嘉酒电网的输电能力，表3列出了断面玉、域、芋、郁在安全自动装置配置前后的最大输电能力，现场实际运行中也得到验证。

表3 安全自动装置配置前后断面玉、域、芋、郁的动稳定水平

3.3 有关问题讨论

风电接入电网技术规定[10]对并网风电机组提出了要求。在上例所研究的嘉酒电网内切除400 MW的风电电源后，网内110 kV电网最低频率为49.48 Hz，而330 kV主网最低频率为49.9 Hz，风电电源的切除对电网的频率未造成明显的影响。这说明当风电场规模较小且送电通道受限时，风电机组可以不具备低电压穿越能力，以降低风电机组成本，电网发生故障时不具备低压穿越能力的机组可以根据实际情况整定及时切除；但是，应当注意，若电网中接入有大量风电机组，风电机组应具备低电压穿越能力。电网发生故障后安全自动装置切除一定容量的风电机组以保证稳定水平，而其余机组必须保持并网以免系统频率越界甚至不稳定。

如果局部电网仅用于风电送出，在不影响电力供应的前提下，可以不考虑N-1原则，以提高风电的送出能力。

4 结语

1）风电作为洁净能源，是国家重点扶持的主要新动力源，因此对于风电的开发、利用应作系统的规划，电网规划要与之协调配合，同时对风电接入电网后的调度运行应作更加深入、系统的研究。

2）在风电接入电网的初期，可适当的采用安全自动装置来解决风能送出与电网传输之间的矛盾，并不断完善，使风电控制更加公平、精确，并尽可能减小风电损失。

3）受不同类型风电机组性能的影响，对于网架结构薄弱的电网，采用双馈机组或永磁直驱机组更为适宜。

4）嘉酒电网的稳定计算结果表明，当鼠笼机组失稳时，风机所接入的系统未必失稳，这取决于风机所占系统总装机的比例，以及系统潮流分布情况。

附录

风电机组参数（机组容量标幺值）：

鼠笼机组：单机额定有功功率0.75 MW；切入风速4 m/s；额定风速15 m/s；切出风速25 m/s；转子电阻0.017 18 pu；转子电抗0.124 pu；定子电抗0.11 pu；定子开路转子回路电气时间常数1.47 s；转子转动惯量6 s；传动系统时间常数1 s；电机转子额定转速1 200rpm。

双馈机组1：单机额定有功功率1.5 MW；电机转子额定转速1 200 rpm；转子转动惯量1.14 s；切入风速3 m/s；额定风速11.8 m/s；切出风速25 m/s；风轮半径35.2 m；风轮惯性时间常数7.64 s；风轮额定转速15.4 rpm ；无功上限0.312 pu；无功下限0.436 pu；控制方式原功率因数；轴系模型原双质块；轴系弹性系数1.246 pu；阻尼系数1.5 pu；风电场空气密度1.23 kg/m3。

双馈机组2：单机额定有功功率0.85 MW；电机转子额定转速1 620 rpm；转子转动惯量1 s；切入风速4 m/s；额定风速15 m/s；切出风速25 m/s；风轮半径26 m；风轮惯性时间常数5 s；风轮额定转速20 rpm；无功上限0.192 pu；无功下限0.312 pu；控制方式原功率因数；轴系模型原双质块；轴系弹性系数2.79 pu；阻尼系数1 pu；风电场空气密度1.06 kg/m3。

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[10]国家电网公司标准,Q/GDW 392-2009风电接入电网技术规定[S].