风电对孤立电网第三道防线的影响

时建锋

(云南电网公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000)

风电对孤立电网第三道防线的影响

时建锋

(云南电网公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000)

通过对实际系统建立模型并仿真，分析了风电并网后对孤立电网第三道防线高频切机和低频减载装置动作情况。结果表明风电接入电网后，不可避免地会过切造成系统失稳情况，系统原有的高频切机和低频减载方案已不适合。提出将风电机组高频/低频保护与孤立电网第三道防线建设合理配置方案，对于保证故障后孤立电网第三道防线可靠运行有着重要的现实意义。

风电；第三道防线；孤立电网

0 前言

由于特定的地理条件，我国还存在许多形式各异的中、小规模孤立电网，这类电网通过联络线与外部进行功率交换，极易遭受大的干扰。由于重要机组或重要联络线故障，导致孤立电网形成[1-3]。

为满足规程对电力系统承受第Ⅲ类大扰动时的安全要求，防止系统崩溃，我国电力系统普遍设置了高频切机和低频减载措施作为保证系统安全的第三道防线，在确保电网安全稳定方面发挥了重要作用[4]。

我国风电事业发展迅速，装机容量逐年提高。在实际电网中，故障后孤立电网出现大量风机脱网现象，对孤立电网第三道防线造成严重威胁[5]。文中以某地区220 kV等级孤立电网为研究对象，通过仿真多种工况下风电并网，检验孤立电网高频切机和低频减载动作情况，提出了适用于风电并网的孤网系统高频切机和低频低压减载配置方案。

1 风电并网对孤网第三道防线影响

文中以2013年某电网典型方式下某地区220 kV系统为例进行分析，仿真工具采用PSD-BPA潮流和暂态稳定计算程序[6-9]。根据可研规划，该地区可能新建一座B风电场，这里所模拟的结构可为其他有风电并入的孤网分析提供参考。该地区220 kV系统结构为下图1所示。

图1 2013年某地区220 kV系统

由图1可以看出，假设双回线路A-C发生N-2故障，导致该电网与主网解列，形成孤立电网。

根据规划方案，2013年该孤网系统内水电总计装机容量96.375 MW，其中K、F、J水电厂分别装机容量为1∗50 MW、2∗11 MW、1∗13 MW。B风电场装机容量为99 MW，占装机总量的50.67%。在典型方式 (丰期、枯期)下，该区域平均负荷为80～120 MW。该孤网高频切机方案是，F水电厂52 Hz、0.5 s；J水电厂53 Hz、0.5 s。该孤网低频减载方案是：共设七个基本轮和两个特殊轮。第1基本轮至第7基本轮切负荷比例分别为：4%、5%、6%、6%、6%、6%、6%。频率动作值分别为：49 Hz、48.8 Hz、48.6 Hz、48.4 Hz、48.2 Hz、48 Hz、47.8 Hz，各轮级动作时限均为0.2 s。低频减载第1特殊轮至第2特殊轮切负荷比例分别为：2.5%、2.5%。第1特殊轮动作时限：15 s。第2特殊轮动作时限20 s。

由于我国现行的标准没有对风电机组参与系统调频提出要求，故现有运行风电机组均不参与系统频率调整。在满足 《风电场接入电力系统技术规定》(GBT-19963-2011)条件下，风电场通常考虑保护风电机组需要，将风电机组低频/高频保护范围设定为48～51.5 Hz，若越上限或越下限2 s，机组将会跳闸。鉴于保护未考虑系统调频，本文以此为例，在双回线路A-C发生N-2故障跳闸情况下，对风电机组不同出力对孤网第三道防线影响进行分析，检验相关严重故障下的孤网运行能力。

1)丰期水电满发，风电按0.5的同时率出力。丰期水电出力90 MW，风电出力按0.5的同时率考虑，出力49.5 MW。故障后，功率过剩39.8 WM左右，高周切F水电厂机组后，风电机组切机，低频减载无动作，孤网系统频率迅速恢复至正常范围之内，其稳态的最高频率可达52.5 Hz，稳态恢复频率至50.2 Hz，再经水电一次调频，系统稳定。故障后相关母线正序电压曲线、孤网母线频率见图2所示。图中，Pw是风电机组的实际有功出力；Pwn是风电机组的额定有功功率。

图2 故障后孤网内的特征曲线

2)丰期水电满发、风电按1.0的同时率出力。水电满发出力为90 MW，风电机组出力按1.0的同时率考虑，出力99 MW。故障后，功率过剩99 MW，风电机组检测电网频率超过51.5 Hz，2 s后动作切机，F和J水电厂也相继高频切机。16 s后电网频率出现波动，电网失稳。如图3所示。

图3 故障后孤网内的特征曲线

3)枯期、风电按0.5的同时率出力。水电出力总45 MW，风电机组出力按0.5的同时率考虑，出力49.8 MW。故障后，功率缺额30 MW左右，风电机组检测电网频率低于48 Hz，2 s后动作切机，低频低压共动作7轮，水电机组脱网，孤网失稳。如图4所示。

图4 故障后孤网内的特征曲线

4)枯期、风电按1.0的同时率出力。水电出力总45 MW，风电机组出力按1.0的同时率考虑，出力99 MW。故障后，功率过剩54 MW左右，水电机组高频切机后，风电机组全部切机。由于切除过多电源，系统进入低频状态，低频低压减载动作共7轮后，孤网失稳。如图5所示。

图5 故障后孤网内的特征曲线 (枯期、Pw=100%Pwn)

由上述分析可知：在典型方式下，风电并网与原有的安全控制装置已不配合，如1)中，高频切水电机组与风机切机几乎同时进行，无相互配合，电网虽最终稳定，但导致过切；2)中，过切导致系统失稳；3)中低频减载方案动作缓慢，导致风机低频2s后动作，最后系统失稳；4)中，风电机组高频与高频切机不配合，导致过多切机，进入低频减载阶段，以致系统失稳。可以看出，原有的第三道防线安全控制装置不再适用于风电机组接入。

2 含风电并网的孤网第三道防线方案

2.1 高频切机新方案

考虑到风电并网下，受孤立电网频率变化影响，风电机组基本都会切机，造成与原有的安全控制不配合情况。为了保持电网稳定，通过调研分析，结合电网的实际情况，对有风电接入且上网功率大且呈现波动性、解列后孤网频率升高、水电机组具有一次调频功能等情况，可以先切部分风电机组，然后切水电机组。

由于风电机组占装机总量已超过50%，改进后的安全控制设置还需保证在风电零出力情况下稳定，这里将风电机组发电能力的60%，即49.8 MW，51 Hz、0.5 s和51.5 Hz、0.5 s动作时限；剩余40%，即39.6 MW，51.5 Hz、1.5 s动作时限即放进高频切机方案，F水电厂机组切机延时0.5 s，形成厂网协调方案。风电并网高频切机新方案表1所示。

2.2 低频减载新方案

由于原低频减载方案动作缓慢，造成风电并网功率缺额后负荷、风电过切现象，因此提高低频第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轮机减载容量可有效杜绝此现象，形成厂网协调方案。孤网低频减载新方案是第1基本轮至第7基本轮切负荷比例分别调整为：7 %、8%、8%、6%、3%、3%、3%。频率动作值和时限均不变。

表1 孤网系统高频切机新方案

3 孤立电网第三道防线新方案验证

1)丰期水电满发，风电按0.5的同时率出力。风电场、水电厂出力与2.1情况相同。故障后，风电经三个轮机切除负荷49.5 MW，经20 s后孤网频率稳定在50.3 Hz。新方案相比原高频切机方案解决了水电机组过切水电机组现象，保存了水电机组一次调频作用，母线电压曲线也较好，如图6所示。

图6 故障后孤网内的特征曲线 (丰期、Pw=50%Pwn)

2)丰期水电满发、风电按1.0的同时率出力。风电场、水电厂出力与2.2情况相同。故障后，风电经三个轮机切除，孤网频率在17 s内快速恢复至50.4 Hz。相比原高频切机方案，解决了过切水电机组，且在恢复时间和电压质量方面很好。如图7所示。

图7 故障后孤网内的特征曲线 (丰期、Pw=100%Pwn)

3)枯期、风电按0.5的同时率出力。风电，水电机组出力与2.3相同。故障后，低频减载共动作3轮，切除负荷28 MW，孤网频率在5 s恢复稳定。由于低频减载方案设置得当，相比原方案维护了风电电源对孤立电网支撑的作用，避免了电网失稳。如图8所示。

图8 故障后孤网内的特征曲线 (枯期、Pw=50%Pwn)

4)枯期、风电按1.0的同时率出力。风电，水电机组出力与2.4相同。故障后，风电经过两个轮机，切除负荷59.4 MW，孤立电网频率经20 s后恢复至50.3 Hz，再经水电机组的一次调频后，电网稳定。可以看出，新高周切机方案相比原方案，在孤立电网功率过剩频率升高时，避免了过切水电机组，有效稳固了孤立电网第三道防线。如图9所示。

图9 故障后孤网内的特征曲线 (枯期、Pw=100%Pwn)

5)检验新方案在风电出力为零时，对孤立电网的适应性。在水电丰期和枯期 (水电出力不小于45 MW，小于此值孤网将不能稳定)两种情况下，依靠新低频减载方案，孤立电网能可靠稳定，如图10所示。

图10 故障后孤网内的特征曲线 (丰期或枯期、Pw=0)

4 结束语

文中以某地区孤立电网为对象，通过建立风电并网孤立电网的模型，分析了各种工况下，风电并网对孤立电网第三道防线的影响。提出了利用风电机组高频/低频保护与孤立电网第三道防线配合设置，形成了新的高频切机和低频减载方案。仿真结果表明，此方案既能大大化解风电对故障后孤立电网的影响，又能起到电源支撑作用，对孤立电网建立安全可靠第三道防线提供了保证。

1)由于风电并网不能参与电网的一次调频，在故障后孤立电网发生高频后，可考虑先行切除部分风电机组。

2)风电作为一个电源点，应发挥对故障后孤立电网支撑作用，避免过切造成孤立电网失稳。

3)风电并网的孤立电网，低频减载方案需适当提高第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轮机的减载容量。

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Analysis and Countermeasures of Wind Power on the Third Defense Line for Isolated Power-grid

SHI Jianfeng
(Yunnan Qujing Power Supply Bureau，Qujing，Yunnan 655000)

With the access of wind power，it brings a greater impact on the stability of the isolated power-grid.Based on the actual system model and simulation，this article analyzes the third defense line of high-frequency cut machine and under frequency load shedding(UFLS)device operation for the wind power access of isolated power-grid.The results shows that wind power will inevitably bring about over-cut causing system instability，and the original high-frequency cut machine and UFLS design is not suitable. Proposed rational configuration scheme of wind machine high frequency/low frequency protection and isolation power-grid，to ensure reliable operation of the third defense line of isolated power-grid after the failure has important practical significance.

wind power；the third defense line；isolated power-grid

TM73

B

1006-7345(2014)05-0031-04

2014-04-02

时建锋 (1982)，男，硕士，工程师，云南电网公司曲靖供电局，从事电力系统运行方式及稳定控制研究 (e-mail)shijianfengyx＠163.com。