新能源接入对西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性影响分析

孙玉娇，吴俊玲，王雅婷，申洪，周勤勇，程丽华

(1. 中国电力科学研究院，北京市 100192；2. 河南省高压电器研究所，河南省平顶山市 467000)

新能源接入对西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性影响分析

孙玉娇1，吴俊玲1，王雅婷1，申洪1，周勤勇1，程丽华2

(1. 中国电力科学研究院，北京市 100192；2. 河南省高压电器研究所，河南省平顶山市 467000)

西北地区新能源接入主要受西北—新疆联网通道输电能力的影响和限制，为合理规划发展西北地区新能源，对新能源接入与西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性进行了研究。采用PSD-BPA机电暂态仿真程序，分析了新疆哈密地区风电、甘肃河西走廊地区风电、甘肃金昌等地光伏电源以及青海柴达木地区光伏电源接入后，对西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性的影响。结果表明：哈密风电接入规模及风电机组控制方式对西北—新疆联网通道输电能力的影响不大，但哈密风电接入会降低系统的安全稳定水平；而甘肃风电及光伏电源的接入有利于西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定水平的提高；青海地区光伏电源的接入会使西北—新疆联网通道输电能力下降，且使西北—新疆联网第一通道安全稳定性下降，但会使总的新能源接入规模得到大幅提高。根据分析结果，建议合理发展青海、甘肃光伏电源规模，并注意发展比例。同时，在发展大规模风电及光伏电源的同时，应注意西北—新疆联网通道安全稳定控制措施的合理制定。

风电；光伏；西北—新疆联网通道；输电能力；安全稳定性

0 引 言

目前，西北电网已形成750 kV主网架，西北—新疆联网通道作为西北地区与新疆联网的咽喉要道，不仅承担起新疆煤电外送的重任，同时新疆起点汇集了新疆哈密地区大规模风电，且为哈密—郑州±800 kV特高压直流工程落点，而中间途径甘肃嘉酒、金昌地区及青海柴达木地区，汇集了大量的风电及光伏电源，其中，位于西北—新疆联网第一通道上的桥湾750 kV变电站又为酒泉—湖南±800 kV特高压直流工程落点，因此，西北—新疆联网通道既是常规交流输电通道，也是大规模新能源汇集通道，同时又与2条±800 kV特高压直流相联，属于多直流送出通道，其运行特性十分复杂。由于该通道线路较长，电气距离远，属于西北电网的薄弱环节，其安全稳定运行对西北电网以及华北-华中电网的安全稳定运行均起到至关重要的作用。

西北地区风能及太阳能资源十分丰富，适合大规模风电、光伏电源的开发利用，而风电及光伏电源出力具有随机波动性，其大规模接入将对电网的电压稳定性、暂态稳定性产生较大影响，并增加调度运行的复杂性。西北—新疆联网通道汇集了新疆哈密地区大规模风电、甘肃河西走廊地区大规模风电及光伏电源以及青海柴达木地区大规模光伏电源，因此，有必要针对大规模新能源接入，研究其对西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性的影响，为该通道的实际运行提供参考。

目前，有关西北—新疆联网通道以及新能源接入对西北—新疆联网通道影响方面已开展了较多的相关研究。文献[1]分析了影响通道输电能力的相关敏感因素，包括串联补偿装置、线路类型、通道开机方式、电力系统稳定器(power system stabilizer, PSS)配置等，研究了电压无功补偿控制及安全稳定控制措施有关运行控制的相关问题；文献[2-4]就该通道的动态稳定问题进行了分析和研究；文献[5]研究了该通道联络线功率波动峰值的估计方法；文献[6]对包含风电的电力系统调峰能力计算方法进行了探讨；文献[7]对应对甘肃风电接入后的系统功率调节方式进行了研究；文献[8-10]对西北电网应对大规模风电接入提出了措施建议；文献[11]针对酒泉风电基地二期风电接入后的无功补偿设备配置及输电能力问题进行了研究；文献[12]研究了新疆与西北主网联网第二通道工程投运后对青海海西地区电网暂态安全稳定的影响问题；文献[13-15]研究了利用柔性交流输电系统(flexible alternating current transmission systems, FACTS)装置提高系统安全稳定性的问题；文献[16]对西北电网失步振荡中心分布及其相关影响因素以及解列措施改进进行了研究和分析。此外，也有相关文献研究了新能源接入对主动配电网的影响[17]、西北—新疆联网后新疆电网的稳定特性及应对措施[18]以及提高新疆南部电网受电能力的措施[19]等。

现有文献没有系统地分析大规模风电、光伏电源接入后对西北—新疆通道输电能力及系统安全稳定性的影响。本文即针对这一问题进行了详细分析。本文通过计算4种典型方式下，西北地区新能源的不同接入规模及不同分布情况下西北—新疆联网通道输电能力、潮流分布及系统安全稳定性等，从中总结出一般规律，为西北新能源发展提出建议，为西北实际电网运行规划提供参考。

1 西北—新疆联网通道及附近新能源分布

西北—新疆联网通道结构示意如图1所示。其中，本文对潮流断面的定义包括：(1)哈密—敦煌及哈密南—沙洲断面本文后续将简称为新疆外送断面；(2)酒泉—河西及沙洲—鱼卡断面本文简称为河西通道断面。本文对通道的定义包括：(1)哈密—敦煌线路本文简称为新疆外送一通道，哈密南—沙洲线路本文简称为新疆外送二通道，二者合称为新疆外送通道；(2)敦煌—桥湾—酒泉—河西—武胜线路本文简称为西北新疆联网一通道，沙洲—鱼卡—柴达木线路本文简称为西北新疆联网二通道，二者合称为西北新疆联网外送通道。

图1 西北—新疆联网通道结构示意图及附近新能源分布Fig.1 Northwest-Xinjiang corridor structure and nearby renewable resource distribution

西北—新疆联网通道属于中间有落点、有电源支撑的狭长形通道，其通道薄弱环节一般在酒泉—河西线路及柴达木地区。酒泉—河西线路电气距离远，潮流重，电压支撑能力弱，是通道上的薄弱环节。而柴达木地区缺乏常规电源支撑，对系统的安全稳定性影响较大，当西北—新疆联网一通道的线路发生故障或直流发生故障后，大量潮流涌入使得西北—新疆联网二通道潮流加重，柴达木地区常因缺乏动态电压支撑能力而导致系统失稳，因此，该地区也是系统的薄弱环节。

新疆外送通道及西北新疆联网通道新能源分布如图1所示。新疆哈密地区风电主要分布在哈密和哈密南地区，甘肃河西地区风电主要分布在敦煌、桥湾、酒泉地区，甘肃光伏电源主要分布在酒泉、河西地区，青海光伏电源主要分布在柴达木地区。根据2012年7月国家发展与改革委员会印发的《可再生能源发展“十二五”规划》[20]，预计2015年西北电网风电装机容量将达到29 460 MW，其中甘肃将达到11 000 MW、新疆将达到10 000 MW。预计2015年西北电网太阳能发电装机容量将达到13 140 MW，其中甘肃将达到5 530 MW、青海将达到4 100 MW。

如此大规模的风电、光伏电源集中接入，给本身就较为薄弱的西北—新疆联网通道运行带来更多的复杂性，对其系统安全稳定性也产生很大影响。

2 新能源接入对西北—新疆联网通道输电能力的影响

本文在计算西北—新疆联网通道输电能力时，考虑的是西北—新疆联网通道750 kV交流线路N-1三相永久短路故障后的系统暂态稳定输电能力，计算方法是增加该通道输送功率的同时校核该通道750 kV线路N-1故障情况，当其中某条线路刚好失稳时，认为该通道达到最大输电能力，且认为该失稳线路为通道的薄弱环节，通道输电能力受限于该线路三相永久N-1故障。对于直流单极闭锁故障的情况，认为通过采取切机措施进行控制是合理的。在计算输电能力时，当关注某一因素时，尽量保持其他条件不变，以排除其他因素的影响。此外，风电及光伏电源汇集站均配置静止无功补偿器(static var compensator, SVC)，风电汇集站SVC配置容量为风电装机容量的-2.5%(感性)～15%(容性)，光伏汇集站SVC配置容量为光伏装机容量的-12.5%(感性)～25%(容性)。风机模型采用GE公司的双馈风机模型。

2.1 风电接入及风机控制方式对西北—新疆联网通道输电能力的影响

2.1.1 风电接入对西北—新疆联网通道输电能力的影响

考虑新疆哈密风电装机4 600 MW，甘肃河西走廊风电装机11 000 MW，风电机组采用恒电压控制方式，4种典型方式下不同风电出力对西北—新疆联网通道输电能力的影响情况如表1所示。

表1 风电接入不同情况下西北—新疆联网通道输电能力

Table 1 Transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor in different conditions with wind power’s integration MW

由表1可知：西北—新疆联网通道输电能力主要受酒泉—河西线路N-1暂态稳定极限限制，而丰大方式下，酒泉风电出力为0时西北—新疆联网通道输电能力主要受哈密换—哈密南线路N-1暂态稳定极限限制。这说明丰大方式下酒泉风电出力为0时，西北—新疆联网通道输电能力受新疆内部网架输电能力的限制，而酒泉风电出力较大时，由于新疆送出的电力减少，因此，西北—新疆联网通道输电能力主要受本通道输电能力限制。其他方式下哈密风电接入及出力变化对西北—新疆联网通道输电能力的影响不大。而酒泉风电接入后4种典型运行方式下西北—新疆联网通道输电能力均受酒泉—河西线路N-1暂态稳定极限限制，从计算结果看，酒泉风电接入整体有利于西北—新疆联网通道输电能力的提高。

2.1.2 风机控制方式对西北—新疆联网通道输电能力的影响

仅考察哈密风电机组采用恒功率因数控制方式(功率因数为1)时，西北—新疆联网通道输电能力，对比情况如图2所示。

图2 哈密风电恒功率因数控制方式对西北—新疆联网 通道输电能力的影响Fig.2 Influence of constant power factor control mode of Hami wind power units on transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor

由图2可看出，哈密风电机组控制方式对西北—新疆联网通道输电能力影响不大。

2.2 光伏电源接入对西北—新疆联网通道输电能力的影响

前述研究结果表明，哈密风电接入对西北—新疆联网通道输电能力影响不大，因此，本部分仅分析甘肃风电与青海光伏电源接入以及青海光伏与甘肃光伏电源接入对西北—新疆联网通道输电能力的影响。

2.2.1 甘肃风电与青海光伏电源接入的关系

枯大运行方式下，考察哈密风电出力3 588 MW甘肃风电不同出力时青海、甘肃光伏电源接入前后西北—新疆联网通道输电能力结果如图3所示。

由图3可看出，甘肃光伏接入后对西北新疆联网通道输电能力影响不大，而青海光伏接入则会使西北—新疆联网通道输电能力大幅降低，但总的新能源接入量会大大增加。

2.2.2 甘肃光伏与青海光伏电源接入的关系

考察枯大运行方式下哈密风电出力3 588 MW、甘肃风电出力为6 930 MW时，青海、甘肃光伏电源不同出力下西北—新疆联网通道输电能力，结果如表2所示。根据以上结果，绘制甘肃、青海光伏电源出力与西北—新疆联网通道输电能力之间的关系图如图4所示。

图3 青海、甘肃光伏电源接入对西北—新疆联网 通道输电能力的影响Fig.3 Influence of Qinghai and Gansu PV power’s integration on transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor表2 枯大方式下酒泉风电出力6 930 MW时，不同光伏 电源出力下西北新疆联网通道输电能力及 新疆外送通道输送功率Table 2 Transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor and corresponding power flow of Xinjiang power delivering corridor with different PV power’s output when Gansu wind power’s output is 6 930 MW during winter peak power load period MW

图4 甘肃、青海光伏电源出力与西北—新疆联网通道 输电能力的关系Fig.4 Relation between transmission capability of Northwest-Xinjiang power corridor and Gansu, Qinghai PV power’s output

从图4可以看出，西北—新疆联网通道输电能力与青海光伏出力呈近似反比关系，甘肃光伏电源接入的影响不大。

因此，不同的光伏电源接入规模下，不同的青海、甘肃光伏电源出力比例下，西北—新疆联网通道输电能力随之变化且呈现出一定的规律。实际运行中应根据青海、甘肃光伏电源出力情况进行合理调度，充分利用西北—新疆联网通道输电能力。

3 新能源接入对西北—新疆联网通道潮流分布及系统安全稳定性的影响

3.1 新能源接入对西北—新疆联网通道潮流分布的影响

西北风电及光伏电源分布在西北—新疆联网通

道的不同位置，接入后会改变西北—新疆联网通道的潮流分布情况及系统的安全稳定水平。将枯大运行方式不同情况下西北—新疆联网通道达最大输电能力时的潮流分布结果列表如表3所示。

从表3可以看出：哈密风电及甘肃光伏电源的接入对西北—新疆联网通道的潮流分布影响不大；甘肃风电的接入对西北新疆联网通道潮流分布产生的影响不大，但会使得疆电外送一通道哈密—敦煌线路的潮流减轻，使疆电外送二通道哈密南—沙洲线路潮流加重，从而改变了疆电外送一、二通道潮流比值；青海光伏电源的接入会使疆电外送一通道哈密—敦煌线路及西北新疆联网一通道酒泉—河西线路潮流加重，而使疆电外送二通道哈密南—沙洲线路及西北新疆联网二通道沙洲—鱼卡线路潮流减轻。

3.2 新能源接入对西北—新疆联网通道暂态安全稳定性的影响

风电及光伏电源不同出力情况下酒泉—河西及沙洲—鱼卡N-2严重故障后切机量列表如表4所示。

西北—新疆联网通道各线路的安全稳定性一方面与线路的电气距离有关，另一方面受线路的潮流大小、电压水平等影响，当线路潮流较重、电压水平较低时其安全稳定性较差。此外，电源的动态电压支撑能力对系统的安全稳定性也产生较大影响，一般风电、光伏电源的动态电压支撑能力相对较弱，虽在汇集站加装动态无功补偿装置，但其大规模接入仍有可能降低系统的安全稳定水平。

酒泉—河西、沙洲—鱼卡N-2故障切机量及与其他因素的关系如表5所示。

从表5结果可以看出：

(1)酒泉—河西线路N-2故障的安全稳定措施量与西北新疆联网通道输电能力、酒泉—河西线路功率以及西北新疆联网通道线路潮流比值均没有呈现出直接的线性关系，这说明，风电、光伏电源的接入，影响了该线路的安全稳定水平。详细对比风电和光伏电源接入的影响可以看出，哈密风电的接入使得酒泉—河西线路的安全稳定性变差，而青海光伏电源的接入同样使得该线路的安全稳定性变差。甘肃风电及光伏电源的接入对西北—新疆联网通道输电能力及酒泉—河西线路的安全稳定水平反而会产生较好的影响。

表3 枯大方式下西北—新疆联网通道达最大输电能力时潮流结果

Table 3 Power flow in different conditions when Northwest-Xinjiang power corridor reached the maximum transmission capability during winter peak power load period

表4 枯大方式下酒泉—河西及沙洲—鱼卡线路N-2故障后切机量Table 4 Control measures when an N-2 fault occurred to Jiuquan-Hexi and Shazhou-Yuqia transmission lines in different conditions during winter peak power load period MW

表5 酒泉—河西、沙洲—鱼卡N-2故障切机量及其影响因素Table 5 Control measures for N-2 fault of Jiuquan-Hexi and Shazhou-Yuqia transmission lines and their relationship to other influence factors

(2)沙洲—鱼卡线路N-2严重故障的安全稳定措施量与西北新疆联网通道输电能力呈现出一定的线性关系，但在光伏电源接入的部分，线性关系的比例系数发生了一定的变化，这说明，沙洲—鱼卡线路的安全稳定性主要受通道潮流水平的影响，同时，受光伏电源接入的影响，详细分析可以看出，甘肃光伏电源全部接入或青海光伏电源全部接入均会使沙洲—鱼卡线路的安全稳定性提高，但二者在一定规模内成比例接入时，西北—新疆联网通道输电能力提高的同时，沙洲—鱼卡线路的安全稳定性有所下降。

(3)当只有甘肃光伏电源接入电网时，西北—新疆联网通道输电能力提高的同时系统的安全稳定性也有所提高。而酒泉—河西线路N-2故障后切机措施量远远大于其故障前输送功率，沙洲—鱼卡线路N-2故障后切机量与其故障前输送功率基本相当或更小，这说明，西北新疆联网一通道相对西北新疆联网二通道网架更强。在实际运行中，应注意西北新疆联网一通道线路故障后安全稳定控制措施的合理制定。

4 结 论

分析了西北地区大规模风电、光伏电源接入后对西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性的影响，结果表明：

(1)甘肃河西地区风电、光伏电源单独接入电网，西北—新疆联网通道输电能力有所增加或保持不变，系统的安全稳定性有所提高。

(2)新疆哈密地区风电接入电网，西北—新疆联网通道输电能力略有上升或基本保持不变，系统的安全稳定性变差。

(3)青海省光伏电源接入电网，西北—新疆联网通道输电能力有所下降，且西北新疆联网一通道安全稳定性变差，西北新疆联网二通道安全稳定性提高，但总的新能源接入规模大大增加。

(4)哈密风电机组控制方式对西北—新疆联网通道输电能力影响不大。

建议发展甘肃地区风电及光伏电源的同时，需注意西北新疆联网一通道线路发生N-2故障后的安全稳定控制问题。同时，青海、甘肃光伏电源应发展合理规模，并注意发展比例。实际调度运行过程中，应注意西北新疆联网通道潮流情况及西北地区风电、光伏电源的出力情况，协调新能源接入与疆电外送电力之间的关系，制定合理的系统安全稳定控制措施。

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(编辑 蒋毅恒)

Influence Analysis of Renewable Power Resources’ Integration on Transmission Capability of Northwest to Xinjiang Power Corridor and System’s Security and Stability

SUN Yujiao1, WU Junling1, WANG Yating1, SHEN Hong1, ZHOU Qinyong1, CHENG Lihua2

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2.He’nan High Voltage Apparatus Research Institute, Pingdingshan 467001, Henan Province, China)

The integration of Northwest renewable power resources in Northwest area is mainly restricted by the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor. In order to make reasonable development planning of the Northwest renewable power resources, this paper studies the relations of the integration of renewable power resources to the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the power system’s security and stability. We adopt PSD-BPA electromechanical transient simulation program to analyze the impact of wind power integration in Xinjiang Hami, Gansu Hexi Corridor and PV power integration in Gansu Jinchang, Qinghai Qaidam on the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the power system’s security and stability. The results indicate that the Hami wind power’s integration and the Hami wind power units’ control mode have small influence on the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor, but the Hami wind power’s integration will decrease the power system’s stability; the Gansu wind power and PV power’s integration will increase the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the power system’s stability; the Qinghai PV power’s integration will decrease the transmission capability of the Northwest-Xinjiang power corridor and the stability of the first corridor of the Northwest-Xinjiang power corridor, but the total integration amount of the renewable power resources will be greatly increased. According to the analysis results, it is suggested that the development scale and the scale ratio of the Gansu and Qinghai PV power resources should be reasonably made, and the development proportion should be paid attention. Meanwhile, the suitable security and stability control measures should be made when the power system has large scale wind power and PV power’s integration.

wind power; PV power; Northwest-Xinjiang power corridor; transmission capability; security and stability

TM 721

A

1000-7229(2016)06-0017-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.06.003

2016-02-22

孙玉娇(1979)，女，高级工程师，研究方向为电网规划、电力系统分析及新能源发展；

吴俊玲(1978)，女，高级工程师，研究方向为电网规划、电力系统分析及新能源发展。

王雅婷(1987)，女，工程师，研究方向为电网规划、电力系统分析及新能源发展、FACTS应用技术。

申洪(1974)，男，高级工程师，主要研究方向为电网规划、电力系统分析及新能源发展。

周勤勇(1977)，男，高级工程师，主要研究方向为电网规划、电力系统分析及新能源发展。

程丽华(1983)，女，工程师，主要研究方向为电力系统分析。