末端送出电网风电大规模脱网对主电网安全稳定控制策略分析

，张颖3，张燕

(1.新疆天电达坂城风力发电有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.吐鲁番供电公司，新疆 吐鲁番 838000； 3.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 前 言

电力系统稳定指正常运行时，系统经受干扰(如短路、切除故障、切除线路、切机等)，电网保持同步运行、不发生频率和电压崩溃的一种能力。这种抗干扰的能力就是电力系统能保证正常运行所必须具备的能力，通常用暂态稳定来判据。电力系统每一次遭受大扰动后，电网中各发电机之间的相对功角开始大幅振荡，然后快速恢复至另一个稳定状态，电网中各变电站电压也恢复到一个合理的范围。

电网中，通过换流器并网的新能源发电设备，由于设备内换流器在受到电网扰动(如短路等)时，厂家为保护换流器的电子设备，发电设备这时将自动切机，起到保护自身的作用，但对电网将造成二次扰动。根据切机容量的不同，这种方式将增大电网运行的风险。

下面主要针对含大量风电场的末端地区电网外送通道由220 kV上升为750 kV网架后，研究风电机组大规模脱网时，地区电网和主电网电压、频率的动态过程，提出在关键节点加装动态无功补偿设备，快速响应电网电压的变化。

1 风机和风场模型

1.1 风机模型

仿真计算的新疆某末端电网中，风电场机组以双馈风电机组占比较多、直驱式风电机组占比较少。双馈风机控制系统如图1所示。

图1 双馈风机控制系统

从图1中可以看出，转子经一个背靠背脉冲宽度调制的变流器与大电网相连，这种控制系统就是双馈电动机的一个特色。

1.2 风场等效模型

大规模的风电场接入电网的系统潮流仿真分析时，为减少数据节点加速计算，采取整个风电场等效的形式参与系统潮流计算，风电场的等效包含发电机模型等效和风速分布模型等效两个方面。不计尾流效应和电场风速分布，将一个风电场按同一个风速考虑，仿真的风电场机组采用额定容量为1.5 MW的双馈感应风电机组多台并联方式接入系统，如图2所示。

图2 风电场等效模型

风电场内的机组端电压0.69 kV，经第1级升压到35 kV，再经第2级升压到220 kV后，通过220 kV线路并入公用电网。

风电场的有功出力等效为

(1)

风电场的无功出力等效为

(2)

式中，n为被等效风电场发电机台数。

2 有功功率波动与电压波动之间的关系

由电压变化计算公式可以推算出，当风电场送出的无功功率Q保持恒定时，因风电出力的间隙性，风电场送出的有功功率是一个变化的值，这个时刻为P，下一个时刻为ΔP+P，ΔP即为变化值。可以推算出ΔP变化与ΔU之间的数学公式为

ΔU≈-(X/USscΔP2+2X/USscPΔP)

(3)

式中：U为送端电压；X为联络线的电抗；Ssc为母线的短路容量。

从式(3)可以得出，电压的波动变化与ΔP的变化十分紧密，同时与送端电压、线路电抗、母线短路容量等指标也有密切的联系。ΔP变化越大，ΔU的波动幅度也越大。

由式(3)继续推导可得

ΔQ=[(X/U)×(ΔP+2P)×(ΔP/Δt) ]× Δt

(4)

因ΔU受ΔP的影响，ΔQ的快速变化能控制ΔU的振幅，所以要求风电场的动态无功补偿设备能快速响应，降低ΔU对电网的影响。

3 有功功率波动与频率波动之间的关系

衡量电能质量的关键指标之一就是电网频率，电网频率跟电网中发出的和使用的有功功率平衡有关。因风电机组无励磁系统，不具备快速调节有功出力的能力，然而大规模风电并网后，风电的出力占据了常规能源机组的发电出力空间。当电网受到大的扰动时(如切机、切负荷等)，此时电网频率势必将发生波动。因常规机组开机降低，旋转备用不足，势必导致电网频率波动恢复缓慢。若此时风电机组因电压波动，出于自身设备原因再发生机组脱网，电网将出现大的有功缺额，电网频率恢复将更加缓慢，甚至发生频率失去稳定，造成安全自动装置低频切负荷，将电网事故进一步扩大。

4 风电脱网仿真分析

用于仿真的末端电网处于新疆电网的最北端，总装机容量约2 520.5 MW，其中风电为1 138.5 MW，水电为732 MW，火电为600 MW，其他为50 MW。网内负荷约800 MW。剩余电量原通过220 kV丰齐线和龙丰线与新疆主电网联络送出。750 kV塔城变电站、五家渠变电站投运后，通过750 kV塔五双线将该地区丰富的风电出力送入新疆主网、送往内地省份，如图3所示。

图3 某地区电网结构及与主电网联络

1)工况1：脱网30%，约300 MW。

由图4至图6可知，当电网风机脱网300 MW时，750 kV母线电压最高达762.9 kV，波动3.26%；220 kV母线电压最高达235.8 kV，振幅3.47%，振幅最大为750 kV塔城变电站的220 kV母线电压。脱网30%风电对电网频率几乎无影响。

图4 750 kV变电站母线电压波动(工况1)

图5 220 kV变电站母线电压波动(工况1)

图6 电网频率波动(工况1)

图7 750 kV变电站母线电压波动(工况2)

图8 220 kV变电站母线电压波动(工况2)

图9 电网频率波动(工况2)

2)工况2：脱网60%，约600 MW。

由图7至图9可知，当电压风机脱网600 MW时，750 kV母线电压最高达765.3 kV，波动3.45%；220 kV母线电压最高达246.1 kV，振幅11.51%，振幅最大为220 kV萨尔塔木变电站的220 kV母线电压。脱网60%风电对电网频率几乎无影响。

3)工况3：脱网90%，约900 MW。

由图10至图12可知，当电网风机脱网900 MW时，750 kV母线电压最高达766.9 kV，波动3.67%；220 kV母线电压最高达248.3 kV，振幅12.48%，振幅最大为220 kV萨尔塔木变电站的220 kV母线电压。脱网90%风电对电网频率几乎无影响。

图10 750 kV变电站母线电压波动(工况3)

图11 220 kV变电站母线电压波动(工况3)

图12 电网频率波动(工况3)

各工况下数据分析如表1所示。

表1 3种工况下电网电压变化情况

从表1可以看出该末端电网风电有功出力脱网30%及以下的时候，对电网几乎无影响。但脱网60%及以上的时候，对电网220 kV变电站的母线电压影响较大，超过运行上限，对电网一次设备的耐高压水平提出了更高的要求。此时急需动态无功补偿设备快速响应防止高电压损坏电网一次设备。

5 控制措施

采取在电压波动最大的220 kV萨尔塔木变电站加装容量为18 MVA的SVC装置，风电脱网后的3.5 s采取控制措施，萨尔塔木变电站220 kV母线电压的攀升得到了控制，如图13所示。

6 结 语

1)末端风电送出电网发生机组脱网，由于地区电网潮流较轻，充电无功功率增大，导致该地区电网220 kV以及近区的塔城变电站和对端五家渠变电站750 kV母线电压幅值都有一定程度增加，但相对而言，片区的220 kV母线电压增长和波动幅度较750 kV大些。

图13 脱网工况3下萨尔塔木变电站220 kV母线电压升高的控制效果

2)当风电区域的脱网容量由30%增长至90%时，仿真计算得出，变电站220 kV母线电压波动的幅度与一次性脱网的风电区域容量成线性关系。当风电脱网60%时，220 kV萨尔塔木变电站220 kV母线电压越上限(242 kV)；当风电脱网达到90%时，750 kV塔城变电站、220 kV额尔齐斯变电站、龙湾变电站、和丰变电站、萨尔塔木变电站等220 kV母线电压均越上限运行，给电网的安全稳定造成风险。因此，随着末端电网的风电并网规模增大，应控制风电的接入，按照并网标准强化风电的故障穿越能力，增强其抗扰动性。

3)在风电汇集的220 kV变电站加装动态无功补偿设备是控制220 kV母线电压越线的有效措施。