河北省南部电网“3.18”风机切出事件对电网影响的仿真分析

刘翔宇，李铁成，李晓明，王一峰，李晓军

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司，石家庄 050021)

新能源占比越来越高是电网的发展趋势，也给电网带来了各种新问题和新挑战[1-2]。预计到2020年底，我国新能源装机将达5亿k W，其中河北省3 680万k W，新能源装机占比35%以上。新能源的大量并网[3]，降低了电力系统的转动惯量[4]、增高了非线性化程度[5]、改变了电网的固有特性[6]。为了保障电网的安全，现行技术标准要求并网新能源机组均需具备低电压穿越能力，但随着新场景和复杂运行状况的出现[7-9]，电网安全仍面临诸多挑战。

目前河北省南部电网(简称“河北南网”)风电装机容量296.1万kW，约占装机容量的7.3%。风电作为一种输出不可控、难以预测的电源类型，其大量接入会对电网安全运行造成一定的影响[10]。风电并网后会导致系统稳态和暂态特性改变，引起电压波动和频率问题。随着风电技术的不断发展，风电并网的影响评估以及对策研究显得更为重要。合理而全面地评估风电接入电网的影响[11]，并针对可能出现的运行风险采取必要措施，对保障电网安全和提升新能源消纳具有重要意义。

1 风机切出事件的概述

1.1 河北南网“3.18”风机大规模切除事件

2020年3月18日17：00开始，河北南网出现大风天气，各地区最大风力均达4级以上，沿海地区最大风力达到10级。河北南网大量风机在达到切出风速后陆续切出，风电出力随着风速增加不升反降，功率降低70万k W。经统计，在风电接入集中的沧州地区，全部风场陆续出现风机切出，海兴、岐丰、永红等3座风场全部风机退出运行，东湾、旧城、黄南排干、靖远、阜城、仵龙堂等6座风场切出容量超过90%。沧州地区共计12座风场、573台、95.7万k W容量风机退出运行。

河北南网“3.18”风机切出事件，涉及风场23座、风机744台、容量153万k W，规模之大、范围之广属于河北南网首次。

1.2 风机超速切机的原理及典型限值

风机在运行时，为防止过大风速造成塔架倒塌、叶轮飞车等事故，设置了相应保护。达到额定风速后，风机采用恒功率运行方式，通过调整叶片角度保持输入～输出功率平衡。当出现风速过大，判定风机机舱的瞬时风速或平均风速超过定值时，立即调整叶片角度与风向一致，即所谓的“顺浆”，风机转为待机状态。

风机“顺浆”后，当检测到平均风速小于定值且无故障时，控制系统便将风机切换至加速状态，控制叶片“展桨”，转速达到规定转速后风机状态切换至发电状态。

切出风速主要与风机轮毂高度、塔架和叶片材质等因素有关，由于风机厂家、型号不同，具体定值不尽相同。河北南网主要风机的切出风速的限值如表1所示。

表1 河北南网典型风机高转速切出定值

对于某风场而言，风机型号基本一致，但由于风机布点一般较为分散，因此大风天气下风机未出现集中切出，而是陆续切出，各风场出力降低持续时长均在30 min左右。

1.3 “3.18”事件对电网的影响

3月18日电网最大负荷2 612万k W，出现在早峰，晚峰最大负荷2 590万k W，全天电力供需平衡。风机集中切出的时刻电网负荷处于下降阶段，风机出力降低与电网负荷下降保持了一致，未对调峰造成影响。

本次沧州地区风速较大，选取沧州地区风电集中的临海站母线电压进行分析。如图1所示，在18：00～20：00期间未发现电压明显波动，仅在19：00左右110kV母线电压有1kV的短时波动，未对电网造成影响。

图1 临海站110kV母线电压示意

2 风机切出的电压影响仿真分析

选取电网2020年小负荷方式(保守方式)，进行河北南网风机切除影响分析。仿真模型包含华北、华中电网实际数据，该小方式下，华北电网负荷17 107万k W、华中电网7 890万k W、长南线南送270万k W，河北南网负荷为2 311万k W。

以沧州风电集中接入的部分区域电网为研究对象，分析风机切出前后地区电网的电压波动水平，沧州地区电网结构如图2所示。

图2 沧州风电集中接入区域电网结构

2.1 “3.18”事件的电压影响仿真

“3.18”风机切出事故发生过程中，图2所示局部电网中风机的切出情况如表2所示。按照表2计算风电场机组切出前后的局部电网电压如图3、图4所示。

表2 “3.18”风机切出故障中局部风机切出情况

图3 “3.18”风机切出前局部电网电压(单位：k V)

图4 “3.18”风机切出后局部电网电压(单位：k V)

对比图3和图4可知，大港、临海、韩村220kV母线电压升高约为1kV，海兴、旧城、东湾风电110kV母线电压升高2.6kV左右。风机脱网后，220kV电网的潮流变化不大，未造成过载风险。

2.2 风机50%切出对电压影响仿真

以图2所示局部电网为研究对象，计算并网风机满功率运行情况下，出现50%瞬时切出时的电压与潮流变化情况。风机满功率运行和50%切出时局部电网的电压水平如图5、图6所示。

对比图5和图6可知，在风电场由满负荷运行，进入50%切机运行状态时，大港、临海、韩村220kV母线变化约1.2kV，旧城站110kV母线电压最大变化约3.1kV。风机脱网后，220kV电网的潮流变化不大，未造成过载风险。

图5 风机满功率运行时局部电网电压(单位：k V)

图6 风机50%切出后局部电网电压(单位：k V)

2.3 风机100%切出对电压影响仿真

以图2所示局部电网为研究对象，计算并网风机满功率运行情况下，出现100%瞬时切出时的电压与潮流变化情况。风机100%切出时局部电网的电压水平如图7所示。

图7 风机100%切出后局部电网电压(单位：k V)

对比图5和图7可知，在风电场由满负荷运行，进入100%切机运行状态时，大港、临海、韩村220kV母线变化约1.3kV，旧城站110kV母线电压最大变化约3.7kV。风机脱网后，220kV电网的潮流变化不大，未造成过载风险。

3 风机切出的频率影响仿真分析

3.1 “3.18”事件的频率波动仿真

仿真“3.18”风机脱网事件发生时，风机出力值由193万k W迅速降低至123万k W的故障过程。在2020年小方式下，设置河北风电出力瞬时减小70万k W故障，故障后华北电网的频率波动曲线如图8所示。

图8 河北南网“3.18”风机脱网频率曲线

由图8可知，故障后约14 s电网频率达到最低值，最大频率偏差为-0.046 Hz。在全网小负荷，70万风机同时脱网的条件下，系统最低频率约为49.954 Hz，稳态频率不低于49.960 Hz。在风机顺序逐一脱网时频率应不低于该值。

3.2 风机50%切出对频率影响分析

仿真河北南网风机额定满功率运行时，发生50%风机(150万千瓦)瞬时切出故障。在2020年小方式下，设置河北风电出力瞬时减小150万千瓦故障，故障后华北电网的频率波动曲线如图9所示。

图9 河北南网50%风机切出频率曲线

由图9可知，故障后约13 s电网频率达到最低值，最大频率偏差为-0.072 Hz。在全网小负荷，50%风机同时脱网的条件下，系统最低频率约为49.928 Hz，稳态频率不低于49.950 Hz。在风机顺序逐一脱网时频率应不低于该值。

3.3 风机100%切出对频率影响分析

仿真河北南网风机额定满功率运行时，发生100%风机(300万k W)瞬时切出故障。在2020年小方式下，设置河北风电出力瞬时减小300万k W故障，故障后华北电网的频率波动曲线如图10所示。

图10 河北南网100%风机切出频率曲线

由图10可知，故障后约5.5 s电网频率达到最低值，最大频率偏差为-0.097 Hz。在全网小负荷，100%风机同时脱网的条件下，系统最低频率约为49.903 Hz，稳态频率不低于49.900 Hz。在风机顺序逐一脱网时频率应不低于该值。

4 结论及建议

随着新能源装机规模的快速增长，新能源运行对电网影响日益明显。“3.18”事件是河北南网首次出现的大规模风机切出事件，虽未对电网产生较大影响，但针对风机特性进行研究分析是十分必要的。针对“3.18”事件的仿真结论和建议如下。

4.1 结论

a.针对“3.18”风机切出事故进行仿真分析发现，河北南风机70万kW脱网时，电网最大频率波动小于0.046 Hz，风电集中接入区域220kV母线电压波动水平约为1kV，110kV母线最大电压变化约为2.6kV左右。对电网运行安全影响不大。

b.河北南网风机发生50%切出(150万k W)事故时，最大频率偏差小于0.072 Hz;风电集中接入区域220kV母线电压最大变化约1.2kV，110kV母线电压最大变化约3.1kV。电网能够保持安全稳定运行。

c.河北南网风机发生100%切出(300万k W)事故时，最大频率偏差小于-0.097 Hz;风电集中接入区域220kV母线电压最大变化约1.3kV，110kV母线电压最大变化约3.7kV。电网能够保持安全稳定运行。

4.2 建议

a.结合近年积累的新能源运行数据，开展新能源运行特性分析，对发电原理、特殊工况下的动作行为开展针对性的研究。

b.构建电网气象监测应用平台，将场站的气象信息与传统气象数据相结合，提升新能源功率预测准确性的同时，实现极端天气状态下的预报预警。

c.制定高渗透率新能源接入对电网安全运行的影响分析专题，制定合理的发电计划。