滇西北区域大规模新能源接入对稳定影响及提升措施研究

陈义宣，高杉雪

（云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心，云南 昆明 650011）

0 前言

“十四五”期间以风电、光伏为代表的新能源发电设备将大规模接入滇西北地区，根据规划，2022-2023年滇西五地州将新增新能源装机600万千瓦，2023年底，新能源装机比重将超过1/3。滇西北地区又是水电富集区域，片区有金沙江中游的梨园、阿海及澜沧江上游黄登、苗尾等大型水电，功角稳定突出。新能源大规模接入后，改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，且新能源的静态特性及电网发生故障时的暂态特性与传统同步电机也有很大不同。因此新能源大规模接入后电网电压稳定性、暂态稳定性及频率稳定性都会发生变化，需研究新能源大规模接入后系统运行的稳定特性变化情况，以保障电网的安全稳定运行。国内外专家学者已对新能源接入对电力系统稳定性的影响开展了广泛而深入的研究[1-7]。上述文献虽然从多个角度分析了新能源接入对系统功角稳定的影响，但缺少实际工程应用。

本文建立了滇西北区域的新能源机电仿真模型，开展了新能源大规模接入后滇西北电网稳定特性分析。针对500 kV黄仁双线N-2切机后仍有暂态低电压问题，从稳控切机措施、新能源参数优化、SVG参数优化等角度提出控制措施，提高新能源大规模并网后电网的安全性与稳定性。

1 区域新能源仿真建模情况

新能源机电暂态模型用于电网故障下系统稳定分析时，需要准确模拟新能源发电机组的故障穿越控制和保护特性。新能源模型参数众多，将模型参数分为关键参数和非关键参数。需整定的关键参数主要包括与故障穿越控制和保护相关的参数，如进出低、高穿状态电压阈值；无功低、高穿电流系数；低穿期间的有功控制方式、有功电流系数；出低穿后的有功恢复速度等，对于双馈机型还应重点关注发电机定子、转子的电阻、电抗及励磁电感等参数。

1）现有存量新能源机型

目前云南电网存量的新能源机组未开展大规模的参数的辨识工作，依据新能源类型、单机容量等选取典型参数。

2）在建/规划新能源机型

对于在建/规划的新能源电站，仅明确机组类型（风电/光伏），根据国家标准要求和当前主流机型的实际模型参数，选择保守参数，具体如表1所示。

表1 新能源发电机组的故障穿越控制主要参数

2）根据新能源的高低穿特性，考虑低压/过压保护。保护延时根据光伏/风电场接入电力系统技术规定的高低穿越曲线选择。

3）考虑无功补偿SVG等装置建模。

2 新能源大规模接入后滇西北电网稳定特性分析

新能源集中接入滇西北电网，外送需求加大，主要断面潮流加重，与此同时，系统故障期间，新能源的有功、无功出力特性也会影响重要交流断面的潮流、电压，间接影响系统功角稳定性水平。新能源接入量越多、故障期间新能源有功恢复速度越快，断面潮流越重，越容易出现功角稳定问题。

通过分析，新能源出力按95%电量利用率所对应的出力系数考虑，滇西北相关500 kV线路N-1后，阻尼比远大于3，电压恢复较快。因此500 kV网架满足2023年新能源送出需求。

但电网若发生更严重故障，如500 kV黄仁双线N-2，系统暂态失稳，目前有稳控切机措施，切机对象为梨园、阿海、澜上等常规水电，如果黄坪送出断面功率较大，切机3100 MW后系统功角稳定，但因网架薄弱；且片区有金中及新东两大直流，故障期间电压低，直流外送功率减少，潮流转移至交流断面，恶化系统稳定性；同时断面潮流重，故障发生后，潮流大范围转移，无功需求大，因此暂态过程中，低电压时间较长，如图1所示。

图1 黄仁N-2，切机3100 MW后相关母线电压曲线

由图1可知，暂态过程中，最低电压低于0.5 pu，且低于0.9 pu的时间长于2 s。导致滇西北并网新能源超过低穿耐受能力而大规模脱网，总量约5000 MW，对电网产生二次冲击，加上稳控切机量，损失电源8000 MW，大方式情况下，系统最低频率仅49.40 Hz，严重影响电网安全稳定运行。

3 稳定提升措施研究

3.1 稳控切机措施

针对500 kV黄仁双线N-2切机后仍有暂态低电压问题，提出以下3种改进方案：方案1，增大常规电源切机量，将梨园、阿海、澜上水电机组切机量增加至4950 MW；方案2，采用组合方案，先集中切除新能源1650 MW，再切除梨园、阿海、澜上水电1800 MW，共切除3450 MW；方案3，采用事前方式预控及事后稳控切机措施，不同方案效果如表2所示。

表2 不同稳控切机措施效果

由表2可知，方案1增大常规电源切机量，电压恢复较好，新能源未大规模脱网，但系统最低频率49.56 Hz，切机量大易导致低频问题。方案2虽然阻尼比满足要求，但前几秒有暂态低电压问题，仍易导致新能源大规模脱网，可见若不增加切机量，采用切除新能源及水电的组合效果不佳。方案3采用事前方式预控及事后稳控切机措施，阻尼比满足要求，电压恢复较好，新能源未大规模脱网，且频率能较快恢复，因此推荐方案3。

3.2 新能源参数优化

针对送端的功角稳定问题，新能源参数优化优化原则为：参数优化后，不能以牺牲其他稳定问题为代价（如频率稳定等）；可执行强，新能源模型参数优化范围不应超出技术可实现范畴。因此针对关键参数，主要优化对象有：

1）无功电流系数：数值越大，新能源低电压穿越期间对电网电压支撑作用增大，有利于功角稳定。

2）低穿期间有功功率控制值：数值越小，新能源低电压穿越期间断面功率越小，有利于功角稳定。

3）低穿后有功功率恢复方式及恢复值：低穿后新能源有功功率恢复速度越慢，故障后断面功率恢复速度越慢，越有利于功角稳定。目前国标要求至少20% PN/s的恢复速度，新能源有功功率约在数秒后恢复到初始状态，对功角稳定改善作用有限，且有功功率恢复太慢不利于频率快速恢复。

存在功角稳定区域新能源控制参数优化建议如表3所示。

表3 新能源控制参数优化建议（功角稳定）

采用表3的优化参数后，电压恢复明显改善，暂态过程中最低电压提高至0.75 pu，电压低于0.9 pu的持续时间约为1 s，具体如图2所示。

图2 参数优化后电压恢复效果

与稳控切机措施的方案1相比，可少切除水电2000 MW。与稳控切机措施的方案3相比，若切机量保持3100 MW不变（切机后新能源不脱网），断面极限可提高500 MW。

3.3 SVG对电压支撑作用

目前新能源厂站均配置了一定容量的SVG，以提高新能源厂站对电压的支撑作用，改善电网运行环境。影响SVG性能的主要参数有额定容量、控制的PI参数及过负荷能力。合适的SVG参数，可明显改善系统电压特性，有利于新能源安全并网，具体如表4及图3所示。

图3 不同SVG参数对电压支撑效果

表4 SVG参数优化

可见，合适的SVG参数能显著提高扰动后的最低电压和稳态电压，缩短系统电压恢复时间，对滇西北区域能起到动态无功电压支撑作用，SVG配置容量越大、响应速度越快（稳定范围内）、过负荷能力越强，越有利于电压稳定，提高功角稳定水平。

4 结束语

新能源发电特性和传统同步电源相比差异大，导致新能源大规模接入后滇西北电网后，系统稳定特性随之发生改变，通过新能源参数优化、SVG参数优化等措施，可有效提高新能源大规模并网后电网的安全稳定水平。