時建鋒

(云南電網(wǎng)公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000)

風(fēng)電對孤立電網(wǎng)第三道防線的影響

時建鋒

(云南電網(wǎng)公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000)

通過對實際系統(tǒng)建立模型并仿真，分析了風(fēng)電并網(wǎng)后對孤立電網(wǎng)第三道防線高頻切機和低頻減載裝置動作情況。結(jié)果表明風(fēng)電接入電網(wǎng)后，不可避免地會過切造成系統(tǒng)失穩(wěn)情況，系統(tǒng)原有的高頻切機和低頻減載方案已不適合。提出將風(fēng)電機組高頻/低頻保護與孤立電網(wǎng)第三道防線建設(shè)合理配置方案，對于保證故障后孤立電網(wǎng)第三道防線可靠運行有著重要的現(xiàn)實意義。

風(fēng)電；第三道防線；孤立電網(wǎng)

0 前言

由于特定的地理條件，我國還存在許多形式各異的中、小規(guī)模孤立電網(wǎng)，這類電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線與外部進行功率交換，極易遭受大的干擾。由于重要機組或重要聯(lián)絡(luò)線故障，導(dǎo)致孤立電網(wǎng)形成[1-3]。

為滿足規(guī)程對電力系統(tǒng)承受第Ⅲ類大擾動時的安全要求，防止系統(tǒng)崩潰，我國電力系統(tǒng)普遍設(shè)置了高頻切機和低頻減載措施作為保證系統(tǒng)安全的第三道防線，在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面發(fā)揮了重要作用[4]。

我國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅速，裝機容量逐年提高。在實際電網(wǎng)中，故障后孤立電網(wǎng)出現(xiàn)大量風(fēng)機脫網(wǎng)現(xiàn)象，對孤立電網(wǎng)第三道防線造成嚴(yán)重威脅[5]。文中以某地區(qū)220 kV等級孤立電網(wǎng)為研究對象，通過仿真多種工況下風(fēng)電并網(wǎng)，檢驗孤立電網(wǎng)高頻切機和低頻減載動作情況，提出了適用于風(fēng)電并網(wǎng)的孤網(wǎng)系統(tǒng)高頻切機和低頻低壓減載配置方案。

1 風(fēng)電并網(wǎng)對孤網(wǎng)第三道防線影響

文中以2013年某電網(wǎng)典型方式下某地區(qū)220 kV系統(tǒng)為例進行分析，仿真工具采用PSD-BPA潮流和暫態(tài)穩(wěn)定計算程序[6-9]。根據(jù)可研規(guī)劃，該地區(qū)可能新建一座B風(fēng)電場，這里所模擬的結(jié)構(gòu)可為其他有風(fēng)電并入的孤網(wǎng)分析提供參考。該地區(qū)220 kV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為下圖1所示。

圖1 2013年某地區(qū)220 kV系統(tǒng)

由圖1可以看出，假設(shè)雙回線路A-C發(fā)生N-2故障，導(dǎo)致該電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，形成孤立電網(wǎng)。

根據(jù)規(guī)劃方案，2013年該孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)水電總計裝機容量96.375 MW，其中K、F、J水電廠分別裝機容量為1?50 MW、2?11 MW、1?13 MW。B風(fēng)電場裝機容量為99 MW，占裝機總量的50.67%。在典型方式 (豐期、枯期)下，該區(qū)域平均負荷為80～120 MW。該孤網(wǎng)高頻切機方案是，F(xiàn)水電廠52 Hz、0.5 s；J水電廠53 Hz、0.5 s。該孤網(wǎng)低頻減載方案是：共設(shè)七個基本輪和兩個特殊輪。第1基本輪至第7基本輪切負荷比例分別為：4%、5%、6%、6%、6%、6%、6%。頻率動作值分別為：49 Hz、48.8 Hz、48.6 Hz、48.4 Hz、48.2 Hz、48 Hz、47.8 Hz，各輪級動作時限均為0.2 s。低頻減載第1特殊輪至第2特殊輪切負荷比例分別為：2.5%、2.5%。第1特殊輪動作時限：15 s。第2特殊輪動作時限20 s。

由于我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)沒有對風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻提出要求，故現(xiàn)有運行風(fēng)電機組均不參與系統(tǒng)頻率調(diào)整。在滿足 《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GBT-19963-2011)條件下，風(fēng)電場通?？紤]保護風(fēng)電機組需要，將風(fēng)電機組低頻/高頻保護范圍設(shè)定為48～51.5 Hz，若越上限或越下限2 s，機組將會跳閘。鑒于保護未考慮系統(tǒng)調(diào)頻，本文以此為例，在雙回線路A-C發(fā)生N-2故障跳閘情況下，對風(fēng)電機組不同出力對孤網(wǎng)第三道防線影響進行分析，檢驗相關(guān)嚴(yán)重故障下的孤網(wǎng)運行能力。

1)豐期水電滿發(fā)，風(fēng)電按0.5的同時率出力。豐期水電出力90 MW，風(fēng)電出力按0.5的同時率考慮，出力49.5 MW。故障后，功率過剩39.8 WM左右，高周切F水電廠機組后，風(fēng)電機組切機，低頻減載無動作，孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率迅速恢復(fù)至正常范圍之內(nèi)，其穩(wěn)態(tài)的最高頻率可達52.5 Hz，穩(wěn)態(tài)恢復(fù)頻率至50.2 Hz，再經(jīng)水電一次調(diào)頻，系統(tǒng)穩(wěn)定。故障后相關(guān)母線正序電壓曲線、孤網(wǎng)母線頻率見圖2所示。圖中，Pw是風(fēng)電機組的實際有功出力；Pwn是風(fēng)電機組的額定有功功率。

圖2 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線

2)豐期水電滿發(fā)、風(fēng)電按1.0的同時率出力。水電滿發(fā)出力為90 MW，風(fēng)電機組出力按1.0的同時率考慮，出力99 MW。故障后，功率過剩99 MW，風(fēng)電機組檢測電網(wǎng)頻率超過51.5 Hz，2 s后動作切機，F(xiàn)和J水電廠也相繼高頻切機。16 s后電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動，電網(wǎng)失穩(wěn)。如圖3所示。

圖3 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線

3)枯期、風(fēng)電按0.5的同時率出力。水電出力總45 MW，風(fēng)電機組出力按0.5的同時率考慮，出力49.8 MW。故障后，功率缺額30 MW左右，風(fēng)電機組檢測電網(wǎng)頻率低于48 Hz，2 s后動作切機，低頻低壓共動作7輪，水電機組脫網(wǎng)，孤網(wǎng)失穩(wěn)。如圖4所示。

圖4 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線

4)枯期、風(fēng)電按1.0的同時率出力。水電出力總45 MW，風(fēng)電機組出力按1.0的同時率考慮，出力99 MW。故障后，功率過剩54 MW左右，水電機組高頻切機后，風(fēng)電機組全部切機。由于切除過多電源，系統(tǒng)進入低頻狀態(tài)，低頻低壓減載動作共7輪后，孤網(wǎng)失穩(wěn)。如圖5所示。

圖5 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (枯期、Pw=100%Pwn)

由上述分析可知：在典型方式下，風(fēng)電并網(wǎng)與原有的安全控制裝置已不配合，如1)中，高頻切水電機組與風(fēng)機切機幾乎同時進行，無相互配合，電網(wǎng)雖最終穩(wěn)定，但導(dǎo)致過切；2)中，過切導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)；3)中低頻減載方案動作緩慢，導(dǎo)致風(fēng)機低頻2s后動作，最后系統(tǒng)失穩(wěn)；4)中，風(fēng)電機組高頻與高頻切機不配合，導(dǎo)致過多切機，進入低頻減載階段，以致系統(tǒng)失穩(wěn)?？梢钥闯觯械牡谌婪谰€安全控制裝置不再適用于風(fēng)電機組接入。

2 含風(fēng)電并網(wǎng)的孤網(wǎng)第三道防線方案

2.1 高頻切機新方案

考慮到風(fēng)電并網(wǎng)下，受孤立電網(wǎng)頻率變化影響，風(fēng)電機組基本都會切機，造成與原有的安全控制不配合情況。為了保持電網(wǎng)穩(wěn)定，通過調(diào)研分析，結(jié)合電網(wǎng)的實際情況，對有風(fēng)電接入且上網(wǎng)功率大且呈現(xiàn)波動性、解列后孤網(wǎng)頻率升高、水電機組具有一次調(diào)頻功能等情況，可以先切部分風(fēng)電機組，然后切水電機組。

由于風(fēng)電機組占裝機總量已超過50%，改進后的安全控制設(shè)置還需保證在風(fēng)電零出力情況下穩(wěn)定，這里將風(fēng)電機組發(fā)電能力的60%，即49.8 MW，51 Hz、0.5 s和51.5 Hz、0.5 s動作時限；剩余40%，即39.6 MW，51.5 Hz、1.5 s動作時限即放進高頻切機方案，F(xiàn)水電廠機組切機延時0.5 s，形成廠網(wǎng)協(xié)調(diào)方案。風(fēng)電并網(wǎng)高頻切機新方案表1所示。

2.2 低頻減載新方案

由于原低頻減載方案動作緩慢，造成風(fēng)電并網(wǎng)功率缺額后負荷、風(fēng)電過切現(xiàn)象，因此提高低頻第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪機減載容量可有效杜絕此現(xiàn)象，形成廠網(wǎng)協(xié)調(diào)方案。孤網(wǎng)低頻減載新方案是第1基本輪至第7基本輪切負荷比例分別調(diào)整為：7 %、8%、8%、6%、3%、3%、3%。頻率動作值和時限均不變。

表1 孤網(wǎng)系統(tǒng)高頻切機新方案

3 孤立電網(wǎng)第三道防線新方案驗證

1)豐期水電滿發(fā)，風(fēng)電按0.5的同時率出力。風(fēng)電場、水電廠出力與2.1情況相同。故障后，風(fēng)電經(jīng)三個輪機切除負荷49.5 MW，經(jīng)20 s后孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定在50.3 Hz。新方案相比原高頻切機方案解決了水電機組過切水電機組現(xiàn)象，保存了水電機組一次調(diào)頻作用，母線電壓曲線也較好，如圖6所示。

圖6 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (豐期、Pw=50%Pwn)

2)豐期水電滿發(fā)、風(fēng)電按1.0的同時率出力。風(fēng)電場、水電廠出力與2.2情況相同。故障后，風(fēng)電經(jīng)三個輪機切除，孤網(wǎng)頻率在17 s內(nèi)快速恢復(fù)至50.4 Hz。相比原高頻切機方案，解決了過切水電機組，且在恢復(fù)時間和電壓質(zhì)量方面很好。如圖7所示。

圖7 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (豐期、Pw=100%Pwn)

3)枯期、風(fēng)電按0.5的同時率出力。風(fēng)電，水電機組出力與2.3相同。故障后，低頻減載共動作3輪，切除負荷28 MW，孤網(wǎng)頻率在5 s恢復(fù)穩(wěn)定。由于低頻減載方案設(shè)置得當(dāng)，相比原方案維護了風(fēng)電電源對孤立電網(wǎng)支撐的作用，避免了電網(wǎng)失穩(wěn)。如圖8所示。

圖8 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (枯期、Pw=50%Pwn)

4)枯期、風(fēng)電按1.0的同時率出力。風(fēng)電，水電機組出力與2.4相同。故障后，風(fēng)電經(jīng)過兩個輪機，切除負荷59.4 MW，孤立電網(wǎng)頻率經(jīng)20 s后恢復(fù)至50.3 Hz，再經(jīng)水電機組的一次調(diào)頻后，電網(wǎng)穩(wěn)定?？梢钥闯觯赂咧芮袡C方案相比原方案，在孤立電網(wǎng)功率過剩頻率升高時，避免了過切水電機組，有效穩(wěn)固了孤立電網(wǎng)第三道防線。如圖9所示。

圖9 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (枯期、Pw=100%Pwn)

5)檢驗新方案在風(fēng)電出力為零時，對孤立電網(wǎng)的適應(yīng)性。在水電豐期和枯期 (水電出力不小于45 MW，小于此值孤網(wǎng)將不能穩(wěn)定)兩種情況下，依靠新低頻減載方案，孤立電網(wǎng)能可靠穩(wěn)定，如圖10所示。

圖10 故障后孤網(wǎng)內(nèi)的特征曲線 (豐期或枯期、Pw=0)

4 結(jié)束語

文中以某地區(qū)孤立電網(wǎng)為對象，通過建立風(fēng)電并網(wǎng)孤立電網(wǎng)的模型，分析了各種工況下，風(fēng)電并網(wǎng)對孤立電網(wǎng)第三道防線的影響。提出了利用風(fēng)電機組高頻/低頻保護與孤立電網(wǎng)第三道防線配合設(shè)置，形成了新的高頻切機和低頻減載方案。仿真結(jié)果表明，此方案既能大大化解風(fēng)電對故障后孤立電網(wǎng)的影響，又能起到電源支撐作用，對孤立電網(wǎng)建立安全可靠第三道防線提供了保證。

1)由于風(fēng)電并網(wǎng)不能參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，在故障后孤立電網(wǎng)發(fā)生高頻后，可考慮先行切除部分風(fēng)電機組。

2)風(fēng)電作為一個電源點，應(yīng)發(fā)揮對故障后孤立電網(wǎng)支撐作用，避免過切造成孤立電網(wǎng)失穩(wěn)。

3)風(fēng)電并網(wǎng)的孤立電網(wǎng)，低頻減載方案需適當(dāng)提高第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪機的減載容量。

[1] 周志平，孫新良，付晨鵬，等.電力系統(tǒng)孤網(wǎng)運行動態(tài)特性試驗 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(2)：79-81.

[2] 孫艷，杭乃善.孤網(wǎng)運行的潮流計算方法 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(19)：127-131.

[3] 魏守平.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻及孤立電網(wǎng)運行特性分析及仿真 [J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2009，33(06)：28-33.

[4] 王偉，陳軍，余銳，等.三道防線協(xié)調(diào)配合保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行 [J].2011，44(10)：16-17.

[5] 王小海，齊軍，侯佑華，等.內(nèi)蒙古電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運行分析和發(fā)展思路 [J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35 (22)：90-96.

[6] 張艷軍，高凱，曲祖義.基于發(fā)電機組出力曲線特征的一次調(diào)頻性能評價方法 [J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36 (7)：99-103.

[7] 吳義純，丁明，張立軍.含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流計算[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(4)：36-39.

[8] 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析 [M].北京：中國電力出版社，1995：173-174.

[9] 陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析 [M].北京：中國電力出版社，1995：226-227.

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

時建鋒 (1982)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)公司曲靖供電局，從事電力系統(tǒng)運行方式及穩(wěn)定控制研究 (e-mail)shijianfengyx＠163.com。