酒泉風(fēng)電集中并網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響

周吉安

(甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050)

1 基本情況

甘肅電網(wǎng)位于西北電網(wǎng)中心，是跨省水火互濟(jì)、潮流交換的樞紐，在保證西北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面承擔(dān)著重要責(zé)任。幾十年以來，甘肅電網(wǎng)在維持西北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用。隨著750kV新疆聯(lián)網(wǎng)工程的竣工投產(chǎn)，在實(shí)現(xiàn)西北5省區(qū)聯(lián)網(wǎng)的同時，也形成了超過2000 km雙回750kV線路、串聯(lián)7個變電站的典型弱電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，甘肅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的壓力大幅度增加。

酒泉風(fēng)電基地是國家批準(zhǔn)開工建設(shè)的第1個千萬千瓦風(fēng)電基地。截至2011年4月，酒泉風(fēng)電基地已經(jīng)完成吊裝的風(fēng)電機(jī)組容量達(dá)550萬kW，其中已經(jīng)并網(wǎng)投產(chǎn)的有387.4kW。2011年上半年已經(jīng)完成吊裝的風(fēng)電機(jī)組若全部并網(wǎng)投產(chǎn)，屆時酒泉風(fēng)電基地將成為全世界集中并網(wǎng)規(guī)模最大的風(fēng)電基地。由于當(dāng)?shù)刎?fù)荷消納能力有限，酒泉風(fēng)電基地大規(guī)模上網(wǎng)的電量幾乎完全需要輸送到1000 km以外的蘭州負(fù)荷中心。通過弱電網(wǎng)遠(yuǎn)距離送出大范圍波動性的風(fēng)電帶來了一系列技術(shù)問題，甘肅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險進(jìn)一步增加。

在正常運(yùn)行情況下，風(fēng)電大規(guī)模集中并網(wǎng)就存在調(diào)頻調(diào)峰、送出、消納和系統(tǒng)穩(wěn)定等技術(shù)問題，增加了電網(wǎng)運(yùn)行管理與控制的難度。在風(fēng)電或電網(wǎng)事故情況下，風(fēng)電不僅不具備常規(guī)電源的緊急控制能力，反而會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模集中脫網(wǎng)，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。2011-02-24以來，酒泉風(fēng)電基地頻繁發(fā)生風(fēng)電機(jī)組大面積脫網(wǎng)事故，引起河西地區(qū)乃至甘肅電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率大幅度波動，對甘肅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

2 風(fēng)電場接入系統(tǒng)情況

酒泉風(fēng)電基地的一期工程主要集中在玉門、瓜州2個區(qū)域內(nèi)，一期工程550萬kW電量分為2部分接入系統(tǒng)：其中140萬kW通過110kV電壓等級線路匯集后分別接入330kV瓜州變、玉門變；另外410萬kW分別通過7座330kV升壓站接入系統(tǒng)，每個330kV升壓站匯集2～3個20萬kW風(fēng)電場電量后，再通過一回330kV電壓等級線路送入750kV變電站匯入750kV電網(wǎng)，大部分風(fēng)電電量通過2010年建成投產(chǎn)的750kV武勝—河西—酒泉—敦煌輸變電工程送到蘭州負(fù)荷中心。

目前已經(jīng)建成投產(chǎn)了5座330kV升壓站、14臺主變，投產(chǎn)的330kV升壓站變電總?cè)萘?36萬kVA。酒泉風(fēng)電基地已經(jīng)有25座風(fēng)電場、2776臺風(fēng)電機(jī)組建成投產(chǎn)，并網(wǎng)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到387.4萬kW。酒泉風(fēng)電基地電量分別在750kV敦煌和酒泉變電站上網(wǎng)，其中瓜州地區(qū)262萬kW風(fēng)電通過4座風(fēng)電330kV升壓站和330kV瓜州變匯集到750kV敦煌變上網(wǎng)；玉門地區(qū)126萬kW風(fēng)電通過1座330kV升壓站和330kV玉門變匯集到750kV酒泉變電站上網(wǎng)。除了河西5地市能夠消納小部分風(fēng)電以外，酒泉風(fēng)電大部分通過河西750kV雙回、330kV雙回線路送往甘肅主網(wǎng)，從750kV敦煌變電站至蘭州的輸電距離達(dá)到1000 km。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011-04-10，甘肅省風(fēng)電日發(fā)電量達(dá)到5519萬kW?h，占當(dāng)日甘肅省統(tǒng)調(diào)用電量的24.51 %。2011-04-22，甘肅省風(fēng)電最大發(fā)電出力達(dá)266.7萬kW，占當(dāng)日甘肅省最低用電負(fù)荷的32 %，風(fēng)電總出力占當(dāng)時風(fēng)電總裝機(jī)容量的65 %。伴隨著酒泉風(fēng)電基地投產(chǎn)容量的不斷增加，風(fēng)電對甘肅省電力電量平衡的影響越來越大，電網(wǎng)調(diào)峰和運(yùn)行控制的壓力也隨之大幅度增加。

3 風(fēng)電場事故

2011年以來酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電場累計(jì)發(fā)生各類事故53次，明顯進(jìn)入了風(fēng)電場事故的高峰期。除了“4.25”事故是電網(wǎng)事故波及到風(fēng)電場以外，其他事故均是風(fēng)電場事故影響到電網(wǎng)；其中發(fā)生風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)超過100臺、影響范圍較大的故障就有7次。“2.24”事故以來連續(xù)發(fā)生多起甩風(fēng)電出力超過80萬kW的嚴(yán)重脫網(wǎng)事故，近期連續(xù)2次事故更是不斷刷新了風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)記錄，不僅導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓、頻率大幅度波動，而且直接威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 典型故障分析（“2.24”事故)

2011-02-24T00:36，330kV橋西升壓站第一風(fēng)電場35B4饋線開關(guān)柜下側(cè)電纜頭發(fā)生C相擊穿，后發(fā)展為三相短路故障，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅跌落，敦煌變330kV母線電壓最低跌至272kV，298臺風(fēng)機(jī)因不滿足低電壓穿越能力的要求而脫網(wǎng)，共甩出力約41萬kW。同時，由于瓜州地區(qū)大部分風(fēng)電場升壓站集中安裝的動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備(TCR、MCR或SVG)大部分均未投入，或者僅投入了容性無功補(bǔ)償設(shè)備(FC濾波支路)，伴隨著大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)以后的電壓升高，無法自動切除濾波支路調(diào)整無功補(bǔ)償容量，導(dǎo)致風(fēng)電場繼續(xù)向電網(wǎng)注入大量容性無功，使得電網(wǎng)系統(tǒng)電壓快速升高到額定電壓的110 %以上(最高達(dá)到115 %左右)。其中750kV敦煌變330kV母線電壓瞬間達(dá)到365kV、最高達(dá)到380kV，750kV母線電壓瞬間達(dá)到800kV、最高達(dá)到808kV。由于母線電壓超過額定工作電壓，導(dǎo)致瓜州地區(qū)還在運(yùn)行的另外6座風(fēng)電場的300臺、42.5萬kW風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。整個事故過程中共導(dǎo)致598臺、84萬kW風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，敦煌750kV變電站母線電壓短時間在67 %～110 %的額定電壓范圍內(nèi)大幅度波動，并造成西北主網(wǎng)頻率最低降至49.854Hz，直接影響到該地區(qū)用戶的電能質(zhì)量。

該事故引起了國內(nèi)廣泛的關(guān)注，國家電監(jiān)會專門成立了事故調(diào)查組開展事故調(diào)查，并面向全國公布了事故調(diào)查報(bào)告。

3.2 其他主要故障

2011-03-11T17:44，昌馬西第一風(fēng)場電纜頭故障，導(dǎo)致玉門地區(qū)8座風(fēng)電場171臺風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，甩出力約23萬kW。

2011-03-24T07:27，橋西一風(fēng)電場電纜頭故障，導(dǎo)致橋西一、二、三風(fēng)電場141臺機(jī)組因低壓脫網(wǎng)，甩出力22.6萬kW。

2011-03-25T17:38，昌西一風(fēng)電場電纜頭故障，導(dǎo)致350臺機(jī)組脫網(wǎng)。

2011-04-03T09:31，橋東第二風(fēng)電場電纜頭故障，導(dǎo)致9座風(fēng)電場389臺機(jī)組脫網(wǎng)，甩出力56.5萬kW。

2011-04-17T04:51，酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電場電纜頭故障，導(dǎo)致瓜州地區(qū)700臺風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，甩出力92.8萬kW。

2011-04-25，超強(qiáng)風(fēng)意外將330kV嘉峪關(guān)變電站330kV出線門型架刮倒，不僅導(dǎo)致330kV玉門變電站失電，玉門地區(qū)所有風(fēng)電場脫網(wǎng)、甩出力47.9萬kW；同時引起瓜州地區(qū)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)、甩出力105.6萬kW。整個事故（“4.25”事故)導(dǎo)致酒泉風(fēng)電基地超過1278臺風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)、甩出力153.5萬kW，不僅創(chuàng)造了多項(xiàng)風(fēng)電集中脫網(wǎng)記錄，而且對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大的沖擊。

4 酒泉風(fēng)電集中并網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響

4.1 電力系統(tǒng)電壓控制問題

4.1.1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力問題

盡管接入系統(tǒng)審查意見明確提出了酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電機(jī)組必須具備低電壓穿越能力的要求，風(fēng)機(jī)制造企業(yè)也做出具備低電壓穿越能力的承諾，但2011年的事故證明酒泉風(fēng)電基地絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力。由于風(fēng)電場不具備低電壓穿越能力，在臨近風(fēng)電場事故導(dǎo)致系統(tǒng)電壓短時間跌落時大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，導(dǎo)致河西電網(wǎng)有功功率、無功功率大幅度波動，嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1.2 電力系統(tǒng)電壓控制問題

酒泉風(fēng)電基地位于甘肅電網(wǎng)最西端，屬于典型的弱電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本身電壓控制的難度就比較大，張掖電廠、酒鋼電廠對河西電網(wǎng)電壓支撐作用較為明顯。隨著酒泉風(fēng)電基地裝機(jī)容量的不斷增加，為了滿足風(fēng)電送出的需要，不得不改變張掖、酒鋼電廠的開機(jī)方式，相應(yīng)地對系統(tǒng)的電壓控制能力降低；風(fēng)電具有波動性、隨機(jī)性，伴隨著有功出力的大幅度變化，電網(wǎng)電壓也相應(yīng)大幅度變化，使得河西電網(wǎng)電壓控制難度明顯增加。2011-02-24以來的多次事故中，河西電網(wǎng)電壓大幅度波動是風(fēng)電對于電力系統(tǒng)電壓影響的典型案例，不僅大幅度增加了系統(tǒng)電壓控制的難度，而且直接威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

4.2 系統(tǒng)無功協(xié)調(diào)控制

4.2.1 風(fēng)電機(jī)組的無功控制

酒泉風(fēng)電基地主要采用雙饋型和永磁直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組理論上應(yīng)該具有無功控制能力，但目前幾乎所有風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組均按照恒功率因數(shù)方式投入運(yùn)行，功率因數(shù)設(shè)定為1，關(guān)閉了風(fēng)電機(jī)組發(fā)無功的能力，使風(fēng)電機(jī)組不具備在線調(diào)整功率因數(shù)的能力。盡管提出了酒泉風(fēng)電基地的機(jī)組必須采用恒電壓控制方式，從而釋放風(fēng)電機(jī)組的無功容量的技術(shù)要求，但至今酒泉風(fēng)電機(jī)組仍無法滿足無功控制的要求。

4.2.2 電力系統(tǒng)的無功需求及存在的問題

隨著風(fēng)速變化，必然引起風(fēng)電場無功需求及輸電線路無功損耗大幅度變化；但由于風(fēng)電機(jī)組不具備無功出力自動調(diào)整能力，電力系統(tǒng)的無功、電壓必然大幅度變化。由于風(fēng)電有功出力預(yù)測預(yù)報(bào)精度不高，電壓波動幅度及時刻也難以準(zhǔn)確預(yù)測，因此，固定無功補(bǔ)償裝置已不能滿足風(fēng)電場的運(yùn)行要求，必須采用足夠容量的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備(SVC、SVG)調(diào)節(jié)風(fēng)電場的無功。酒泉風(fēng)電基地盡管安裝了靜止無功補(bǔ)償設(shè)備，但2011-02-24以來多次事故所暴露出的問題說明，靜止無功補(bǔ)償設(shè)備的可靠性和主要性能對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響巨大。另外，分散在風(fēng)電場的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備沒有實(shí)現(xiàn)集中控制，也增加了電力系統(tǒng)調(diào)度處理事故的難度。

4.3 電網(wǎng)頻率穩(wěn)定影響

2010年酒泉風(fēng)電基地典型日出力爬坡率最大約為總裝機(jī)容量的10 %，發(fā)電同時率平均在0.8左右。2011年550萬kW風(fēng)電機(jī)組全部投產(chǎn)后，受到分散性及互補(bǔ)性的影響，風(fēng)電出力爬坡率和同時率均將下降，風(fēng)電場出力每分鐘最大變化應(yīng)不超過300MW，在正常狀態(tài)下以水電為主、火電為輔的調(diào)節(jié)方式完全能夠滿足風(fēng)電波動引起的電網(wǎng)一次調(diào)頻要求。但河西750kV電網(wǎng)是典型的遠(yuǎn)距離、大容量、弱聯(lián)系同步輸電系統(tǒng)，當(dāng)位于電網(wǎng)末端的酒泉風(fēng)電基地發(fā)生事故時，將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅度波動。受風(fēng)電場控制能力不足的制約，2011-02-24以來連續(xù)3次事故狀態(tài)下均導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率越限，風(fēng)電基地頻率穩(wěn)定控制的風(fēng)險增加。

5 應(yīng)對措施與建議

(1) 在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心建設(shè)大規(guī)模風(fēng)電基地，風(fēng)電集中接入系統(tǒng)不僅增加了正常運(yùn)行管理的難度，在事故狀態(tài)下系統(tǒng)無功電壓和頻率等方面的控制難度更大，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險大幅度增加。

(2) 酒泉風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越、有功控制、無功控制等性能對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響巨大，大規(guī)模集中并網(wǎng)的風(fēng)電場必須加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組選型及功能配置的管理，使得大規(guī)模集中并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組主要性能技術(shù)滿足電力系統(tǒng)的需求。

(3) 加快風(fēng)電場集群控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)，提高酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電場運(yùn)行控制的能力和水平；完善風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行控制手段，提高風(fēng)電場正常控制、緊急安全穩(wěn)定控制能力，降低大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的風(fēng)險。

(4) 研究針對風(fēng)電場低壓饋線網(wǎng)絡(luò)的中性點(diǎn)接地方式，開發(fā)相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置，當(dāng)?shù)蛪吼伨€發(fā)生單相接地故障時，直接跳開故障線路，防止長期接地造成事故擴(kuò)大而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 汪寧渤，馬彥宏，夏 懿. 甘肅酒泉10 GW風(fēng)電基地面臨的巨大挑戰(zhàn)[J]. 電力建設(shè).2010，1:101～104.

2 肖創(chuàng)英，汪寧渤，陟 晶，丁 坤. 甘肅酒泉風(fēng)電出力特性分析[J]，電力系統(tǒng)自動化，2010，34(17):64～67.

3 肖創(chuàng)英，汪寧渤，丁 坤，陟 晶. 甘肅酒泉風(fēng)電功率調(diào)節(jié)方式研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，10:1～6.