含高滲透率風(fēng)電的孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性研究

李媛媛，余秀月，丁 劍，陳 峰，宋云亭，于光耀

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含高滲透率風(fēng)電的孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性研究

李媛媛1，余秀月2，丁 劍1，陳 峰2，宋云亭1，于光耀3

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300010)

大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)后，風(fēng)電近區(qū)系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。以實(shí)際電網(wǎng)為例，以現(xiàn)有頻率保護(hù)配置方案為基礎(chǔ)，仿真模擬了風(fēng)電近區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)風(fēng)電機(jī)組、常規(guī)機(jī)組、核電機(jī)組高頻保護(hù)裝置的動(dòng)作情況。分析了各類(lèi)機(jī)組在暫態(tài)過(guò)程中的差異，深入研究了近區(qū)孤網(wǎng)的頻率動(dòng)態(tài)特性，并提出了適用于風(fēng)核聯(lián)合運(yùn)行工況下的孤網(wǎng)高頻保護(hù)優(yōu)化配置方案。該研究成果對(duì)大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)近區(qū)各類(lèi)機(jī)組頻率保護(hù)定值的整定具有重要的參考價(jià)值。

風(fēng)電集中并網(wǎng)；頻率動(dòng)態(tài)特性；孤網(wǎng)運(yùn)行；頻率保護(hù)；高頻切機(jī)

0 引言

我國(guó)把風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用作為改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)環(huán)境保護(hù)、保持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大舉措[1-2]，2014年我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量為2 319.6萬(wàn)kW，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模累計(jì)達(dá)1.146億kW，居世界第一[3]。風(fēng)電接入電網(wǎng)主要有2種方式：分散接入和集中接入[4-6]。分散接入主要用于風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模小、以就地消納為主的情況，接入電壓等級(jí)低，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響較小[7-9]。集中接入主要用于風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模大、以異地消納為主的情況，接入電壓等級(jí)高，遠(yuǎn)距離輸送，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響較大[10-12]。

風(fēng)電規(guī)劃中常根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)分布特點(diǎn)，將大規(guī)模風(fēng)電集中接入某地區(qū)電網(wǎng)，由于這些地區(qū)風(fēng)電接入比例較高，同時(shí)存在功率外送，一旦地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，高滲透率的風(fēng)電機(jī)組及剩余功率都將給地區(qū)孤網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大壓力。本文以福建莆田、福清地區(qū)電網(wǎng)為研究對(duì)象，以現(xiàn)有頻率保護(hù)配置方案為基礎(chǔ)，仿真模擬了地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)風(fēng)電機(jī)組、常規(guī)機(jī)組、核電機(jī)組高頻保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，分析了各類(lèi)機(jī)組在暫態(tài)過(guò)程中的差異，深入研究了地區(qū)孤網(wǎng)的頻率動(dòng)態(tài)特性，并提出了適用于風(fēng)核聯(lián)合運(yùn)行工況下的孤網(wǎng)高頻保護(hù)配置方案，保障了孤網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電力系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性

頻率是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，保證電力系統(tǒng)的頻率合乎標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整的一項(xiàng)基本任務(wù)。頻率動(dòng)態(tài)特性[13]是指頻率在擾動(dòng)事故下隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性

由圖1可知，系統(tǒng)頻率不能突變，而是按一定的指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)系統(tǒng)的頻率在45~51 Hz變化、且系統(tǒng)無(wú)備用容量時(shí)，其表達(dá)式為

因此，實(shí)際運(yùn)行時(shí)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)組分布、機(jī)組參數(shù)及負(fù)荷類(lèi)型等因素共同作用下，系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)特性更加突出[14]。當(dāng)電力系統(tǒng)受到大機(jī)組跳閘、聯(lián)絡(luò)線跳線或是大容量負(fù)荷投切等擾動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)有功功率平衡遭到破壞，引起系統(tǒng)頻率發(fā)生變化繼而發(fā)生頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，頻率或會(huì)重新恢復(fù)至期望值，或發(fā)生失穩(wěn)，因此可根據(jù)頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程判斷頻率的穩(wěn)定性。

低頻減載、高/低頻切機(jī)作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行3道防線[15-16]中的最后一道防線，是防止電力系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰的緊急控制措施。大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)后，風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性將嚴(yán)重影響到近區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，風(fēng)電近區(qū)系統(tǒng)原有的頻率保護(hù)配置方案也將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2 風(fēng)電集中并網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)概況

本文以福建電網(wǎng)為仿真算例，福建省地處歐亞大陸的東南邊緣，瀕臨東海和臺(tái)灣海峽，沿海風(fēng)能資源十分豐富?！笆濉逼陂g，福建電網(wǎng)將有大規(guī)模的風(fēng)電集中接入莆田、福清地區(qū)電網(wǎng)，2020年該區(qū)域風(fēng)電總裝機(jī)3 282 MW。典型方式下該區(qū)域電網(wǎng)潮流圖如圖2所示，總負(fù)荷為5 922 MW，網(wǎng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組出力為3 300 MW，核電機(jī)組出力4 600 MW，風(fēng)電最大出力為2 778 MW，風(fēng)電出力在該地區(qū)電源總出力中所占比例為22%。典型方式下，該區(qū)域電網(wǎng)存在大量功率剩余，外送功率約為4 700 MW。

圖2 2020年風(fēng)電集中并網(wǎng)近區(qū)電網(wǎng)潮流圖

仿真中以該地區(qū)電網(wǎng)與福建主網(wǎng)500 kV、220 kV連接線無(wú)故障斷開(kāi)(圖中虛線斷面)為例進(jìn)行分析，此時(shí)莆田和福清地區(qū)220 kV電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，該區(qū)域中風(fēng)電接入比例較高，但由于地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，且孤網(wǎng)內(nèi)具備常規(guī)電源機(jī)組，具備較強(qiáng)的事故支撐能力，因此解列后，上述區(qū)域孤網(wǎng)面臨的主要問(wèn)題是過(guò)剩功率造成的高頻問(wèn)題。下面將深入研究上述區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率動(dòng)態(tài)特性和頻率保護(hù)配置方案。

3 孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性仿真分析

3.1 頻率保護(hù)配置現(xiàn)狀

上述區(qū)域電網(wǎng)中低頻減載方案、核電及常規(guī)機(jī)組頻率保護(hù)配置如表1、表2所示。

表1 低頻減載配置(Hz/s/p.u.)

表2 機(jī)組頻率保護(hù)配置(Hz/s)

通過(guò)調(diào)研福建電網(wǎng)已投產(chǎn)風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組頻率保護(hù)配置方案，發(fā)現(xiàn)其中較為常用的為以下3種頻率保護(hù)定值，如表3所示。

表3 福建電網(wǎng)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)頻率保護(hù)配置方案統(tǒng)計(jì)(Hz/s)

仿真中，將分別按照以上3種配置方案對(duì)風(fēng)電機(jī)組頻率保護(hù)定值進(jìn)行模擬，分析其對(duì)孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響。

3.2 孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性仿真分析

(1) 方案1、2

風(fēng)機(jī)頻率保護(hù)定值按照方案1、2配置時(shí)，仿真過(guò)程中機(jī)組高頻保護(hù)裝置動(dòng)作情況如表4所示。

表4 孤網(wǎng)機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作情況

孤網(wǎng)后由于地區(qū)電網(wǎng)有功過(guò)剩，造成孤網(wǎng)頻率快速升高，首先達(dá)到福清核電機(jī)組高頻保護(hù)定值，切除全部核電機(jī)組后，孤網(wǎng)頻率恢復(fù)至50.1 Hz左右。該過(guò)程中孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖3所示。 由上述仿真分析可見(jiàn)，在故障過(guò)程中核電機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作，但風(fēng)電機(jī)組高頻保護(hù)由于孤網(wǎng)頻率未達(dá)到其整定值而未動(dòng)作。雖然故障后孤網(wǎng)頻率能夠恢復(fù)至穩(wěn)定范圍內(nèi)，但考慮到風(fēng)電機(jī)組的控制特性較差，且其出力伴隨著隨機(jī)性和波動(dòng)性，因此從故障后保障孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的角度來(lái)看，應(yīng)將風(fēng)電機(jī)組作為孤網(wǎng)高頻切機(jī)的優(yōu)先參與機(jī)組，盡量使常規(guī)機(jī)組保持在電網(wǎng)中，以利于孤網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(方案1、2)

(2) 方案3

風(fēng)機(jī)頻率保護(hù)定值按照方案3配置時(shí)，仿真過(guò)程中機(jī)組高頻保護(hù)裝置動(dòng)作情況如表5所示。

表5 孤網(wǎng)機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作情況

孤網(wǎng)后頻率快速升高，首先達(dá)到風(fēng)電機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作定值，切除全部風(fēng)電機(jī)組2 790 MW，由于切機(jī)規(guī)模較小，孤網(wǎng)頻率繼續(xù)上升，達(dá)到福清核電機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作定值，切除福清核電廠全部機(jī)組4 600 MW，此時(shí)由于切機(jī)規(guī)模過(guò)大，造成孤網(wǎng)出現(xiàn)大量有功缺額，孤網(wǎng)頻率快速下降，觸發(fā)低頻減載裝置動(dòng)作，并相繼觸發(fā)江陰電廠、江熱電廠低頻保護(hù)動(dòng)作定值，切除其全部機(jī)組1 650 MW，孤網(wǎng)失穩(wěn)，無(wú)法維持穩(wěn)定運(yùn)行。該過(guò)程中孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖4所示。

由上述仿真分析可知，孤網(wǎng)后由于福清核電高頻保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致全部機(jī)組同時(shí)切除，雖然地區(qū)電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)保持完整，但由于福清核電機(jī)組容量大，同時(shí)全部退出運(yùn)行后對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定沖擊較大，因此風(fēng)電并網(wǎng)近區(qū)孤網(wǎng)后，大容量的福清核電機(jī)組應(yīng)盡量保持在電網(wǎng)中。

(3) 高頻保護(hù)優(yōu)化配置方案

參考國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)核電高頻運(yùn)行范圍，核電機(jī)組接入電網(wǎng)，當(dāng)其機(jī)端電壓在0.95~1.05 p.u.，機(jī)端頻率為51~52 Hz時(shí)，可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為5 s。則可知福清核電機(jī)組現(xiàn)有高頻保護(hù)定值設(shè)置較為嚴(yán)苛，存在一定的優(yōu)化空間，本文提出的福清核電機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作定值初步優(yōu)化方案如表6所示。

圖4 孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(方案3)

表6 福清核電機(jī)組高頻保護(hù)定值優(yōu)化方案

在風(fēng)機(jī)高頻保護(hù)定值采取方案3的基礎(chǔ)上，按照福清核電機(jī)組高頻保護(hù)定值優(yōu)化方案，仿真過(guò)程中機(jī)組高頻保護(hù)裝置動(dòng)作情況如表7所示。

表7 孤網(wǎng)機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作情況

孤網(wǎng)后首先達(dá)到風(fēng)電機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作定值，切除全部風(fēng)電機(jī)組2 790 MW，由于切機(jī)規(guī)模較小，孤網(wǎng)頻率繼續(xù)上升，達(dá)到福清核電1#、2#機(jī)組的高頻保護(hù)動(dòng)作定值，切除1#、2#機(jī)組2 300 MW，此時(shí)，由于切機(jī)規(guī)模過(guò)大，形成過(guò)切，孤網(wǎng)頻率下降至49 Hz以下，并觸發(fā)低頻減載裝置動(dòng)作，動(dòng)作2輪切除655 MW負(fù)荷后，孤網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，最終恢復(fù)頻率為50.5 Hz左右。該過(guò)程中孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖5所示。

圖5 孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(優(yōu)化方案)

4 結(jié)論和建議

本文針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)后，風(fēng)電近區(qū)電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行工況，研究了網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組、核電機(jī)組及常規(guī)機(jī)組對(duì)孤網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 風(fēng)電集中并網(wǎng)后，當(dāng)故障導(dǎo)致并網(wǎng)近區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列時(shí)，該區(qū)域電網(wǎng)因功率過(guò)剩將面臨嚴(yán)重的高頻問(wèn)題，為保障該區(qū)域孤網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需合理整定孤網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組、核電機(jī)組、常規(guī)機(jī)組的高頻保護(hù)動(dòng)作定值。

(2) 由于風(fēng)電機(jī)組的控制特性較差，且其出力過(guò)程伴隨著隨機(jī)性和波動(dòng)性，因此從故障后保障孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的角度來(lái)看，應(yīng)將風(fēng)電機(jī)組作為孤網(wǎng)高頻切機(jī)的優(yōu)先參與機(jī)組，盡量使常規(guī)機(jī)組保持在電網(wǎng)中，以利于孤網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(3) 風(fēng)電集中并網(wǎng)后可能使孤網(wǎng)內(nèi)大容量機(jī)組原有的高頻保護(hù)配置面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，此種情況在孤網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電、核電聯(lián)合運(yùn)行工況下，影響愈加惡劣。由于核電機(jī)組保護(hù)定值設(shè)置較為嚴(yán)苛，且核電機(jī)組容量大，同時(shí)全部退出運(yùn)行后對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定沖擊較大，某些情況下可能進(jìn)一步擴(kuò)大故障后果，因此應(yīng)在合適范圍內(nèi)調(diào)整大容量核電機(jī)組的高頻保護(hù)定值，使其盡量保持在電網(wǎng)中，以利于孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。在本文所研究的算例和核電高頻保護(hù)配置優(yōu)化方案下，孤網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。

(4) 鑒于本文的研究是在部分常規(guī)機(jī)組調(diào)速參數(shù)為典型參數(shù)的條件下開(kāi)展的，下一步將在收集核電機(jī)組實(shí)際高、低頻耐受范圍資料，并補(bǔ)充完整機(jī)組實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)后，開(kāi)展核電、風(fēng)電頻率保護(hù)整定值的相關(guān)優(yōu)化分析。

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(編輯 葛艷娜)

Study on frequency dynamic characteristics of isolated network with high penetration of wind power

LI Yuanyuan1, YU Xiuyue2, DING Jian1, CHEN Feng2, SONG Yunting1, YU Guangyao3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350003, China; 3. State Grid Fujian Electric Power Company Electric Power Research Institute, Tianjin 300010, China)

After the centralized integration of large-scale wind farms, the frequency dynamic stability of the network nearby will face serious challenges. Based on the existing frequency protection scheme, high-frequency protection equipment action sequence of wind turbines, conventional units and nuclear power plants is simulated for the network near wind farms in isolated operation in actual power grid. The differences between various types of units in the transient process are analyzed, frequency dynamic characteristics of the isolated regional network are studied, and the optimal allocation of high-frequency protection of the isolated network is proposed which is suitable for operating conditions combined with wind and nuclear power. The result is beneficial for protective set value adjustment after the centralized integration of large-scale wind farms.

centralized integration of wind farms; frequency dynamic characteristics; isolated operation; frequency protection; high frequency generator tripping

10.7667/PSPC152171

2015-12-25；

2016-02-25

李媛媛(1983-)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制、電源接入；E-mail: liyuanyuan2010 @epri.sgcc.com.cn

余秀月(1978-)，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)調(diào)度與運(yùn)行、電壓穩(wěn)定與控制。