異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)的慣性及頻率穩(wěn)定研究

姜昶，劉青，朱益瑩，代躍勝

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院研究生工作站，昆明 650011；2.華北電力大學(xué)電力工程系，保定 071003）

0 前言

以交直流混合運(yùn)行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，區(qū)域故障可能造成電網(wǎng)大面積停電風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)南方電網(wǎng)主網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有極大的威脅。為解決這種潛在威脅，“十三五”期間云南電網(wǎng)與南方主網(wǎng)實(shí)行了異步聯(lián)網(wǎng)[1]。云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化[2-5]。相較異步聯(lián)網(wǎng)前，云南電網(wǎng)負(fù)荷水平較低，同步電網(wǎng)規(guī)模變小，同步裝機(jī)容量也較小，這使得云南電網(wǎng)呈現(xiàn)顯著的低慣性特性特征。同時(shí)，多直流外送的規(guī)模和高滲透型新能源（風(fēng)電、太陽能）并網(wǎng)比重不斷增大，云南電網(wǎng)的系統(tǒng)慣性變得更為復(fù)雜，這使得研究云南電網(wǎng)的慣性勢(shì)在必行[6-9]。

本文先分析了異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，再針對(duì)云南電網(wǎng)的豐大方式典型數(shù)據(jù)計(jì)算了云南電網(wǎng)的等效慣性時(shí)間常數(shù)和相對(duì)慣性時(shí)間常數(shù)，結(jié)合算例得出在典型故障下的云南電網(wǎng)頻率變化特性，最后得出異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)慣性特性[10-11]。

1 云南異步聯(lián)網(wǎng)后的直流和風(fēng)電

直流異步聯(lián)網(wǎng)使得云南電網(wǎng)由一個(gè)大同步電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾⊥诫娋W(wǎng)，系統(tǒng)同步規(guī)模大大下降，同步裝機(jī)容量大大變小，同時(shí)，由于缺少了南方主網(wǎng)的頻率支撐，云南電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整，小擾動(dòng)干擾或者發(fā)生嚴(yán)重故障等情況下頻率特性與同步聯(lián)網(wǎng)時(shí)頻率特性有顯著不同。頻率變化將會(huì)更加劇烈，這對(duì)云南電網(wǎng)這個(gè)小負(fù)荷電網(wǎng)將會(huì)造成較為嚴(yán)重的影響。

從2016年6月30日異步聯(lián)網(wǎng)開始，至2021年為止，云南電網(wǎng)將有9回直流外送，總?cè)萘窟_(dá)到41 600 MW，多回直流外送對(duì)云南電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響程度越來越大，尤其是直流閉鎖故障。文獻(xiàn)[2]指出了云南電網(wǎng)高頻問題較為嚴(yán)重。為此，云南電網(wǎng)設(shè)定了三道防線：直流輸電頻率控制（FLC）、穩(wěn)控切機(jī)以及高頻切機(jī)，其中FLC作為第一道防線對(duì)直流閉鎖后頻率變化的反應(yīng)速度最為靈敏。

然而除了同步電網(wǎng)規(guī)模變小、直流外送等問題對(duì)頻率造成不利影響外，滲透型新能源并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大也對(duì)系統(tǒng)頻率影響加深，特別是云南大力發(fā)展的風(fēng)電，讓系統(tǒng)的頻率變化更為復(fù)雜。從2008年12月開始云南電網(wǎng)第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的接入，至2018年為止，云南電網(wǎng)的風(fēng)電規(guī)模達(dá)到總裝機(jī)的10.3%[7-9]。

2 慣性時(shí)間常數(shù)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的力學(xué)定律，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角加速度與作用再轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)矩?Ma之間的關(guān)系可以用下面方程表示：

方程中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ω是機(jī)械角速度，?Ma=MT-Me，MT為發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Me為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。作適當(dāng)變化后可得到：

其中Ω*=Ω?ΩN為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值，TJ=JΩ02?SB為發(fā)電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)，單位為秒，SB為發(fā)電機(jī)功率基值。

國際上慣用的慣性時(shí)間常數(shù)的HJ為：

對(duì)于一個(gè)大系統(tǒng)的等效慣性時(shí)間常數(shù)HAC，公式為：

在包含新能源機(jī)組的系統(tǒng)中，一般用系統(tǒng)相對(duì)慣性時(shí)間常數(shù)HDC表示，即：

SAC為系統(tǒng)的交流功率，PDC為系統(tǒng)的直流功率。

根據(jù)不同年份豐大典型方式數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的等效慣性時(shí)間常數(shù)、相對(duì)慣性時(shí)間常數(shù)為表1所示：

表1 時(shí)間常數(shù)表

從表1可以看出，隨著年份的增長，新能源滲透率的不斷增強(qiáng)，系統(tǒng)的等效慣性時(shí)間常數(shù)HAC雖然變化不太大，但是系統(tǒng)的相對(duì)慣性時(shí)間常數(shù)HDC下降較為明顯。其中2020年HAC相對(duì)減小的緣故在于云南電網(wǎng)新增新能源機(jī)組較多，使得公式（4）分母部分增大，從而導(dǎo)致HAC相應(yīng)減小。同時(shí)，2018年與2019年在豐大典型方式數(shù)據(jù)中，新增新能源機(jī)組相對(duì)較少，同時(shí)傳統(tǒng)機(jī)組容量變化也較小，故此2018年與2019年的系統(tǒng)相對(duì)慣性時(shí)間常數(shù)變化不大。

3 典型故障模擬與分析

下面利用BPA軟件來模擬直流單極閉鎖、云南電網(wǎng)大機(jī)組跳閘、云南電網(wǎng)負(fù)荷突變等三類故障，為了更好的分析故障后頻率變化情況，統(tǒng)一選取寶峰變母線頻率偏差值為模擬量，并對(duì)其故障后頻率偏差曲線進(jìn)行相應(yīng)分析。

3.1 直流單極閉鎖

采用2017、2019、2020年豐大典型方式數(shù)據(jù)，在BPA軟件上進(jìn)行普僑直流單極閉鎖故障模擬，相應(yīng)頻率變化如圖1所示：

圖1 普僑直流單極閉鎖后的云南頻率曲線

由圖1可知，發(fā)生普僑直流單極閉鎖后，2017年頻率偏差值約在4秒左右達(dá)到最大，峰值約0.68 Hz；2019年頻率偏差值約在5秒左右達(dá)到最大，峰值約為0.62 Hz；2020年頻率偏差值約在6.8秒左右達(dá)到最大，峰值約為0.71 Hz。

由于電網(wǎng)發(fā)生普僑直流單極閉鎖故障，云南電網(wǎng)功率有部分無法傳送至南方電網(wǎng)主網(wǎng)，導(dǎo)致云南電網(wǎng)內(nèi)部功率過剩，發(fā)電機(jī)AGC調(diào)節(jié)不能立刻執(zhí)行，在故障發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)頻率上升，所以出現(xiàn)了系統(tǒng)頻率升高較明顯的圖像。就頻率偏差變化特性曲線來看，2017年比2019年和2020年恢復(fù)至穩(wěn)定速度更為快速，約在12秒左右頻率便逐漸恢復(fù)至50 Hz左右，而2019年約為16秒，2020年更是在20秒之后。

3.2 云南電網(wǎng)大機(jī)組故障

同樣在BPA軟件上針對(duì)不同年份的豐大典型方式數(shù)據(jù)進(jìn)行云南電網(wǎng)大機(jī)組故障跳閘模擬。小灣機(jī)組1#機(jī)在20周波時(shí)刻故障跳閘，相應(yīng)頻率變化特性如圖2所示：

圖2 小灣機(jī)組1#機(jī)跳閘后云南的頻率曲線

由圖2可以看出，小灣機(jī)組1#機(jī)跳閘后，2017年頻率偏差約在6.5秒左右達(dá)到最大，最大值約為0.14 Hz；2019年頻率偏差值約在7.5秒左右達(dá)到最大，最大值約為0.18 Hz；2020年頻率偏差約在8秒左右達(dá)到最大，最大值約為0.23 Hz。

由于云南電網(wǎng)內(nèi)部大機(jī)組因故障而脫網(wǎng)，其余發(fā)電機(jī)由于慣性不能夠立馬增大功率填補(bǔ)缺失，整個(gè)云南電網(wǎng)發(fā)出的功率減小，因此整個(gè)云南電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率也相應(yīng)下降，故在故障發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)了系統(tǒng)頻率減小較為顯著的圖像。就頻率偏差變化特性曲線來看，2017年較其他年份重新恢復(fù)到50 Hz的速度快，約為12.5秒左右，而2019年約是13秒左右，2020年則達(dá)到了14秒。

3.3 云南電網(wǎng)負(fù)荷突變

同樣在BPA軟件上針對(duì)不同年份的豐大典型方式數(shù)據(jù)進(jìn)行云南電網(wǎng)負(fù)荷突變故障模擬。負(fù)荷突變故障具體為在穩(wěn)定運(yùn)行為10周波時(shí)，突然減少云南電網(wǎng)整體10%的負(fù)荷，即在10周波時(shí)，利用切機(jī)切負(fù)荷卡，切去云南電網(wǎng)整體10%負(fù)荷，系統(tǒng)的頻率變化情況如圖3所示：

圖3 云南電網(wǎng)甩10%負(fù)荷后云南的頻率曲線

由圖3可以看出，在云南電網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷突變后，2017年頻率偏差值約在4.5秒左右達(dá)到最大，峰值約為0.523 Hz；2019年頻率偏差值約在5.1秒左右達(dá)到最大，峰值約為0.642 Hz；2020年頻率偏差值約在7.2秒左右達(dá)到最大，峰值約為0.68 Hz。

云南電網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷突變，會(huì)使云南電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)出的功率不能夠完全被消耗，同時(shí)傳遞給南方主網(wǎng)的功率不能夠立刻增加，這便導(dǎo)致云南電網(wǎng)系統(tǒng)功率富余，進(jìn)而使得系統(tǒng)頻率升高，故在故障發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)頻率升高顯著。就頻率偏差變化特性曲線來看，2017年較其他年份恢復(fù)至穩(wěn)定時(shí)間明顯較短，約為14秒左右，并且其波峰也要小于其他年份，2019年恢復(fù)時(shí)間約是17秒左右，2020年更是在20秒時(shí)才恢復(fù)至50 Hz。

3.4 小結(jié)

通過上述分析可知，電網(wǎng)慣性和云南電網(wǎng)頻率之間有潛在關(guān)聯(lián)。研究表明：慣性時(shí)間常數(shù)的大小影響著頻率恢復(fù)到正常速度的快慢以及頻率偏差峰值的大小；慣性時(shí)間常數(shù)越大，頻率恢復(fù)到正常的速度越快，頻率偏差峰值越小。

4 結(jié)束語

云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，同步電網(wǎng)規(guī)模大大變小，同步裝機(jī)容量降低，相應(yīng)的慣性時(shí)間常數(shù)也隨之減小，再加上高滲透型新能源逐年增加，使得系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)更為復(fù)雜。

不同年份豐大典型方式數(shù)據(jù)的BPA分析軟件模擬表明，云南異步電網(wǎng)含有的滲透型新能源容量越大，其對(duì)應(yīng)的慣性時(shí)間常數(shù)越小，頻率偏差值越大，頻率恢復(fù)的速度越慢。