吐魯番地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)控策略

土亞軍，胡仁祥，胡 陽，沈志偉，王明慧，曹永吉

（國網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

吐魯番地區(qū)屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，日照充足極端干燥，降雨稀少、大風(fēng)頻繁，吐魯番電網(wǎng)作為我國重要的能源電力基地和“西電東送”戰(zhàn)略最早的送端之一，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)，擁有豐富的風(fēng)能和光熱資源，其中風(fēng)電主要分布在三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)[1-2]，光伏主要分布在七泉湖光伏區(qū)、紅山口光伏區(qū)和庫米什光伏區(qū)。風(fēng)電和光伏因其獨(dú)特的優(yōu)勢，預(yù)計(jì)2025 年風(fēng)電裝機(jī)高達(dá)2728 MW，光伏裝機(jī)高1460 MWp。

由于風(fēng)能的隨機(jī)性和波動性，大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)會影響電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定特性[3-7]，近年來，對風(fēng)電并網(wǎng)的研究較多，但對電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行下的穩(wěn)控策略研究較少。本文采用仿真和理論相結(jié)合的方法，基于特征值分析法[8]，分析在孤網(wǎng)運(yùn)行情況下，通過對比選取最優(yōu)振蕩模態(tài)，采取穩(wěn)控策略使電網(wǎng)在最短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，并提出提高吐魯番電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定特性的措施。

1 雙饋風(fēng)機(jī)模型

圖1為雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，由圖1可知，風(fēng)力機(jī)通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，機(jī)械功率經(jīng)過傳動鏈推動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電磁功率，一部分電磁功率通過發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接向電網(wǎng)傳輸，一部分電磁功率通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器與電網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)饋電或從電網(wǎng)吸收功率，因此，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器用于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出的有功功率和無功功率，定子側(cè)變換器用于保持控制系統(tǒng)的電壓平衡。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Grid connected structure diagram of double-fed wind generator

本文忽略轉(zhuǎn)子的諧波分量，只考慮基波分量；忽略磁滯、渦流、鐵耗、變頻電源的阻抗和損耗，得到雙饋風(fēng)機(jī)的等值電路圖，見圖2所示，該圖基于異步電動機(jī)等效電路模型圖，增加了外接電勢源。由雙饋電動機(jī)的等效電路圖可得，雙饋發(fā)電機(jī)的基本方程式如式（1）所示[9]。

圖2 雙饋電動機(jī)的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of doubly-fed motor

式中：R1、Xl1分別為定子側(cè)的電阻和漏抗；R′2、X′l2分別為轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的電阻和漏抗；Xm為激勵(lì)電抗；分別為定子側(cè)的電壓、感應(yīng)電動勢和電流；分別為轉(zhuǎn)子側(cè)的感應(yīng)電動勢以及轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過頻率和繞組折算到定子側(cè)的值；為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓經(jīng)過繞組折算之后的值；為再經(jīng)過頻率折算后的值；為轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的電阻再經(jīng)過頻率折算后的值。

2 動態(tài)穩(wěn)定特性

2.1 孤網(wǎng)運(yùn)行簡況

圖3為吐魯番電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖3可知，吐魯番電網(wǎng)以750 kV為最高電壓等級，以220 kV、110 kV為主干網(wǎng)架，其供電范圍東至鄯善七克臺鎮(zhèn)，西至阿拉溝礦區(qū)，南至鄯南南山礦區(qū)，北至大河沿鎮(zhèn)北部礦區(qū)，供電面積達(dá)7萬km2，同時(shí)接入火電廠、水電站、風(fēng)電場和光伏電站?；谕卖敺F(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，750 kV 吐魯番變電站接帶負(fù)荷為1690 MW，該片區(qū)電源總裝機(jī)為4354.5 MW，其中火電裝機(jī)為1610 MW，新能源裝機(jī)為2744.5 MW。新能源最大外送出力為1100 MW。

圖3 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of power grid structure

當(dāng)新能源大發(fā)時(shí)，吐魯番電網(wǎng)多余出力通過750 kV吐魯番變電站外送，從而保持電網(wǎng)電壓和頻率平衡。但若吐魯番變電站1號、2號主變壓器故障跳閘，同時(shí)什金一二線、柴托一二線熱備用將會造成吐魯番電網(wǎng)局部孤網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)新能源出力增加，電網(wǎng)電壓、頻率隨之升高，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩，為了讓電網(wǎng)在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，需要按一定的比例切除某一片區(qū)的風(fēng)電和光伏出力，因此本文主要通過吐魯番電網(wǎng)振蕩模態(tài)圖分析切除不同比例風(fēng)電和光伏下的電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性。

2.2 振蕩模態(tài)分析

本文通過特征值分析法分析吐魯番電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定特性，求得不同特征值，每個(gè)特征值對應(yīng)某個(gè)振蕩模態(tài)的阻尼情況，特征值λ的表達(dá)式如式（2）所示[10-11]：

式中：σ為特征值的實(shí)部，w為特征值的虛部。當(dāng)σ>0時(shí)，系統(tǒng)對振蕩模態(tài)具有正阻尼，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)σ=0 時(shí)，系統(tǒng)對振蕩模態(tài)具有零阻尼，系統(tǒng)處于等幅振蕩狀態(tài)；σ＜0 時(shí)，系統(tǒng)對振蕩模態(tài)具有負(fù)阻尼，系統(tǒng)經(jīng)一定時(shí)間的衰減振蕩后趨于穩(wěn)定；w為某振蕩模態(tài)所對應(yīng)的振蕩角頻率，表示該模態(tài)下系統(tǒng)振蕩的快慢。

當(dāng)阻尼比小于0.03 時(shí)，該特征值所對應(yīng)的振蕩模態(tài)為弱阻尼振蕩，為了使電網(wǎng)以更短的時(shí)間趨于穩(wěn)定，本文選取阻尼比大于0.03的振蕩模態(tài)進(jìn)行分析。特征值對應(yīng)的振蕩模態(tài)的振蕩頻率和阻尼比如式（3）所示：

式中：f為振蕩頻率；ξ為阻尼比。

為了分析吐魯番電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行方式下的穩(wěn)定特性，提出最優(yōu)的穩(wěn)控策略，本文基于PASAP/Prony仿真平臺，針對750 kV吐魯番變電站1號、2號主變壓器故障跳閘情況，分別對新能源外送出力為500～950 MW 建立切除不同比例風(fēng)電、光伏出力情況下的頻域仿真模型。電力系統(tǒng)的振蕩模態(tài)與特征值如表1所示。

表1 電力系統(tǒng)的振蕩模態(tài)與特征值Tab.1 Oscillation modes and eigenvalues of power system

圖4為各出力下的電網(wǎng)頻率圖，由圖4可知，不同比例的風(fēng)電、光伏出力均能使電網(wǎng)的頻率恢復(fù)到允許偏差范圍內(nèi)。但是不同的出力所對應(yīng)的頻率不盡相同，且頻率恢復(fù)到允許偏差范圍內(nèi)所需要的時(shí)間也不同。當(dāng)風(fēng)電出力70%、光伏出力30%時(shí)，頻率變化幅度最小、變化最快，頻率在3.48 s內(nèi)恢復(fù)到了50.2 Hz；當(dāng)風(fēng)電出力65%、光伏出力65%時(shí)，頻率變化幅度較為緩慢，頻率在4.63 s內(nèi)恢復(fù)到50.2 Hz；當(dāng)風(fēng)電出力30%、光伏出力70%時(shí)，頻率變化幅度較大，變化緩慢，頻率在6.85 s時(shí)才能穩(wěn)定到50.2 Hz。

圖4 不同出力下的電網(wǎng)頻率Fig.4 Power grid frequency under different output

當(dāng)新能源外送出力為500～950 MW 時(shí)，切除風(fēng)電出力70%、光伏出力30%時(shí)，電網(wǎng)頻率能在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到允許范圍內(nèi)，而當(dāng)風(fēng)電出力30%、光伏出力70%時(shí)，電網(wǎng)頻率恢復(fù)到允許范圍內(nèi)所需要的時(shí)間最長。

綜上所述，為了提高電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定特性，當(dāng)新能源外送出力為500～950 MW 時(shí)，本文選擇切除風(fēng)電出力70%、光伏出力30%的策略作為吐魯番電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行情況下的最優(yōu)穩(wěn)控策略。

3 動態(tài)穩(wěn)定特性改善措施

3.1 電網(wǎng)建設(shè)

吐魯番電網(wǎng)僅有2座750 kV變電站，通過750 kV線路分別與烏魯木齊電網(wǎng)、哈密電網(wǎng)、巴州電網(wǎng)相連，作為連接新疆主電網(wǎng)以及與東疆電網(wǎng)、南疆電網(wǎng)的樞紐，加強(qiáng)750 kV電網(wǎng)的建設(shè)至關(guān)重要，在“十四五”規(guī)劃中需新增750 kV 變電站落點(diǎn)，提高電網(wǎng)斷面交換能力，滿足新能源送出需要以及大容量火電機(jī)組接入系統(tǒng)需要。

近年來，風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比持續(xù)升高，風(fēng)電、光伏出力參與電力平衡，可以大大彌補(bǔ)火電等常規(guī)電源出力不足的缺口，但由于新能源出力的隨機(jī)性、間歇性以及受網(wǎng)內(nèi)調(diào)峰電源不足等限制，對電網(wǎng)的電壓調(diào)整、電能質(zhì)量等具有較大影響，因此，“十四五”期間亟待加強(qiáng)750 kV電網(wǎng)建設(shè)[12-18]。

為了提高電網(wǎng)穩(wěn)定特性，防止出現(xiàn)750 kV變電站全站失壓，造成吐魯番電網(wǎng)局部孤網(wǎng)運(yùn)行的情況，需優(yōu)化吐魯番電網(wǎng)網(wǎng)架，在托克遜片區(qū)建設(shè)750 kV變電站1座，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖Fig.5 Optimization diagram of power grid structure

750 kV 托克遜變電站接入吐魯番電網(wǎng)后，對750 kV吐魯番變電站1號、2號主變壓器同時(shí)故障跳閘進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示，阻尼振蕩模式的阻尼明顯提高，說明通過新建750 kV托克遜變電站可以提升吐魯番電網(wǎng)運(yùn)行的動態(tài)穩(wěn)定性。

表2 750 kV托克遜變電站投運(yùn)前后暫穩(wěn)分析Tab.2 Transient stability analysis of 750 kV Toksun substation before and after operation

3.2 其他措施

對吐魯番網(wǎng)內(nèi)機(jī)組采取加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer，PSS）裝置或?qū)C(jī)組PSS參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[18-25]，以滿足事故后運(yùn)行方式的需求，尤其是在振蕩模式強(qiáng)相關(guān)的機(jī)組上增設(shè)PSS，對于增強(qiáng)阻尼、提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性效果更為顯著。

4 結(jié)束語

本文以2022年吐魯番電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過對比分析不同出力、不同運(yùn)行模態(tài)下阻尼比對電網(wǎng)震蕩特性的影響，研究孤網(wǎng)運(yùn)行情況下的最優(yōu)穩(wěn)控策略，以提高吐魯番電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)控性。同時(shí)提出在托克遜片區(qū)新增一座750 kV變電站，解決由于750 kV吐魯番變電站1號、2號主變壓器同時(shí)故障跳閘引起的局部電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題。以上結(jié)論可為吐魯番電網(wǎng)局部孤網(wǎng)運(yùn)行情況下所采取的策略研究提供參考。