含大量风电场的末端电网750kV外送通道故障后的孤网控制策略分析
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摘 要：针对含大量风电场的末端地区电网外送通道由220千伏上升为750千伏网架后，研究外送750千伏通道发生故障后，地区电网电压、频率问题的动态过程，运用电力系统综合分析程序（power system analysis software package， PSASP）程序仿真分析，不同的切机组合策略，对孤网快速稳定的效果。
关键词：电力系统;孤网;风电场;切机
中图分类号：TM727 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）18-0134-03
Abstract： After the external transmission channel of the terminal regional power network with a large number of wind farms rises from 220kV to 750kV grid， the dynamic process of voltage and frequency problems in the regional power network after the failure of 750kV transmission channel is studied. Using the power system analysis software package（PSASP） program simulation analysis， this paper studies different cutting combination strategiesand the effect of fast and stable isolated network.
Keywords： power system; isolated network; wind farm; cutting machine
前言
电力系统稳定指正常运行时，系统经受干扰（如短路、切成故障、切除线路、切机等），电网保持同步运行、不发生频率和电压崩溃的一种能力。这种抗干扰的能力就是电力系统能保证正常运行所必须具备的能力。通常用暂态稳定来判据电力系统每一次遭受大扰动后，电网中各发电机之间的相对功角开始大幅震荡，然后快速恢复至另一个稳定状态，电网中各变电站电压也恢复到一个合理的范围。
在风电资源丰富的新疆阿勒泰和塔城地区，由于地区经济主要以養殖和旅游为主，电网负荷较轻。大量的风电场接入后，改变了原有的地区潮流，以外送为主。2018年底，750kV塔城变投运后，750kV塔五双线成为阿勒泰和塔城电网与新疆电网联络的主通道，原220kV下野地变和夹河子变分列运行。送出通道电压等级的提升，直接带来了外送的增加，有利于降低风电的弃风率。但风电出力的有功增加，改变线路传输功率与新疆主电网系统的惯量，使得地区电网暂态稳定性发生了变化。
本文选取新疆北部末端阿勒泰和塔城电网作为研究对象，该地区为大电源（风电装机规模大，常规水电和火电装机规模小）、小负荷地区，风电发展快。地区电网通过750kV塔五双线外送有功680MW，极端情况下发生750kV双回线路跳闸，造成新疆阿勒泰和塔城地区孤网运行。网内的多余的发电出去必须通过稳控装置快速切除，避免发生机组功角和频率失稳。但如何在风电送出地区分配切除方案，是关系电网能否快速恢复稳定的关键。本文通过PSASP软件仿真分析多种切机方案，找到最优。
1 风电出力与电网频率之间的关系
风电场装机规模占地区电网比例越大，对地区电网频率影响越大。风电因其自身的随机波动性和间隙性，决定了风电场出力的功率波动，将对电网的频率产生影响，这种影响随着出力越大，影响越显著。对电网中一些对频率敏感负荷将产生一定影响，甚至影响正常工作。出于此种情况考虑，地区电网中配备的其他常规机组，就必须具备快速的频率响应能力，能进行频率跟踪调节，抑制频率的波动。
2 风电出力与电网电压之间的关系
3 某末端电网情况
新疆阿勒泰和塔城电网处于新疆电网的最北端，2018年底，750kV塔城变、750kV塔五双线将该地区丰富的风电出力送入新疆主网、送往内地省份，同时也大幅度降低片区弃风率（图1）。
4 仿真分析
故障设置：750kV塔五双线在1s时，五侧发生三相短路接地，1.2s两侧断路器跳闸，新疆主网与阿勒泰和塔城电网解网。
4.1 方案1：仅切除孤网地区风电680MW风电出力。切机分配方案（风电：火电：水电=100%：0：0）
从图2、图3可以看出，在切除同等风电的发电出力下，电网能够快速得到稳定。750kV塔城变的220kV母线电压下降幅度较大，且恢复较慢，最后稳定在216kV左右。其他变电站母线电压均能恢复到故障前水平。孤网瞬间电网频率飙升至50.72Hz，逐步成下降趋势，在故障后的第13S时，电网频率下降至50.3Hz。
4.2 方案2：切除孤网地区风电480MW和水电200MW出力。切机分配方案（风电：火电：水电=70%：0：30%）
从图4、图5可以看出，在切除70%的风电和30%的水电发电出力下，电网也能够快速得到稳定。750kV塔城变的220kV母线电压下降幅度较大，且恢复较慢，最后稳定在214kV左右，较方案1，电压下降了2kV。其他变电站母线电压均能恢复到故障前水平。孤网瞬间电网频率飙升至50.68Hz，逐步成下降趋势，在故障后的第13S时，电网频率下降至50.4Hz，电网频率恢复较慢。
4.3 方案3：切除孤网地区风电350MW和火电300MW出力。切机分配方案（风电：火电：水电=55%：45%：0）
从图6、图7可以看出，此种方案，电压在160kV以下，频率在51.5Hz，电压和频率均未能恢复，孤网失去稳定。 4.4 方案4：切除孤网地区水电350MW和火电300MW出力。切机分配方案（风电：火电：水电=0：45%：55%）
因孤網内仅有两座火电厂，一座出力300MW（油田电厂），另一座150MW（赛尔电厂），当考虑此种方案，切除了孤网中的主力火电厂和大部分水电机组，电网失去了快速响应的常规机组，剩下的风电机组，因自身特性，不具备调频和调压能力，造成电网失去稳定。
4.5 小结
从图8、图9中可以看出，方案1和方案2两种切机方式，孤网的电压和频率均能满足稳定。从电压和频率波动幅度以及快速恢复上看，方案1优于方案2。
5 结论
（1）大规模风电通过750kV电网网架送出的末端电网，在孤网后的电网电压和频率与风电出力大小息息相关。孤网前的风电出力越大，孤网后电网的电压和频率越不容易控制。
（2）孤网后的电网能否快速稳定，与自动装置的可靠性和快速性密切相关，从而避免发生系统崩溃。
（3）孤网中的风电场，不仅要考虑风机的低电压穿越的能力。特别是在送出电网，还应提高风机的高频能力，在电网发生高频时，在规定的时间内不能发生风电机组自动脱网，否则会造成孤网内的频率高低来回波动，最后导致孤网系统崩溃。
（4）末端送出电网，在发生故障后，要充分保留具有调节功能的水电和火电机组，在切机方案制定时，优先选择切除风电机组，以提高常规机组对孤网系统的频率控制能力。
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