摘要：甘肃风能资源丰富，近年来，风电机组并网容量迅猛增长。甘肃省政府在酒泉地区规划建设一个拥有“陆上三峡”之称的“河西风电走廊”。至2008年底，酒泉地区风电总装机容量已达到508.6MW，占甘肃电网总容量的3.34％。酒泉风电场出线直接接入110kV及以上电压等级输电网，远离负荷中心，处于甘肃电网末端，属于弱电网系统，风电场接入对电网调度和运行影响已很严重。本文结合嘉酒电网中风电场接入系统的实例，分析了风电接入后对电网暂态稳定性的影响，以及通过合理配置安全自动装置对提高电网暂态稳定性和提高风电送出能力的作用，同时提出了一些建议和措施。
关键词：风电并网，调度运行，安自装置，风力发电
1 引言
风能是一种洁净的、储量极为丰富的可再生能源。受化石能源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，随着风能最主要的利用形式－风力发电的发展十分迅速，世界风电装机容量的年平均增长率超过了30％。风能将是21世纪最有发展前景的绿色能源，是人类社会可持续发展的主要新动力源。
甘肃是我国风能资源相对丰富的省区之一，风能资源理论储量2.37亿千瓦。而位于河西走廊西端的酒泉地区是甘肃风能资源最为丰富的地区，可利用面积达到1万平方公里，风能资源可开发量在4000万千瓦左右。近年来，随着《可再生资源法》的颁布实施以及国家对开发利用清洁能源、可再生能源的大力扶持，甘肃电网内小水电、风电得到了迅速发展，同时送出受限的矛盾也日益突出，而这种矛盾在嘉酒电网则更为突出。
嘉酒电网位于甘肃电网末端，按负荷中心划分该网分为东西两部分，网内除东部电网的330kV嘉峪关变通过330kV线路与主网连接外，主要是110kV及以下电压等级的配电线路，直到2007年才在嘉酒西部电网新建一座330kV瓜州变电站，同时建成一回330kV线路连接东、西部的嘉峪关和瓜州变电站。为了保证嘉峪关、敦煌等重要旅游景点的供电可靠性，嘉酒电网采用330/110kV电磁环网供电形式。嘉酒电网风电的集中上网点主要在嘉酒电网西部的330kV瓜州变和110kV阳关变，截至2008年12月底风电装机容量已达到560MW。此外，嘉酒网内的小水电发展也相当迅速，但是布局相对于风电来说较为均衡，目前小水电的规模已达到200MW，东西部大约各占50％。目前，嘉酒网内最大用电负荷约300MW，在平衡网内用户电厂出力后，极限情况下有600MW以上富裕的风电、水电需要送出，加之水电发电的季节性和风电发电的随机性，给调度运行带来了极大的困难。
解决嘉酒电网风电、水电的送出问题，可从两个方面着手，一是加强电网结构，二是合理布置稳定控制装置。目前已在规划、建设750kV电网，但是在750kV网架建成前的过渡时期，采用稳定控制装置将是提高嘉酒电网风电、水电送出能力主要途径。本文结合嘉酒电网中风电场接入系统的实例，分析了风电接入后对电网暂态稳定性的影响，以及通过合理配置安全自动装置对提高电网暂态稳定性和提高风电送出能力的作用。
2 电网结构及计算条件
2.1 电网结构
嘉酒电网主要分为两个部分，嘉酒东部和嘉酒西部电网。其中嘉酒东部电网是以330kV嘉峪关变为核心的辐射状供电网络，嘉酒西部电网是以330kV瓜州变为核心的辐射状供电网络，东、西部电网通过330kV瓜嘉线及110kV电网电磁环网运行。截至2008年底的嘉酒电网见图1，风电场装机容量见表1。
表1 2008年底嘉酒电网风电场装机容量
|
风电场 |
A风场 |
B风场 |
C风场 |
D风场 |
E风场 |
E风场 |
合计 |
|
装机容量（MW） |
100 |
50 |
150 |
100 |
50 |
110 |
560 |
图1、截至2008年底的嘉酒电网示意图
2.2 计算条件
⑴、选取电力系统综合分析程序(PSASP6.25)，采用程序中提供鼠笼式风电机组模型和双馈直驱风机通用模型，并与电网其余元件联接，形成含有风电场的电网计算数据。其中A、B、C风电场为鼠笼式风电机组，D、E、F风电场为双馈风机。
⑵、根据《电力系统安全稳定导则》第一级安全稳定标准的规定，计算采取的故障集主要为元件N-1故障，其中：同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线路三相故障断开不重合；两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路故障或无故障断开，必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的措施。
⑶、安全稳定的标准为：当系统受到⑵中故障的扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，保持电网稳定运行和向负荷正常供电，同时保证风电机组挂网安全运行。具体为：①电网在暂态过程中各母线电压低于0.75 pu的时间不超过1s；②风电场母线电压低于0.75 pu的时间不超过1s，异步风力发电机组滑差在暂态过程中不低于机组安全运行的最低值，并逐渐恢复至正常运行范围；③系统同步发电机间功角保持稳定。
⑷、初始运行状态下，风电场高压侧功率因数保持在1.0，即风电机组吸收的无功功率和风电场升压站变压器的无功损耗由风电机组机端电容器和变电站无功补偿装置补偿。
⑸、单台风电机组参数(机组容量标幺值)：
鼠笼机组：单机额定有功功率－0.75MW；切入风速－4 m/s；额定风速－15 m/s；切出风速－25 m/s；转子电阻－0.01718 pu；转子电抗－0.124 pu；定子电抗－0.11 pu；定子开路转子回路电气时间常数－1.47 s；转子转动惯量－6 s；传动系统时间常数－1 s；电机转子额定转速－1200rpm。
双馈机组：单机额定有功功率－0.85MW；电机转子额定转速－1620rpm；转子转动惯量－1 s；切入风速－4 m/s；额定风速－15 m/s；切出风速－25 m/s；风轮半径－26m；风轮惯性时间常数－5 s；风轮额定转速－20rpm ；无功上限－0.192 pu；无功下限－-0.312 pu；控制方式－功率因数；轴系模型－双质块；轴系弹性系数－2.79pu；阻尼系数－1pu；风电场空气密度－1.06kg/m3。
3 嘉酒电网暂态稳定性分析
嘉酒网内仅有一回330kV线路，网内的110kV线路多为长线路供电，线型多为LGJ－150和LGJ－120，此外，嘉酒网通过330kV嘉张双回线与主网连接。因此，嘉酒网的重点断面有三个，如图1所示。
3.1 断面Ⅰ
断面Ⅰ是由330kV嘉瓜线与110kV瓜镇双回线形成的电磁环网，按330kV嘉瓜线发生三相永久性故障校核，嘉瓜线暂态稳定极限按140MW控制。当嘉瓜线潮流大于145MW后，330kV瓜州变及其110kV系统的母线电压均不能恢复至正常水平，A、B、C风电场异步发电机滑差持续降低不能恢复，异步发电机组加速失稳系统失稳时的有关变量随时间的变化如图2所示，应注意，此时嘉酒网内其它火电水电机组的功角仍然保持稳定。其中，U为风电场所在母线电压，s、Q分别为风电机组滑差、无功功率，δ为功角特性曲线，该曲线反映嘉酒网内其它火电、水电机组与主网大机组间的功角特性，监测系统发生故障时除风电机组外，嘉酒网内其它火电、水电机组是否存在功角失稳的情况，系统功率基准值为100 MVA。
图2 系统失稳时有关变量随时间变化曲线
Fig. 2 Curves of variables in condition of instability
当嘉瓜线潮流在140MW以下时，330kV嘉瓜线发生三相永久性故障后嘉酒电网可以保持稳定运行，系统稳定时有关变量随时间的变化如图3所示，在故障发生的初始瞬间，由于电磁惯性的缘故，发电机内电势远高于故障端电压，表现为异步发电机向系统倒送无功功率，由于转子磁链的衰减很快，这个过程很快结束，故障清除后，发电机从系统吸收无功功率。应注意，由于此时330kV嘉瓜线潮流转移至110kV瓜镇双回线，暂态过程中瓜州变110kV系统母线电压最高电压为额定电压的1.2pu，系统稳定后瓜州变110kV系统母线电压小于1.1倍额定电压，虽然满足风电场对最高运行电压的要求，但需要运行人员对110kV系统的运行电压进行适当的调整。
图3 系统稳定时有关变量随时间变化曲线
Fig. 3 Curves of variables in condition of stability
3.2 断面Ⅱ
断面Ⅱ是由330kV嘉瓜线与110kV嘉阳线、新八线、八玉线形成。该断面的主要问题是正常电磁环网运行以及330kV嘉瓜线停运，而玉门镇变、阳关变上网的风电、小水电机组大发时，110kV嘉阳线、新八线、八玉线的过载问题，因此该断面主要考虑线路过载切机装置。
3.3 断面Ⅲ
断面Ⅲ是嘉酒网与主网的连接通道－330kV嘉张双回线。在风电接入嘉酒电网后，该断面暂态稳定极限按300MW控制。当嘉张双回线潮流大于310MW后，330kV瓜州变及其110kV系统的母线电压均不能恢复至正常水平，A、B、C风电场异步发电机滑差持续降低不能恢复，此时嘉酒网内其它火电水电机组的功角仍然保持稳定。
对比断面Ⅰ和断面Ⅲ存在的主要问题都是系统发生严重故障后，330kV瓜州变及其110kV系统的母线电压均不能恢复至正常水平，A、B、C风电场异步发电机滑差持续降低不能恢复，而D、E、F风电场均采用双馈机组，不存在上述问题。此外，在一定潮流范围内，A、B、C风电场异步发电机组失稳并不会导致嘉酒电网的失稳，从故障后嘉酒网内火电、水电机组能够与主网大机组保持功角稳定可以看出这一点。因此断面Ⅰ和断面Ⅲ主要考虑线路发生故障后的联切相应风电机组的装置。
4 安全自动装置的配置及效果
在风电场接入嘉酒电网后，一方面为了提高电网的输送能力，解决风电出力受限的局面，另一方面解决断面Ⅰ、Ⅲ存在的暂态稳定问题，以及断面Ⅱ存在的过载问题，考虑在嘉酒电网内几个关键变电站配置相应的安全自动装置，组成瓜州稳定控制系统。
瓜州稳定控制系统主要有330kV瓜州变电站、嘉峪关变电站、新北郊变电站、玉门镇变电站、玉门市变电站及阳关变电站组成，其中瓜州变为控制主站，其余为控制子站。
4.1 安全自动装置的策略
对于断面Ⅰ、Ⅲ，主要考虑330KV瓜嘉线或330kV嘉张双回线中的一回发生三相永久性故障后电网的暂态稳定性，要求安全自动装置在线路故障后，在A、B、C、D、E、F风电场中选择合适的风电场进行切除。对于断面Ⅱ，主要考虑110kV嘉阳线、新八线、八玉线的过载问题，要求安全自动装置在监测到110kV嘉阳线、新八线、八玉线的过载时，在A、B、C、D、E、F风电场中选择合适的风电场进行切除。安全自动装置的配置策略间表2。
表2 安全自动装置的配置策略表
|
故障类型 |
线路过载 |
线路发生三相永久性跳闸 |
|
断面Ⅰ |
分两轮，依次切除A、B风电场 |
直接切除A、B、C风电场 |
|
断面Ⅱ |
分两轮，依次切除A、D和B、E风电场 |
|
|
断面Ⅲ |
分六轮，依次切除A、B、C、D、E、F风电场 |
直接切除A、B、C、D、E、F风电场 |
4.2 安全自动装置配置后的效果
系统故障后，通过安全自动装置切除风电机组，可快速隔离风电机组暂态过程中从电网吸收的无功功率，从而快速恢复系统电压，保证向网内负荷正常供电。图4是嘉瓜线潮流190MW时，采取和不采取切除风电机组措施的系统电压恢复情况比较。可见，故障后切除风电机组是有效的控制手段。
在上例所研究的嘉酒电网内切除400 MW的风电电源后，网内110kV电网最低频率为49.48Hz，而330kV主网最低频率为49.9Hz，风电电源的切除对电网的频率未造成明显的影响，但是，应当注意，若电网中分布有大量风电机组，当电网发生故障时，应进行电网频率分析。
通过合理配置安全自动装置，提高了嘉酒电网的输电能力，表3列出了断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在安全自动装置配置前后的最大输电能力。
表3 安全自动装置配置前后断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的动稳定水平
|
断面最大输电能力 |
断面Ⅰ |
断面Ⅱ |
断面Ⅲ |
|
安全自动装置配置前 |
140MW |
180MW |
300MW |
|
安全自动装置配置后 |
210MW |
390MW |
450MW |
5 结论
5.1 风电作为洁净能源，是国家重点扶持的主要新动力源，因此对于风电的开发、利用应作系统的规划，与电网规划协调，同时对风电接入电网后的调度运行应作更加深入、系统的研究。
5.2 在风电接入电网的初期，可适当的采用安全自动装置来解决风能送出与电网消纳、传输之间的矛盾。
5.3 受不同类型风电机组性能的影响，对于网架结构薄弱的电网，采用双馈机组或永磁同步机组更为适宜。
5.4 嘉酒电网的稳定计算结果表明，当鼠笼机组失稳时，风机所接入的系统未必失稳，这取决于风机所占系统总装机的比例，以及系统潮流分布情况。
参考文献：
[1] DL755-2001 电力系统安全稳定运行导则.
[2] 甘肃电网2009年度运行方式.
[3] GB/Z1996-2005 风电接入电网技术规范.
作者简介：
何世恩(1961-)，男，高级工程师，1986年毕业于西安交通大学电力系统及其自动化专业，获工学硕士学位，1996-1997年德国进修一年。曾任甘肃省电力调度通信中心总工程师，是国家电网公司优秀专家。现在主要从事风电并网技术管理工作。
来源：
京公网安备11010502034458号电子公告服务专项备案
