大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)風(fēng)險及仿真評估

馬世英，王青

（電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點實驗室(中國電力科學(xué)研究院有限公司)，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

我國西北、東北、華北等地區(qū)是風(fēng)光新能源大規(guī)模開發(fā)的地區(qū)，配套建設(shè)一定的火電機組，將新能源和火電電力經(jīng)特高壓/高壓直流線路向中東部負(fù)荷中心地區(qū)遠(yuǎn)距離送電，是我國重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略[1]，目前已逐步形成多個大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)，可以有效支撐國家綠色經(jīng)濟(jì)理念。大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)具有自身調(diào)控能力弱、送端系統(tǒng)“強直弱交”問題突出、電力電子設(shè)備增多使系統(tǒng)運行特性更為復(fù)雜等特點，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。

在大規(guī)模新能源集中送出系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行與控制領(lǐng)域，源網(wǎng)協(xié)調(diào)是重要研究內(nèi)容。本文闡述新能源大規(guī)模外送系統(tǒng)在源網(wǎng)協(xié)調(diào)方面的主要風(fēng)險隱患，對仿真評估中的建模、流程及注意事項進(jìn)行探討。

1 大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)在源網(wǎng)協(xié)調(diào)方面面臨的風(fēng)險挑戰(zhàn)

大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)的電源形式包括風(fēng)光新能源以及配套的傳統(tǒng)火電，由于外送系統(tǒng)的網(wǎng)架薄弱、穩(wěn)定水平低，在系統(tǒng)發(fā)生故障擾動下，電源與電網(wǎng)之間交互影響，源網(wǎng)協(xié)調(diào)問題較為突出，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 電壓存在大幅波動風(fēng)險

承擔(dān)大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)外送電力任務(wù)的直流換流站一般配置有大量的濾波器組，其容量可達(dá)直流額定功率的 1/2，在直流發(fā)生換相失敗擾動、直流重啟動、直流閉鎖故障等暫態(tài)過程中，隨著直流有功功率跌落，濾波器盈余無功功率注入送端交流系統(tǒng)，會造成交流系統(tǒng)電壓暫態(tài)升高，使得近區(qū)的新能源可能因高電壓保護(hù)動作大規(guī)模脫網(wǎng)[2-4]。圖1為對西北電網(wǎng)在網(wǎng)架較薄弱階段的運行方式下，仿真計算得到的某外送直流閉鎖故障整流側(cè)換流母線電壓變化情況，從圖1中可見暫態(tài)最高電壓超過1.3 pu。GB/T 19963－2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》對風(fēng)電場的高電壓穿越特性規(guī)定：當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓超過標(biāo)稱電壓的 110 %時，風(fēng)電場的運行狀態(tài)由風(fēng)電機組的性能決定。我國一些地方已實現(xiàn)了1.15倍標(biāo)稱電壓不脫網(wǎng)運行，當(dāng)電壓超過1.15倍標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電的高電壓保護(hù)動作切除風(fēng)機。需要強調(diào)風(fēng)機高電壓脫網(wǎng)具有群發(fā)性、相繼性的特點，在因直流故障導(dǎo)致電壓大幅躥升，大批風(fēng)電機組因高電壓問題脫網(wǎng)后，超高壓交流線路潮流減輕，線路無功損耗減小，會引起系統(tǒng)電壓進(jìn)一步升高，可能導(dǎo)致后續(xù)階段的風(fēng)機脫網(wǎng)過程，也使得電網(wǎng)面臨過電壓的風(fēng)險。

圖1 直流閉鎖故障整流側(cè)換流母線電壓Fig. 1 Rectifier side converter bus voltage under DC blocking fault

1.2 頻率大幅波動風(fēng)險

與常規(guī)電源相比，風(fēng)光新能源缺乏慣量效應(yīng)，不具備一次調(diào)頻能力，在新能源接入比例較高條件下，在以下場景有可能引起頻率較大幅度的波動[5]。

1）大量新能源脫網(wǎng)導(dǎo)致頻率跌落。

發(fā)生新能源大規(guī)模群體性脫網(wǎng)故障沖擊時，系統(tǒng)頻率會發(fā)生大幅跌落，有可能引發(fā)低頻減載動作，如果火電機組的低頻保護(hù)定值設(shè)置過高，在低頻減載切除負(fù)荷作用尚未完成之前動作，將進(jìn)一步惡化低頻狀態(tài)，導(dǎo)致更多負(fù)荷損失，甚至發(fā)生頻率崩潰。

2）外送通道解列導(dǎo)致頻率升高。

對于風(fēng)光新能源與火電機組打捆匯集經(jīng)聯(lián)絡(luò)通道向主網(wǎng)送電的場景，發(fā)生聯(lián)絡(luò)通道開斷的故障時，送端系統(tǒng)與主網(wǎng)解列后頻率大幅躥升，其中的火電機組汽輪機超速保護(hù)(over-speed protection control，OPC)可能動作關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門，隨著機組出力降低頻率降低，OPC保護(hù)返回，調(diào)節(jié)汽門重新恢復(fù)打開，送端系統(tǒng)頻率還會升高，引發(fā)OPC保護(hù)重新動作，這樣使得火電機組功率大幅反復(fù)波動，送端系統(tǒng)頻率也大幅振蕩，極易誘發(fā)連鎖性事故。圖2為西北某風(fēng)火打捆外送型電網(wǎng)與主網(wǎng)解列故障后，火電機組 OPC保護(hù)反復(fù)動作時的轉(zhuǎn)速偏差仿真結(jié)果，可見周期性振蕩非常劇烈，轉(zhuǎn)速偏差的峰值振幅達(dá)到2 Hz。

圖2 機組OPC保護(hù)反復(fù)動作轉(zhuǎn)速偏差Fig. 2 Generator speed deviation with OPC operation

1.3 低頻振蕩風(fēng)險

在因直流故障擾動導(dǎo)致系統(tǒng)電壓躥升場景下，直流近區(qū)的火電機組勵磁調(diào)節(jié)器自動響應(yīng)降低勵磁水平，其輔助控制環(huán)節(jié)之一—低勵限制將檢測勵磁水平是否過低，如果低于允許條件會增大勵磁電流使機組運行點回到允許范圍。國內(nèi)外已發(fā)生過多起因低勵限制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)惡化系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，產(chǎn)生持續(xù)振蕩的實際案例。對于大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)，由于直流近區(qū)火電機組的容量較大、與直流換流站位置較近，一旦機組發(fā)生大幅振蕩將對直流的穩(wěn)定運行構(gòu)成嚴(yán)重威脅[6-7]。圖3給出了在西北某外送直流故障導(dǎo)致送端電壓升高條件下，直流近區(qū)某臺火電機組的低勵限制取不同參數(shù)時發(fā)電機有功功率的變化情況，當(dāng)?shù)蛣钕拗圃鲆?Ku=0.4時的振蕩阻尼比較弱，Ku=0.1時振蕩可得到有效抑制，在低勵限制退出時阻尼比最高。

圖3 低勵限制不同參數(shù)情況下發(fā)電機有功功率Fig. 3 Generator active power under different excitation limiter

2 大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)仿真評估的精細(xì)化建模技術(shù)

為了及時識別大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)相關(guān)風(fēng)險，需要對源網(wǎng)協(xié)調(diào)問題開展仿真評估工作。本文首先建立較為精細(xì)的仿真模型。建議在機電暫態(tài)仿真方面，重點加強勵磁系統(tǒng)輔助環(huán)節(jié)、發(fā)電機涉網(wǎng)保護(hù)以及含動力系統(tǒng)的發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)建模技術(shù)。

2.1 勵磁系統(tǒng)輔助控制環(huán)節(jié)的建模技術(shù)

我國對勵磁主環(huán)的建模工作開展較早，已形成較為成熟的實測建模方法，但對于低勵限制、過勵限制、V/Hz限制等這些重要的勵磁限制環(huán)節(jié)的建模還未給予足夠的重視，在大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)發(fā)生電壓大幅波動期間，這些勵磁限制環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，改變勵磁系統(tǒng)的輸出，進(jìn)而對系統(tǒng)安全穩(wěn)定造成重要影響，但是現(xiàn)有的電力系統(tǒng)仿真軟件中，勵磁限制環(huán)節(jié)多為原理型模型，其動作邏輯、控制參數(shù)等與實際裝置差異較大，不能較好地模擬真實動態(tài)響應(yīng)行為，影響仿真評估效果。因此，應(yīng)加快推進(jìn)勵磁限制環(huán)節(jié)的實測建模工作，建立涵蓋勵磁調(diào)節(jié)器主流廠家型號的勵磁限制環(huán)節(jié)模型庫。

以國內(nèi)某型號勵磁調(diào)節(jié)器中的低勵限制為例，給出實測模型，如圖4所示。

圖4 低勵限制的實測模型示例Fig. 4 Example of under excitation limiter measured model

圖 4中：Pg為發(fā)電機當(dāng)前有功功率；Pout為經(jīng)過測量環(huán)節(jié)后的輸出信號；Kp和 Tp分別為測量環(huán)節(jié)的增益、時間常數(shù)；Qref為查詢低勵限制內(nèi)置的與 Pg和 Ut有關(guān)的低勵限制線后的輸出信號；Qg為發(fā)電機當(dāng)前無功功率；ΔQ為 Qref與Qg求差后的信號；VH為經(jīng)過 PID環(huán)節(jié)后的低勵限制輸出信號；K和T1、T2分別為增益和時間常數(shù)。

2.2 發(fā)電機涉網(wǎng)保護(hù)的建模技術(shù)

在大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)發(fā)生頻率、電壓等狀態(tài)量大幅波動期間，常規(guī)機組的高頻保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等涉網(wǎng)保護(hù)可能動作，動作出口降低機組出力或切除發(fā)電機組等。國內(nèi)外大停電事故表明，發(fā)電機涉網(wǎng)保護(hù)與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)配合是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一，二者之間如果不協(xié)調(diào)，可能會誘發(fā)連鎖性事故，甚至造成事故擴大化的嚴(yán)重后果。為此，應(yīng)建立與廠家型號原理一致的發(fā)電機重要涉網(wǎng)保護(hù)仿真模型，包括高低頻保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、失步保護(hù)等，發(fā)電機重要涉網(wǎng)保護(hù)的構(gòu)成見圖 5，準(zhǔn)確模擬涉網(wǎng)保護(hù)動作條件，為評估涉網(wǎng)保護(hù)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)配合關(guān)系創(chuàng)造條件。

例如發(fā)電機失磁保護(hù)通常的動作判據(jù)有轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)、機端定子阻抗判據(jù)、機端低電壓判據(jù)和逆無功判據(jù)等，不同廠家的產(chǎn)品會對這些判據(jù)有所取舍之后構(gòu)成自己的組合判據(jù)，因此，在建立失磁保護(hù)模型時應(yīng)根據(jù)廠家型號原理建立相應(yīng)的動作邏輯。圖6為國內(nèi)某型號的發(fā)電機變壓器組保護(hù)中失磁保護(hù)動作邏輯使用情況。

圖5 發(fā)電機重要涉網(wǎng)保護(hù)的構(gòu)成Fig. 5 Important protections concerned with network

圖6 失磁保護(hù)的動作邏輯示例Fig. 6 Logical diagram of loss of excitation protection

2.3 含動力系統(tǒng)的發(fā)電機調(diào)速控制建模技術(shù)

大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)中的新能源出力波動性大，同時存在因連鎖性事故大規(guī)模脫網(wǎng)的風(fēng)險，這就要求火電機組具有較好的一次調(diào)頻和中長期時間尺度下的二次調(diào)頻能力。常規(guī)機電暫態(tài)程序中的調(diào)速器控制部分未對鍋爐有關(guān)的動力系統(tǒng)建模，認(rèn)為主蒸汽壓力恒定不變，機械功率只與調(diào)門開度有關(guān)，這種近似處理對于暫態(tài)過程仿真的誤差通常比較小，但對于中長期時間尺度下頻率有較大波動的過程進(jìn)行仿真，主蒸汽壓力有明顯的波動變化，誤差會顯著增大。由中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的全過程仿真軟件PSD-FDS[8-9]中，已初步建立了含動力系統(tǒng)的火電機組調(diào)速控制原理模型，包括機爐協(xié)調(diào)控制(coordinated control system，CCS)、鍋爐、調(diào)速器、汽輪機4個部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。CCS模塊輸入發(fā)電機電磁功率PE、機組轉(zhuǎn)速ω、鍋爐主蒸汽壓力pT和蒸汽流量SF，輸出燃料控制指令BD給鍋爐模塊，輸出汽門開度指令 TD給調(diào)速器模塊；調(diào)速器模塊控制調(diào)門開度CV；汽輪機模塊輸出機械功率。未來應(yīng)進(jìn)一步完善該模型的功能結(jié)構(gòu)，提高仿真精度。

圖7 含動力系統(tǒng)的火電機組調(diào)速控制基本結(jié)構(gòu)Fig. 7 Basic structure of speed control of thermal power unit with dynamic system

圖8 為利用PSD-FDS軟件解決某地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列故障后頻率崩潰的案例，圖 8(a)為沒有采取措施時故障后地區(qū)電網(wǎng)頻率崩潰曲線，圖8(b)為通過優(yōu)化火電機組調(diào)速控制系統(tǒng)參數(shù)并采取低頻減載措施后地區(qū)電網(wǎng)頻率變化曲線。

圖8 頻率變化曲線Fig. 8 Frequency curve

3 大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)仿真評估的主要流程

大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)問題的仿真評估主要流程應(yīng)包括：1）調(diào)研收資，獲取源網(wǎng)協(xié)調(diào)相關(guān)的重要元件模型及實際參數(shù)；2）選取有代表性的系統(tǒng)運行方式；3）靈活設(shè)置多種類型的故障，進(jìn)行時域仿真計算；4）根據(jù)時域仿真結(jié)果，全面考量電源對系統(tǒng)各種安全穩(wěn)定形態(tài)的影響。

3.1 獲取源網(wǎng)協(xié)調(diào)相關(guān)的重要元件模型及實際參數(shù)

可以采用專項收資的方式，對電廠機組相關(guān)控制系統(tǒng)和保護(hù)采用的廠家型號、原理、動作邏輯、定值等情況進(jìn)行全面了解，以便為建立適用的仿真模型和仿真參數(shù)提供依據(jù)。特別需要重視第2節(jié)提出的勵磁系統(tǒng)輔助環(huán)節(jié)、含動力系統(tǒng)的發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)以及發(fā)電機涉網(wǎng)保護(hù)的建模工作，結(jié)合實測報告、廠家設(shè)計書等資料獲取各模型單元的參數(shù)。

3.2 選取有代表性的系統(tǒng)運行方式

實際電網(wǎng)的運行方式是時變的，網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開機、負(fù)荷都隨時間的變化而有所變化。為提高評估效率，應(yīng)選取有代表性的運行方式，考慮春夏秋冬，以及特殊節(jié)假日，安排相應(yīng)的高峰、平峰、低谷負(fù)荷。在開機安排上，對新能源出力設(shè)置大出力和小出力不同情況，對常規(guī)機組出力設(shè)置旋轉(zhuǎn)備用較少的方式，以便考慮對穩(wěn)定不利的情況。安排交流斷面功率應(yīng)不超過穩(wěn)定極限，直流送電水平應(yīng)綜合穩(wěn)定極限和受端需求情況安排適當(dāng)?shù)墓β手怠?/p>

在著重評估電壓、頻率波動風(fēng)險時，宜選取低負(fù)荷、小開機系統(tǒng)調(diào)壓、調(diào)頻能力較弱的運行方式；在著重評估振蕩風(fēng)險時，宜選取新能源電力匯集外送通道、區(qū)域間聯(lián)絡(luò)通道潮流較重、阻尼較弱的運行方式。

3.3 靈活設(shè)置多種類型的故障

我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定權(quán)威導(dǎo)則[10-11]將故障形式分為3類：出現(xiàn)概率較高的單一故障(例如任一發(fā)電機跳閘或失磁)、出現(xiàn)概率較低的單一嚴(yán)重故障(例如同桿并架雙回線的異名兩相同時發(fā)生單相接地故障重合不成功，雙回線三相同時跳開)、出現(xiàn)概率很低的多重嚴(yán)重故障(例如故障時開關(guān)拒動)，并且要求電力系統(tǒng)針對不同嚴(yán)重程度的故障，有不同級別的安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，例如通常發(fā)生第一類故障時應(yīng)不需要采取安控措施就可以保持穩(wěn)定，發(fā)生第二類故障時允許采取安控措施以便保持穩(wěn)定。在對大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)仿真評估時，設(shè)置的故障形式應(yīng)涵蓋上述3類故障。由于直流故障擾動下風(fēng)機的大規(guī)模脫網(wǎng)往往是系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化的重要誘因，因此要對直流連續(xù)換相失敗、直流閉鎖、直流再啟動等故障做重點仿真，分析直流送端近區(qū)電壓躥升情況是否會引發(fā)風(fēng)機脫網(wǎng)，并考察常規(guī)火電機組控制和保護(hù)動作行為的效果。

另外，針對待評估對象特點，可靈活設(shè)置故障類型，例如在評估發(fā)電機失步保護(hù)時，為對它是否在故障導(dǎo)致發(fā)電機失步并且振蕩中心位于發(fā)變組內(nèi)部條件下正確出口進(jìn)行評估，可設(shè)置機端發(fā)生三相較長時間的持續(xù)短路而后短路自行消失這樣的假想故障形式，以方便制造發(fā)電機失步保護(hù)的動作條件。

3.4 全面考量電源對系統(tǒng)各種安全穩(wěn)定形態(tài)的影響

電力系統(tǒng)在發(fā)生故障擾動并采取必要的措施后，應(yīng)保持功角、電壓、頻率穩(wěn)定，并且系統(tǒng)各元件負(fù)載水平不超越故障后短期允許水平。遵循此要求，在對大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)仿真評估時，需要洞察電源側(cè)的控制保護(hù)動作行為對系統(tǒng)各種安全穩(wěn)定形態(tài)的影響，避免片面、僵化的認(rèn)識。例如低勵限制動作完全控制勵磁系統(tǒng)輸出時，有可能影響強勵功能，降低系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，而以往通常關(guān)注于其降低動態(tài)穩(wěn)定性的影響，因此對于仿真結(jié)果要仔細(xì)分析，明確電源側(cè)的控制保護(hù)動作行為的后果及因果鏈。

4 結(jié)論

大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)在源網(wǎng)協(xié)調(diào)方面存在電壓大幅波動、頻率大幅波動和低頻振蕩的風(fēng)險隱患。為對這些風(fēng)險點進(jìn)行有效識別，需要在勵磁系統(tǒng)輔助環(huán)節(jié)、含動力系統(tǒng)的發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)以及發(fā)電機涉網(wǎng)保護(hù)方面開展精細(xì)化建模，拓展傳統(tǒng)機電暫態(tài)仿真的范圍。在開展源網(wǎng)協(xié)調(diào)問題的仿真評估時，需要對系統(tǒng)運行方式、故障形式進(jìn)行合理設(shè)置，全面考量電源對系統(tǒng)各種安全穩(wěn)定形態(tài)的影響。

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