新能源接入對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響分析及新能源穩(wěn)定控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李 磊

（許繼軟件技術(shù)有限公司，許昌 461000）

1 引言

目前，能源短缺問題日益嚴重，風(fēng)能、太陽能等可再生能源進入了快速發(fā)展階段，對于國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有著重要的促進作用，新能源接入電網(wǎng)已經(jīng)成為了推動可再生能源規(guī)模化發(fā)展的趨勢。新能源接入電網(wǎng)的容量不斷提高，低壓穿越運行的方式也隨之增多，新能源電場規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)，由于其復(fù)雜的故障電流特性以及間歇性的運行方式不利于電網(wǎng)的繼電保護功能，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，因此，新能源接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題和穩(wěn)定控制方法對于提高新能源接入電網(wǎng)的可靠性問題具有非常重要的意義[1]。

2 新能源接入系統(tǒng)的低頻和高頻問題

（1）新能源接入系統(tǒng)的低頻問題一般出現(xiàn)于功率缺額類型的故障或擾動沖擊的場景，例如該系統(tǒng)與電網(wǎng)其他部分的聯(lián)絡(luò)通道在受電端發(fā)生解列故障，進線故障等。新能源接入系統(tǒng)的低頻問題通常情況下產(chǎn)生于功率缺額類型故障或擾動沖擊的情況，例如：電廠機組掉閘等。新能源對低頻振蕩的影響主要體現(xiàn)在滲透率水平、控制器和并網(wǎng)點位置等，掌握無阻尼控制的新能源對低頻振蕩的影響具有非常重要的意義。一是光伏滲透率對低頻振蕩的影響非常重要。利用模式分析和時域仿真對電力系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性的影響或者為正或者為負，主要決定因素為光伏的系統(tǒng)容量、滲透率和地點等。對于大型互聯(lián)系統(tǒng)，光伏高滲透率對輸電系統(tǒng)功角動態(tài)穩(wěn)定性將產(chǎn)生重要的影響。光伏高滲透率不利于阻尼區(qū)間的低頻振蕩，分布式相對于集中式光伏能夠獲得更好的區(qū)間振蕩抑制效果。光伏系統(tǒng)不會引入新的低頻振蕩模式，對低頻振蕩產(chǎn)生較大影響的光伏電站不一定具有高滲透率和大容量，小容量的光伏系統(tǒng)接入大容量的系統(tǒng)亦然能夠形成較大的功率振蕩[2]。二是風(fēng)電滲透率對低頻振蕩模式的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓撲、風(fēng)電控制器等，滲透率高可以導(dǎo)致阻尼的增加或減少，提高滲透率和電壓控制環(huán)路增益能夠有效地改善阻尼。風(fēng)電場自身屬性如并網(wǎng)點位置、容量和控制方式等會對振蕩模式產(chǎn)生重要影響，輕載運行有利于阻尼振蕩，相反重載對阻尼振蕩不利。

（2）新能源接入系統(tǒng)的高頻問題一般出現(xiàn)于功率過剩類型的故障或擾動沖擊的場景，例如該系統(tǒng)與電網(wǎng)其他部分的聯(lián)絡(luò)通道在功率外送時發(fā)生解列故障，外送功率的直流發(fā)生閉鎖故障等。新能源接入系統(tǒng)的高頻保護用于保護發(fā)電機組自身，如果設(shè)置不合理，將出現(xiàn)系統(tǒng)故障時新能源機組大規(guī)模退出現(xiàn)象。在大規(guī)模新能源接入系統(tǒng)后，因為風(fēng)電、光伏沒有一次調(diào)頻能力，水電、火電等常規(guī)機組的調(diào)頻壓力增加，隨著新能源比例增加，系統(tǒng)的調(diào)頻水平變差，風(fēng)電、光伏原有的高頻保護配置有可能無法和新工況符合。為了避免產(chǎn)生頻率崩潰的現(xiàn)象，依據(jù)新能源接入的實際情況，對風(fēng)電和光伏電站高頻保護值進行合理的設(shè)定，通過和連鎖切機措施的密切配合確保高頻故障發(fā)生時，一旦發(fā)生高頻故障，不會出現(xiàn)由于高頻保護值不合理導(dǎo)致的低頻問題[3]。

3 新能源接入系統(tǒng)故障后的孤島問題

新能源接入的系統(tǒng)故障后該系統(tǒng)會與電網(wǎng)脫離，造成新能源系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)，孤島運行狀態(tài)極不穩(wěn)定，為了避免孤島問題，當(dāng)故障發(fā)生后，電壓降低，此時風(fēng)機將出現(xiàn)切機現(xiàn)象。如果電壓的降低范圍處于風(fēng)機應(yīng)該進行低壓穿越的界限內(nèi)，此時，風(fēng)機連續(xù)工作的時間不能低于625ms。在這個時間內(nèi)如果斷路器切斷，從而形成孤島現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象，將去除一部分風(fēng)機。如果有風(fēng)機工作，孤島系統(tǒng)不能處于穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)中的各元件都失效。孤島的影響因素包括以下幾個方面[4]：

（a）故障消除以后，風(fēng)機的爬坡階段，有功功率輸出漸漸恢復(fù)。

（b）風(fēng)機涉網(wǎng)保護有不相符的動作，除去被去除的風(fēng)機后剩余的風(fēng)機和本地負荷能較好地吻合。

（c）涉網(wǎng)保護無法正常運轉(zhuǎn)。

（d）當(dāng)風(fēng)機控制方法增多時，從而使風(fēng)機控制更加有效，從而可以提升其適應(yīng)性。

4 新能源安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計

新能源安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)是為了保障新能源接入后電力系統(tǒng)在遇到大擾動時的穩(wěn)定性，實現(xiàn)切機、切負荷、快速減出力、直流功率緊急提升或回降等功能，是保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要設(shè)施。新能源安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)由兩個及以上廠站的安全穩(wěn)定控制裝置通過通信聯(lián)絡(luò)構(gòu)成，實現(xiàn)區(qū)域或更大范圍的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多套穩(wěn)定控制裝置，經(jīng)通道配合構(gòu)成一個安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以是主從式單層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中有一個站為主站，其余的為子站，主站與子站之間通過光纖通道連接，系統(tǒng)連接圖如圖1所示。安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)也可以是復(fù)合結(jié)構(gòu)，有兩個甚至多個主站，每個子站可以支持接收8各主站的通信數(shù)據(jù)（按雙通道配置），系統(tǒng)連接圖如圖2所示[5]。

圖1 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)主從式單層結(jié)構(gòu)

圖2 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)復(fù)合結(jié)構(gòu)

4.2 站點結(jié)構(gòu)

主站、子站裝置的硬件結(jié)構(gòu)一致，每個站點均由1臺主機和1～4臺從機構(gòu)成，如圖3所示。

主站主機負責(zé)與子站裝置通信、接收本站從機采集的數(shù)據(jù)和判據(jù)結(jié)果、采集備投/穩(wěn)控/解列及主變的動作信號，系統(tǒng)側(cè)故障時，主機接收到動作信號經(jīng)就地判據(jù)向子站下發(fā)遠方跳閘命令；主站從機負責(zé)數(shù)據(jù)采集、計算、判別接入間隔的電壓判據(jù)、頻率判據(jù)、功率判據(jù)，通過2 M光纖與本站主機通信，上送采集的數(shù)據(jù)及判據(jù)結(jié)果。

子站主機負責(zé)與主站裝置通信、接收主站下發(fā)的遠跳命令、接收本站從機采集的數(shù)據(jù)和動作情況；子站從機負責(zé)數(shù)據(jù)采集、計算、判別接入間隔的電壓、頻率、功率判據(jù)，通過2 M光纖與本站主機通信，上送采集的數(shù)據(jù)及判據(jù)結(jié)果，接收主機下發(fā)的遠跳命令經(jīng)就地判據(jù)執(zhí)行跳閘出口，并將動作情況上送主機。

遠跳裝置與子站中的從機裝置采用2 M專用通道聯(lián)接，接收子站遠跳命令，經(jīng)各間隔電氣量就地判據(jù)，跳開與子站間隔對應(yīng)的小電源側(cè)出線開關(guān)。

在系統(tǒng)中主站、子站的位置需要根據(jù)實際情況確定，主站一般設(shè)置在系統(tǒng)側(cè)變電站，子站一般設(shè)置在新能源電源側(cè)站點。站間通信采用專用/復(fù)用2 M光纖，站內(nèi)主從機間通過2 M光纖直連，站間、站內(nèi)通信均采用HDLC協(xié)議。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)

4.3 工作原理

新能源安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)工程應(yīng)用宜采用兩層架構(gòu)：主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)用于判別系統(tǒng)側(cè)繼電保護保護動作、過頻動作以及斷路器偷跳等行為，當(dāng)這些動作行為經(jīng)就地判據(jù)確認，造成新能源電源孤島運行時，為防止小電源對系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)二次保護控制系統(tǒng)、用戶用電設(shè)備以及人員安全構(gòu)成威脅，主站系統(tǒng)向子站系統(tǒng)發(fā)遠跳命令，切除新能源小電源，保證系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。子站系統(tǒng)用于執(zhí)行主站遠跳命令，當(dāng)接收到主站系統(tǒng)遠跳命令后，子站系統(tǒng)經(jīng)就地判據(jù)確認，跳開小電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)。與子站從機配置使用的遠跳裝置用于接收子站的間隔跳閘命令，經(jīng)就地判據(jù)確認子站側(cè)間隔開關(guān)跳閘后，跳開對應(yīng)間隔的本側(cè)開關(guān)。

主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)均由1臺主機裝置和1至4臺從機構(gòu)成，其中主機系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)從機就地判據(jù)及通訊處理，接收從機就地判別結(jié)果或向從機發(fā)送跳閘命令。從機負責(zé)模擬量采集，進行就地電氣量判別，與本站主機通信并將各判據(jù)結(jié)果上送主機，同時接收、執(zhí)行主機發(fā)送的啟動、跳閘命令。新能源控制系統(tǒng)站點功能及數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 站點功能及數(shù)據(jù)流示意圖

5 結(jié)束語

風(fēng)電和光伏接入電網(wǎng)后對系統(tǒng)的輸電性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有非常重要的影響。隨著風(fēng)電和光伏接入電網(wǎng)接入電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定受到挑戰(zhàn)，新能源電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

[1] 李文鋒，張健，卜廣全等.抽蓄電站和經(jīng)多端柔性直流電網(wǎng)接入的大規(guī)模新能源間的協(xié)調(diào)互補優(yōu)化控制方案[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2017，（23）：130-135.

[2] 桂永光.新能源發(fā)電接入泗洪電網(wǎng)的繼電保護配置研究[J].機電信息，2017，（18）：54-55.

[3] 方宇娟，王秀麗，師婧等.計及新能源接入的省級電網(wǎng)效率效益評估[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017，（7）：2138-2145.

[4] 姬煜軻，趙成勇，李承昱等.含新能源接入的柔性直流電網(wǎng)啟動策略及仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2017，（4）：98-104.

[5] 吳彧.風(fēng)光新能源接入對電網(wǎng)的諧波影響及抑制措施分析[J].機電信息，2017，（33）：1-2.