大規(guī)模風電接入對內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定特性影響分析

郭 琪，溫雪嬌

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020；3.呼和浩特供電公司，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，隨著大區(qū)電網的不斷互聯(lián)，省級電網之間動態(tài)不穩(wěn)定現象逐漸顯露出來。內蒙古電網通過汗?！猎?、豐泉—萬全兩條500 kV通道向外送電，與華北電網屬于弱區(qū)域互聯(lián)。內蒙古電網500 kV系統(tǒng)的主要問題是動態(tài)穩(wěn)定問題，動態(tài)穩(wěn)定特性決定了500 kV電網主要斷面的控制極限，也嚴重限制了內蒙古電網西電東送能力[1-3]。長南線聯(lián)網方式下，內蒙古電網與華北電網的振蕩模式為“蒙西—山東”振蕩，山西兩橫特高壓系統(tǒng)外送潮流較重時，該振蕩模式為“蒙西—山東+山西”振蕩[4-6]。另外，大規(guī)模風電的接入，也會給電網動態(tài)穩(wěn)定特性帶來影響[7-8]。

本文通過小干擾和大擾動穩(wěn)定分析方法，結合雙饋風機的特性分析大規(guī)模風電并網對內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定特性的影響，并提出提高內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定特性的方法。

1 雙饋風機模型

雙饋風機結構如圖1所示。雙饋風機轉子側通過換流器與電網相連，定子側通過變壓器與外部電網相連。本文主要對雙饋發(fā)電機和換流器進行建模。以單一慣性來描述風機各慣性部件的總和，并忽略磁飽和效應和定子電阻。

圖1 雙饋風機結構圖Fig.1 Configuration of doubly?fed wind generator

對以上模型進行推導計算，可得到單臺風機建模公式，將風電場簡化為眾多風機的并聯(lián)，等值風電場模型由一臺大風機等效得出[9]。

2 內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定特性分析

小干擾穩(wěn)定特性分析采用中國電力科學研究院有限公司開發(fā)的PSD-SSAP程序。根據DL/T 1234—2013《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算技術規(guī)范》中小擾動動態(tài)穩(wěn)定性運行標準，系統(tǒng)阻尼比應滿足：在正常運行方式下，區(qū)域振蕩模式以及與大電廠、大機組強相關的振蕩模式的阻尼比達到0.03以上；故障后的特殊運行方式下，阻尼比需達到0.01～0.02。

大擾動動態(tài)穩(wěn)定值采用中國電力科學研究院有限公司開發(fā)的PSD-BPA程序中的Prony分析功能進行判斷，動態(tài)穩(wěn)定判穩(wěn)條件為故障后阻尼不低于0.015。本文基于中國電力科學研究院有限公司下發(fā)的2—3年滾動校核數據，分析不同因素對內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定特性的影響。

內蒙古電網通過汗?！猎础⒇S泉—萬全兩條500 kV通道向外送電，外送斷面4900MW，呼豐斷面8100MW，呼包斷面5100MW。內蒙古電網與華北地區(qū)電網連接示意圖見圖2。內蒙古電網風電機組主要集中在北部，火電機組主要集中在南部。以2023年預測豐平大數據為基礎進行計算，其中風電總裝機容量19470MW，火電總裝機容量52880MW，負荷取35500MW。外部邊界條件為：特高壓長南線北送功率2000MW，山西兩橫特高壓工程落地，送出功率150000MW，山東電網為送電模式。

圖2 內蒙古電網與華北地區(qū)連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection between Inner Mongolia power grid and North China area

采用小干擾穩(wěn)定分析方法對不同風電出力下內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定特性進行分析，結果如表1所示。由表1可知，內蒙古風電零出力時，阻尼比為0.052，為強阻尼振蕩模式；隨著風電的不斷接入，阻尼比不斷提升，動態(tài)穩(wěn)定水平呈提高趨勢。

表1 內蒙古風電出力對其動態(tài)穩(wěn)定性的影響（小干擾穩(wěn)定分析法）Tab.1 Influence of Inner Mongolia wind power on its dynamic stability(small disturbance stability analysis)

風電機組慣性在機組小出力時有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。風電開機越多，每臺機組出力越小，對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定水平的提高越有利。以方式1和方式4為例，內蒙古電網對山東電網振蕩模態(tài)圖分別如圖3、圖4所示。對比可知，隨著內蒙古風電出力增加，系統(tǒng)阻尼比增加，穩(wěn)定特性增強。

圖3 方式1下內蒙古電網對山東電網振蕩模態(tài)圖Fig.3 Oscillation modal diagram of Inner Mongolia power grid to Shandong power grid under mode 1

圖4 方式4下內蒙古電網對山東電網振蕩模態(tài)圖Fig.4 Oscillation modal diagram of Inner Mongolia power grid to Shandong power grid under mode 4

采用大擾動穩(wěn)定分析方法對不同風電出力情況下內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定特性進行分析，結果如表2所示。大規(guī)模風電接入后，內蒙古電網潮流北輕南重現象緩解，南北潮流分布均勻，電網動態(tài)穩(wěn)定性呈現提升趨勢，且內蒙古風電出力越大，動態(tài)穩(wěn)定特性越好。以方式1和方式4為例，在大擾動方式下，內蒙古電網豐泉—萬全、汗?！猎此统鼍€路有功功率變化曲線分別如圖5、圖6所示。由圖5和圖6可以看出，大規(guī)模風電接入內蒙古電網，外送通道功率更快趨于穩(wěn)定，有助于提升系統(tǒng)阻尼比，動態(tài)穩(wěn)定特性增強。一方面風電機組可以替代阻尼比較低、易發(fā)生振蕩的傳統(tǒng)火電機組，同時北部風電機組的大規(guī)模接入，改善了內蒙古電網外送通道潮流，使豐泉—萬全、汗海—沽源兩條外送通道輸送潮流的差值減??；另一方面雙饋風機提供正阻尼，使系統(tǒng)整體阻尼比得到提升，動態(tài)穩(wěn)定性變好。

表2 內蒙古風電出力對其動態(tài)穩(wěn)定性的影響（大擾動穩(wěn)定分析法）Tab.2 Influence of Inner Mongolia wind power manner on its dynamic stability(big disturbance stability analysis)

圖5 方式1下內蒙古電網外送線路有功功率變化曲線Fig.5 Active power changing curve of external transmission lines in Inner Mongolia power grid under Mode 1

圖6 方式4下內蒙古電網外送線路有功功率變化曲線Fig.6 Active power changing curve of external transmission lines in Inner Mongolia power grid under Mode 4

3 動態(tài)穩(wěn)定特性改善措施

3.1 加裝電子系統(tǒng)穩(wěn)定器

機組加裝電子系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Sta?bilizer，PSS）或優(yōu)化已有PSS參數，以滿足事故后運行方式的需求，尤其是在振蕩模式強相關的機組上增設PSS，對于增強阻尼、提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性效果更為顯著。

3.2 加裝靜止無功補償器

靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）可提供無功支持和電壓控制，加入附加阻尼控制后，SVC可有效提高系統(tǒng)電氣阻尼。在豐泉—萬全、汗?！猎淳€路節(jié)點搭建SVC及附加阻尼控制器，可在一定程度上提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定水平。

3.3 建設異步聯(lián)網工程

將豐泉—萬全、汗海—沽源兩條外送通道改為背靠背直流輸電，在汗海500 kV變電站、豐泉500 kV變電站側建設同時包含整流和逆變設備的背靠背換流站，實現內蒙古電網與華北電網的異步互聯(lián)。通過異步聯(lián)網工程可以有效解決內蒙古電網與山東電網的振蕩問題。

4 結束語

本文采用小干擾和大擾動穩(wěn)定分析方法對不同比例風電接入下內蒙古電網的動態(tài)穩(wěn)定特性進行分析，結果表明，內蒙古風電零出力時，內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定性最差；隨著風電出力水平的提高，內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定水平逐漸提升。大規(guī)模風電機組接入，可有效提升電網動態(tài)穩(wěn)定水平。

加裝PSS或SVC雖是便捷而經濟的措施，但加強、改善電網結構才是解決內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定問題的根本辦法，在外送斷面采用背靠背直流輸電方式，可以有效解決內蒙古電網的動態(tài)穩(wěn)定問題。