新能源高滲透率電網(wǎng)高周切機(jī)方案研究

陳義宣，何燁，李玲芳，朱欣春

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，云南 昆明 650011）

0 前言

云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，頻率穩(wěn)定成為威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要因素之一，直流故障（功率富余）后云南電網(wǎng)存在嚴(yán)重的高頻問題。并且伴隨著500 kV／220 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)工作的逐步開展，發(fā)生局部電網(wǎng)故障、極端天氣或地質(zhì)災(zāi)害以及人為操作失誤，均可能導(dǎo)致聯(lián)系薄弱的地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，形成孤網(wǎng)運行的情況。特別是對于滇西北、滇西南等送端電網(wǎng)，由于外送功率較大，導(dǎo)致孤網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)頻率迅速升高越限，如果控制措施不當(dāng)，可能出現(xiàn)大面積停電事故，帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。高周切機(jī)方案作為電網(wǎng)的第三道防線之一，有利于功率富余故障后頻率的快速恢復(fù)。

傳統(tǒng)的高周切機(jī)方案一般只將水電、火電納入切機(jī)對象，隨著風(fēng)電、光伏等間歇性電源比例的增加，特別是楚雄、大理地區(qū)，高滲透率風(fēng)光不同于常規(guī)電源的特性，使得電網(wǎng)高頻特性變得愈加復(fù)雜。風(fēng)電、光伏等新能源的大規(guī)模接入引發(fā)了風(fēng)電和光伏能否作為切機(jī)對象；風(fēng)電、光伏和傳統(tǒng)電源的切機(jī)比例究竟設(shè)置多少合適；風(fēng)電、光伏的不確定性如何處理；如何制定新能源高滲透率電網(wǎng)高周切機(jī)方案等一系列問題。

本文以楚雄州地區(qū)電網(wǎng)為研究對象，根據(jù)風(fēng)電及光伏頻率耐受特性，提出了新能源高滲透率電網(wǎng)高周切機(jī)方案制定方法，并取得良好的效果。

1 新能源機(jī)組對系統(tǒng)頻率特性的影響

大量光伏和風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，由于風(fēng)電和光伏與常規(guī)機(jī)組的運行特性不同，高滲透率下系統(tǒng)的頻率特性也會發(fā)生變化。而這種頻率特性的改變主要體現(xiàn)為發(fā)電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)和系統(tǒng)慣性時間的改變。

由于新能源機(jī)組缺乏一次調(diào)頻能力，則新能源機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)為：KGN=0。

在一個地區(qū)電網(wǎng)中，若水、火電等傳統(tǒng)機(jī)組的裝機(jī)容量為PGC，風(fēng)光電機(jī)組的總裝機(jī)容量為PGN，系統(tǒng)的總?cè)萘繛镻S，則可得出：

則新能源機(jī)組的滲透率β為：

通常滲透率大于10%，則被認(rèn)為是高滲透率。假設(shè)電網(wǎng)中機(jī)組僅有水、火電機(jī)組時的全系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)為KG*，而如果并入風(fēng)電和光伏機(jī)組后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)為：

由上式可知，風(fēng)電和光伏機(jī)組的并網(wǎng)使得系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)被“稀釋”，并且隨著滲透率的增加，系統(tǒng)等效頻率調(diào)節(jié)系數(shù)下降越大。因此隨著新能源滲透率的增加，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率差值增大。

除此之外，系統(tǒng)頻率變化與慣量大小密切相關(guān)。系統(tǒng)慣量越大，則暫態(tài)頻率變化越小。對于光伏機(jī)組，由于不具備慣性，其慣性時間常數(shù)為0，對于風(fēng)電機(jī)組，由于通過電力電子元件與電網(wǎng)相連，機(jī)械系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)完全解耦，其慣性時間時間常數(shù)也為0（或非常?。Ｒ虼?，對于新能源機(jī)組，其慣性時間常數(shù)可以近似表示為

新能源機(jī)組的并網(wǎng)影響到整個系統(tǒng)的慣性，使得全系統(tǒng)慣性時間常數(shù)降低。假設(shè)電網(wǎng)中機(jī)組僅有水、火電機(jī)組時的全系統(tǒng)慣性時間常數(shù)為Ts*，當(dāng)新能源并網(wǎng)后，全系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)Tsc*為：

由上式可知，風(fēng)電和光伏機(jī)組的并網(wǎng)使得系統(tǒng)的總慣量減小，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)降低，并且隨著滲透率的增加，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)下降越大，暫態(tài)過程中頻率偏差也越大。

2 風(fēng)電與光伏參與切機(jī)方案的處理

2.1 風(fēng)光不確定性的處理

實際運行中，高周切機(jī)方案投入使用后相當(dāng)一段長的時間內(nèi)是不會隨意修改的，若將風(fēng)電、光伏機(jī)組納入高周切機(jī)對象，為防止過切或欠切等不利情形的發(fā)生，參數(shù)整定時需要解決其出力不確定的問題。結(jié)合電網(wǎng)實際情況，目前可行的處理方式有兩種：

1）基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，給出風(fēng)電與光伏的概率分布，從而求取均值；

2）采用場景方法，通過設(shè)置場景來獲取風(fēng)電和光伏典型的出力值，其中場景的設(shè)置可依據(jù)相關(guān)人員的經(jīng)驗和偏好來確定。

除此之外，光伏機(jī)組出力還具有一定的時效性。在白天，光伏出力較多，在某些時段達(dá)到其出力的峰值，但到了夜晚，光伏基本不再向電網(wǎng)輸出功率。因此，針對光伏機(jī)組這一特性，若光伏機(jī)組容量太小或者同時率過低，則在高周切機(jī)方案整定中可不考慮光伏機(jī)組，倘若光伏機(jī)組容量達(dá)到一定程度且同時率過高，則在整定時還應(yīng)考慮光伏機(jī)組出力的時效性。

本文將采用上述第二種方式，即場景方法來處理風(fēng)光的不確定性，其中具體場景可分為，荷大方式（負(fù)荷容量最大方式），荷小方式（負(fù)荷容量最小方式），光大方式（光伏出力達(dá)到最大方式），光小方式（光伏出力達(dá)到最小方式），風(fēng)大方式（風(fēng)電出力達(dá)到最大方式），風(fēng)小方式（風(fēng)電出力達(dá)到最小方式），大外送方式（外送功率達(dá)到最大方式），小外送方式（外送功率達(dá)到最小方式）等。

2.2 云南風(fēng)、光頻率耐受特性

根據(jù)云南電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電場頻率特性要求：

1）當(dāng)電網(wǎng)頻率在49.5～51.5 Hz時，風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)保持正常運行；

2）當(dāng)電網(wǎng)頻率大于51.5 Hz時，風(fēng)機(jī)至少持續(xù)運行5 min不脫網(wǎng)；

3）當(dāng)電網(wǎng)頻率在48～49.5 Hz時，風(fēng)機(jī)能至少持續(xù)運行30 min；

4）當(dāng)電網(wǎng)頻率低于48 Hz時，按風(fēng)電機(jī)組設(shè)備承受能力設(shè)置。

光伏電站頻率特性要求：

1）當(dāng)電網(wǎng)頻率在48～51.5 Hz以內(nèi)正常持續(xù)運行；

2）當(dāng)電網(wǎng)頻率高于51.5 Hz時允許光伏陣列脫網(wǎng)；

3）當(dāng)電網(wǎng)頻率低于48 Hz時，根據(jù)光伏發(fā)電站逆變器允許運行的最低頻率而定。

2.3 含高滲透率新能源地區(qū)電網(wǎng)高頻切機(jī)方案

結(jié)合云南電網(wǎng)新能源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，光伏電站高頻耐受特性低于風(fēng)電場，故可考慮先切除光伏電站再切除風(fēng)電場?？蓪⒉糠止夥哳l保護(hù)定值設(shè)為51.5 Hz，剩余光伏電站通過改造使其具備高頻能力，放置在特殊輪里切除，從而避免光伏一次性切除過多，造成過切。

因此，可在光伏出力最大時，不斷追加第一輪待切光伏機(jī)組，使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)至50 Hz左右，完成第一輪高頻切機(jī)整定。隨后將光伏出力設(shè)為0，不斷增加風(fēng)電出力，不斷追加第二輪待切風(fēng)電機(jī)組，使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)至50 Hz左右，完成第二輪高頻切機(jī)整定。并將剩余光伏和風(fēng)電機(jī)組放至于特殊輪中。若該區(qū)域常規(guī)電源發(fā)電容量大于負(fù)荷容量，則將常規(guī)機(jī)組選為第三輪高頻切機(jī)待切對象，進(jìn)行整定，否則，不設(shè)置第三輪。

3 楚雄和平供電片區(qū)高頻切機(jī)方案

本文采用楚雄和平供電片區(qū)電網(wǎng)作為實際算例對含新能源的高頻切機(jī)策略進(jìn)行研究。

2019年底，該區(qū)域電網(wǎng)發(fā)電機(jī)機(jī)組容量分類如圖1所示，其中水電站10座，總裝機(jī)容量229 MW；光伏電站8座，總裝機(jī)容量247 MW；風(fēng)電發(fā)電站3座，裝機(jī)容量343 MW，新能源裝機(jī)比重高達(dá)72%，如圖1所示。

圖1 2020年楚雄和平地區(qū)發(fā)電機(jī)機(jī)組容量分類圖

根據(jù)該地區(qū)風(fēng)電場，光伏，負(fù)荷的典型功率曲線，可以近似得到該地區(qū)的上網(wǎng)功率曲線，如圖2所示，并且從圖中可以看出，該地區(qū)電網(wǎng)功率在19 MW～216 MW之間變化。

圖2 和平地區(qū)日功率變化曲線

光大方式下，設(shè)置第一輪高頻切機(jī)動作頻率為51.5 Hz，延時0.2 s，不斷追加光伏機(jī)組，使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率接近50 Hz。當(dāng)切除大莊電站和有家電站時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率約為50.01 Hz，如圖3所示，切機(jī)后穩(wěn)態(tài)頻率符合要求。

圖3 光大方式切除大莊和有家光伏電站

風(fēng)大方式下，光伏出力為0，設(shè)置第二輪高頻切機(jī)動作頻率為52 Hz，延時0.2 s，不斷追加待切風(fēng)電機(jī)組，使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率接近50 Hz。當(dāng)切除大龍口，云臺箱，雷應(yīng)山時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率約為50.04 Hz，如圖4所示，切機(jī)后穩(wěn)態(tài)頻率符合要求。

圖4 風(fēng)大方式切除大龍口，云臺箱，雷應(yīng)山

從圖2可以看出負(fù)荷功率在凌晨3點到5點左右最小，且最小值為295 MW，而水電功率為209 MW。因此負(fù)荷功率始終大于水電功率，故該區(qū)暫不設(shè)置水電作為第三輪切機(jī)對象。

因此，故該地區(qū)的高頻切機(jī)方案如表2所示。

表2 和平地區(qū)電網(wǎng)高頻切機(jī)方案

4 楚雄和平供電片區(qū)高頻切機(jī)方案校核

選取荷大，荷小，光大，光小，風(fēng)大，風(fēng)小，大外送，小外送等典型方式對高頻切機(jī)方案進(jìn)行校驗，結(jié)果如下：

1）荷大方式下（上網(wǎng)功率99.6 MW）穩(wěn)態(tài)頻率50.01 Hz。

2）荷小方式下（上網(wǎng)功率161 MW）穩(wěn)態(tài)頻率50.03 Hz。

3）光大方式下（上網(wǎng)功率191 MW）穩(wěn)態(tài)頻率50.01 Hz。

4）風(fēng)大方式下（上網(wǎng)功率213 MW）穩(wěn)態(tài)頻率50.04 Hz。

5）外送功率最大（上網(wǎng)功率213 MW）穩(wěn)態(tài)頻率50.04 Hz（同風(fēng)大方式）。

6）外送功率最小（上網(wǎng)功率20.5 MW）穩(wěn)態(tài)頻率50.01 Hz。

以荷小方式為例，圖5（a）和5（b）分別給出了和平主變故障時不采取任何措施與采取本方案后的系統(tǒng)頻率變化圖。比較兩圖，不難發(fā)現(xiàn)，本文方案能有效降低系統(tǒng)暫態(tài)最高頻率，并且切機(jī)后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)到50 Hz附近。

圖5 系統(tǒng)頻率變化圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)風(fēng)電及光伏頻率耐受特性，提出了新能源高滲透率電網(wǎng)高周切機(jī)方案制定方法。由于光伏頻率耐受特性最差，風(fēng)電次之，光伏機(jī)組可作為第一輪切機(jī)對象，風(fēng)電機(jī)組作為第二輪切機(jī)對象，水電等常規(guī)電源作為第三輪切機(jī)對象（如有必要），避免切除常規(guī)電源造成孤網(wǎng)的慣量下降，以提高地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后的頻率穩(wěn)定水平。