麻城市多能互補(bǔ)百萬(wàn)千瓦新能源基地一期機(jī)電-電磁暫態(tài)仿真分析

張良一，陳汝斯，蔡德福，孫冠群，萬(wàn) 黎，劉海光

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

中國(guó)作為全球第一大電力消費(fèi)國(guó)同時(shí)也是第一大碳排放國(guó)，電力在我國(guó)能源消費(fèi)與碳排放中占據(jù)重要地位。截至2021年底，我國(guó)的發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)到23.8 億kW，但其中火電裝機(jī)容量占比為56.58%，可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量占比僅為41.13%［1］。從發(fā)電量看，火電發(fā)電量占比為70.29%，可再生能源發(fā)電量占比為29.5%，其中風(fēng)光發(fā)電占比僅為9.7%，電力碳排放占全國(guó)碳排放總量的四成以上，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對(duì)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將起到關(guān)鍵作用［2］。

麻城市多能互補(bǔ)百萬(wàn)千瓦新能源基地（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“麻城新能源基地”）位于湖北省黃岡市麻城市，由中電（湖北）新能源有限公司負(fù)責(zé)基地新能源項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。本基地規(guī)劃容量為130萬(wàn)kW，以1回500 kV線(xiàn)路接入大別山電廠500 kV配電裝置，采用光火打捆方式利用大別山電廠～道觀河雙回500 kV線(xiàn)路接入電網(wǎng)，在充分考慮了麻城當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源、土地資源的前提下，按全容量光伏基地建設(shè)。結(jié)合業(yè)主項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃，基地站址1（400萬(wàn)kW）計(jì)劃于2022年6月30日前投產(chǎn)，站址2、站址3（共90萬(wàn)kW）計(jì)劃于2023年12月31日前投產(chǎn)。

本文對(duì)麻城新能源基地接入后基地近區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定進(jìn)行分析，采用機(jī)電-電磁混合仿真的方式，重點(diǎn)對(duì)500 kV 木泉+木孝N-2 故障進(jìn)行分析，同時(shí)校驗(yàn)四種大別山機(jī)群不同開(kāi)機(jī)組合的穩(wěn)定特性。

1 機(jī)電-電磁混合仿真

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可按時(shí)間尺度分為電磁暫態(tài)（微秒級(jí)～毫秒級(jí)）、機(jī)電暫態(tài)（毫秒～秒級(jí)）及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)（分鐘級(jí)）3類(lèi)［3］。

其中，電磁暫態(tài)仿真主要研究諧波、畸變等快速變化過(guò)程，通常用于過(guò)電壓和絕緣配合等設(shè)備分析；機(jī)電暫態(tài)仿真主要研究機(jī)械、電磁轉(zhuǎn)矩之間不平衡引起的轉(zhuǎn)子慣性運(yùn)動(dòng)過(guò)程，用于系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真主要研究自動(dòng)發(fā)電控制等受擾后的慢速過(guò)程，用于中長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析。

在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行分析中，主要采用機(jī)電暫態(tài)仿真的方式進(jìn)行仿真分析，近年來(lái)，電磁暫態(tài)仿真在電力系統(tǒng)仿真中的占比不斷擴(kuò)大。機(jī)電暫態(tài)仿真及電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)劣對(duì)比如表1所示［4］。

表1 機(jī)電暫態(tài)仿真及電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)劣對(duì)比Table 1 Advantages and disadvantages of electromechanical transient simulation and electromagnetic transient simulation

一方面，基于基波相量模型的機(jī)電暫態(tài)仿真無(wú)法模擬HVDC、FACTS 等電力電子裝置的快速瞬變過(guò)程以及飽和元件、非線(xiàn)性元件引起的波形畸變；另一方面，采用瞬時(shí)值計(jì)算的電磁暫態(tài)仿真規(guī)模一般不大，等值化簡(jiǎn)會(huì)引入仿真誤差［5］。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和FACTS、HVDC設(shè)備在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)仿真規(guī)模和仿真精度之間的矛盾日益顯現(xiàn)。

理論上，可以不斷擴(kuò)大電磁暫態(tài)仿真規(guī)模，最終達(dá)到大電網(wǎng)全網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流系統(tǒng)連鎖反應(yīng)最精確的仿真。然而，全系統(tǒng)電磁仿真技術(shù)目前難以實(shí)現(xiàn)，且必要性仍值得商榷［6］。

機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)，結(jié)合機(jī)電暫態(tài)與電磁暫態(tài)仿真的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)模與機(jī)電暫態(tài)相當(dāng)，直流、新能源等關(guān)注的電力電子設(shè)備采用電磁暫態(tài)模型精確仿真。因此，采用機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真，并根據(jù)研究目的的需要，確定合理的交直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真規(guī)模，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定分析的工程需求［7-12］。

2 新能源基地及電力系統(tǒng)概況

麻城新能源基地位于湖北省黃岡市麻城市，由中電（湖北）新能源有限公司負(fù)責(zé)基地新能源項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。本基地規(guī)劃容量為130萬(wàn)kW，在充分考慮了麻城當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源、土地資源的前提下，按全容量光伏基地建設(shè)。結(jié)合業(yè)主項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃，本基地站址1（40 萬(wàn)kW）計(jì)劃于2022 年6 月30 日前投產(chǎn)，站址2、站址3（共90萬(wàn)kW）計(jì)劃于2023年12月31日前投產(chǎn)。

麻城市百萬(wàn)新能源基地項(xiàng)目近區(qū)220 kV 及以上主要電源如表2所示。

表2 麻城新能源基地近區(qū)主要電源Table 2 Main Power Sources Near Macheng New Energy Base

近區(qū)500 kV主變主要有：道觀河變1×100萬(wàn)kW；柏泉變3×120萬(wàn)kW；木蘭變2×100萬(wàn)kW（4×100萬(wàn)kW）；大吉變2×1 000+75萬(wàn)kW。

麻城市多能互補(bǔ)百萬(wàn)千瓦新能源基地投運(yùn)后，基地近區(qū)500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 麻城市多能互補(bǔ)百萬(wàn)千瓦新能源基地近區(qū)500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 500 kV power grid near Macheng Multi Energy Complementary Million-kilowatt New Energy Base

3 新能源基地接入后系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析

本文采用機(jī)電-電磁混合仿真的方式對(duì)麻城市多能互補(bǔ)百萬(wàn)千瓦新能源基地接入后的近區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析，其中，麻城市多能互補(bǔ)百萬(wàn)千瓦新能源基地的光伏機(jī)組采用電磁暫態(tài)模型進(jìn)行仿真，電網(wǎng)的其他部分采用機(jī)電暫態(tài)模型進(jìn)行仿真［13-16］。光伏電站整體電磁模型如圖2所示。

圖2 麻城新能源基地光伏電站電磁模型Fig.2 Electromagnetic model of photovoltaic power station in Macheng New Energy Base

基于2022年上半年國(guó)調(diào)下發(fā)的低谷方式，對(duì)正常方式下近區(qū)500 kV木泉+木孝N-2等故障進(jìn)行計(jì)算分析。麻城新能源基地投產(chǎn)后，與大別山火電廠共用500 kV大別山-道觀河雙回外送通道。為突顯近區(qū)的電力送出穩(wěn)定問(wèn)題，校核近區(qū)500 kV 木泉+木孝N-2故障時(shí)，在40 萬(wàn)kW 時(shí)對(duì)新能源機(jī)電與大別山電廠發(fā)電功率進(jìn)行置換［17-18］，研究新能源基地投入運(yùn)行后對(duì)近區(qū)電網(wǎng)特性的影響（滿(mǎn)足陜武直流對(duì)鄂東機(jī)組開(kāi)機(jī)和旋備的要求）。

陜武特高壓直流投運(yùn)后，500 kV 木泉+木孝N-2故障會(huì)導(dǎo)致大別山、陽(yáng)邏等鄂東近區(qū)電廠功角失穩(wěn)，鄂東近區(qū)場(chǎng)站電壓失穩(wěn)等問(wèn)題，故障后需采取閉鎖陜武直流的措施［19］，并且對(duì)鄂東地區(qū)機(jī)組最小開(kāi)機(jī)及旋備提出了運(yùn)行要求。麻城新能源基地40萬(wàn)kW光伏電站投產(chǎn)后，對(duì)500 kV木泉+木孝N-2故障進(jìn)行計(jì)算分析。

依據(jù)華中電網(wǎng)的主網(wǎng)穩(wěn)定規(guī)定［20］，當(dāng)湖北省負(fù)荷在2 000萬(wàn)kW～2 500萬(wàn)kW之間，陜武直流送鄂負(fù)240萬(wàn)kW～300萬(wàn)kW之間，對(duì)應(yīng)的湖北最小開(kāi)機(jī)要求及旋備要求為：武漢江北東 220 kV 層面最小開(kāi)機(jī)2 臺(tái)、黃石黃岡最小開(kāi)機(jī)2臺(tái)、光鋼鄂最小開(kāi)機(jī)3臺(tái)、鄂東其他片區(qū)最小開(kāi)機(jī)3臺(tái)；500 kV層面最小開(kāi)機(jī)0臺(tái)。此外，陽(yáng)邏5號(hào)、6號(hào)機(jī)，大別山1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)需留旋備30%。在計(jì)算過(guò)程中，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中大別山1 號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)旋備按10%留取。

在此方式下，若發(fā)生木泉+木孝N-2 故障后，大別山近區(qū)機(jī)組曲線(xiàn)如圖3～圖5所示。

圖3 500 kV木泉+木孝N-2故障后機(jī)組功角曲線(xiàn)Fig.3 Power Angle curve after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

圖4 500 kV木泉+木孝N-2故障后母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)Fig.4 Bus voltage curve after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

圖5 500 kV木泉+木孝N-2故障后麻城新能源光伏機(jī)組機(jī)端電壓曲線(xiàn)Fig.5 Terminal voltage curve of Macheng new energy PV unit after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

由上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，500 kV 木泉+木孝N-2 故障會(huì)導(dǎo)致大別山、西塞山等鄂東近區(qū)電廠功角失穩(wěn)，鄂東近區(qū)場(chǎng)站電壓失穩(wěn)，麻城新能源基地光伏電站脫網(wǎng)，與光伏電站投產(chǎn)前穩(wěn)定情況一致。故障后采取閉鎖陜武直流措施后［21-24］，近區(qū)穩(wěn)定情況如圖6～圖8所示。

圖6 采取閉鎖陜武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2華中機(jī)組功角曲線(xiàn)Fig.6 Power angle curve of 500 kV Muquan + Muxiao N-2 Central China Unit after the measure of locking Shaan-Wu DC

圖7 采取閉鎖陜武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2華中母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)Fig.7 Central China bus voltage curve of 500 kV Muquan + Muxiao N-2 after the measure of locking Shaan-Wu DC

由圖8 可見(jiàn)，500 kV 木泉+木孝 N-2 故障后采取閉鎖陜武直流的穩(wěn)控措施可使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，現(xiàn)有穩(wěn)控措施可適應(yīng)麻城新能源基地投產(chǎn)后的情況。

圖8 采取閉鎖陜武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2麻城新能源光伏機(jī)組機(jī)端電壓曲線(xiàn)Fig.8 Terminal voltage curve of Macheng new energy PV unit after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault and locking Shaan-Wu DC

針對(duì) 500 kV 木泉+木孝 N-2 故障采取閉鎖陜武直流的穩(wěn)控措施，在滿(mǎn)足鄂東最小開(kāi)機(jī)要求，大別山機(jī)組留取10%旋備，校驗(yàn)以下四種大別山機(jī)群不同開(kāi)機(jī)組合的穩(wěn)定特性。

a：大別山機(jī)組留10%旋備，新能源40萬(wàn)kW。

b：大別山機(jī)組留10%旋備，新能源關(guān)停。

c：大別山機(jī)組關(guān)一機(jī)其余留10%旋備，新能源40萬(wàn)kW。

d：大別山兩臺(tái)機(jī)組在10%旋備基礎(chǔ)上各多留20萬(wàn)kW旋備，新能源40萬(wàn)kW。

四種開(kāi)機(jī)方式對(duì)應(yīng)的500 kV木泉+木孝N-2后閉鎖陜武直流后近區(qū)電壓曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 500 kV木泉+木孝N-2閉鎖陜武直流四種開(kāi)機(jī)方式木蘭220 kV電壓曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.9 Comparison of voltage curves of four startup modes after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault and locking Shaan-Wu DC

根據(jù)圖9可知，四種開(kāi)機(jī)組合的電壓恢復(fù)曲線(xiàn)相差不大，相較而言穩(wěn)定特性排序?yàn)椋篶＜d＜b＜a，即大別山機(jī)組留10%旋備，新能源40萬(wàn)kWh近區(qū)電壓穩(wěn)定特性相較最好，大別山機(jī)組關(guān)一機(jī)其余留10%旋備，新能源40萬(wàn)kWh近區(qū)電壓穩(wěn)定特性相對(duì)較差，特性大致如下：

1）麻城新能源基地光伏電站與大別山電廠500 kV機(jī)組置換對(duì)電壓支撐效果基本一致。

2）在大別山電廠開(kāi)機(jī)一致的情況下，麻城新能源基地開(kāi)機(jī)較不開(kāi)機(jī)對(duì)近區(qū)電網(wǎng)電壓支撐效果好，原因是新能源基地在暫態(tài)過(guò)程中提供了一定的動(dòng)態(tài)無(wú)功。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于麻城新能源基地光伏電站的電磁模型及電網(wǎng)其他部分的機(jī)電模型采用機(jī)電-電磁混合仿真對(duì)近區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行安全穩(wěn)定計(jì)算分析，計(jì)算故障為500 kV木泉+木孝雙回N-2故障（滿(mǎn)足陜武直流鄂東地區(qū)最小開(kāi)機(jī)要求），計(jì)算結(jié)果表明，500 kV 木泉+木孝N-2 故障仍可能導(dǎo)致陽(yáng)邏、大別山電廠功角失穩(wěn)，故障后現(xiàn)有閉鎖陜武直流的穩(wěn)定控制措施可適用。