中國電建集團河南省電力勘測設(shè)計院有限公司 陳 勇 鄧中原 國網(wǎng)河南省電力公司營銷服務(wù)中心 蘇 沛

關(guān)鍵字：新能源；末端電網(wǎng)；穩(wěn)定性；仿真分析

為應(yīng)對氣候變化，中國政府提出在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，碳達峰和低碳化要求將成為未來能源發(fā)展的趨勢，根據(jù)測算，到“十四五”末期，我國可再生能源裝機總?cè)萘空急葘⒊^50%。風電、光伏等新能源的出力特性具有隨機性、波動性和不可控性，這與常規(guī)電源有較大區(qū)別。此外其電壓、頻率的耐受性也與常規(guī)電源不同，在非正常運行方式下容易脫網(wǎng)，對電力系統(tǒng)造成更大范圍的影響。隨著新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，大規(guī)模風電、光伏并網(wǎng)將對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，尤其是末端電網(wǎng)。

1 光伏電站出力特性及影響分析

1.1 光伏電源出力特性

光伏電源出力呈現(xiàn)非線性特征，其功率輸出主要受環(huán)境溫度和光照強度的影響。當溫度和光照強度一定時，光伏電站具有唯一的一個最大功率輸出點。當環(huán)境溫度相同時，光伏電源表現(xiàn)出正的光照特性，即隨著光照強度的增加，其產(chǎn)生的電流增加較大，而電壓變化較小，光照強度的增加使光伏電站輸出功率增加；反之，光伏電源有功功率會減小。當光照強度相同時，光伏電源表現(xiàn)出負的溫度特性，即，隨著環(huán)境溫度的增加，其輸出的電壓減小，而產(chǎn)生的電流增加較慢，環(huán)境溫度的增加使光伏電站輸出功率減少；反之，光伏電源輸出的功率會相應(yīng)增大。

1.2 光伏電站對系統(tǒng)有功頻率特性的影響

光伏電源是非旋轉(zhuǎn)靜止元件，在大規(guī)模接入電網(wǎng)后，隨著系統(tǒng)內(nèi)火電機組的不斷減少，電力系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量將逐步減少，削弱了電力系統(tǒng)應(yīng)對功率缺額和功率波動的能力，在極端情況下，可導致系統(tǒng)頻率跌落過快及跌落深度過大，進而觸發(fā)低頻減載、高頻切機等安控裝置。

對于光伏低滲透率的電網(wǎng)，其出力波動或脫網(wǎng)對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定不會造成影響，但光伏出力的頻繁變化會導致系統(tǒng)頻率的波動，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。對于光伏高滲透率的電網(wǎng)，光伏電站對系統(tǒng)的各種故障不具備調(diào)節(jié)能力，通過常規(guī)機組保持一定的旋轉(zhuǎn)備用后，才能夠保證電網(wǎng)在各種故障下的安全穩(wěn)定性，否則電網(wǎng)將無法實現(xiàn)功率平衡而導致頻率失穩(wěn)，甚至在故障并不嚴重的負荷沖擊下電網(wǎng)也會因為旋轉(zhuǎn)備用不足而有失穩(wěn)的風險。

1.3 光伏電站對系統(tǒng)無功電壓特性的影響

光伏電站并網(wǎng)后，隨出力增加，系統(tǒng)節(jié)點電壓水平可能越限。以下利用等效模型分析光伏電站對系統(tǒng)無功電壓特性的影響，并網(wǎng)光伏電站與電網(wǎng)公共連接點的等效電路如圖1所示。

圖1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點處戴維南等值電路

當光伏電站以功率因數(shù)控制模式并網(wǎng)時，并網(wǎng)點電壓變化量的近似計算公式為：

根據(jù)式（1）可知，隨著光伏有功出力的增加并達到一定值時，將引起并網(wǎng)點電壓越限。

當光伏電站以無功電壓控制模式并網(wǎng)時，并網(wǎng)點電壓變化量的近似計算公式為：

根據(jù)式（2）可以看出，并網(wǎng)點電壓變化量隨著無功出力的變化而變化，可通過調(diào)節(jié)光伏電站逆變器的無功出力，使并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定。

目前通過定功率控制、配置儲能、加裝無功補償裝置、并網(wǎng)逆變器無功功率控制等方法可解決光伏電站并網(wǎng)后電壓越限問題。對于并網(wǎng)逆變器無功功率控制有以下幾點影響因素：逆變器有功出力一定時，受逆變器本身容量的限制；相同容量的逆變器，其所發(fā)出無功受并網(wǎng)線路長度的限制，并網(wǎng)線路越長，無功變化范圍越小。

1.4 光伏電站對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響

光伏電源是非旋轉(zhuǎn)靜止元件，不存在功角穩(wěn)定問題，但光伏電站具有隨機波動性和無轉(zhuǎn)動慣量特性，會在光伏電站大規(guī)模接入電網(wǎng)后改變電網(wǎng)的潮流分布，降低系統(tǒng)的整體等效慣量；且在故障穿越期間，光伏的動態(tài)無功支撐特性對系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，既能改善系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性，但也可能使系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性降低。此外，大規(guī)模光伏并網(wǎng)后還可能因故障穿越能力不足引發(fā)脫網(wǎng)，進而對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成更大的沖擊，需要結(jié)合電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)運行方式、光伏并網(wǎng)位置等進一步評估大規(guī)模并網(wǎng)光伏的脫網(wǎng)風險。

2 風電機組出力特性及影響分析

隨著大規(guī)模風電的接入，風電裝機總?cè)萘克急戎匾苍絹碓礁?，其對電網(wǎng)的影響范圍也進一步擴大。目前風電機組多采用異步發(fā)電機，電網(wǎng)發(fā)生故障時，由于風電機組與同步發(fā)電機組暫態(tài)特性的明顯差別，造成在風電高滲透率的電網(wǎng)中，對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

2.1 風電場并網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問題

風電機組并網(wǎng)電網(wǎng)時，隨著風速的變化風電場功率輸出不斷變化，會引起風電場母線和周邊電網(wǎng)電壓的波動。當風電機組頻繁的并網(wǎng)、脫網(wǎng)、進行無功補償裝置的投切等操作都會對電網(wǎng)電壓造成反復沖擊，進一步降低了電網(wǎng)穩(wěn)定性，可能造成電網(wǎng)電壓崩潰。

在風電低滲透率的電網(wǎng)中，電網(wǎng)發(fā)生故障時，為可采取切機等措施保證電網(wǎng)的安全運行；在風電高滲透率的電網(wǎng)中，由于不同類型風電機組的勵磁特性以及強波動性風電功率的注入，造成接入點以及周邊電網(wǎng)的電壓波動，從而對電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，嚴重時會威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。風電場不僅要參與一次調(diào)頻，在故障及電網(wǎng)電壓跌落期間，風電場應(yīng)具備低電壓穿越能力，能夠一定時間范圍內(nèi)連續(xù)不脫網(wǎng)運行，并在故障發(fā)生后發(fā)出無功參與電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)。

2.2 風電場并網(wǎng)對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定影響

電力系統(tǒng)是一個復雜的能量動態(tài)平衡系統(tǒng)，無新能源接入電網(wǎng)時，電力系統(tǒng)通過跟蹤負荷需求的變化來調(diào)整發(fā)電出力的動態(tài)平衡機制來維持電力需求平衡和頻率穩(wěn)定。由于系統(tǒng)慣量對頻率下降速率起到?jīng)Q定性的作用，而變速風電機組的轉(zhuǎn)速控制與電網(wǎng)頻率控制無耦合關(guān)系，隨著系統(tǒng)頻率的下降，變速風電機組固有的轉(zhuǎn)動慣量特性對延緩電網(wǎng)頻率的降低速率基本無影響。接入電網(wǎng)的風電裝機規(guī)模越大，其在電網(wǎng)中引起的頻率穩(wěn)定問題越突出。

2.3 其他穩(wěn)定性相關(guān)問題

在風電高滲透率的電網(wǎng)中，風電機組對電網(wǎng)的電能質(zhì)量和調(diào)峰能力也會產(chǎn)生較大影響。風力發(fā)電機組自身產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)后，將增加電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性，同時也增加了電氣設(shè)備附件損耗、加速設(shè)備絕緣老化、繼電保護裝置和自動裝置不能正確動作等問題。此外，風力發(fā)電具有反調(diào)峰性，在用電低谷時段進一步拉大電網(wǎng)的峰谷差，增加了電網(wǎng)的調(diào)峰容量的需求。大規(guī)模風電機組接入電網(wǎng)后，風機功率的波動變化會增加系統(tǒng)功率調(diào)整負擔，當系統(tǒng)沒有足夠的調(diào)峰容量來平衡風電大出力時，就需要通過切除風電機組以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3 高比例新能源接入對末端電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

新能源資源比較豐富的地區(qū)大多位于電網(wǎng)的邊緣地區(qū)，與系統(tǒng)的聯(lián)系較薄弱，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，電源點少，負荷水平低、電壓支撐能力有限，當風電場發(fā)生設(shè)備故障后，對電壓穩(wěn)定性較差的末端電網(wǎng)影響尤為明顯。隨著高比例新能源接入電網(wǎng)，嚴重時，還可能造成其它并網(wǎng)機組無法正常運行，進而導致局部電網(wǎng)瓦解，發(fā)生大規(guī)模的脫網(wǎng)事故。

本文基于中國電科院PSD-BPA 軟件，以某電網(wǎng)末端縣為例，在大量風電光伏接入電網(wǎng)后，通過仿真計算，分析高比例新能源接入電網(wǎng)對末端電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

3.1 電網(wǎng)穩(wěn)定性判據(jù)

電網(wǎng)的穩(wěn)定性判據(jù)包括功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定，當三個方面同時滿足時，可判定系統(tǒng)穩(wěn)定，此外，對于線路還存在熱穩(wěn)定判定的限制。根據(jù)《國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定該計算技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW1404-2015）的規(guī)定，參考該地區(qū)省網(wǎng)年度運行方式報告，電網(wǎng)穩(wěn)定性具體判據(jù)如下：

功角穩(wěn)定：電網(wǎng)受到每一次大擾動后，引起電力系統(tǒng)各機組之間的功角相對增大，在經(jīng)過第一、第二搖擺不失步；

電壓穩(wěn)定：在系統(tǒng)受到擾動后，母線電壓水平暫態(tài)過程中在10s 以內(nèi)應(yīng)恢復到0.8pu 以上，中長期過程中需保持或恢復到0.9pu 以上；

頻率穩(wěn)定：系統(tǒng)頻率應(yīng)維持的區(qū)間：47.5Hz< f<51.5Hz；

熱穩(wěn)定判據(jù)：故障后運行設(shè)備不得超過其熱穩(wěn)電流、設(shè)備事故過載能力。

3.2 工程案例

某縣級區(qū)域現(xiàn)無常規(guī)電源裝機，現(xiàn)有新能源總裝機376MW，其中風電126MW，光伏250MW。該縣最大負荷260MW，新能源裝機達到最大負荷的145%。該縣僅有1座220kV 變電站（A 變電站），通過2回220kV 線路（嘉A 線、左A 線）與系統(tǒng)主網(wǎng)相連，在1回線路檢修，另1回線路故障下將出現(xiàn)孤網(wǎng)情況。

3.2.1 局部孤網(wǎng)運行

（1）僅含風電、光伏的孤網(wǎng)不能穩(wěn)定運行

傳統(tǒng)機組與風電、光伏對電網(wǎng)調(diào)頻特性有所區(qū)別。由于風力發(fā)電機組具有不可控性和間歇性，不能根據(jù)系統(tǒng)負荷的變化實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功率輸出；光伏電站受光照影響，其有功輸出同樣具有間歇性。系統(tǒng)發(fā)生故障后，風電相對于傳統(tǒng)機組轉(zhuǎn)動慣量很小，光伏無轉(zhuǎn)動慣量，因此孤網(wǎng)狀態(tài)下，若無火電或水電等傳統(tǒng)機組，僅含風電、光伏的系統(tǒng)將出現(xiàn)頻率、電壓崩潰，造成系統(tǒng)失穩(wěn)。

在孤網(wǎng)運行下，系統(tǒng)含雙饋風電機組、光伏發(fā)生頻率崩潰、電壓失穩(wěn)的情況，孤網(wǎng)后系統(tǒng)頻率高于60Hz，系統(tǒng)電壓跌落至0.4pu 以下，雙饋風機可進行低電壓穿越而不脫網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)故障后，孤網(wǎng)，含雙饋風電機組、光伏的系統(tǒng)頻率、電壓變化

與雙饋風機不同，直驅(qū)機組基本無轉(zhuǎn)動慣量，其故障后的暫態(tài)特性與光伏發(fā)電單元類似，在故障期間及故障后，無法提供有功、無功支撐，無法成功低電壓穿越，而失去該縣所有負荷，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)故障后，孤網(wǎng)，含直驅(qū)風電機組、光伏的系統(tǒng)頻率、電壓變化

若考慮切除部分風電、光伏機組，使得新能源出力與負荷平衡，無論雙饋或直驅(qū)風機，在無傳統(tǒng)機組的孤網(wǎng)下，系統(tǒng)頻率維持在49.4Hz，A 變電站220kV 電壓水平為0.4pu，局部電網(wǎng)電壓過低，仍不能孤網(wǎng)運行。

（2）含傳統(tǒng)機組的孤網(wǎng)，需采取切除風電、光伏的措施，增強孤網(wǎng)運行穩(wěn)定性

為了分析孤網(wǎng)運行的必要條件，將一臺165 MW 的火電機組接入110kV 園區(qū)變，利用該網(wǎng)架分析有傳統(tǒng)機組接入后孤網(wǎng)的頻率、電壓變化情況。若僅含165MW 火電機組，該縣電網(wǎng)可孤網(wǎng)運行，故障后系統(tǒng)頻率趨于穩(wěn)定、電壓恢復，如圖4所示；風電、光伏接入后，缺乏一次、二次調(diào)頻能力，系統(tǒng)頻率控制能力下降，頻率穩(wěn)定性變差，如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)故障后，孤網(wǎng)只含傳統(tǒng)機組，系統(tǒng)頻率、電壓變化

圖5 系統(tǒng)故障后，孤網(wǎng)含傳統(tǒng)機組、風電、光伏，系統(tǒng)頻率、電壓變化

因此，大規(guī)模的風電、光伏接入末端電網(wǎng)，要防止發(fā)生孤島情況，主要有以下幾點：孤網(wǎng)區(qū)域因缺乏同步大電網(wǎng)的支撐，其電壓和頻率的穩(wěn)定性差，易損壞電氣設(shè)備；孤網(wǎng)內(nèi)缺少儲能容量或配置不合理，容易使用戶負荷發(fā)生電壓閃變；孤島運行存在巨大隱患，用戶或線路維修人員未意識到孤網(wǎng)的存在將發(fā)生人身安全事故。

3.2.2 局部電網(wǎng)與系統(tǒng)弱聯(lián)系

在左A 線故障下，該縣電網(wǎng)僅通過嘉A 線1回220kV 線路相連?？紤]較嚴重情況，該縣風機均選取直驅(qū)機組，系統(tǒng)故障后，系統(tǒng)頻率、電壓均穩(wěn)定，如圖6所示；若該縣含傳統(tǒng)機組，暫態(tài)過程中系統(tǒng)頻率偏差降低，電壓恢復速度有提高，如圖7所示。因此新能源接入局部電網(wǎng)在一定程度上降低了電網(wǎng)頻率控制水平。

圖6 系統(tǒng)故障后，該縣與系統(tǒng)弱聯(lián)系，含風電、光伏

圖7 系統(tǒng)故障后，該縣與系統(tǒng)弱聯(lián)系，含風電、光伏、傳統(tǒng)機組

此外，末端電網(wǎng)經(jīng)長線路與主網(wǎng)相連，系統(tǒng)故障后，對比弱聯(lián)系的局部電網(wǎng)內(nèi)頻率變化水平。若嘉A 線、左A 線長度由20km 左右增加至60km，分析單回線路發(fā)生故障后的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。在僅含風電、光伏機組下，系統(tǒng)頻率波動比短線路情況大，系統(tǒng)頻率控制水平降低，經(jīng)過兩個周波后頻率逐漸穩(wěn)定，不存在暫穩(wěn)問題。

4 結(jié)語

對于末端電網(wǎng)，高比例新能源接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響主要有以下幾個方面：

對于無傳統(tǒng)機組，僅含風電、光伏的末端電網(wǎng)孤網(wǎng)運行可能存在穩(wěn)定問題。系統(tǒng)發(fā)生故障后，風電相對于傳統(tǒng)機組轉(zhuǎn)動慣量很小，光伏無轉(zhuǎn)動慣量，孤網(wǎng)狀態(tài)下，若無火電或水電等傳統(tǒng)機組，僅含風電、光伏的系統(tǒng)將可能出現(xiàn)頻率、電壓崩潰，造成系統(tǒng)失穩(wěn)。

對于有傳統(tǒng)機組，含風電、光伏的末端電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，系統(tǒng)故障后，切除一定比例的風電、光伏可提高局部電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。

對于僅有2回220kV 線路與主網(wǎng)相連的末端電網(wǎng)，在一定比例的新能源接入后，對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平影響不大。局部電網(wǎng)中若含有傳統(tǒng)機組可提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。此外，與主網(wǎng)相連線路長度與系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平有正向影響。

對于末端電網(wǎng)，通過加裝SVG 有助于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。