含高渗透率风电的孤网频率动态特性研究

李媛媛，余秀月，丁 剑，陈 峰，宋云亭，于光耀



含高渗透率风电的孤网频率动态特性研究

李媛媛1，余秀月2，丁 剑1，陈 峰2，宋云亭1，于光耀3

(1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003；3.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300010)

大规模风电集中并网后，风电近区系统的频率动态稳定性将面临严峻挑战。以实际电网为例，以现有频率保护配置方案为基础，仿真模拟了风电近区电网孤网运行时风电机组、常规机组、核电机组高频保护装置的动作情况。分析了各类机组在暂态过程中的差异，深入研究了近区孤网的频率动态特性，并提出了适用于风核联合运行工况下的孤网高频保护优化配置方案。该研究成果对大规模风电集中并网近区各类机组频率保护定值的整定具有重要的参考价值。

风电集中并网；频率动态特性；孤网运行；频率保护；高频切机

0 引言

我国把风能资源的开发利用作为改善能源结构、推动环境保护、保持经济和社会可持续发展的重大举措[1-2]，2014年我国新增风电装机容量为2 319.6万kW，风电装机规模累计达1.146亿kW，居世界第一[3]。风电接入电网主要有2种方式：分散接入和集中接入[4-6]。分散接入主要用于风电开发规模小、以就地消纳为主的情况，接入电压等级低，对系统运行影响较小[7-9]。集中接入主要用于风电开发规模大、以异地消纳为主的情况，接入电压等级高，远距离输送，对系统运行影响较大[10-12]。

风电规划中常根据风电场分布特点，将大规模风电集中接入某地区电网，由于这些地区风电接入比例较高，同时存在功率外送，一旦地区电网与主网解列，高渗透率的风电机组及剩余功率都将给地区孤网的稳定运行带来极大压力。本文以福建莆田、福清地区电网为研究对象，以现有频率保护配置方案为基础，仿真模拟了地区电网孤网运行时风电机组、常规机组、核电机组高频保护装置的动作情况，分析了各类机组在暂态过程中的差异，深入研究了地区孤网的频率动态特性，并提出了适用于风核联合运行工况下的孤网高频保护配置方案，保障了孤网的安全稳定运行。

1 电力系统频率动态特性

频率是电能质量的一个重要指标，保证电力系统的频率合乎标准是系统运行调整的一项基本任务。频率动态特性[13]是指频率在扰动事故下随时间的动态变化过程，如图1所示。

图1系统频率动态特性

由图1可知，系统频率不能突变，而是按一定的指数规律变化。当系统的频率在45~51 Hz变化、且系统无备用容量时，其表达式为

因此，实际运行时在网架结构、发电机组分布、机组参数及负荷类型等因素共同作用下，系统的频率动态特性更加突出[14]。当电力系统受到大机组跳闸、联络线跳线或是大容量负荷投切等扰动时，由于系统有功功率平衡遭到破坏，引起系统频率发生变化继而发生频率动态过程。在动态过程中，频率或会重新恢复至期望值，或发生失稳，因此可根据频率动态过程判断频率的稳定性。

低频减载、高/低频切机作为保障电网安全稳定运行3道防线[15-16]中的最后一道防线，是防止电力系统发生频率崩溃的紧急控制措施。大规模风电集中并网后，风电的随机性和波动性将严重影响到近区电网孤网运行时的频率动态稳定性，风电近区系统原有的频率保护配置方案也将面临严峻挑战。

2 风电集中并网区域电网概况

本文以福建电网为仿真算例，福建省地处欧亚大陆的东南边缘，濒临东海和台湾海峡，沿海风能资源十分丰富。“十三五”期间，福建电网将有大规模的风电集中接入莆田、福清地区电网，2020年该区域风电总装机3 282 MW。典型方式下该区域电网潮流图如图2所示，总负荷为5 922 MW，网内常规机组出力为3 300 MW，核电机组出力4 600 MW，风电最大出力为2 778 MW，风电出力在该地区电源总出力中所占比例为22%。典型方式下，该区域电网存在大量功率剩余，外送功率约为4 700 MW。

图2 2020年风电集中并网近区电网潮流图

仿真中以该地区电网与福建主网500 kV、220 kV连接线无故障断开(图中虚线断面)为例进行分析，此时莆田和福清地区220 kV电网与主网解列，该区域中风电接入比例较高，但由于地区电网网架结构联系紧密，且孤网内具备常规电源机组，具备较强的事故支撑能力，因此解列后，上述区域孤网面临的主要问题是过剩功率造成的高频问题。下面将深入研究上述区域电网孤网运行时的频率动态特性和频率保护配置方案。

3 孤网频率动态特性仿真分析

3.1 频率保护配置现状

上述区域电网中低频减载方案、核电及常规机组频率保护配置如表1、表2所示。

表1 低频减载配置(Hz/s/p.u.)

表2 机组频率保护配置(Hz/s)

通过调研福建电网已投产风电场的机组频率保护配置方案，发现其中较为常用的为以下3种频率保护定值，如表3所示。

表3 福建电网现有风机频率保护配置方案统计(Hz/s)

仿真中，将分别按照以上3种配置方案对风电机组频率保护定值进行模拟，分析其对孤网频率动态特性的影响。

3.2 孤网频率动态特性仿真分析

(1) 方案1、2

风机频率保护定值按照方案1、2配置时，仿真过程中机组高频保护装置动作情况如表4所示。

表4 孤网机组高频保护动作情况

孤网后由于地区电网有功过剩，造成孤网频率快速升高，首先达到福清核电机组高频保护定值，切除全部核电机组后，孤网频率恢复至50.1 Hz左右。该过程中孤网频率动态响应特性如图3所示。 由上述仿真分析可见，在故障过程中核电机组高频保护动作，但风电机组高频保护由于孤网频率未达到其整定值而未动作。虽然故障后孤网频率能够恢复至稳定范围内，但考虑到风电机组的控制特性较差，且其出力伴随着随机性和波动性，因此从故障后保障孤网稳定运行的角度来看，应将风电机组作为孤网高频切机的优先参与机组，尽量使常规机组保持在电网中，以利于孤网的稳定运行。

图3 孤网频率动态响应特性(方案1、2)

(2) 方案3

风机频率保护定值按照方案3配置时，仿真过程中机组高频保护装置动作情况如表5所示。

表5 孤网机组高频保护动作情况

孤网后频率快速升高，首先达到风电机组高频保护动作定值，切除全部风电机组2 790 MW，由于切机规模较小，孤网频率继续上升，达到福清核电机组高频保护动作定值，切除福清核电厂全部机组4 600 MW，此时由于切机规模过大，造成孤网出现大量有功缺额，孤网频率快速下降，触发低频减载装置动作，并相继触发江阴电厂、江热电厂低频保护动作定值，切除其全部机组1 650 MW，孤网失稳，无法维持稳定运行。该过程中孤网频率动态响应特性如图4所示。

由上述仿真分析可知，孤网后由于福清核电高频保护动作，导致全部机组同时切除，虽然地区电网整体结构保持完整，但由于福清核电机组容量大，同时全部退出运行后对系统频率稳定冲击较大，因此风电并网近区孤网后，大容量的福清核电机组应尽量保持在电网中。

(3) 高频保护优化配置方案

参考国际原子能机构核电高频运行范围，核电机组接入电网，当其机端电压在0.95~1.05 p.u.，机端频率为51~52 Hz时，可持续运行时间为5 s。则可知福清核电机组现有高频保护定值设置较为严苛，存在一定的优化空间，本文提出的福清核电机组高频保护动作定值初步优化方案如表6所示。

图4 孤网频率动态响应特性(方案3)

表6 福清核电机组高频保护定值优化方案

在风机高频保护定值采取方案3的基础上，按照福清核电机组高频保护定值优化方案，仿真过程中机组高频保护装置动作情况如表7所示。

表7 孤网机组高频保护动作情况

孤网后首先达到风电机组高频保护动作定值，切除全部风电机组2 790 MW，由于切机规模较小，孤网频率继续上升，达到福清核电1#、2#机组的高频保护动作定值，切除1#、2#机组2 300 MW，此时，由于切机规模过大，形成过切，孤网频率下降至49 Hz以下，并触发低频减载装置动作，动作2轮切除655 MW负荷后，孤网恢复稳定运行，最终恢复频率为50.5 Hz左右。该过程中孤网频率动态响应特性如图5所示。

图5 孤网频率动态响应特性(优化方案)

4 结论和建议

本文针对大规模风电集中并网后，风电近区电网的孤网运行工况，研究了网内风电机组、核电机组及常规机组对孤网频率动态特性的影响。计算结果表明：

(1) 风电集中并网后，当故障导致并网近区电网与主网解列时，该区域电网因功率过剩将面临严重的高频问题，为保障该区域孤网的稳定运行，需合理整定孤网内风电机组、核电机组、常规机组的高频保护动作定值。

(2) 由于风电机组的控制特性较差，且其出力过程伴随着随机性和波动性，因此从故障后保障孤网稳定运行的角度来看，应将风电机组作为孤网高频切机的优先参与机组，尽量使常规机组保持在电网中，以利于孤网的稳定运行。

(3) 风电集中并网后可能使孤网内大容量机组原有的高频保护配置面临严峻挑战，此种情况在孤网内风电、核电联合运行工况下，影响愈加恶劣。由于核电机组保护定值设置较为严苛，且核电机组容量大，同时全部退出运行后对孤网频率稳定冲击较大，某些情况下可能进一步扩大故障后果，因此应在合适范围内调整大容量核电机组的高频保护定值，使其尽量保持在电网中，以利于孤网的频率稳定。在本文所研究的算例和核电高频保护配置优化方案下，孤网能够保持稳定运行。

(4) 鉴于本文的研究是在部分常规机组调速参数为典型参数的条件下开展的，下一步将在收集核电机组实际高、低频耐受范围资料，并补充完整机组实际调速系统参数后，开展核电、风电频率保护整定值的相关优化分析。

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(编辑 葛艳娜)

Study on frequency dynamic characteristics of isolated network with high penetration of wind power

LI Yuanyuan1, YU Xiuyue2, DING Jian1, CHEN Feng2, SONG Yunting1, YU Guangyao3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350003, China; 3. State Grid Fujian Electric Power Company Electric Power Research Institute, Tianjin 300010, China)

After the centralized integration of large-scale wind farms, the frequency dynamic stability of the network nearby will face serious challenges. Based on the existing frequency protection scheme, high-frequency protection equipment action sequence of wind turbines, conventional units and nuclear power plants is simulated for the network near wind farms in isolated operation in actual power grid. The differences between various types of units in the transient process are analyzed, frequency dynamic characteristics of the isolated regional network are studied, and the optimal allocation of high-frequency protection of the isolated network is proposed which is suitable for operating conditions combined with wind and nuclear power. The result is beneficial for protective set value adjustment after the centralized integration of large-scale wind farms.

centralized integration of wind farms; frequency dynamic characteristics; isolated operation; frequency protection; high frequency generator tripping

10.7667/PSPC152171

2015-12-25；

2016-02-25

李媛媛(1983-)，女，硕士，工程师，研究方向为电力系统稳定与控制、电源接入；E-mail: liyuanyuan2010 @epri.sgcc.com.cn

余秀月(1978-)，女，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统调度与运行、电压稳定与控制。