大规模风电接入对内蒙古电网动态稳定特性影响分析

郭 琪，温雪娇

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特 010020；3.呼和浩特供电公司，呼和浩特 010020）

0 引言

近年来，随着大区电网的不断互联，省级电网之间动态不稳定现象逐渐显露出来。内蒙古电网通过汗海—沽源、丰泉—万全两条500 kV通道向外送电，与华北电网属于弱区域互联。内蒙古电网500 kV系统的主要问题是动态稳定问题，动态稳定特性决定了500 kV电网主要断面的控制极限，也严重限制了内蒙古电网西电东送能力[1-3]。长南线联网方式下，内蒙古电网与华北电网的振荡模式为“蒙西—山东”振荡，山西两横特高压系统外送潮流较重时，该振荡模式为“蒙西—山东+山西”振荡[4-6]。另外，大规模风电的接入，也会给电网动态稳定特性带来影响[7-8]。

本文通过小干扰和大扰动稳定分析方法，结合双馈风机的特性分析大规模风电并网对内蒙古电网动态稳定特性的影响，并提出提高内蒙古电网动态稳定特性的方法。

1 双馈风机模型

双馈风机结构如图1所示。双馈风机转子侧通过换流器与电网相连，定子侧通过变压器与外部电网相连。本文主要对双馈发电机和换流器进行建模。以单一惯性来描述风机各惯性部件的总和，并忽略磁饱和效应和定子电阻。

图1 双馈风机结构图Fig.1 Configuration of doubly⁃fed wind generator

对以上模型进行推导计算，可得到单台风机建模公式，将风电场简化为众多风机的并联，等值风电场模型由一台大风机等效得出[9]。

2 内蒙古电网动态稳定特性分析

小干扰稳定特性分析采用中国电力科学研究院有限公司开发的PSD-SSAP程序。根据DL/T 1234—2013《电力系统安全稳定计算技术规范》中小扰动动态稳定性运行标准，系统阻尼比应满足：在正常运行方式下，区域振荡模式以及与大电厂、大机组强相关的振荡模式的阻尼比达到0.03以上；故障后的特殊运行方式下，阻尼比需达到0.01～0.02。

大扰动动态稳定值采用中国电力科学研究院有限公司开发的PSD-BPA程序中的Prony分析功能进行判断，动态稳定判稳条件为故障后阻尼不低于0.015。本文基于中国电力科学研究院有限公司下发的2—3年滚动校核数据，分析不同因素对内蒙古电网动态稳定特性的影响。

内蒙古电网通过汗海—沽源、丰泉—万全两条500 kV通道向外送电，外送断面4900MW，呼丰断面8100MW，呼包断面5100MW。内蒙古电网与华北地区电网连接示意图见图2。内蒙古电网风电机组主要集中在北部，火电机组主要集中在南部。以2023年预测丰平大数据为基础进行计算，其中风电总装机容量19470MW，火电总装机容量52880MW，负荷取35500MW。外部边界条件为：特高压长南线北送功率2000MW，山西两横特高压工程落地，送出功率150000MW，山东电网为送电模式。

图2 内蒙古电网与华北地区连接示意图Fig.2 Schematic diagram of connection between Inner Mongolia power grid and North China area

采用小干扰稳定分析方法对不同风电出力下内蒙古电网动态稳定特性进行分析，结果如表1所示。由表1可知，内蒙古风电零出力时，阻尼比为0.052，为强阻尼振荡模式；随着风电的不断接入，阻尼比不断提升，动态稳定水平呈提高趋势。

表1 内蒙古风电出力对其动态稳定性的影响（小干扰稳定分析法）Tab.1 Influence of Inner Mongolia wind power on its dynamic stability(small disturbance stability analysis)

风电机组惯性在机组小出力时有利于系统的稳定。风电开机越多，每台机组出力越小，对系统动态稳定水平的提高越有利。以方式1和方式4为例，内蒙古电网对山东电网振荡模态图分别如图3、图4所示。对比可知，随着内蒙古风电出力增加，系统阻尼比增加，稳定特性增强。

图3 方式1下内蒙古电网对山东电网振荡模态图Fig.3 Oscillation modal diagram of Inner Mongolia power grid to Shandong power grid under mode 1

图4 方式4下内蒙古电网对山东电网振荡模态图Fig.4 Oscillation modal diagram of Inner Mongolia power grid to Shandong power grid under mode 4

采用大扰动稳定分析方法对不同风电出力情况下内蒙古电网动态稳定特性进行分析，结果如表2所示。大规模风电接入后，内蒙古电网潮流北轻南重现象缓解，南北潮流分布均匀，电网动态稳定性呈现提升趋势，且内蒙古风电出力越大，动态稳定特性越好。以方式1和方式4为例，在大扰动方式下，内蒙古电网丰泉—万全、汗海—沽源送出线路有功功率变化曲线分别如图5、图6所示。由图5和图6可以看出，大规模风电接入内蒙古电网，外送通道功率更快趋于稳定，有助于提升系统阻尼比，动态稳定特性增强。一方面风电机组可以替代阻尼比较低、易发生振荡的传统火电机组，同时北部风电机组的大规模接入，改善了内蒙古电网外送通道潮流，使丰泉—万全、汗海—沽源两条外送通道输送潮流的差值减小；另一方面双馈风机提供正阻尼，使系统整体阻尼比得到提升，动态稳定性变好。

表2 内蒙古风电出力对其动态稳定性的影响（大扰动稳定分析法）Tab.2 Influence of Inner Mongolia wind power manner on its dynamic stability(big disturbance stability analysis)

图5 方式1下内蒙古电网外送线路有功功率变化曲线Fig.5 Active power changing curve of external transmission lines in Inner Mongolia power grid under Mode 1

图6 方式4下内蒙古电网外送线路有功功率变化曲线Fig.6 Active power changing curve of external transmission lines in Inner Mongolia power grid under Mode 4

3 动态稳定特性改善措施

3.1 加装电子系统稳定器

机组加装电子系统稳定器（Power System Sta⁃bilizer，PSS）或优化已有PSS参数，以满足事故后运行方式的需求，尤其是在振荡模式强相关的机组上增设PSS，对于增强阻尼、提高系统动态稳定性效果更为显著。

3.2 加装静止无功补偿器

静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）可提供无功支持和电压控制，加入附加阻尼控制后，SVC可有效提高系统电气阻尼。在丰泉—万全、汗海—沽源线路节点搭建SVC及附加阻尼控制器，可在一定程度上提高系统动态稳定水平。

3.3 建设异步联网工程

将丰泉—万全、汗海—沽源两条外送通道改为背靠背直流输电，在汗海500 kV变电站、丰泉500 kV变电站侧建设同时包含整流和逆变设备的背靠背换流站，实现内蒙古电网与华北电网的异步互联。通过异步联网工程可以有效解决内蒙古电网与山东电网的振荡问题。

4 结束语

本文采用小干扰和大扰动稳定分析方法对不同比例风电接入下内蒙古电网的动态稳定特性进行分析，结果表明，内蒙古风电零出力时，内蒙古电网动态稳定性最差；随着风电出力水平的提高，内蒙古电网动态稳定水平逐渐提升。大规模风电机组接入，可有效提升电网动态稳定水平。

加装PSS或SVC虽是便捷而经济的措施，但加强、改善电网结构才是解决内蒙古电网动态稳定问题的根本办法，在外送断面采用背靠背直流输电方式，可以有效解决内蒙古电网的动态稳定问题。