考虑风电场影响的地区孤网运行分析

刘娟，郭瑞珠，陈雯，赵爽，郭强，王凌谊，陈宇

（1. 云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心，云南 昆明 650011；2.临沧供电局，云南 临沧 677000）

0 前言

在能源日益紧张的今天，分布式发电技术的优势逐渐显露出来，随着分布式发电的容量和规模的扩大将会对电网稳定性造成影响。云南具有较丰富的风力资源，2015年底并网风电装机容量达614.275万kW，占全网电源装机的9.33%。随着风电场在云南电网渗透率越来越高，且风力发电机组的运行特性与常规发电机组有着明显的差异，在电网发生故障时其暂态特性与传统同步电机有很大不同，大量风电接入改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，使得风电接入后电网暂态稳定性发生变化[1-4]。本文选取云南具有风电的地区作为研究对象，考虑孤网情况下电网的暂态稳定性问题。

1 云南风电简介

1.1 云南风电概况

截至2022年底，云南省全口径发电装机11145万千瓦。其中水电装机8112万千瓦，风电装机912万千瓦，光伏发电装机585万千瓦，煤电装机1240万千瓦，自备电厂295万千瓦。水电、新能源、火电、自备电厂分别占总装机容量的73%、3.4%、11%、2.6%，云南成为全国重要的西电东送基地和绿色能源基地。

1.2 风电并网对系统稳定性影响

风电并网引起的稳定问题主要是电压稳定问题。风力发电出力随风速大小等因素而变化，同时由于风能资源分布的限制，尤其在网架结构比较薄弱地区，所以在风电并网运行时必然会影响电网的电压质量和电网的电压稳定性。

1.3 风电并网对电网频率影响

风电对电网频率影响主要是因为风电机组的频繁投停及因风速变化引起的功率波动引起。普通异步风力发电机组对系统频率的变化具有一定的支持作用，有利于平抑系统频率的短时波动。电网频率变化对扰动风能在叶片上作用的时间越长，风速变化的越剧烈，系统频率的波动幅度越大，波动时间就长风速波形的峰值越高，频率波动的最大值就越大。

风电场对系统频率的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例。当风电场容量在系统中所占比例较大时，其输出功率的随机波动性对电网频率的影响显著，影响电网的电能质量和一些对频率敏感负荷的正常工作，这就要求电网中其他常规机组有较高的频率响应能力，能进行跟踪调节，抑制频率的波动。考虑到风电场出力的间歇性，当风电场由于停风或大失速而失去出力后，会使电网频率降低，特别是当风电比重较大时，会影响到系统的频率稳定性。

2 风电孤网暂态稳定性分析

根据云南电网网架结构、风电分布特点和规模、确定具有代表性的风电孤网区：

1）如图1所示的孤网区域一，风电装机占比36.5%，500 kV主变退出运行，同时区域一与220 kV变电站联络线路将因备自投退出运行，此时区域一电网孤网。

图1 区域一连接示意图

2）如图2所示的孤网区域二，风电装机占比18.6%，区域二与220 kV变电站供电线路发生N-2故障，此时区域二孤网。

图2 区域二连接示意图

表1 孤网区概况

2.1 风电场不同出力时电网暂态稳定性

孤网区域一内风电装机占比36.5%，丰小方式下，根据文献[4]，风电平均出力按10%计算，孤网内各电气量变化情况如图3所示，不考虑二道和三道防线动作。

图3 孤网区域一仿真结果（风电出力10%，不考虑保护动作）

从图3来看，区域一孤网后，主网能够保持稳定运行。但需要注意的是孤网系统频率大幅降低，至44 Hz左右，网内新能源项目较多，若新能源在频率下降过程中脱网，会进一步恶化系统频率问题。

考虑风电场按年平均出力约40%计算，主网和孤网内各电气量变化情况如图4所示，不考虑二道和三道防线动作。

图4 孤网区域一仿真计算结果（风电出力40%，不考虑保护动作）

从图4来看区域一孤网，主网依然能够保持稳定运行。孤网运行系统频率降低至45 Hz左右。对比图3以及图4发现，在主变退出运行，同时220 kV联络线路备自投退出运行的极端情况下，主网都能保持稳定运行，但孤网有功不足，频率大幅降低，风电出力10%时，频率降至44左右，在风电出力40%时，频率降至45 Hz左右，孤网区内存在有功缺额时，大规模接入的风电对频率有支撑作用。频率大幅降低后，考虑低频减载动作，孤网内各电气量如图5所示。

图5 孤网区域一仿真计算结果图（风电出力10%，考虑低频减载动作）

根据仿真计算结果，低频减载启动后，区域一孤网频率逐步恢复，在4 s内频率偏差恢复至±0.5 Hz。

2.2 不同规模风电孤网暂态稳定性

孤网区域二内电源总装机是孤网区域一的47.7%，风电装机占比是孤网一的50%，主网和孤网内各电气量变化情况如图6所示。

图6 孤网区域二仿真计算结果图（风电出力10%，不考虑保护动作）

从图6来看，主网能够保持稳定运行。孤网内频率波动在50～52.3 Hz之间，考虑风机的高频保护，风机有可能脱网。对比孤网区域一与孤网区域二在风电场出力10%的情况下，区域一有功缺额145 MW，区域二有功过剩，55 MW，孤网区域一形成后频率降低，孤网区域二频率升高。

按照风电场接入系统的要求，每次频率高于50.2 Hz时，要求风电场具有至少运行5 min的能力，并执行电力系统调度部门下达的降低出力或高周切机策略，不允许停机状态的风电机组并网，据此，进一步校验孤网区域二会不会脱网，考虑风机保护50.2 Hz切机情况下孤网区内的暂态稳定性，孤网内各电气量变化情况如图7所示。考虑风电高频切机保护动作情况下，频率波动在50～51.7 Hz之间，孤网频率稳定在50.5 Hz。

3 结束语

从孤网区域一及孤网区域二计算结果来看，孤网区域一形成后孤网内频率降低，孤网区域二频率升高，表明风电大规模接入地区孤网情况下，电网的稳定性与风电场的出力、占比、电网容量都有一定关系，在有功不足的情况下，风电场的接入对频率稳定起到一定的支撑作用，孤网后如果频率大幅降低，为了保证电网的安全稳定运行需要采取低频减载措施；在孤网内有功过剩的情况下，频率过高，需要采取一定的切机措施。