张良一，陈汝斯，蔡德福，孙冠群，万 黎，刘海光

（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

中国作为全球第一大电力消费国同时也是第一大碳排放国，电力在我国能源消费与碳排放中占据重要地位。截至2021年底，我国的发电装机总容量已达到23.8 亿kW，但其中火电装机容量占比为56.58%，可再生能源发电装机容量占比仅为41.13%［1］。从发电量看，火电发电量占比为70.29%，可再生能源发电量占比为29.5%，其中风光发电占比仅为9.7%，电力碳排放占全国碳排放总量的四成以上，构建以新能源为主体的新型电力系统对“碳达峰，碳中和”目标的实现将起到关键作用［2］。

麻城市多能互补百万千瓦新能源基地（以下简称“麻城新能源基地”）位于湖北省黄冈市麻城市，由中电（湖北）新能源有限公司负责基地新能源项目建设和运营。本基地规划容量为130万kW，以1回500 kV线路接入大别山电厂500 kV配电装置，采用光火打捆方式利用大别山电厂～道观河双回500 kV线路接入电网，在充分考虑了麻城当地太阳能资源、土地资源的前提下，按全容量光伏基地建设。结合业主项目建设计划，基地站址1（400万kW）计划于2022年6月30日前投产，站址2、站址3（共90万kW）计划于2023年12月31日前投产。

本文对麻城新能源基地接入后基地近区电网的安全稳定进行分析，采用机电-电磁混合仿真的方式，重点对500 kV 木泉+木孝N-2 故障进行分析，同时校验四种大别山机群不同开机组合的稳定特性。

1 机电-电磁混合仿真

电力系统数字仿真可按时间尺度分为电磁暂态（微秒级～毫秒级）、机电暂态（毫秒～秒级）及中长期动态（分钟级）3类［3］。

其中，电磁暂态仿真主要研究谐波、畸变等快速变化过程，通常用于过电压和绝缘配合等设备分析；机电暂态仿真主要研究机械、电磁转矩之间不平衡引起的转子惯性运动过程，用于系统稳定性分析；中长期动态仿真主要研究自动发电控制等受扰后的慢速过程，用于中长时间的系统动态特性分析。

在实际电网运行分析中，主要采用机电暂态仿真的方式进行仿真分析，近年来，电磁暂态仿真在电力系统仿真中的占比不断扩大。机电暂态仿真及电磁暂态仿真的优劣对比如表1所示［4］。

表1 机电暂态仿真及电磁暂态仿真的优劣对比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机电暂态仿真无法模拟HVDC、FACTS 等电力电子装置的快速瞬变过程以及饱和元件、非线性元件引起的波形畸变；另一方面，采用瞬时值计算的电磁暂态仿真规模一般不大，等值化简会引入仿真误差［5］。

随着电力系统规模的不断扩大和FACTS、HVDC设备在电网中的广泛应用，电力系统仿真规模和仿真精度之间的矛盾日益显现。

理论上，可以不断扩大电磁暂态仿真规模，最终达到大电网全网电磁暂态仿真，实现对交直流系统连锁反应最精确的仿真。然而，全系统电磁仿真技术目前难以实现，且必要性仍值得商榷［6］。

机电-电磁暂态混合仿真技术，结合机电暂态与电磁暂态仿真的优点，规模与机电暂态相当，直流、新能源等关注的电力电子设备采用电磁暂态模型精确仿真。因此，采用机电-电磁暂态混合仿真，并根据研究目的的需要，确定合理的交直流电网电磁暂态仿真规模，可以满足系统稳定分析的工程需求［7-12］。

2 新能源基地及电力系统概况

麻城新能源基地位于湖北省黄冈市麻城市，由中电（湖北）新能源有限公司负责基地新能源项目建设和运营。本基地规划容量为130万kW，在充分考虑了麻城当地太阳能资源、土地资源的前提下，按全容量光伏基地建设。结合业主项目建设计划，本基地站址1（40 万kW）计划于2022 年6 月30 日前投产，站址2、站址3（共90万kW）计划于2023年12月31日前投产。

麻城市百万新能源基地项目近区220 kV 及以上主要电源如表2所示。

表2 麻城新能源基地近区主要电源Table 2 Main Power Sources Near Macheng New Energy Base

近区500 kV主变主要有：道观河变1×100万kW；柏泉变3×120万kW；木兰变2×100万kW（4×100万kW）；大吉变2×1 000+75万kW。

麻城市多能互补百万千瓦新能源基地投运后，基地近区500 kV电网结构如图1所示。

图1 麻城市多能互补百万千瓦新能源基地近区500 kV电网结构图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统安全稳定计算分析

本文采用机电-电磁混合仿真的方式对麻城市多能互补百万千瓦新能源基地接入后的近区电网进行暂态稳定分析，其中，麻城市多能互补百万千瓦新能源基地的光伏机组采用电磁暂态模型进行仿真，电网的其他部分采用机电暂态模型进行仿真［13-16］。光伏电站整体电磁模型如图2所示。

图2 麻城新能源基地光伏电站电磁模型Fig.2 Electromagnetic model of photovoltaic power station in Macheng New Energy Base

基于2022年上半年国调下发的低谷方式，对正常方式下近区500 kV木泉+木孝N-2等故障进行计算分析。麻城新能源基地投产后，与大别山火电厂共用500 kV大别山-道观河双回外送通道。为突显近区的电力送出稳定问题，校核近区500 kV 木泉+木孝N-2故障时，在40 万kW 时对新能源机电与大别山电厂发电功率进行置换［17-18］，研究新能源基地投入运行后对近区电网特性的影响（满足陕武直流对鄂东机组开机和旋备的要求）。

陕武特高压直流投运后，500 kV 木泉+木孝N-2故障会导致大别山、阳逻等鄂东近区电厂功角失稳，鄂东近区场站电压失稳等问题，故障后需采取闭锁陕武直流的措施［19］，并且对鄂东地区机组最小开机及旋备提出了运行要求。麻城新能源基地40万kW光伏电站投产后，对500 kV木泉+木孝N-2故障进行计算分析。

依据华中电网的主网稳定规定［20］，当湖北省负荷在2 000万kW～2 500万kW之间，陕武直流送鄂负240万kW～300万kW之间，对应的湖北最小开机要求及旋备要求为：武汉江北东 220 kV 层面最小开机2 台、黄石黄冈最小开机2台、光钢鄂最小开机3台、鄂东其他片区最小开机3台；500 kV层面最小开机0台。此外，阳逻5号、6号机，大别山1号、2号、3号、4号机需留旋备30%。在计算过程中，将基础数据中大别山1 号、2号、3号、4号旋备按10%留取。

在此方式下，若发生木泉+木孝N-2 故障后，大别山近区机组曲线如图3～图5所示。

图3 500 kV木泉+木孝N-2故障后机组功角曲线Fig.3 Power Angle curve after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

图4 500 kV木泉+木孝N-2故障后母线电压曲线Fig.4 Bus voltage curve after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

图5 500 kV木泉+木孝N-2故障后麻城新能源光伏机组机端电压曲线Fig.5 Terminal voltage curve of Macheng new energy PV unit after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault

由上计算结果可见，500 kV 木泉+木孝N-2 故障会导致大别山、西塞山等鄂东近区电厂功角失稳，鄂东近区场站电压失稳，麻城新能源基地光伏电站脱网，与光伏电站投产前稳定情况一致。故障后采取闭锁陕武直流措施后［21-24］，近区稳定情况如图6～图8所示。

图6 采取闭锁陕武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2华中机组功角曲线Fig.6 Power angle curve of 500 kV Muquan + Muxiao N-2 Central China Unit after the measure of locking Shaan-Wu DC

图7 采取闭锁陕武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2华中母线电压曲线Fig.7 Central China bus voltage curve of 500 kV Muquan + Muxiao N-2 after the measure of locking Shaan-Wu DC

由图8 可见，500 kV 木泉+木孝 N-2 故障后采取闭锁陕武直流的稳控措施可使系统恢复稳定，现有稳控措施可适应麻城新能源基地投产后的情况。

图8 采取闭锁陕武直流措施后，500 kV木泉+木孝N-2麻城新能源光伏机组机端电压曲线Fig.8 Terminal voltage curve of Macheng new energy PV unit after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault and locking Shaan-Wu DC

针对 500 kV 木泉+木孝 N-2 故障采取闭锁陕武直流的稳控措施，在满足鄂东最小开机要求，大别山机组留取10%旋备，校验以下四种大别山机群不同开机组合的稳定特性。

a：大别山机组留10%旋备，新能源40万kW。

b：大别山机组留10%旋备，新能源关停。

c：大别山机组关一机其余留10%旋备，新能源40万kW。

d：大别山两台机组在10%旋备基础上各多留20万kW旋备，新能源40万kW。

四种开机方式对应的500 kV木泉+木孝N-2后闭锁陕武直流后近区电压曲线如图9所示。

图9 500 kV木泉+木孝N-2闭锁陕武直流四种开机方式木兰220 kV电压曲线对比图Fig.9 Comparison of voltage curves of four startup modes after 500 kV Muquan + Muxiao N-2 fault and locking Shaan-Wu DC

根据图9可知，四种开机组合的电压恢复曲线相差不大，相较而言稳定特性排序为：c＜d＜b＜a，即大别山机组留10%旋备，新能源40万kWh近区电压稳定特性相较最好，大别山机组关一机其余留10%旋备，新能源40万kWh近区电压稳定特性相对较差，特性大致如下：

1）麻城新能源基地光伏电站与大别山电厂500 kV机组置换对电压支撑效果基本一致。

2）在大别山电厂开机一致的情况下，麻城新能源基地开机较不开机对近区电网电压支撑效果好，原因是新能源基地在暂态过程中提供了一定的动态无功。

4 结语

本文基于麻城新能源基地光伏电站的电磁模型及电网其他部分的机电模型采用机电-电磁混合仿真对近区电网进行安全稳定计算分析，计算故障为500 kV木泉+木孝双回N-2故障（满足陕武直流鄂东地区最小开机要求），计算结果表明，500 kV 木泉+木孝N-2 故障仍可能导致阳逻、大别山电厂功角失稳，故障后现有闭锁陕武直流的稳定控制措施可适用。