0 引言

近年来，新能源电力发展速度越来越快，新能源电力接入电网后，面临的一个极为严重的问题是如何保证电力的可靠输出。特别是新能源电力以分层分布的形式送入中低压网络后，在满足地区自身负荷供电后仍有大量盈余电力需要升压送出时，送出网络面临极大的送电压力。一旦地区送出网络上有元件（如线路、变压器）发生故障，剩余网络将极有可能不满足N-1准则。因此，在现有网络及设备情况下，如何通过技术手段在N-1故障情况下保证新能源电力的可靠送出，成为一个亟待解决的问题。本文以内蒙古神舟光伏电力有限公司呼和浩特市和林县60 MW设施农业光伏发电项目（以下简称神舟和林光伏项目）为研究对象，对该项目接入系统第一落点网络进行了N-1校验分析，以分析该网络存在的过载问题；并提出采用在相关变电站及光伏电站装设安全自动装置的方案，以解决光伏电站接入系统后引起的N-1过载问题。

按照电网稳定导则有关定义，N-1准则是指在正常运行方式下电力系统中任意一元件（如线路、发电机、变压器等）无故障或因故障断开后，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内^[1]。

N-1准则一般用于电力系统稳定分析计算中，校验单一元件在无故障断开条件下电力系统的静态安全性，或单一元件在故障断开后的电力系统稳定性，从而分析电网供电的可靠性。

为了提高电网供电可靠性，解决电网N-1问题，一般采取的措施可分为2类：加强网络建设，提高电网供电能力；运用调度手段，降低网络输送功率，避免出现N-1问题。

神舟和林60 MW光伏项目通过双回35 kV线路接入和顺110 kV变电站。光伏电站接入系统方案示意图见图 1所示。

图 1

图 1 神州和林光伏电站接入系统示意图

该光伏电站内建设1座35 kV开关站，以2 MW的光伏板为1个发电单元，每个发电单元经逆变、升压后以35 kV电压等级接入开关站，共建设28台35 kV 箱式变压器，以6 回35 kV 集电线路接入开关站。35 kV采用2个独立的单母线接线。光伏电站电气接线形式见图 2所示。

图 2

图 2 神州和林光伏电站电气接线形式图

2.2 和顺变电站概况

110 kV和顺变电站现有2×40 MVA主变压器，电压等级为110 kV/35 kV/10 kV，容量比为100/100/100。变电站110 kV、35 kV侧均为单母线分段接线形式，110 kV侧出线2回，分别至台基营变电站、昭君变电站；35 kV侧出线2回，均接至丰华生物质电厂（18 MW）；10 kV侧为地区负荷，目前最大负荷约为30 MW。

在神舟和林光伏项目接入和顺变电站之前，丰华生物质电厂18 MW机组已通过2回35 kV线路接至和顺变电站，该网络接线方式完全满足地区电力的输送要求。当神舟和林光伏项目建成后，和顺变电站35 kV侧装机容量将大幅度增加，远大于和顺变电站1台主变压器的容量。而和顺变电站2台主变压器35 kV侧正常运行方式为并列运行，因此，当和顺变电站1台主变压器发生故障时，由于和顺变电站35 kV侧盈余电力较多，剩余1台主变压器极有可能发生过载。

本文采用PSD电力系统软件工具（PSD PowerTools）潮流程序（V4.2.2版）^[2]对神舟和林光伏项目接入系统后的送出网络进行了详细的电气计算。计算中根据光伏电站实际装机情况，其最大出力按56 MW考虑，丰华生物质电厂出力按18 MW考虑。同时，根据光伏电站运行特性，受太阳能辐照度影响，光伏出力会在0~100%范围内变化^{[3, 4, 5]}。对光伏电站出力为装机容量的100%、70%、50%的3种典型方式进行了计算，具体计算结果见表 1。

表 1

表 1 光伏电站不同出力方式分析表 注：1）光伏电站不同出力方式按理想的线性化进行处理，即每个光伏单元出力相同；2）和顺变电站不过载的判别条件为输送功率S< 39.5 MVA；3） 切除光伏电站容量，通过切除其35 kV汇集线路实现。

表 1 光伏电站不同出力方式分析表

通过对光伏电站不同出力方式下的计算分析可知，当和顺变电站2台主变压器正常并列运行时，无论光伏电站在什么出力方式下，主变压器均能满足地区35 kV侧电源装机的送出要求。当2台主变压器发生N-1故障时，正常运行的1台主变压器将出现过载情况，且随着光伏电站出力的增加，过载率随之增大。

为了分析在不采取措施的方式下，确定和顺变电站主变压器发生N-1故障时不过载的情况，对光伏电站临界出力方式进行了计算分析，结果见表 2。在该方式下，光伏电站正常运行最大出力为21.2 MW，约为装机容量的39.3%。

表 2

表 2 光伏电站临界出力方式分析表

表 2 光伏电站临界出力方式分析表

从表 2可以看出，若要保证和顺变电站主变压器在N-1情况下不发生过载，须在正常运行方式下对光伏电站出力进行控制，这样会导致多数光伏阵列不能发电，造成较大的电力损失。而且，由于光伏电站出力具有不稳定性，正常运行时对其出力进行限制，需要根据电网运行工况对光伏电站出力控制进行实时调整，从而增加了控制的复杂性和难度。

考虑若在和顺变电站主变压器发生N-1故障后，及时切除多余的电力，也能够保证和顺变电站剩余的1台主变压器不发生过载。本文对光伏电站各出力方式下，通过切除光伏电站35 kV侧部分汇集线路（切除一定容量）的方式进行了计算。通过计算结果可知，在光伏电站不同出力方式下，根据35 kV侧各汇集线路输送容量，结合和顺变电站剩余正常运行主变压器的过载容量，通过合理优化切除光伏电站35 kV侧汇集线路的输送容量，切除合适的汇集线路，使切除容量略大于和顺变电站主变压器过载容量，可解决和顺变电站主变压器N-1故障过载的热稳定问题，同时采用该方案也可降低电网运行的复杂程度。

根据上述计算分析的结论，神舟和林光伏项目接入系统后，对接入落点的变电站造成送电压力，当该变电站2台主变压器发生N-1故障时，正常运行的1台主变压器会存在过载的热稳定问题。若采用故障情况下切除过载容量的方式，则需安装安全自动装置。

安全自动装置作为保证电网安全运行的一道重要防线，主要用于系统发生较严重故障时，通过切机、切负荷、系统解列等措施，防止事故进一步扩大，确保故障不会波及整个系统而导致系统崩溃，保证重要用户用电^{[6, 7]}。

根据目前内蒙古电网相关技术规定^[7]，考虑光伏电站接入系统第一落点后，引起系统第一落点的输变电设施不满足N-1要求时，可考虑采用安全自动装置解决。因此，为解决本文分析的电网N-1问题，考虑装设安全自动装置，并提出具体的配置方案。

在和顺变电站、神舟和林光伏电站各配置1套安全自动装置，组成1套完整的稳定控制系统，其中，和顺变电站设为控制主站，光伏电站设为控制子站，主站和子站之间通过通信通道实现信息传递。

当和顺变电站主变压器发生N-1故障时，和顺变电站侧安全自动装置检测到另1台主变压器发生过载，则向光伏电站侧装置下达切机命令，通过光伏电站侧安全自动装置跳开35 kV光伏发电单元的汇集线路开关，从而切除光伏电站相应的容量。

正常运行时，和顺变电站主站采集本地主变压器中压侧三相电压、电流信息，从而确定2台主变压器各自的升压功率。同时该主站接收光伏电站传送的该站各35 kV汇集线路功率信息。将上述功率信息进行分析处理，形成对应的功率坐标，再根据故障选取切除出力的策略。

当和顺变电站主变压器发生N-1故障时，和顺变电站主站安全自动装置检测到另1台主变压器输送功率大于门槛值时，根据光伏电站各35 kV汇集线路功率信息，通过计算确定最优切除容量，向光伏电站子站下达切除出力的命令。

正常运行时，光伏电站子站采集各35 kV汇集线路三相电压、电流信息，计算各35 kV汇集线路输送的功率，并将功率信息上传至和顺变电站主站。当和顺变电站主变压器发生N-1故障时，接受和顺变电站主站发来的切除出力的命令，根据和顺变电站主站指令，跳开相应的35 kV汇集线路开关。

本文针对神舟和林光伏电站接入系统后，在其电力送出网络中，对第一落点和顺变电站进行了主变压器N-1故障的计算分析，指出送出网络中存在不满足N-1准则的问题。结合相关电网规程规定，提出了在新能源电力接入电网后送出网络发生N-1故障时利用安全自动装置解决过载问题的具体方案。该方案的研究为新能源电力接入内蒙古电网后，N-1故障电力送出问题的解决提供了一种新思路。