任冲(1984), 男, 硕士, 教授级高级工程师, 从事电力系统安全稳定与控制相关工作(E-mail:
柯贤波(1979), 男, 硕士, 教授级高级工程师, 从事电力系统安全稳定与控制相关工作
王吉利(1981), 男, 博士, 教授级高级工程师, 从事电力系统安全稳定与控制相关工作
大规模新能源接入弱交流电网时易发生暂态过电压、锁相同步稳定等问题,为新能源充分利用带来挑战。对此,文中探究了新能源接入系统稳定水平的影响因素,将新能源短路比作为系统电压强度的量化评估依据,推导出短路比对新能源发电功率的灵敏度,综合考虑系统平均短路比和最低点短路比灵敏度,构建新能源短路比综合灵敏度指标,提出一种基于等综合灵敏度准则的新能源发电功率优化分配方法。利用该方法对新能源发电功率进行优化控制,在确保系统安全稳定的基础上充分利用可再生能源,最后以西北某新能源集中送出系统为算例进行分析,验证了该方法的可行性和有效性。
Large scale new energy access to weak alternating current (AC) power grid is prone to transient overvoltage, phase-locked synchronous stability and other problems, which bring problems for the full use of new energy. In this paper, the influencing factors of the stability level of the new energy access system are explored. The short-circuit ratio index of new energy is used as the quantitative evaluation basis of the system voltage intensity, and the sensitivity of the short-circuit ratio of new energy generation power is derived. The comprehensive sensitivity index of the short-circuit ratio of new energy is constructed by comprehensively considering the sensitivity of the average short-circuit ratio and the lowest short-circuit ratio of the system, and an optimal power allocation control scheme for new energy generation based on equal comprehensive sensitivity criterion is proposed. Based on this method, the optimal control of new energy power generation is carried out, and the full utilization of renewable energy is realized on the basis of ensuring the security and stability of the system. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed method are verified by taking a new energy centralized transmission system in Northwest China as an example.
受资源分布限制,风光资源大多远离负荷和常规电源地区,大规模新能源并入交流电网末端。在上述电网末端,电网强度与新能源接入量相比较弱,且新能源机组通过电力电子设备并入电网,无法对电网提供电压、频率支撑,新能源发电功率大幅增加后,设备与设备之间、设备与电网之间耦合明显,容易因电网强度下降产生暂态过电压[
针对上述问题,国内外学者针对新能源发电功率对电网稳定性、高比例新能源接入系统方案优化等方面开展了大量研究。稳定性方面主要针对新能源对系统静态稳定、暂态稳定水平影响开展分析,文献[
综上,目前多数研究仅分析新能源接入对电网单项特性的影响,针对新能源对电网综合稳定性影响的分析不够充分。系统短路容量对平抑电压波动、提升抗扰动能力具有重要意义[
为此,文中提出一种基于等灵敏度准则的新能源发电功率优化分配方法,构建了短路比(short circuit ratio,SCR)综合灵敏度指标,该指标既考虑了新能源场站增加功率后对系统平均稳定水平的影响,又考虑了对系统中稳定水平最低的新能源场站的影响。基于该指标利用等灵敏度准则对新能源发电功率进行优化控制,能够在确保安全稳定的基础上充分利用可再生能源,最后以西北某新能源集中送出系统为算例进行分析,验证了该方法的可行性和有效性。
在新能源装机规模与交流系统强度不匹配、新能源接入弱交流系统的条件下,新能源无功电压支撑能力较弱,相对短路容量和抗故障扰动能力低,新能源和交流系统相互作用导致系统存在暂态过电压、锁相同步等多种稳定问题[
大规模风电直流送出系统示意
Schematic diagram of large-scale wind power DC sending system
直驱风电机组进入低穿期间无功出力
Reactive power output during low voltage through of direct-drive wind turbines
新能源机组需要通过锁相环技术对系统电压进行跟踪[
系统中某节点的短路容量为该点三相短路电流与额定电压乘积,反映了系统电压强度。短路容量与电气设备(包括电力电子设备)容量的比值即为SCR,SCR能直观简单地反映电气设备接入系统的稳定性水平[
以青海海南高比例新能源接入基地为例,该地区新能源接入量大,近区无常规电源支撑,短路容量较低,新能源暂态压升问题严重。在增开常规电源增加系统短路容量后,新能源场站暂态过电压水平有效降低,如
系统短路容量与暂态过电压关系
Relationship between short circuit capacity of the system and transient overvoltage
SCR分析作为一种静态分析方法,以其简单性、直观性,为电气设备容量选取以及电网规划运行提供了重要的参考依据。文献[
式中:
系统SCR与暂态过电压关系
Relationship between SCR of the system and transient overvoltage
低SCR下的宽频振荡
Broadband oscillation under low SCR
由于低SCR情况下的新能源稳定问题,相关标准对高比例新能源接入系统强度水平进行了规定,2019版《电力系统安全稳定导则》及澳大利亚相关标准都对SCR提出相应要求。通过对实际新能源在各类工况和扰动下的大量仿真分析得知,当MRSCR大于1.5时,新能源暂态过电压及锁相同步满足要求,因此MRSCR可作为新能源接入系统强度评估依据[
对于大规模新能源集中接入系统,新能源机组不同并网点和不同并网容量都将影响系统MRSCR。当系统中出现SCR不满足要求的新能源场站时,会导致暂态过电压水平过高,新能源无序连锁脱网等问题,因此须保证系统内所有MRSCR都满足要求。
以2个新能源场站为例,新能源场站的稳定水平特性分别为
最优化分配条件下,需要满足式(4)、式(5)要求:
由式(5)可知,在各新能源场站的发电功率对SCR灵敏度均相等时,为各新能源机组发电功率最优分配状态,将该最优性条件称为基于SCR最优分配原则。此外,若某新能源机组发电功率达到上限,即达到装机容量或理论最大可发功率值,则将该新能源机组并网容量设定为上限值,其他新能源机组仍应满足最优SCR分配原则。综上,地区新能源发电功率上限仅取决于该地区电网结构,在该地区电网强度不能满足所有新能源机组同时满发时,利用该方法可以找出满足电网稳定水平要求的最优分配方案。
同理,在包括多新能源场站的高比例新能源集中系统中,为保证系统内所有MRSCR均满足要求,首先需要计算各新能源机组发电功率对不同新能源场站SCR的灵敏度,如式(6)所示。
为在确保安全稳定的基础上充分利用新能源,提出利用新能源SCR综合灵敏度指标,表征电网稳定水平与新能源发电功率之间的量化关系。该指
标计算如式(7)所示。
其中:
式中:
由式(6)可以看出,在电网结构及常规机组开机容量相对固定的情况下,SCR对各新能源机组发电功率的灵敏度恒为负值。即该区域任意新能源机组发电功率的增加都会降低系统稳定水平,所以新能源场站功率分配问题可转化为系统最低SCR指标下优化问题,如式(9)所示。
式中:
由式(9)可知,基于等SCR灵敏度原则的新能源发电功率极限可由迭代方法求出,即各新能源机组发电功率初始值设定为一个较小值,通过逐步增加新能源机组功率至新能源机组达到最大出力值,同时也达到功率最优分配状态。首先增加综合灵敏度绝对值最小的新能源机组发电功率,因为该新能源机组在增加相同容量时对系统稳定性影响程度最小。随着迭代次数增加,该机组功率增大,SCR综合灵敏度将逐步增大,上一迭代过程中综合灵敏度次小的机组将变为当前迭代过程中SCR综合灵敏度
最小机组,再增加当前迭代过程中综合灵敏度最低的新能源场站出力,直至SCR降至最低限制。通过逐次迭代能得出满足该地区SCR要求的新能源极限发电功率, 同时按此方法得出的新能源场站功率分配方案能够满足SCR最高和新能源场站出力最大,即新能源场站最优功率分配。
基于各新能源场站发电功率的SCR灵敏度特性,由式(9)的等SCR灵敏度准则得到高比例新能源接入系统最优发电功率优化计算方法,流程见
基于等SCR灵敏度的发电功率最优分配
Optimal generation power allocation method based on equal SCR sensitivity
步骤1:输入新能源机组并网系统参数,如交流电网拓扑结构及相应阻抗数值和新能源场站初始功率;
步骤2:根据式(1)计算系统SCR,并校核各场站SCR是否满足最小SCR要求;
步骤3:根据式(7)计算SCR对各新能源机组并网容量的综合灵敏度,比较各综合灵敏度数值,记录综合灵敏度绝对值最小的新能源场站
步骤4:判断新能源场站
步骤5:第
步骤6:根据式(1)计算系统SCR,记录最小SCR与系统要求数值之差Δ
步骤7:将Δ
步骤8:输出新能源场站发电功率分配方案及相应的新能源场站发电极限。
为验证基于等SCR灵敏度的新能源场站发电功率最优分配方法的可行性及有效性,以新疆准东地区实际电网为算例,分别对文中方法和等容量分配法进行对比仿真验证。新疆准东电网网架结构如
新疆准东地区实际电网地理图
Geographical map of actual power grid in Zhundong, Xinjiang
新能源场站功率分配方案对比
Comparison of power distribution schemes for new energy stations
区域 | 汇集站 | 装机容量 | 按装机容量比例分配 | 按等SCR灵敏度方法分配 | 按等综合灵敏度方法以最低SCR为目标分配 |
JJH | BTSX | 600 | 350 | 380 | 480 |
LJM | 600 | 350 | 380 | 480 | |
BTS | 500 | 290 | 350 | 460 | |
PL | 500 | 290 | 320 | 460 | |
ML | LJMN | 500 | 290 | 250 | 320 |
LJMD | 500 | 290 | 240 | 270 | |
LJMX | 600 | 350 | 320 | 340 | |
LJM | 500 | 290 | 270 | 250 | |
DST | 500 | 290 | 270 | 280 | |
DSTN | 400 | 230 | 220 | 200 | |
合计 | 5 200 | 3 000 | 3 000 | 3 540 |
暂态过电压对比
Transient overvoltage comparison
由于宽频带稳定等问题机理、普适规律尚不明确,在单机系统降低系统短路容量可能出现宽频振荡问题,但在实际电网方式中,受限于新能源装机规模、电网结构、最小开机方式等实际情况,在SCR较低时可能不会出现宽频振荡问题。在对新疆准东地区算例进行计算分析时,不同SCR下新能源并网方案有功功率波动对比如
不同新能源并网方案有功波动对比
Comparison of active power fluctuations of different new energy grid-connected schemes
SCR迭代
SCR iteration
文中提出一种基于接入系统强度量化评估的新能源优化功率分配方法及极限送出能力分析方法。首先,引入SCR作为电网稳定水平与新能源场站的量化关系评估指标;其次,推导出各新能源场站的综合灵敏度,揭示新能源机组功率变化对系统稳定水平的影响;然后,提出基于等SCR灵敏度的发电功率优化分配方法;最后,通过实际电网系统验证了该方法的可行性和相较于按装机容量分配方法的优越性。文中为高比例新能源接入系统发电优化调度提供了全新思路,有助于更加全面地评估系统发电极限,优化分配方案。
考虑新能源场站发电公平性,下一步将增加考虑不同新能源场站限电率差异性的约束指标,即在确定最优分配方案的同时考虑不同新能源场站的限电率差异应不大于一固定值,以避免出现三公调度问题,但针对SCR差异较大的新能源场站应允许其在限电率方面保留一定差异,以提高其加装小型调相机提升电网强度的积极性。
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