新能源多場站短路比影響因素分析

張漢花，李宏強，周雷，馬鑫，顧雨嘉

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011）

0 引言

近年來，以風電、光伏為代表的新能源發(fā)電設備大規(guī)模并網(wǎng)，現(xiàn)有新能源發(fā)電設備普遍采用經(jīng)電流源型逆變器并網(wǎng)，并采用鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓的控制模式，需要交流電網(wǎng)提供電壓支撐[1-2]。隨著新能源占比的不斷提升，局部地區(qū)出現(xiàn)了新能源接入弱交流電網(wǎng)的場景，容易引發(fā)新能源發(fā)電設備鎖相同步失穩(wěn)、振蕩失穩(wěn)及過電壓等風險[3]。短路比（short circuit ratio,SCR）是衡量系統(tǒng)電壓支撐強度的重要指標[4-6]，根據(jù)文獻[7]中的要求，新能源發(fā)電單元升壓變低壓側(cè)的多場站短路比不應低于1.5，且新能源并網(wǎng)點的多場站短路比不應低于2.0、宜高于3.0。臨界短路比為系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)對應的短路比[8]，通過評估系統(tǒng)當前短路比與系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)下的短路比指標，可有效衡量系統(tǒng)的運行狀態(tài)及電壓支撐強度[9]，對指導新能源并網(wǎng)及運行具有重要意義。

適用于單饋入系統(tǒng)的傳統(tǒng)短路比指標由于沒有考慮各新能源并網(wǎng)支路之間的相互影響，準確性較低[10-11]。針對多饋入新能源并網(wǎng)系統(tǒng)，文獻[12]通過比較新能源并網(wǎng)產(chǎn)生的電壓擾動相對于額定電壓的大小，定義了新能源多場站短路比（multiple renewable energy station short circuit ratio,MRSCR），MRSCR 充分考慮了各新能源饋入支路的相互影響，準確性顯著提升[13]。與多饋入直流系統(tǒng)短路比相比，MRSCR計算中的新能源場站通常覆蓋范圍廣，落點多，接入電壓等級較低，造成各場站并網(wǎng)點母線節(jié)點間阻抗角及電壓相位角存在較大差異[12]。

本文首先給出上述MRSCR 的計算公式，基于不同假設條件，推導出MRSCR 的不同變形表達式；其次，基于MRSCR 計算公式，理論推導出影響MRSCR 大小的因素，包括新能源場站發(fā)電功率、節(jié)點運行電壓以及加裝分布式調(diào)相機等，作為同步電機的一種，調(diào)相機可以有效提升系統(tǒng)短路容量，增強電網(wǎng)電壓支撐強度，提高電網(wǎng)發(fā)生擾動時的電壓支撐能力[14]；最后，依托電力系統(tǒng)分析綜合程序（power system analysis synthesis program,PSASP）計算寧夏麻黃山第四風電場的MRSCR，并仿真驗證新能源場站發(fā)電功率、節(jié)點運行電壓以及加裝分布式調(diào)相機等因素對MRSCR的影響效果。

1 新能源多場站短路比定義及表達式

含n個新能源場站同時接入的高比例新能源接入系統(tǒng)可利用多端口戴維南等值方法表示為圖1所示的簡化等值模型。圖1中S˙REi，PREi，QREi和分別為新能源發(fā)電設備/場站i的視在功率、有功功率、無功功率和新能源發(fā)電設備在并網(wǎng)母線產(chǎn)生的電壓。為折算的并網(wǎng)點i、j間等值阻抗，為主網(wǎng)等值電源i與對應并網(wǎng)點間的系統(tǒng)折算等值阻抗。

圖1 高比例新能源接入系統(tǒng)簡化模型

短路比用于衡量新能源設備接入系統(tǒng)后系統(tǒng)標稱電壓與設備產(chǎn)生電壓之間的相對大小[9]。文獻[12]結(jié)合上述物理意義并通過適當?shù)墓酵茖?，給出了系統(tǒng)中第i個新能源并網(wǎng)母線處的MRSCR的計算表達式：

式中：為新能源并網(wǎng)母線處的交流電網(wǎng)等值阻抗矩陣Zeq的第i行、j列元素；為第i個并網(wǎng)母線節(jié)點標稱電壓；為第i個并網(wǎng)母線節(jié)點的實際運行電壓˙為第i個新能源并網(wǎng)母線注入交流系統(tǒng)的電流；SREi為第i個新能源并網(wǎng)母線節(jié)點注入的新能源實際視在功率；為新能源并網(wǎng)母線i和j之間的復數(shù)功率折算因子，可以反映各新能源發(fā)電設備電網(wǎng)側(cè)接入點/新能源場站并網(wǎng)點之間相位及幅值的差異。

文獻[12]詳細分析了阻抗比X/R與MRSCR之間的關系，并確定了不同條件下的MRSCR 表達式。當X/R≥10時，MRSCRi可表示為

式中：Saci表示第i個新能源并網(wǎng)母線的實際短路容量，Saci=|UNiUi/Zeqii|；∏ij= ZeqijUi/ZeqiiUj為新能源并網(wǎng)母線i和j之間的功率折算因子。

若進一步假設|Ui|=|Uj|=1，則式（2）可表示為

式中：λij=|Zeqij/Zeqii|，是新能源并網(wǎng)母線i和j之間的功率折算因子。

由于新能源場站通常接入較低電壓等級電網(wǎng)，當新能源場站覆蓋范圍較大時，各場站節(jié)點系統(tǒng)等值阻抗=R+ jX的阻抗比X/R通常無法滿足大于10的條件，因此計算時需要采用復數(shù)形式，即式（1）。本文為分析影響新能源多場站短路比的因素，簡化分析的復雜度，假設各節(jié)點系統(tǒng)等值阻抗的阻抗比均滿足X/R≥10 的條件，并采用式（2）計算。

2 新能源多場站短路比影響因素分析

新能源多場站短路比作為一種靜態(tài)分析方法，主要反映了新能源多場站接入系統(tǒng)的電壓強度及電網(wǎng)對新能源場站并網(wǎng)點母線無功電壓支撐能力的大小。由式（2）可以看出，MRSCR 主要與各場站節(jié)點系統(tǒng)運行電壓、等值阻抗以及新能源場站發(fā)電功率有關。

2.1 新能源場站發(fā)電功率影響情況分析

根據(jù)式（2）可以初步判斷，第i個新能源并網(wǎng)母線處的MRSCRi與該母線所接新能源場站的有功功率PREi成反比，即隨著新能源場站的發(fā)電功率逐步增大，MRSCR 逐步減小。進一步將式（2）對PREi求偏導可得

由式（4）可知，該式恒小于0，表明新能源場站的發(fā)電功率越大，MRSCR 越小，由于新能源場站的發(fā)電功率有限，PREi存在上限，即額定有功功率PNREi，因此當新能源場站發(fā)電功率達到額定值時，MRSCR 達到最小值。同時可以看出，?MRSCRi/?PREi與PREi成正比關系，即隨著新能源場站的發(fā)電功率逐步增大，式（4）也將逐步增大，表明隨著新能源場站的發(fā)電功率增大，降低新能源場站的發(fā)電功率對MRSCR的抬升作用將逐步減弱。

2.2 節(jié)點運行電壓影響情況分析

式（2）表明，當忽略系統(tǒng)各節(jié)點之間電壓相角的差異時，各節(jié)點MRSCR 與系統(tǒng)各節(jié)點的實際運行電壓密切相關。對式（2）分子分母同時除以Ui可得

式（5）表明MRSCR 與系統(tǒng)各節(jié)點電壓成正比關系，當系統(tǒng)運行電壓抬升時，各節(jié)點的MRSCR 將增大。因此，當系統(tǒng)中節(jié)點i投入無功補償電容器時，系統(tǒng)各節(jié)點運行電壓抬升，其中節(jié)點i運行電壓Ui抬升最為明顯，MRSCRi增長最多；反之，當系統(tǒng)中節(jié)點i投入電抗器時，系統(tǒng)各節(jié)點運行電壓下降，其中節(jié)點i運行電壓下降最多，因而MRSCRi降低最多。

2.3 調(diào)相機影響情況分析

對于任一短路點K，系統(tǒng)均可簡化為如圖2所示的等值電路（忽略電阻影響），US為系統(tǒng)等值電源，XT表示網(wǎng)絡轉(zhuǎn)移阻抗等效正序電抗，XL為調(diào)相機接入點與短路點之間的等效正序電抗。調(diào)相機接入電網(wǎng)，可簡化為含電壓源的電感支路并聯(lián)接入電網(wǎng)，XC為調(diào)相機正序電抗。

圖2 短路電流計算正序等效電路

調(diào)相機的接入一方面會影響短路點的短路電流，另一方面也會改變系統(tǒng)的等值阻抗。首先分析調(diào)相機接入后對短路電流的影響，調(diào)相機接入前短路點K的短路電流Iac為

調(diào)相機接入后，短路點K的短路電流Iac′為

由于XL＞XL//XC，因此Iac′＞Iac，調(diào)相機的接入會增加短路點的短路電流，繼而增加短路容量。

由于調(diào)相機接入后會對系統(tǒng)節(jié)點電壓提供一定的支撐，為分析調(diào)相機接入對系統(tǒng)等值阻抗的影響，將忽略調(diào)相機對系統(tǒng)電壓的影響，并假設|Ui|= |Uj|= 1，即MRSCR 采用式（3）計算。調(diào)相機接入前，電網(wǎng)可等效為含n個節(jié)點的阻抗網(wǎng)絡，調(diào)相機接入后，可認為在節(jié)點p追加了對地并聯(lián)的支路z0，如圖3所示。

圖3 調(diào)相機接入后系統(tǒng)節(jié)點等效

節(jié)點p接入調(diào)相機后，系統(tǒng)阻抗矩陣等值阻抗矩陣Zeq將變?yōu)閆′eq[15]。

式中：Zp= [Zeq1p…Zeqpp…Zeqnp]為Zeq的第p行向量；ZpT為Zp的轉(zhuǎn)置。

將矩陣展開后，則矩陣Z′eq的任意元素可表示為

式中：i=1,2,…n,j=1,2,…,n。

由式（8）可以看出，當電網(wǎng)中加入并聯(lián)調(diào)相機支路后，系統(tǒng)節(jié)點阻抗矩陣所有元素都會減小，其中Zeqpp減小最多。

對式（3）分子分母同時乘以Zeqii，并假設各場站間的電壓相角相近且電網(wǎng)中各節(jié)點電壓接近于額定值，擴展整理可得

將式（9）帶入式（10），可得在系統(tǒng)p點接入調(diào)相機后對于系統(tǒng)中任意新能源節(jié)點i，其MRSCR變?yōu)?/p>

由式（10）和式（11）可知，調(diào)相機接入后的MRSCR'i恒小于調(diào)相機接入前的MRSCRi。綜合調(diào)相機對短路容量及系統(tǒng)等值阻抗的影響，調(diào)相機接入可顯著提升系統(tǒng)各節(jié)點的MRSCR。

3 仿真驗證

文獻[1]給出了機端MRSCR 的臨界閾值為1.5，該值是經(jīng)過實測得到的經(jīng)驗數(shù)值，具有較強的約束性。新能源場站機端短路比不低于1.5 才能確保系統(tǒng)不發(fā)生振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象。目前寧夏電網(wǎng)新能源裝機容量已達27.57 GW，其中風電場127座，光伏電站187座。隨著新能源裝機規(guī)模及并網(wǎng)場站數(shù)量的快速增長，新能源機端短路比低于1.5 的現(xiàn)象逐步增多，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成了新的挑戰(zhàn)。以寧夏麻黃山第四風電場為例，利用PSASP 程序，分析調(diào)整新能源場站發(fā)電功率，投退無功補償裝置及加裝調(diào)相機對新能源多場站機端短路比的影響情況。

3.1 系統(tǒng)描述

麻黃山第四風電場位于寧夏鹽池縣，該場風電總裝機容量247 MW，風電機組機端電壓為690 V，經(jīng)過0.69/35 kV、35/110 kV兩級升壓至110 kV，后通過一回并網(wǎng)線路接入330 kV 麻黃山匯集站，麻黃山場內(nèi)接線如圖4所示。

圖4 麻黃山第四風電場接線

圖5為麻黃山第四風電場近區(qū)交流網(wǎng)架接線，該場處于寧東地區(qū)集中式新能源基地，近區(qū)新能源裝機容量超過6 GW。

圖5 麻黃山第四風電場近區(qū)交流網(wǎng)架

近區(qū)電網(wǎng)通過一回±660 kV直流、一回±800 kV特高壓直流向受端電網(wǎng)輸電。由于常規(guī)機組距離新能源基地較遠，呈現(xiàn)高度電力電子化的特性。在新能源大發(fā)工況下（同時率70%），麻黃山第四風電場新能源機端短路比最低為1.056，具體見表1。

表1 新能源大發(fā)方式麻黃山第四風電場機端短路比

3.2 新能源發(fā)電功率影響驗證

由表1可知，節(jié)點G1、G2 參數(shù)相同，MRSCR一致；節(jié)點G3有功功率較小，MRSCR 較大。本小節(jié)將以節(jié)點G1 為例，分析新能源發(fā)電功率對MRSCR的影響。

麻黃山第四風電場G1額定有功功率98.5 MW，考慮寧夏實際風況，風電機組最大發(fā)電同時率不超過80%，則實際最大發(fā)電功率78.8 MW，最小發(fā)電功率為0 MW。調(diào)整節(jié)點G1 的有功功率，計算節(jié)點G1 的MRSCR 及機端短路容量，結(jié)果如圖6所示。隨著風電機組有功功率的增長，MRSCR迅速減小，由1.666 下降至0.996,且隨著有功功率的增長，MRSCR變化速度趨緩，與2.1節(jié)理論分析結(jié)果一致。

圖6 節(jié)點G1MRSCR隨發(fā)電功率變化曲線

由式（4）可知，風電機組有功功率除了作為分母直接影響MRSCR 大小外，還通過影響節(jié)點實際運行電壓Ui及短路容量而間接影響MRSCR值。圖6顯示，隨著有功功率的增大，節(jié)點電壓下降，機端短路容量逐步降低，且有功功率越大，短路容量降低越快。

3.3 節(jié)點運行電壓影響驗證

圖4中麻黃山第四風電場通過單回110 kV線路接入330 kV 麻黃山匯集站2 號主變壓器中壓側(cè)，其中2 號主變壓器低壓側(cè)共配置3 臺12 Mvar無功補償電容器，分別為C1、C2、C3。通過投切3組電容器，可以改變風電場實際運行電壓，繼而影響MRSCR，計算結(jié)果如表2所示。

3.4 加裝調(diào)相機影響驗證

根據(jù)安裝形式調(diào)相機可分為兩類：集中式調(diào)相機指集中布置在特高壓直流換流站的大容量調(diào)相機，一般配置于換流站交流母線；分布式調(diào)相機則指在新能源匯集的場站分散配置的小型調(diào)相機，通常配置在新能源匯集站或者場站并網(wǎng)點低壓側(cè)。調(diào)相機安裝位置如圖7所示。其中調(diào)相機1 安裝于新能源35 kV 匯集母線上，調(diào)相機2安裝于匯集站主變低壓側(cè)，兩臺調(diào)相機容量均為50 Mvar。調(diào)相機對MRSCR的影響具體見表3。

圖7 麻黃山第四風電場分布式調(diào)相機安裝位置

表3 新能源大發(fā)方式安裝調(diào)相機對短路比的影響

由表3可以看出，分布式調(diào)相機投運后，可以顯著提升各節(jié)點的MRSCR。一方面，加裝調(diào)相機后，節(jié)點短路容量提升，如調(diào)相機1 投運后，節(jié)點G1 的短路容量由201 MVA 增大至257.6 MVA，節(jié)點G2 由201 MVA 增大至217.9 MVA，節(jié)點G3 由168 MVA 增大至180.5 MVA；另一方面，調(diào)相機的投運改變了系統(tǒng)節(jié)點阻抗矩陣，從而影響MRSCR。

此外，可以看出在不同位置處安裝調(diào)相機時，各節(jié)點的MRSCR 提升效果不同，其中加裝調(diào)相機1 對麻黃山第四風電場各機組MRSCR 影響效果更為顯著，且距離調(diào)相機安裝位置越近，提升效果更為顯著。由于調(diào)相機1直接安裝于節(jié)點G1 的35 kV 匯集母線，節(jié)點G1 的MRSCR 抬升0.528，節(jié)點G2、G3 距離調(diào)相機1 位置略遠，MRSCR 抬升分別為0.241 和0.298。調(diào)相機2 距各節(jié)點的距離較遠，且位置接近，因而抬升效果較小，在0.151～0.18之間。

文獻[16]研究表明，在MRSCR 越小的點接入調(diào)相機，對所有新能源節(jié)點的短路比增加量就越大，在MRSCR 最低的節(jié)點接入調(diào)相機對電網(wǎng)電壓支撐強度提升效果最好。實際運行中，需要結(jié)合網(wǎng)架參數(shù)具體分析調(diào)相機安裝位置，從而通過配置最少的調(diào)相機獲得最大的電網(wǎng)電壓支撐強度的提升。

4 結(jié)論

1）隨著新能源場站有功功率的增長，MRSCR迅速減小，且隨著有功功率的增長，MRSCR 變化速度趨緩。實際運行中若通過限制新能源場站出力來提升MRSCR，可能需要大幅度降低新能源場站有功功率。

2）通過投切無功補償器盡管可以改變節(jié)點運行電壓值，但其對MRSCR的影響幾乎可以忽略。

3）加裝分布式調(diào)相機對提升系統(tǒng)各節(jié)點MRSCR具有良好的效果，但分布式調(diào)相機的安裝位置對提升效果影響顯著，在MRSCR最低的節(jié)點接入調(diào)相機對電網(wǎng)電壓支撐強度提升效果最好。