計(jì)及新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的需求側(cè)精細(xì)化建模研究

房 俏，李 山，劉文學(xué)，蔣 哲，李常剛

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力需求也大幅增長(zhǎng)。近年來(lái)，電力負(fù)荷不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)事故也時(shí)有發(fā)生［1-4］，諸如美國(guó)加州東北部電網(wǎng)大面積停電事故、美國(guó)西部1996 年7 月2 日大停電、倫敦南部地區(qū)大停電等。電力系統(tǒng)失穩(wěn)導(dǎo)致的停電往往帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，因此，研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義［5］。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指在給定的初始運(yùn)行方式下，系統(tǒng)受到物理擾動(dòng)后仍能夠重新獲得運(yùn)行平衡點(diǎn)，且在該平衡點(diǎn)大部分系統(tǒng)狀態(tài)量都未越限，從而保證系統(tǒng)完整性的能力［6］。電力系統(tǒng)兩大國(guó)際組織國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（Conseil International des Grands Réseaux Electriques，CIGRE）和國(guó)際電氣與電子工程師學(xué)會(huì)電力工程分會(huì)（Institute of Electrical and Electronic Engineers，Power Engineering Society，IEEE PES）綜合考慮電力系統(tǒng)失穩(wěn)的物理特性、擾動(dòng)程度以及時(shí)間尺度等方面，將電力系統(tǒng)分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定三類(lèi)［7］。在系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)導(dǎo)致失穩(wěn)后，通常表現(xiàn)為電壓失穩(wěn)和功角失穩(wěn)兩種形態(tài)［8］，功角穩(wěn)定主要指大電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)遭受擾動(dòng)后，保持相互間同步運(yùn)行的能力；電壓穩(wěn)定則是指系統(tǒng)在初始運(yùn)行點(diǎn)處，經(jīng)歷擾動(dòng)后，維持可接受的穩(wěn)態(tài)電壓能力。

電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析可以歸結(jié)為微分-代數(shù)方程組的求解問(wèn)題。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析十分困難，常見(jiàn)有兩種方法，暫態(tài)能量函數(shù)法和數(shù)值仿真法［9］。

暫態(tài)能量函數(shù)法也稱(chēng)為直接法，由李雅普諾夫的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性理論發(fā)展而來(lái)。直接法通過(guò)構(gòu)造能量函數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)擾動(dòng)方程式計(jì)算得出該函數(shù)的時(shí)變性，以此確定非線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性質(zhì)［10］。但是，由于大電網(wǎng)的李雅普諾夫函數(shù)建立困難，難以確定相關(guān)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)（第一類(lèi)平衡點(diǎn)），因此無(wú)法用于分析實(shí)際大系統(tǒng)。

數(shù)值仿真法的基本思想是求解電力系統(tǒng)的微分-代數(shù)方程組，通常采用潮流的解作為初值，用數(shù)值積分方法求出描述擾動(dòng)后微分方程組的時(shí)間解［11］。數(shù)值仿真法可以適應(yīng)不同詳細(xì)程度的元件數(shù)學(xué)模型，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。數(shù)值仿真法雖然無(wú)法給出系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)在各個(gè)方向上的裕度，但是由于其分析大電網(wǎng)的優(yōu)越性以及在技術(shù)應(yīng)用方面相對(duì)成熟，在系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)家電力調(diào)度通信中心的大電網(wǎng)仿真分析多基于中國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)數(shù)值仿真程序“電力系統(tǒng)分析綜合程序”（Power System Analysis Software Package，PSASP）［12］，交流同步電網(wǎng)數(shù)據(jù)的元件庫(kù)均錄入中國(guó)電力科學(xué)研究院提供的國(guó)家電網(wǎng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)平臺(tái)［13］。

元件模型的精細(xì)化程度決定了數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性，通常大電網(wǎng)暫態(tài)仿真使用發(fā)電機(jī)六階模型、直流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型、線(xiàn)路集中參數(shù)模型等能夠較為準(zhǔn)確描述電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，滿(mǎn)足仿真要求［14-16］。但是，由于仿真資源有限，因此大電網(wǎng)建模對(duì)于需求側(cè)的處理較為簡(jiǎn)略，多采用等值的綜合負(fù)荷，即負(fù)荷加感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型代替配電網(wǎng)［17-18］。同時(shí)，電力系統(tǒng)呈電力電子化趨勢(shì)。在輸電系統(tǒng)中，柔性交流和柔性直流輸電技術(shù)逐步應(yīng)用，特高壓直流輸電快速發(fā)展。并且，隨著新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，異步電源均需要電力電子接口裝置，使輸出的交流電與電力系統(tǒng)保持同步。傳統(tǒng)用單機(jī)倍乘機(jī)組等值新能源場(chǎng)站，并用一套典型參數(shù)作為新能源控制參數(shù)的建模方法也無(wú)法精確描述新能源的動(dòng)態(tài)特性，從而降低了數(shù)值仿真的正確性與可靠性。

針對(duì)電網(wǎng)模型簡(jiǎn)化對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)值仿真帶來(lái)的影響，提出了一種區(qū)別傳統(tǒng)等值模型的大電網(wǎng)精細(xì)化建模方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)湔归_(kāi)建模，考慮主網(wǎng)架與輻射狀配網(wǎng)，并將新能源場(chǎng)站建模至機(jī)端。承接前期新能源建模與控制參數(shù)實(shí)測(cè)工作，在新能源建模中為不同新能源場(chǎng)站配套新能源實(shí)測(cè)控制參數(shù)［19］，有利于新能源在仿真分析中的動(dòng)態(tài)特性更加貼合實(shí)際。以某交直流混聯(lián)同步電網(wǎng)數(shù)據(jù)作為實(shí)例，某受端電網(wǎng)采用傳統(tǒng)等值模型與集中式新能源全電壓等級(jí)模型兩種方式進(jìn)行建模，并對(duì)不同模型下暫態(tài)電壓穩(wěn)定性及主要影響因素進(jìn)行對(duì)比分析。

1 基于等值模型的大電網(wǎng)仿真建模

電力系統(tǒng)由各種不同元件組成，在仿真計(jì)算中，通過(guò)仿真軟件計(jì)算大電網(wǎng)的潮流，小干擾穩(wěn)定，或者分析大電網(wǎng)的暫態(tài)特性等，首先要研究各元件的特性，建立其動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，即元件的相互關(guān)系，建立全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法進(jìn)行求解。

目前，PSASP 元件庫(kù)中包括常見(jiàn)電力系統(tǒng)元件如：發(fā)電機(jī)、變壓器、負(fù)荷、交流線(xiàn)、直流、新能源等系統(tǒng)常見(jiàn)元件模型及其控制器，基本滿(mǎn)足仿真計(jì)算及分析需求。但是，考慮到節(jié)省計(jì)算資源以及縮短計(jì)算時(shí)間，實(shí)際工作中，用于大電網(wǎng)穩(wěn)定分析的數(shù)據(jù)建模止于220 kV 變電站，220 kV 以下電壓等級(jí)的變電站及其末端所接入的負(fù)荷與新能源場(chǎng)站，均以等值負(fù)荷與等值新能源機(jī)組直接接入220 kV變電站的高壓側(cè)及中壓側(cè)母線(xiàn)。

某220 kV 變電站負(fù)荷及新能源等值模型如圖1所示。220 kV 變電站下接變電站及線(xiàn)路全部被省略，所供負(fù)荷總和以等值負(fù)荷代替，接入220 kV 變電站中壓測(cè)。等值負(fù)荷考慮靜態(tài)負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)兩部分，這種負(fù)荷模型能夠計(jì)及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的暫態(tài)過(guò)程，但是忽略了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子回路的暫態(tài)過(guò)程。新能源模型省略升壓變及箱變，僅用功率單機(jī)倍乘機(jī)組等值后接入變電站高壓側(cè)或中壓側(cè)，風(fēng)機(jī)僅采用雙饋風(fēng)機(jī)模型（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）。雙饋風(fēng)機(jī)與光伏電源分別套用參數(shù)為中國(guó)電科院提供的一套典型參數(shù)，此套參數(shù)在故障后低穿期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，較為保守。

圖1 基于等值模型的變電站建模

2 基于拓?fù)淠Ｐ偷拇箅娋W(wǎng)仿真建模

隨著數(shù)值積分算法的不斷優(yōu)化以及計(jì)算資源的逐漸充裕，大電網(wǎng)仿真計(jì)算對(duì)元件精細(xì)化建模的要求逐漸提高。借助中國(guó)電力科學(xué)研究院提供的數(shù)據(jù)平臺(tái)，可將110 kV及以下電壓等級(jí)變電站，直至10 kV 用戶(hù)站的元件穩(wěn)態(tài)參數(shù)及暫態(tài)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錄入其中，達(dá)到電網(wǎng)精細(xì)化建模的目的。

同時(shí)，新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)不僅帶來(lái)了隨機(jī)性和不確定性，也改變了大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性。使用新能源典型參數(shù)的暫態(tài)仿真顯然無(wú)法為離線(xiàn)分析提供更加可靠的電網(wǎng)特性分析依據(jù)。因此，依據(jù)新能源實(shí)測(cè)參數(shù)建模，不同場(chǎng)站不同動(dòng)態(tài)特性的新能源變流器控制參數(shù)也同時(shí)被錄入至國(guó)家電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)平臺(tái)中，形成了更為精細(xì)化的拓?fù)淠Ｐ图有履茉磳?shí)測(cè)參數(shù)的仿真模型。圖1 所示變電站及所接入的低電壓等級(jí)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 基于拓?fù)淠Ｐ偷淖冸娬炯敖尤霃S站建模

此種建模更為精細(xì)化，不再忽略220 kV 以下電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及線(xiàn)路參數(shù)，負(fù)荷接入實(shí)際低電壓等級(jí)用戶(hù)站。新能源場(chǎng)站建模中，考慮升壓變及箱變，將新能源模型建至機(jī)端，且配合此新能源場(chǎng)站逆變器機(jī)組相應(yīng)型號(hào)實(shí)測(cè)參數(shù)。

3 仿真算例

3.1 算例參數(shù)

采用某交流同步電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖3 所示，某受端電網(wǎng)通過(guò)十回交流線(xiàn)路由同步電網(wǎng)1 受電、通過(guò)三回直流線(xiàn)路分別由同步電網(wǎng)2、同步電網(wǎng)3受電。

采用傳統(tǒng)的等值模型+新能源典型參數(shù)、拓?fù)淠Ｐ?新能源典型參數(shù)以及拓?fù)淠Ｐ?新能源實(shí)測(cè)參數(shù)3 種模型，電網(wǎng)交直流受電斷面如圖3 所示?；赑SASP7.61軟件版本，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

圖3 某受端電網(wǎng)交直流受電斷面

3.2 電壓穩(wěn)定性

1 000 kV 變電站A 站至B 站雙回線(xiàn)路發(fā)生三永N-2故障，故障導(dǎo)致受端電壓崩潰，臨界運(yùn)行方式下，受端電網(wǎng)采用3種模型的交直流受電能力如表1所示。

表1 不同建模方式受電能力對(duì)比

分析表1 數(shù)據(jù)，對(duì)比3 種建模方法。相同負(fù)荷水平及新能源出力情況下，拓?fù)淠Ｐ?新能源實(shí)測(cè)參數(shù)建模的外受電+新能源占全網(wǎng)負(fù)荷的比例最高，表明此種建模方法下受電能力最高，電壓穩(wěn)定性最好。拓?fù)淠Ｐ?新能源典型參數(shù)建模此項(xiàng)比例最低，表明此種建模方法下受電能力最低，電壓穩(wěn)定性最差。

4 算例分析

不同建模方式下受電能力主要與兩個(gè)影響因素相關(guān)，分別為新能源參數(shù)差異以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)差異。

4.1 新能源控制參數(shù)差異

對(duì)比拓?fù)淠Ｐ?新能源實(shí)測(cè)參數(shù)及拓?fù)淠Ｐ?新能源典型參數(shù)兩種建模方式，新能源低壓穿越期間控制參數(shù)，影響新能源機(jī)組動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而影響故障后電網(wǎng)的有功缺額。

新能源低壓穿越期間采用指定電流控制，低壓穿越期間雙饋風(fēng)機(jī)指定電流控制如式（1）所示，雙饋風(fēng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 某雙饋風(fēng)機(jī)有功控制參數(shù)對(duì)比

式中：IpLVRT為機(jī)組低壓穿越運(yùn)行時(shí)的有功電流分量；K1_Ip_LV和K2_Ip_LV為有功電流計(jì)算系數(shù)；Vt為端電壓幅值；Ip0為初始有功電流；Ipset_LV為有功電流整定值。

依據(jù)式（1）可知，有功降落主要與電流計(jì)算系數(shù)及初始有功電流、機(jī)端電壓相關(guān)。新能源機(jī)組穩(wěn)態(tài)相同，則電流初始值Ip0相同。拓?fù)淠Ｐ?新能源實(shí)測(cè)參數(shù)及拓?fù)淠Ｐ?新能源典型參數(shù)兩種建模方式均采用拓?fù)渚W(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因此故障后機(jī)端電壓跌落程度相近，如圖4 所示。動(dòng)態(tài)中新能源的有功出力與K1_Ip_LV與Vt的乘積相關(guān)性最大。以表2中某實(shí)測(cè)參數(shù)與典型參數(shù)為例。1 s 故障后，新能源進(jìn)入低穿。低壓穿越期間，某實(shí)測(cè)參數(shù)新能源機(jī)端功率如圖5 中藍(lán)色曲線(xiàn)所示，實(shí)測(cè)參數(shù)K1_Ip_LV較高，電流指令較高，最終計(jì)算得到的有功參考值高，因此機(jī)端有功降落少。典型參數(shù)K1_Ip_LV為零，有功電流指令與機(jī)端電壓解耦，低壓穿越期間有功下降明顯，如圖5中綠色曲線(xiàn)所示。

圖4 不同新能源參數(shù)DFIG機(jī)端電壓對(duì)比

圖5 不同新能源參數(shù)DFIG機(jī)端有功對(duì)比

4.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)差異

對(duì)比拓?fù)淠Ｐ?新能源典型參數(shù)與等值模型+新能源典型參數(shù)兩種建模方式，在新能源無(wú)功控制中，無(wú)功控制與機(jī)端電壓跌落程度密切相關(guān)，而有功降落只與初始有功電流相關(guān)，因此兩種方式有功降落差距不大，有功對(duì)電壓穩(wěn)定性影響差別相近，如圖6所示。

圖6 不同拓?fù)浣FIG機(jī)端有功對(duì)比

根據(jù)低穿期間無(wú)功控制式（2）及表3 所列參數(shù)可知，新能源機(jī)端無(wú)功支撐與無(wú)功電流計(jì)算系數(shù)正比于電壓跌落差VLin-Vt。等值模型與拓?fù)淠Ｐ碗妷旱淝闆r如圖7 所示。拓?fù)淠Ｐ托履茉礄C(jī)端距離故障電氣距離遠(yuǎn)，電壓跌落淺，無(wú)功發(fā)出少，對(duì)主網(wǎng)架無(wú)功支撐能力差。反之，新能源機(jī)端電壓跌落深，無(wú)功發(fā)出多，對(duì)主網(wǎng)支撐能力強(qiáng)，如圖8所示。

圖7 不同拓?fù)浣FIG機(jī)端電壓對(duì)比

圖8 不同拓?fù)浣FIG機(jī)端無(wú)功對(duì)比

表3 某雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功典型控制參數(shù)

式中：IqLVRT為機(jī)組低壓穿越運(yùn)行時(shí)的無(wú)功電流分量；K1_Iq_LV和K2_Iq_LV為無(wú)功電流計(jì)算系數(shù)；VLin為進(jìn)入低穿電壓閾值；Iq0為初始無(wú)功電流；Iqset_LV為無(wú)功電流整定值。

拓?fù)淠Ｐ途?xì)化建模，新能源機(jī)端電壓距離故障點(diǎn)電氣距離遠(yuǎn)，因此故障后機(jī)端電壓跌落少，對(duì)大電網(wǎng)的無(wú)功支撐能力差，等值模型接入的新能源機(jī)組距離大電網(wǎng)電氣距離近，電壓跌落深，因此無(wú)功支撐能力強(qiáng)，電壓穩(wěn)定性更好。

為驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)電壓穩(wěn)定性影響結(jié)論，摒除典型參數(shù)過(guò)于保守的影響，進(jìn)一步采用拓?fù)淠Ｐ?一套實(shí)測(cè)參數(shù)與等值模型+一套實(shí)測(cè)參數(shù)兩種建模方法，對(duì)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，其結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 拓?fù)浣２町愊聝煞N建模方法受電能力對(duì)比

可以看出，在全網(wǎng)新能源均采取一套實(shí)測(cè)參數(shù)情況下，維持原有規(guī)律不變。等值模型的電壓支撐能力依舊強(qiáng)于拓?fù)淠Ｐ停砻骶W(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建模會(huì)在計(jì)算中一定程度上影響電壓穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大電網(wǎng)數(shù)值仿真等值模型可能造成的計(jì)算不準(zhǔn)確現(xiàn)象，提出了一種需求側(cè)與新能源精細(xì)化建模方法，結(jié)合新能源實(shí)測(cè)建模與參數(shù)擬合工作，為新能源場(chǎng)站配套實(shí)測(cè)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源大規(guī)模接入后大電網(wǎng)暫態(tài)特性更加準(zhǔn)確可靠仿真。仿真算例說(shuō)明不同建模方法對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響。

采用精細(xì)化建模方法，提高了數(shù)值仿真的正確性，今后將在以下方面進(jìn)一步研究：結(jié)合實(shí)際生活中居民負(fù)荷與工業(yè)負(fù)荷的不同特性，進(jìn)一步對(duì)負(fù)荷精細(xì)化建模；由于電力電子大規(guī)模接入電網(wǎng)，使用機(jī)電、機(jī)電電磁混合與全電磁對(duì)結(jié)論進(jìn)一步仿真，以相互佐證其正確性；結(jié)合數(shù)值仿真與直接法的優(yōu)越性，對(duì)系統(tǒng)失穩(wěn)的主導(dǎo)模式進(jìn)一步定性研究，給出主導(dǎo)失穩(wěn)因素的判斷依據(jù)。