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    大型新能源基地中調(diào)相機同步失穩(wěn)機理與影響因素分析

    2022-10-31 06:31:56沈廣進辛煥海劉昕宇屠競哲汪寧渤
    電力系統(tǒng)自動化 2022年20期
    關(guān)鍵詞:同步機功角等值

    沈廣進,辛煥海,劉昕宇,屠競哲,王 康,汪寧渤

    (1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省杭州市 310027;2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京市 100192;3. 國網(wǎng)陜西省電力有限公司,陜西省西安市 710048;4. 浙江大學(xué)工程師學(xué)院,浙江省杭州市 310027)

    0 引言

    隨著“雙碳”政策的推進,構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)已成為中國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。加快沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)開發(fā),推進中國東北、華北、西北(簡稱“三北”)地區(qū)大型新能源基地建設(shè)是提高新能源消納的重要路徑。目前,隨著新能源裝機容量提升,送端電網(wǎng)局部表現(xiàn)為低短路比弱電網(wǎng)特征,大型新能源基地遠距離外送時容易發(fā)生電壓越限、寬頻帶振蕩問題,導(dǎo)致新能源機組脫網(wǎng)[2]。為提升新能源基地的電壓支撐能力,在新能源基地近區(qū)配備一定容量的調(diào)相機已經(jīng)在多個工程中獲得應(yīng)用。

    現(xiàn)有研究表明,調(diào)相機接入新能源場站可有效提升電網(wǎng)電壓支撐強度[3-6],并對新能源的寬頻帶振蕩起到抑制作用,可有效提高新能源的消納能力[7]。當(dāng)新能源基地經(jīng)直流系統(tǒng)外送時,調(diào)相機安裝在送端換流站有助于降低新能源由于過電壓而脫網(wǎng)的風(fēng)險[8-11]。文獻[3]分析表明,在新能源場站短路比最小的節(jié)點配置調(diào)相機對電網(wǎng)電壓支撐效果最明顯,并提出了一種分布式和集中式調(diào)相機混合優(yōu)化配置方案。文獻[12]揭示了調(diào)相機提升系統(tǒng)廣義短路比指標(biāo)和提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的機理,并基于最大化提升廣義短路比提出了調(diào)相機的優(yōu)化配置技術(shù)。

    調(diào)相機通常作為只發(fā)無功功率的特殊同步電機,與傳統(tǒng)同步機組不同,當(dāng)其單獨接入系統(tǒng)的無源節(jié)點時,系統(tǒng)故障時不存在由于機械功率和電磁功率不平衡導(dǎo)致的功角失穩(wěn)問題。然而,當(dāng)調(diào)相機接入大型新能源基地時,其功角特性將發(fā)生改變,這與風(fēng)火打捆聯(lián)合外送場景下,風(fēng)電功率對于同步機組功角特性的影響類似。在風(fēng)火打捆聯(lián)合外送場景下,由于風(fēng)電擠占了輸電通道,當(dāng)以無窮大母線相位作為參考時,同步機的功角曲線將會向下移動[13]。調(diào)相機同樣可能存在故障下的暫態(tài)功角失穩(wěn)問題,但這一潛在的問題尚未引起工業(yè)界重視,相關(guān)研究較少。因此,有必要開展考慮新能源后調(diào)相機同步失穩(wěn)問題研究。

    針對新能源對同步電機暫態(tài)功角的穩(wěn)定性影響已經(jīng)有相關(guān)系列研究。文獻[14]基于雙饋風(fēng)電機組的簡化模型和直流潮流計算,提出一種風(fēng)電接入對兩同步機系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定影響的判據(jù),并分析了風(fēng)電滲透率、風(fēng)電場選址等因素對于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。文獻[15]將風(fēng)電機組建模為可變阻抗,利用擴展等面積準(zhǔn)則分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)電等值替換火電容量大小將影響同步機暫態(tài)功角穩(wěn)定性。文獻[16]通過建立全功率風(fēng)電機組的降階模型,發(fā)現(xiàn)大型新能源基地存在暫態(tài)同步失穩(wěn)風(fēng)險,其本質(zhì)為鎖相環(huán)頻率失穩(wěn),與傳統(tǒng)同步機功角失穩(wěn)機理類似。文獻[17]指出新能源并網(wǎng)后可看成等值電流源,使得同步機的功角曲線變成非正弦,并為同步機引入了新的暫態(tài)穩(wěn)定邊界。然而,相對同步機組而言,空載運行的調(diào)相機慣量更小,功角失穩(wěn)問題將更加嚴(yán)重。

    本文主要探究大型新能源基地與調(diào)相機的聯(lián)合系統(tǒng)(簡稱聯(lián)合系統(tǒng))的功角穩(wěn)定問題。首先,解析了聯(lián)合系統(tǒng)的功角特性,并基于等面積法則分析了新能源控制配合不當(dāng)時引發(fā)聯(lián)合系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)的機理;其次,提出了量化聯(lián)合系統(tǒng)同步穩(wěn)定性的新能源與等效同步發(fā)電機容量折算系數(shù)和調(diào)相機接入前系統(tǒng)的臨界短路比條件;最后,基于等效同步機的角度,從新能源運行工況和調(diào)相機自身物理參數(shù)等方面,分析了影響聯(lián)合系統(tǒng)功角穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。仿真算例驗證了所提穩(wěn)定機理和影響因素的有效性。

    1 聯(lián)合系統(tǒng)功角穩(wěn)定問題

    已有研究表明,調(diào)相機接入能夠提升電網(wǎng)電壓支撐強度,抑制系統(tǒng)寬頻帶振蕩問題,提升新能源的消納能力[8]。然而,同步調(diào)相機作為同步電機,本身可能存在功角失穩(wěn)的風(fēng)險。為此,本章基于聯(lián)合系統(tǒng)探究其功角穩(wěn)定問題。

    1.1 聯(lián)合系統(tǒng)動態(tài)建模

    本節(jié)分析如圖1(a)所示的大型新能源基地與調(diào)相機的聯(lián)合系統(tǒng)并網(wǎng)后的功角穩(wěn)定性,即調(diào)相機的同步穩(wěn)定性。為方便揭示機理,對系統(tǒng)的動態(tài)模型做出如下假設(shè):1)調(diào)相機采用同步機經(jīng)典模型,忽略線路電阻;2)考慮聯(lián)合系統(tǒng)的機電時間尺度動態(tài),忽略新能源電流內(nèi)環(huán)和鎖相環(huán)的動態(tài)過程,且認(rèn)為鎖相環(huán)一直保持同步穩(wěn)定[18];3)故障期間考慮調(diào)相機快速勵磁保持其端電壓基本恒定且故障較遠時,新能源有功出力變化較小而認(rèn)為具有恒功率外特性[4]。

    為便于分析,將系統(tǒng)等值成如圖1(b)所示的諾頓等值電路。圖中:XSC為調(diào)相機暫態(tài)電抗和升壓變壓器電抗XT之和;PSC和QSC分別為調(diào)相機輸出的有功和無功功率;Pw和Qw分別為新能源實際輸出 的 有 功 和 無 功 功 率;U?p=Upejδp為 公 共 耦 合 點(point of common coupling,PCC)處的電壓,其中Up和δp分別為其幅值和相角;Xg為PCC 與無窮大母線的等值聯(lián)絡(luò)電抗。

    在系統(tǒng)容量基準(zhǔn)下,調(diào)相機的XSC滿足關(guān)系式:SSCXSC=C,其中C為常數(shù),SSC為調(diào)相機的額定容量。在分析暫態(tài)功角失穩(wěn)時,調(diào)相機慣性時間常數(shù)TJ滿 足 關(guān) 系 式:TJ/SSC=C',其 中C'表 示 調(diào) 相 機 容量和慣性時間常數(shù)成正比,例如多臺調(diào)相機等效。

    圖1 中的電路方程采用諾頓等值電流表示,其中I?1=I1ejθ1、I?0=I0ejθ0分 別 為 調(diào) 相 機 和 無 窮 大 電 網(wǎng)的諾頓等值電流,I1、I0和θ1、θ0分別為I?1、I?0的幅值和相角,且滿足如下關(guān)系:

    圖1 新能源和調(diào)相機聯(lián)合系統(tǒng)并網(wǎng)模型Fig.1 Grid-connected model of association system of renewable energy and synchronous condenser

    式中:E'為調(diào)相機等效暫態(tài)電抗X'd后的暫態(tài)電勢幅值;δSC為暫態(tài)電勢的相角,即調(diào)相機的功角;U0為無窮大母線電壓幅值。

    調(diào)相機的轉(zhuǎn)子運動方程可表示為:

    式中:D為調(diào)相機的等效阻尼系數(shù);ωSC為調(diào)相機的電角速度;ωn為系統(tǒng)的額定電角速度;PT為調(diào)相機的機械功率,近似為零。

    另外,如圖1(a)所示,從虛線框看出去,調(diào)相機接入前系統(tǒng)的短路比為γSCR0,調(diào)相機接入后新能源側(cè)的短路比為γSCR1;從點劃線框看出去,聯(lián)合系統(tǒng)的短路比為γSCR2。本文將從新能源基地的短路比特性角度分析調(diào)相機的同步失穩(wěn)機理。

    1.2 聯(lián)合系統(tǒng)功角特性分析

    根據(jù)圖1(b)所示電路,PCC 處電壓Upejδp為:

    式中:X=(C/SSC)Xg/(C/SSC+Xg)。

    式(3)展開可得:

    式中:Δδ(Pw,Qw)和ΔP(Pw,Qw)分別為新能源接入后引發(fā)調(diào)相機功角的相位偏移和有功功率的幅值偏移。附錄A 式(A2)給出了Qw=0 時PSC的詳細表達式。

    由式(10)表征的PSC與δSC的函數(shù)關(guān)系可以繪出給定新能源輸出有功功率和調(diào)相機容量下的PSCδSC曲線。圖2(a)給出了Qw=0 時的曲線,曲線①、②和③依次為Pw變大時的PSC-δSC曲線。圖中,δ0為輸入機械功率為零時調(diào)相機功角的穩(wěn)定運行點;δu為不穩(wěn)定平衡點;上標(biāo)“'”和“''”分別對應(yīng)不同新能源有功出力時調(diào)相機的功角;圖2(b)給出了Qw=0 時調(diào)相機功率極限點對應(yīng)的功角δSCm隨新能源輸出有功功率變化的曲線。

    圖2 調(diào)相機功角特性曲線Fig.2 Curves of power angle characteristic of synchronous condenser

    由圖2(a)可知,新能源的接入改變了調(diào)相機功角曲線的正弦特性。另外,考慮新能源的接入,系統(tǒng)平衡點存在性可分為3 種情況:1)系統(tǒng)存在2 個平衡點,即穩(wěn)定平衡點和不穩(wěn)定平衡點;2)系統(tǒng)存在1 個平衡點;3)系統(tǒng)不存在平衡點。進一步,由圖2(b)可知,隨著新能源輸出有功功率的增加,相位偏移和幅值偏移呈現(xiàn)線性變化,即調(diào)相機功角曲線向左下方移動,系統(tǒng)更容易發(fā)生平衡點缺失現(xiàn)象。系統(tǒng)平衡點存在性的臨界條件可表示為:

    當(dāng)Qw一定時,由式(11)可以求得考慮調(diào)相機功角運行點存在性約束下新能源允許接入的最大有功功率Pw,max。這表明,隨著新能源接入容量的提高,調(diào)相機可能由于沒有穩(wěn)定運行點而脫網(wǎng)。調(diào)相機接入后有助于提升新能源側(cè)的短路比,提高斷面1 的傳輸極限;但從聯(lián)合系統(tǒng)的角度看,聯(lián)合系統(tǒng)的短路比仍然是調(diào)相機接入前系統(tǒng)的短路比,此時,斷面2的傳輸極限仍會受到制約。

    上述功角特性分析是基于E'恒定時推導(dǎo)的,當(dāng)調(diào)相機通過勵磁系統(tǒng)動作維持端電壓幅值恒定時,其功角特性可以通過類似的方法獲得。附錄A 圖A1 所示為調(diào)相機端電壓恒定時調(diào)相機的功角特性。與圖2 相比,調(diào)相機功角特性曲線變化趨勢基本一致。而通過強勵維持機端電壓恒定時,調(diào)相機功角曲線向左上方移動,有助于提升調(diào)相機的穩(wěn)定極限和新能源輸送的最大功率。

    1.3 聯(lián)合系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)機理

    1.2 節(jié)分析了由于新能源功率增加導(dǎo)致聯(lián)合系統(tǒng)平衡點缺失的失穩(wěn)問題。本節(jié)進一步探究聯(lián)合系統(tǒng)的暫態(tài)功角失穩(wěn)問題。

    若短路故障發(fā)生在PCC 近端,調(diào)相機的機械功率和電磁功率均為零,不存在加速功率使其發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)。而當(dāng)系統(tǒng)遠端發(fā)生短路故障時,考慮到實際新能源設(shè)備低電壓穿越策略的差異和優(yōu)化調(diào)度等因素,新能源實際有功出力存在基本不降的情況。然而,由于故障期間新能源的有功功率無法注入外電網(wǎng),會發(fā)生新能源有功注入調(diào)相機的現(xiàn)象,引起調(diào)相機加速并可能引發(fā)調(diào)相機暫態(tài)功角失穩(wěn)。

    當(dāng)故障線路切除后,調(diào)相機的功角特性曲線PSC3可通過與故障前穩(wěn)態(tài)相同的方法獲得。假設(shè)故障發(fā)生時刻為t0,故障持續(xù)時間為Δt,故障切除時調(diào)相機功角為δc。圖3 中,Sac表示加速面積,Sde表示減速面積;曲線1、2 和3 分別表示正常運行情況、故障期間和故障線路切除后3 種工況的聯(lián)合系統(tǒng)功角特性曲線,其中,曲線2 實線和虛線分別表示無窮大電壓節(jié)點發(fā)生電壓跌落(不為零)和遠端發(fā)生三相金屬性短路故障的工況。在機電時間尺度下,由附錄A 中的推導(dǎo)可知,當(dāng)新能源外環(huán)能夠迅速響應(yīng)時,調(diào)相機在遠端三相金屬性短路故障期間的功角特性方程近似滿足PSC2=-Pw。對比圖3 中2 種工況下的加速面積大小關(guān)系可知,遠端三相金屬性短路期間調(diào)相機的失穩(wěn)風(fēng)險最大。下文將基于該最嚴(yán)重故障工況分析聯(lián)合系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)機理。

    圖3 含調(diào)相機的新能源并網(wǎng)系統(tǒng)等面積定則Fig.3 Equal area criterion of renewable energy gridconnected system with synchronous condenser

    穩(wěn)態(tài)時,由式(10)可得輸入機械功率為零時調(diào)相機功角的穩(wěn)定運行點δ0。故障切除瞬間的功角δc及Sac分別為:

    由式(2)和式(12)可得δc的表達式為:

    當(dāng)故障線路切除后,令調(diào)相機輸出的有功功率為零,即可求得聯(lián)合系統(tǒng)不穩(wěn)定平衡點δu。

    此時,聯(lián)合系統(tǒng)最大可能的減速面積為:

    由上述分析可知,調(diào)相機作為運行在功率為零的特殊同步機,當(dāng)發(fā)生短路故障時,若加速面積大于減速面積,則調(diào)相機發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)而脫網(wǎng)。系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)為Sac=Sde,由該式可以求得在系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時新能源輸出功率的最大值Pw,max。即當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時新能源實際輸出功率高于Pw,max,系統(tǒng)將面臨暫態(tài)功角失穩(wěn)風(fēng)險。

    2 聯(lián)合系統(tǒng)與同步機組的等價轉(zhuǎn)換分析

    2.1 聯(lián)合系統(tǒng)與同步機組等效原理

    對比圖1(a)和圖4(b),調(diào)相機自身的勵磁系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子等物理結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機相應(yīng)結(jié)構(gòu)本質(zhì)相同。兩者主要區(qū)別在于:聯(lián)合系統(tǒng)中調(diào)相機空載,其有功功率來自新能源,而同步機則來自原動機的機械功率。

    結(jié)合第1 章的機理分析和附錄A 圖A3(a)可知,聯(lián)合系統(tǒng)的功角曲線隨著新能源功率增加而向左下方移動,相當(dāng)于同步機的機械功率曲線向右上方移動。在保證外特性相同的情況下,當(dāng)新能源功率折算成同步機的機械功率時,聯(lián)合系統(tǒng)可近似等效為一臺以新能源設(shè)備為原動機、調(diào)相機本體為發(fā)電機的等效同步發(fā)電機。

    如附錄A 圖A3(b)所示,新能源輸出的有功功率等價于原動機的機械功率,調(diào)節(jié)新能源的有功功率相當(dāng)于調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的汽門開度。同步發(fā)電機可起到與調(diào)相機相同的勵磁調(diào)壓功能。因此,可利用新能源容量折算后的等值同步機量化分析聯(lián)合系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定特性。

    等值同步機的功角特性PSCE為:

    通過將新能源的有功功率等效替代為同步機的等值機械功率,可使聯(lián)合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等效的同步發(fā)電機組。因此,可從量化聯(lián)合系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特性的角度定義新能源與同步機組容量折算系數(shù)α:

    式中:PTE為等值機械功率,詳細表達式見附錄A 式(A9)。α并不是定值,其一方面取決于調(diào)相機的容量,另一方面取決于功角實際值。附錄A 圖A4 展示了α的變化趨勢:α值隨著功角的增大而增大;同時,α值隨著調(diào)相機容量增加而增加,新能源的有功功率對于α值的影響較小。當(dāng)調(diào)相機容量較大時,α值基本在1 附近變化。值得一提的是,上述等效原理可進一步拓展到多調(diào)相機多新能源場站系統(tǒng),簡化實際系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的分析。

    2.2 調(diào)相機接入前系統(tǒng)的臨界短路比分析

    2.2.1 臨界短路比約束原因

    由附錄A 式(A2)可知,增大電網(wǎng)電抗Xg也增強了新能源有功功率對于聯(lián)合系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響能力,等價于新能源有功功率出力水平增加。如圖3 所示,調(diào)相機功角曲線幅值下降,導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度減少。

    而聯(lián)合系統(tǒng)等值成單機無窮大系統(tǒng)后,故障期間PTE突變?yōu)镻w,由暫態(tài)功角穩(wěn)定約束限制可得(故障切除時間一定)新能源容量極限:

    同樣,由式(18)可以求得系統(tǒng)的臨界切除時間(critical clearing time,CCT)tcr。

    綜上所述,從電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)電抗和新能源接入容量限制2 個維度可得,考慮聯(lián)合系統(tǒng)同步穩(wěn)定約束時調(diào)相機接入前的系統(tǒng)存在臨界短路比限制。以聯(lián)合系統(tǒng)中新能源的有功功率作為等值同步機組的容量,則等效同步機組接入系統(tǒng)的短路比,即γSCR0為:

    2.2.2 簡化估計方法

    為分析方便,借鑒《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》[19]規(guī)定的靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)η0來衡量等值同步機組的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。實際系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)η需要大于等于η0時才可以保證系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定,進而可以估算出臨界短路比取值范圍。

    由η0的定義可得,聯(lián)合系統(tǒng)的η需要滿足:

    由式(21)可知,調(diào)相機接入前系統(tǒng)的臨界短路比γCSCR近似為:

    根據(jù)式(21)可得,由于傳統(tǒng)同步機的η0為20%,γSCR0的值需要大于α(1+η0)/E'。這表明,當(dāng)調(diào)相機接入前系統(tǒng)短路比過小,聯(lián)合系統(tǒng)將面臨暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險。值得一提的是,由于η0與慣性時間常數(shù)呈負相關(guān),且調(diào)相機的慣性時間常數(shù)(系統(tǒng)容量基準(zhǔn))又與調(diào)相機的容量呈正相關(guān),等值同步機的η0需要根據(jù)實際工況進行計算。

    具體地,本文是基于典型參數(shù)和0.1 s 的臨界切除時間來確定η0。調(diào)相機的慣性時間常數(shù)(自身容量基準(zhǔn))一般為3~5 s,本文以3 s 為例。若調(diào)相機接入的容量較小,如考慮分布式調(diào)相機的容量為50 MV·A,則此時調(diào)相機的加速面積相對同步機顯著增加。因此,等值同步機的η0需要提升至30%左右才能保證其暫態(tài)穩(wěn)定水平與常規(guī)同步機組相當(dāng)。由式(22)可得γCSCR約為1.5,這表明接入前系統(tǒng)實際短路比大于1.5 時才能保證調(diào)相機接入后有足夠的功角穩(wěn)定裕度。進一步,當(dāng)調(diào)相機容量增大時,調(diào)相機的慣量也變大,調(diào)相機的功角運行點可以接近功率最大值對應(yīng)的功角,表明此時調(diào)相機受到的臨界短路比限制將變小。但是,考慮調(diào)相機的實際設(shè)計容量和成本等約束,調(diào)相機接入容量有限,且調(diào)相機接入的容量小于新能源的容量,故實際中調(diào)相機的接入仍存在臨界短路比的約束。

    由上述分析可知,調(diào)相機接入會使得聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)問題。當(dāng)系統(tǒng)中新能源有功出力不變時,可通過提升調(diào)相機容量提高系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度,但考慮到電網(wǎng)實際情況,一旦提升調(diào)相機容量解除對新能源送出能力的約束后,又會進一步增加新能源有功出力,此時,短路比又會降低到臨界短路比左右。因此,在電網(wǎng)規(guī)劃和運行中,若新能源送出能力一直受限,則調(diào)相機接入帶來的暫態(tài)功角失穩(wěn)風(fēng)險始終存在。

    3 暫態(tài)功角穩(wěn)定影響因素分析和改善措施

    利用等值同步機可直觀揭示影響調(diào)相機功角穩(wěn)定的關(guān)鍵因素,包括風(fēng)機有功出力、調(diào)相機參數(shù)等。下文將分析各個因素對調(diào)相機暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響。

    1)新能源的輸出功率

    從等值同步機的角度,改變新能源輸出的有功功率相當(dāng)于改變原動機的機械功率。通過降低新能源在穩(wěn)態(tài)運行時的有功功率,或者在故障發(fā)生時緊急降載,這都將有助于改善調(diào)相機暫態(tài)功角穩(wěn)定。

    由附錄A 圖A5 可知,當(dāng)新能源輸出無功功率Qw不同時,聯(lián)合系統(tǒng)的功角特性曲線將會有所不同。

    當(dāng)Qw>0 時,新能源向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率,PCC 處電壓上升,調(diào)相機功角特性曲線向右上方移動,調(diào)相機穩(wěn)定極限得到提升,同時,有助于提高新能源輸送的最大有功功率;反之,調(diào)相機的穩(wěn)定極限和新能源輸送的最大有功功率都會降低。

    2)調(diào)相機的參數(shù)

    調(diào)相機與傳統(tǒng)同步機相比,轉(zhuǎn)子質(zhì)量更輕、慣量更小。從暫態(tài)功角穩(wěn)定的角度分析,需要從物理上增加調(diào)相機轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量和半徑,或者通過輔助控制增加調(diào)相機的等效慣量。

    由式(10)可知,調(diào)相機的暫態(tài)電抗和升壓變壓器電抗也會影響調(diào)相機的功角特性。在工程實際中,降低調(diào)相機的暫態(tài)電抗和升壓變壓器電抗有助于提升調(diào)相機的無功支撐能力,同時也可以提升聯(lián)合系統(tǒng)的功角曲線,增大聯(lián)合系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。但受到體積、結(jié)構(gòu)和成本等因素的限制,調(diào)相機的暫態(tài)電抗和升壓變壓器電抗存在最小限制[20]。

    以上是考慮單臺調(diào)相機時存在的參數(shù)限制。若考慮大容量的調(diào)相機由小容量的調(diào)相機并聯(lián)而成,則隨著調(diào)相機接入臺數(shù)的增加,其調(diào)相機的暫態(tài)電抗和升壓變壓器電抗有名值將減小,實際慣性時間常數(shù)也將相應(yīng)減小,從而改善聯(lián)合系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

    此外,在維持PCC 處電壓在正常范圍時,若調(diào)相機處于進相運行,由于其從電網(wǎng)吸收感性無功,與新能源從電網(wǎng)吸收感性無功類似,聯(lián)合系統(tǒng)的功角特性曲線向下移動,將會惡化聯(lián)合系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性。

    3)改善措施

    由于調(diào)相機接入前的系統(tǒng)存在同步穩(wěn)定約束下的臨界短路比限制,這導(dǎo)致當(dāng)電網(wǎng)阻抗較大時新能源輸送功率受到較大制約。因此,本文按照如表1所示的方案,通過調(diào)節(jié)新能源的控制和改善調(diào)相機參數(shù)降低聯(lián)合系統(tǒng)對于臨界短路比的要求,使得調(diào)相機能夠更有效地提高新能源消納能力。

    表1 提高臨界短路比的措施Table 1 Measures to improve critical short-circuit ratio

    4 仿真算例驗證

    本章在不同運行工況下,驗證聯(lián)合系統(tǒng)的功角特性、暫態(tài)功角失穩(wěn)機理以及聯(lián)合系統(tǒng)與同步機組等效原理的準(zhǔn)確性。

    4.1 調(diào)相機穩(wěn)定特性驗證

    4.1.1 小干擾穩(wěn)定性

    為分析聯(lián)合系統(tǒng)的電磁暫態(tài)特性,本文基于MATLAB/Simulink 平臺搭建了如圖1 所示的聯(lián)合系統(tǒng),單臺分布式調(diào)相機的額定容量為50 MV·A,可通過改變調(diào)相機并聯(lián)接入的臺數(shù)來改變調(diào)相機接入的容量。新能源實際接入容量可通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)臺數(shù)來改變。仿真主要參數(shù)如附錄B 表B1 所示。

    首先,從小干擾穩(wěn)定性的維度驗證調(diào)相機能夠提升電網(wǎng)強度。如表2 所示,當(dāng)調(diào)相機未接入時,通過調(diào)節(jié)Pw使系統(tǒng)的短路比為1.389;當(dāng)調(diào)相機接入后,系統(tǒng)短路比提升至3.336。在t=0.2 s 時,對PCC 施加電壓小擾動,持續(xù)時間為0.05 s。從附錄B 圖B1 可以看出,調(diào)相機未接入時,弱電網(wǎng)下新能源由于小擾動而發(fā)生振蕩失穩(wěn);而調(diào)相機接入后,系統(tǒng)短路比提升了1.947,小擾動發(fā)生后電壓波形迅速收斂,說明調(diào)相機的接入有效提升了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。然而,由前文分析可知,由于調(diào)相機接入前系統(tǒng)短路比小于臨界短路比,聯(lián)合系統(tǒng)仍然存在暫態(tài)功角失穩(wěn)風(fēng)險。

    表2 調(diào)相機接入前后的短路比對比Table 2 Comparison of short-circuit ratio before and after SC is connected

    4.1.2 暫態(tài)功角特性驗證

    為驗證聯(lián)合系統(tǒng)的功角穩(wěn)定特性,基于機電仿真軟件PSD-BPA 平臺搭建了如圖1 所示的聯(lián)合系統(tǒng),仿真參數(shù)與MATLAB/Simulink 平臺相同。

    設(shè)置三相短路故障發(fā)生在無窮大母線,故障時刻為t=1.0 s,故障持續(xù)時間Δt=0.1 s。由圖4(a)可知,當(dāng)故障前新能源有功功率較大時,聯(lián)合系統(tǒng)將發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)現(xiàn)象。此時,新能源的有功出力基本沒有變化,且故障期間調(diào)相機輸出的有功功率為負值,其絕對值剛好是新能源的輸出功率,與理論中故障期間新能源有功功率將注入調(diào)相機的分析結(jié)果一致。從圖4(b)可知,新能源在穩(wěn)態(tài)運行時向電網(wǎng)提供一定的感性無功,有助于改善暫態(tài)功角穩(wěn)定性。

    圖4 不同參數(shù)下聯(lián)合系統(tǒng)的時域仿真波形Fig.4 Time-domain simulation waveforms of association system with different parameters

    進一步,通過改變不同新能源接入容量和調(diào)相機接入容量分析聯(lián)合系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。此時,X'd和XSC將隨著調(diào)相機的容量變化而變化。由附錄B 圖B2 可知,隨著新能源有功出力增加,聯(lián)合系統(tǒng)的臨界切除時間不斷減小,暫態(tài)穩(wěn)定裕度不斷降低。在新能源有功出力相同的情況下,通過增加調(diào)相機的容量,即減小X'd和XSC,有助于提高聯(lián)合系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。此時,在保證調(diào)相機能夠穩(wěn)定接入的情況下,可通過加裝多臺調(diào)相機解決系統(tǒng)的暫態(tài)功角問題。同時,由圖B2 可得,當(dāng)臨界切除時間一定時,新能源容量和調(diào)相機容量之間存在最優(yōu)配比,這也是下一步的重點工作。

    4.2 聯(lián)合系統(tǒng)與同步機組等效原理驗證

    本節(jié)基于聯(lián)合系統(tǒng)與同步機組的等效原理,利用2.1 節(jié)給出的折算系數(shù),對比聯(lián)合系統(tǒng)和等值同步機組的時域響應(yīng)特性,以驗證等效原理的有效性。

    根據(jù)式(18)求解不同參數(shù)下系統(tǒng)臨界切除時間,并與等效前后仿真結(jié)果進行對比。故障發(fā)生時刻為t=1.0 s,且新能源輸出有功功率在系統(tǒng)基準(zhǔn)容量下為2.0 p.u.時,系統(tǒng)的臨界切除時間理論計算結(jié)果為0.158 s,而通過等值前后的時域仿真分析得到臨界切除時間分別為0.174 s 和0.160 s,理論計算結(jié)果與等值后的仿真值基本一致,而與等值前的仿真值誤差約為10%。從附錄B 圖B3 可知,聯(lián)合系統(tǒng)等效前后,功角特性在穩(wěn)態(tài)和功角第一擺加速過程中基本一致。兩者在后續(xù)搖擺過程不一致主要是由于新能源的接入為調(diào)相機提供了一定的正阻尼,使得功角的衰減過程更加迅速。因此,等效的同步機組可近似用來分析聯(lián)合系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定特性。

    4.3 聯(lián)合系統(tǒng)臨界短路比分析

    設(shè)置故障時刻為t=1.0 s,故障持續(xù)時間Δt=0.1 s,由仿真可得新能源的臨界容量P'w為1.101 p.u.,γCSCR的仿真值為1.513。基于式(19)求解在系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時,新能源的臨界容量為1.051 p.u.,此時γCSCR的解析值為1.586,等值同步機的靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)為33.7%。兩者誤差僅在5%左右,這表明2.2 節(jié)臨界短路比的理論分析方法是合理的。

    如圖5(a)所示,當(dāng)新能源有功功率為1.10 p.u.時,故障后聯(lián)合系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)功角失穩(wěn)現(xiàn)象。而當(dāng)新能源有功功率為1.11 p.u.時,如圖5(b)所示,聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)生故障后可到達新的穩(wěn)定運行點。

    圖5 驗證臨界短路比的時域仿真波形Fig.5 Time-domain simulation results for verification of critical short-circuit ratio

    因此,時域仿真證實了在一定的工況下,調(diào)相機接入前系統(tǒng)存在最小短路比約束。這表明當(dāng)調(diào)相機接入前系統(tǒng)的短路比過小時,調(diào)相機接入后系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定可能上升為主要約束條件之一,此時調(diào)相機將無法發(fā)揮提升新能源承載能力的功能。為充分發(fā)揮調(diào)相機的功能,在對弱電網(wǎng)進行規(guī)劃時需進一步考慮新能源控制參數(shù)和調(diào)相機容量、慣性時間常數(shù)等參數(shù),以避免調(diào)相機在弱電網(wǎng)下發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)。

    5 結(jié)語

    本文揭示了弱電網(wǎng)下短路故障引發(fā)調(diào)相機暫態(tài)功角失穩(wěn)機理,提出了新能源與等值同步機組的容量折算方法,以及調(diào)相機接入前系統(tǒng)的臨界短路比條件。研究表明,在實際電網(wǎng)規(guī)劃和運行中,若新能源送出能力因電網(wǎng)強度低而受限,配置調(diào)相機雖然可以降低過電壓和振蕩風(fēng)險,但也會引入調(diào)相機同步失穩(wěn)這一新的約束,需要充分考慮和有效應(yīng)對。研究結(jié)論可為調(diào)相機與新能源容量配比、協(xié)調(diào)控制優(yōu)化以及調(diào)相機選址等后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ),為“三北”等地區(qū)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供技術(shù)參考。

    附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx),掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。

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