基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力優(yōu)化方法研究

張?jiān)亳Y，王 衛(wèi)，于希娟，周運(yùn)斌，張文朝

(1.國(guó)網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 100075；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司調(diào)控中心，北京 100031；3.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192；4.華北電力大學(xué)(保定），河北 保定 071066）

0 引言

在受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電占比日益增長(zhǎng)，這在一定程度上改變了受端電網(wǎng)的運(yùn)行特性，對(duì)保持當(dāng)前大規(guī)模新能源并網(wǎng)后受端電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性提出更高的要求[1]，[2]。電網(wǎng)短路比通常被看作是衡量電網(wǎng)電壓支撐能力強(qiáng)度的重要指標(biāo)[3]。當(dāng)大量分散式新能源發(fā)電資源并網(wǎng)到受端電網(wǎng)內(nèi)的不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)在一定程度上影響受端電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，尤其是受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，從而可能導(dǎo)致受端電網(wǎng)發(fā)生運(yùn)行故障[4]，[5]。這是由于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電資源并網(wǎng)后，使得受端電網(wǎng)調(diào)壓能力有所降低，同時(shí)由于受端電網(wǎng)受短路比的影響，大規(guī)模新能源并網(wǎng)點(diǎn)處容易因受端電網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)導(dǎo)致新能源發(fā)電資源的脫網(wǎng)。因此，新能源發(fā)電資源并網(wǎng)須要考慮受端電網(wǎng)短路比的影響，同時(shí)也需要新能源發(fā)電資源為受端電網(wǎng)提供一定的電壓支撐[6]。

新能源出力、消納優(yōu)化的研究須要從當(dāng)前電力系統(tǒng)源側(cè)、網(wǎng)側(cè)、荷側(cè)的多個(gè)環(huán)節(jié)入手。文獻(xiàn)[7]采用自適應(yīng)約束生成算法，研究了含大容量新能源發(fā)電資源接入的電網(wǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[8]針對(duì)故障情況下新能源機(jī)組的運(yùn)行振蕩問(wèn)題，分析了電網(wǎng)新能源機(jī)組承載強(qiáng)度的影響因素，提出了一種考慮振蕩穩(wěn)定約束的電網(wǎng)新能源并網(wǎng)承載強(qiáng)度優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[9]針對(duì)送端電網(wǎng)直流通道故障下的新能源機(jī)組暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，提出了一種考慮送端電網(wǎng)短路比約束的新能源送出功率優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[10]，[11]主要針對(duì)含大容量、高比例新能源發(fā)電機(jī)組接入的電力系統(tǒng)，通過(guò)分析新能源發(fā)電機(jī)組出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)交流、直流子系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響因素，提出了一種能夠提高電網(wǎng)接納新能源容量裕度和并網(wǎng)強(qiáng)度的優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[12]針對(duì)新能源發(fā)電基地送出能力受限和送出通道的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，詳細(xì)分析了影響新能源發(fā)電基地送出能力的約束因素，并剖析了新能源送出通道低電壓產(chǎn)生原因，提出了一種基于分布式調(diào)相機(jī)的新能源發(fā)電基地送出能力優(yōu)化提升方法。

國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者研究了短路比對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。文獻(xiàn)[13]基于新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)新能源出力特性、負(fù)荷波動(dòng)水平進(jìn)行了分析，并對(duì)影響新能源消納水平的主要因素進(jìn)行了詳細(xì)研究。文獻(xiàn)[14]通過(guò)分析低短路比電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制穩(wěn)定性的影響因素，提出了一種考慮風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器協(xié)同的低短路比風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制方法，降低了風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)對(duì)低短路比電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[15]通過(guò)建立交直流系統(tǒng)的短路比計(jì)算模型，分析了交直流系統(tǒng)中直流線路數(shù)量增加時(shí)系統(tǒng)短路比的變化規(guī)律，并對(duì)影響交直流系統(tǒng)短路比的因素進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[16]通過(guò)建立高壓直流輸電系統(tǒng)小干擾模型，并采用靈敏度分析法，分析了系統(tǒng)內(nèi)交流子系統(tǒng)短路比變化對(duì)整個(gè)直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。以上文獻(xiàn)均未考慮系統(tǒng)短路比對(duì)新能源出力與消納能力的影響，基于短路比約束的新能源出力優(yōu)化、消納措施的研究較少。

本文通過(guò)計(jì)算短路容量，推導(dǎo)出不同運(yùn)行方式下并網(wǎng)點(diǎn)處的短路比計(jì)算模型；以短路比為約束條件，研究提升新能源消納能力的方法，優(yōu)化受端電網(wǎng)新能源出力。針對(duì)我國(guó)華北某地區(qū)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文所提基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化的有效性。

1 分布式新能源接入受端電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

新能源發(fā)電機(jī)組通過(guò)換流系統(tǒng)匯集后集中接入受端電網(wǎng)，新能源發(fā)電機(jī)組出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響：一是受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的暫態(tài)電壓響應(yīng)能力較弱；二是當(dāng)受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處出現(xiàn)短時(shí)擾動(dòng)或故障時(shí)，新能源發(fā)電機(jī)組自身對(duì)擾動(dòng)、故障的抵抗能力較弱，容易引起受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處擾動(dòng)或故障危害程度進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖1為新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)的等效結(jié)構(gòu)。新能源發(fā)電機(jī)組以風(fēng)電、光伏電源為代表，受端電網(wǎng)則通過(guò)簡(jiǎn)化等效為等值大電源。

圖1 網(wǎng)絡(luò)等效Fig.1 Grid equivalence

圖1中 ：SNew，1，SNew，2，SNew，n分 別 為 新 能 源 發(fā) 電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)輸出的視在功率；PNew，1和QNew，2，PNew，2和QNew，2，PNew，n和QNew，n分 別 為 新 能 源發(fā)電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)輸出的有功、無(wú)功；n為受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量；ZNew，11∠θNew，11，ZNew，22∠θNew，22，ZNew，nn∠θNew，nn分 別 為 各 并 網(wǎng)點(diǎn)處受端交流電網(wǎng)側(cè)折算的等值阻抗大小和相角 ；ZNew，12∠θNew，12，ZNew，2n∠θNew，2n，ZNew，1n∠θNew，1n分 別為受端交流電網(wǎng)各并網(wǎng)點(diǎn)與新能源發(fā)電機(jī)組間聯(lián)絡(luò)線折算的等值阻抗大小和相角；U.New，1，U.New，2，U.New，n分別為新能源發(fā)電機(jī)組各并網(wǎng)點(diǎn)處母線的電壓。

不考慮受端電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組的影響，僅分析分布式新能源發(fā)電機(jī)組接入受端交流系統(tǒng)后，對(duì)受端交流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。當(dāng)新能源發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，新能源發(fā)電機(jī)組內(nèi)的換流系統(tǒng)須要消耗一定的無(wú)功功率：

由于換流系統(tǒng)處無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功削減具有一定的時(shí)延，當(dāng)新能源發(fā)電機(jī)組出力波動(dòng)或者換流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可能使得換流系統(tǒng)大量無(wú)功流向受端交流系統(tǒng)，引起并網(wǎng)點(diǎn)處暫態(tài)電壓升高。

由式(1），(2）可以看出，分布式新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)后，可能引起的暫態(tài)電壓變化與系統(tǒng)短路容量、新能源發(fā)電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)輸出的有功大小有緊密的關(guān)系，可以通過(guò)引入相關(guān)約束條件，優(yōu)化新能源發(fā)電機(jī)組的出力，維持受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處暫態(tài)電壓穩(wěn)定，進(jìn)而改善新能源發(fā)電機(jī)組接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 新能源并網(wǎng)短路比模型

新能源并網(wǎng)短路比可以用來(lái)分析、研究受端電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力以及受端電網(wǎng)穩(wěn)定性的變化特性[17]。因此，首先推導(dǎo)計(jì)算新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)的短路比，然后考慮短路比約束，對(duì)受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電機(jī)組出力進(jìn)行優(yōu)化。

以圖1為例，受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)i處母線的電壓可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)新能源并網(wǎng)短路比的基本物理含義，結(jié)合式(3），可得新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)后，第i個(gè)受端系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處的短路比為

式中：SCRNew，i為第i個(gè)受端交流系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處的短路比；U.NR，i為第i個(gè)受端交流系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處的母線標(biāo)稱電壓值；I.New，i為新能源發(fā)電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)提供的短路電流大小。

將式(7）進(jìn)一步變形推導(dǎo)，可得：

由式(8）可以看出，考慮多個(gè)新能源發(fā)電機(jī)組間的影響，新能源并網(wǎng)短路比SCRNew，i與新能源發(fā)電機(jī)組輸出功率有緊密的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化新能源發(fā)電機(jī)組的出力，增大新能源并網(wǎng)短路比SCRNew，i，可以使受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性能更高。

3 考慮短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化模型

優(yōu)化受端電網(wǎng)的新能源出力，可以表述為求解合適的新能源發(fā)電機(jī)組出力，使得受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處電壓穩(wěn)定性高，且滿足新能源并網(wǎng)短路比約束條件。因此，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以表示為受端電網(wǎng)新能源棄電成本、火電機(jī)組運(yùn)行成本最小。

式中：fNew為受端電網(wǎng)新能源出力的優(yōu)化目標(biāo)；Cq為新能源棄電單位成本；ΔPNew，i為受端電網(wǎng)新能源 的 棄 電 量，可 按 式(11）進(jìn) 行 計(jì) 算；fj(PG，j）為 受 端電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組運(yùn)行成本，可按式(12）進(jìn)行計(jì)算；m為受端電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組數(shù)量。

在優(yōu)化受端電網(wǎng)新能源的出力時(shí)，須要考慮以下約束條件。

①新能源發(fā)電機(jī)組出力約束

②換流系統(tǒng)約束條件

式中：δd，i為換 流系 統(tǒng)的換 流功 率因 數(shù)；分別為換流系統(tǒng)換流功率因數(shù)的最小值、最大值；QC，i為換流系統(tǒng)處無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功補(bǔ)償容量；分別為換流系統(tǒng)處無(wú)功補(bǔ)償容量的最小值、最大值。

③新能源并網(wǎng)短路比約束

式中：SCRNew，ref為新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)后的短路比最低值。

④受端電網(wǎng)火電機(jī)組運(yùn)行約束

式中：QG，j為受端電網(wǎng)火電機(jī)組輸出的無(wú)功；分別為受端電網(wǎng)火電機(jī)組輸出的有功的最小值、最大值；分別為受端電網(wǎng)火電機(jī)組輸出的無(wú)功的最小值、最大值；分別為受端電網(wǎng)火電機(jī)組爬坡限制的上、下限。

本文通過(guò)多次迭代的方法求解考慮短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化模型。

首先設(shè)定受端電網(wǎng)中新能源機(jī)組向受端電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄Αo(wú)功為一個(gè)較小的初始值，同時(shí)設(shè)定火電機(jī)組的有功、無(wú)功輸出為一較大的初始值，然后逐步迭代增加新能源機(jī)組輸出的有功、無(wú)功，減小火電機(jī)組輸出的有功、無(wú)功，并同時(shí)計(jì)算該過(guò)程中新能源并網(wǎng)短路比SCRNew，i的值，判斷是否滿足約束條件，直至該地區(qū)受端電網(wǎng)達(dá)到最低的短路比；若在求解過(guò)程中，不滿足短路比約束時(shí)，可以先嘗試迭代增加新能源機(jī)組輸出的有功、無(wú)功，不改變火電出力，并判斷新能源并網(wǎng)短路比SCRNew，i是否滿足約束條件，比較此時(shí)方案的運(yùn)行成本，最終求解得到受端電網(wǎng)新能源發(fā)電機(jī)組出力的最優(yōu)方案。具體求解流程如圖2所示。

圖2 模型求解Fig.2 Model solution

4 算例分析

為驗(yàn)證本文建立的基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化方法，搭建如圖3所示的受端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析。其中，G1，G2，G3，G4為接入受端電網(wǎng)中的新能源發(fā)電機(jī)組，G5，G6為接入受端電網(wǎng)中的原有火電機(jī)組，部分仿真參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE算例參數(shù)，其他具體的受端電網(wǎng)邊界條件參數(shù)如表1所示。

表1 受端系統(tǒng)主要邊界條件Table 1 Main boundary conditions of the receiving power grid

圖3 受端系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Power grid structure of the receiving power grid

本文設(shè)定受端電網(wǎng)的短路容量為500 MV?A，設(shè)定臨界新能源并網(wǎng)短路比為2，受電壓支撐能力的限制，新能源發(fā)電機(jī)組出力并網(wǎng)的最大容量為290 MW?；谏鲜鰠?shù)，對(duì)考慮新能源并網(wǎng)短路比約束下的受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，并分析受端電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電機(jī)組出力的接納情況。

首先，在圖3的受端電網(wǎng)模型中，分別設(shè)定母線節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4處發(fā)生短路故障，且1 s后受端電網(wǎng)切除短路故障，受端系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的母線節(jié)點(diǎn)電壓曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在未考慮新能源并網(wǎng)短路比約束的情況下，母線節(jié)點(diǎn)3處發(fā)生短路時(shí)電壓波動(dòng)較大，電壓在1 s時(shí)開(kāi)始跌落，1.5 s跌至最低；母線節(jié)點(diǎn)4處發(fā)生短路時(shí)電壓波動(dòng)也較大，在1.3 s時(shí)電壓跌至最低值。考慮新能源并網(wǎng)短路比約束時(shí)，發(fā)生系統(tǒng)短路后電壓波動(dòng)較小。這表明考慮新能源并網(wǎng)短路比約束對(duì)受端電網(wǎng)新能源出力進(jìn)行優(yōu)化，可以很好地抑制受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處暫態(tài)電壓波動(dòng)。

圖4 受端電網(wǎng)母線節(jié)點(diǎn)電壓曲線Fig.4Voltage curve of the bus node in the receiving power grid

受端電網(wǎng)部分參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，受端電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電機(jī)組出力的接納能力也發(fā)生變化，如表2所示。由表2可以看出，受端電網(wǎng)用電量的提升、火電機(jī)組出力的減少，都可以增加受端電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電機(jī)組出力的接納能力。

表2 參數(shù)變化時(shí)受端電網(wǎng)新能源接納能力計(jì)算Table 2 Calculation of new energy acceptance capacity of the receiver power grid when parameters change

受端電網(wǎng)新能源發(fā)電機(jī)組出力的并網(wǎng)規(guī)模與新能源并網(wǎng)短路比變化趨勢(shì)的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，前5 s時(shí)受端電網(wǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)出力的不斷增加，并網(wǎng)點(diǎn)電壓逐漸降低，15 s時(shí)，受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)出力達(dá)到最大值，即290 MW后，受端電網(wǎng)電壓逐漸失去穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)新能源并網(wǎng)短路比的合理設(shè)置，并考慮新能源并網(wǎng)短路比約束條件，可有效提高受端系統(tǒng)的新能源發(fā)電接納水平，優(yōu)化受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力，同時(shí)有助于提升受端電網(wǎng)強(qiáng)度和受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓穩(wěn)定性，同時(shí)能夠抑制故障過(guò)程中受端電網(wǎng)的暫態(tài)電壓波動(dòng)。

圖5 新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對(duì)受端電網(wǎng)穩(wěn)定性影響Fig.5 Impact of new energy generation unit grid-connected on the stability of the receiving power grid

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究分析了受端電網(wǎng)內(nèi)分布式新能源發(fā)電機(jī)組接入后受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓穩(wěn)定性，并采用短路比指標(biāo)評(píng)估方法，建立了受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)短路比模型，在此基礎(chǔ)上，考慮新能源并網(wǎng)短路比等其他約束，建立了受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力優(yōu)化模型。最后，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了本文所提出的基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力優(yōu)化方法的有效性。

通過(guò)理論、仿真分析，驗(yàn)證了在考慮短路比約束的受端電網(wǎng)優(yōu)化過(guò)程中，提升新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)出力，保證受端電網(wǎng)的短路比滿足最低要求，能夠提高受端電網(wǎng)的強(qiáng)度，保持受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定，盡可能提高受端電網(wǎng)的新能源接納能力。