考慮電壓支撐強(qiáng)度約束的區(qū)域新能源出力分布優(yōu)化方法

張漢花,薛飛,李宏強(qiáng),吳玫蓉,顧文波

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

0 引 言

隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出和持續(xù)推進(jìn),新能源發(fā)電將繼續(xù)保持快速發(fā)展的態(tài)勢。在新能源優(yōu)勢地區(qū)建設(shè)大規(guī)模新能源基地,并經(jīng)特高壓直流輸電遠(yuǎn)距離輸送至負(fù)荷中心成為新能源開發(fā)利用的重要形式[1-3]。大規(guī)模新能源經(jīng)直流送出時(shí),直流送出線路發(fā)生換相失敗或直流閉鎖故障后,電網(wǎng)出現(xiàn)大量無功盈余,造成直流送端交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓[4],引起風(fēng)電、光伏等電力電子設(shè)備電壓超過其耐受能力,繼而引發(fā)新能源大規(guī)模脫網(wǎng)等連鎖故障,嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,系統(tǒng)過電壓問題已嚴(yán)重制約新能源消納及特高壓直流輸電能力。另外,隨著大型“沙戈荒”基地的建設(shè),新能源開發(fā)逐步向邊遠(yuǎn)地區(qū)延伸,局部地區(qū)新能源占比過高,出現(xiàn)新能源接入規(guī)模與交流系統(tǒng)強(qiáng)度不匹配的情況。當(dāng)交流系統(tǒng)無法提供可靠電壓支撐時(shí)[5-6],容易引發(fā)新能源發(fā)電設(shè)備鎖相同步失穩(wěn)、振蕩失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)[7]。

電網(wǎng)電壓支撐強(qiáng)度表示電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后系統(tǒng)維持電壓穩(wěn)定的能力,提升直流送端系統(tǒng)的電壓支撐強(qiáng)度可以有效降低交直流故障下的系統(tǒng)暫態(tài)過電壓幅值[8-9],從而提高直流輸電系統(tǒng)送電能力及新能源消納能力。短路比(short circuit ratio,SCR)是一種直觀簡單,能夠反映系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度的指標(biāo),交流系統(tǒng)越強(qiáng),短路比越大,系統(tǒng)故障后的暫態(tài)過電壓水平越低。對于多場站新能源接入系統(tǒng),因其覆蓋范圍廣、落點(diǎn)多且電壓等級較低,其短路比計(jì)算與傳統(tǒng)多饋入直流系統(tǒng)存在較大的差別,文獻(xiàn)[10]提出了場站位置相關(guān)短路比指標(biāo)(site-dependent short circuit ratio,SDSCR),文獻(xiàn)[11]給出了計(jì)及新能源多場站間相互影響的新能源多場站短路比(multiple renewable energy stations short circuit ratio,MRSCR)定義,因其充分考慮了各新能源饋入支路電氣量幅值、相位差異,并可計(jì)及新能源發(fā)電設(shè)備的無功影響,適用于多種場景的新能源接入系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度的評價(jià)。

提高系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度可以通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化無功補(bǔ)償配置等規(guī)劃層面提升交流系統(tǒng)的強(qiáng)度。文獻(xiàn)[12]通過協(xié)調(diào)換流站濾波電容器和調(diào)相機(jī)的無功規(guī)劃,改善了系統(tǒng)暫態(tài)過電壓水平。文獻(xiàn)[13]通過合理開斷受端電網(wǎng)線路,提高直流多饋入短路比,從而提升直流系統(tǒng)輸電能力。還可從優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式等運(yùn)行層面解決文獻(xiàn)[14]對傳統(tǒng)新能源場站等比例出力分配原則計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn),提出一種以運(yùn)行廣義短路比最大為目標(biāo)的新能源集群并網(wǎng)出力優(yōu)化調(diào)度方案。目前從優(yōu)化運(yùn)行層面提升系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度研究較少,且依據(jù)新能源多場站接入系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度約束下的新能源出力分布與接納規(guī)模的相關(guān)研究尚屬空白。為此,依據(jù)文獻(xiàn)[11]提出的新能源多場站短路比指標(biāo),提出一種區(qū)域新能源出力優(yōu)化算法,以提升區(qū)域新能源消納水平。

首先,簡要闡述了新能源多場站短路比指標(biāo)的計(jì)算方法,并推導(dǎo)了新能源出力優(yōu)化原理,從滿足新能源多場站短路比約束條件出發(fā),建立了新能源出力優(yōu)化約束問題的實(shí)施框架;其次,提出基于模擬退火算法的新能源出力優(yōu)化方法;最后,以某省級電網(wǎng)為例,仿真驗(yàn)證所提算法對提升區(qū)域電網(wǎng)新能源消納能力的效果。

1 新能源多場站短路比指標(biāo)

1.1 新能源多場站短路比

圖1 高比例新能源接入系統(tǒng)簡化模型

依據(jù)文獻(xiàn)[11],當(dāng)X/R≥10時(shí),新能源發(fā)電設(shè)備i并網(wǎng)母線處的多場站短路比MRSCRi可表示為

(1)

式中:Saci表示第i個(gè)新能源并網(wǎng)母線的短路容量,Saci=|UNiUi/Zeqii|;UNi為第i個(gè)并網(wǎng)母線節(jié)點(diǎn)標(biāo)稱電壓;Ui為節(jié)點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行電壓;Zeqij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;∏ij為新能源并網(wǎng)母線i和j之間的功率折算因子,ij=ZeqijUi/ZeqiiUj。

若進(jìn)一步假設(shè)Ui=Ui=1,則式(1)可簡化為

(2)

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

1.2 新能源出力優(yōu)化的原理

由式(1)可以看出,MRSCRi主要受節(jié)點(diǎn)處的短路容量影響,同時(shí)也與各新能源場站的有功出力、節(jié)點(diǎn)運(yùn)行電壓以及等值阻抗有關(guān)。新能源場站的有功出力、節(jié)點(diǎn)運(yùn)行電壓是系統(tǒng)運(yùn)行層面的重要參數(shù),通過優(yōu)化上述參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行層面提高M(jìn)RSCRi。對式(2)求導(dǎo)可得

(3)

由式(3)可知,上述表達(dá)式是恒小于0的值,表明隨著新能源場站的并網(wǎng)有功功率的增大,節(jié)點(diǎn)MRSCRi逐步降低,考慮地區(qū)天氣因素,新能源場站達(dá)到的最大有功功率小于額定功率PNREi。以西北地區(qū)為例,綜合歷年風(fēng)光運(yùn)行特性,一般風(fēng)電最高同時(shí)率為0.7,光伏最高同時(shí)率為0.8。另外,式(3)表明,?MRSCRi/?PREi與PREi成正比,雖然降低新能源場站的并網(wǎng)有功功率可以增大MRSCRi,但當(dāng)功率降低到一定水平后,功率對于MRSCRi的敏感性逐步削弱,通過優(yōu)化功率提升MRSCRi效果減弱。

2 多約束下新能源出力分布優(yōu)化問題

將多場站短路比作為新能源出力優(yōu)化問題的主要約束條件,以區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)各新能源機(jī)組出力為決策變量,以優(yōu)化出力分布為手段,以最大化區(qū)域電網(wǎng)新能源總出力為目標(biāo),可以構(gòu)建求解約束優(yōu)化問題的基本框架。

約束優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù),即區(qū)域內(nèi)新能源機(jī)組總出力為

(4)

在這一優(yōu)化問題中,存在2個(gè)約束條件:一是電網(wǎng)電壓強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)約束;二是區(qū)域新能源機(jī)組出力范圍約束。

1)電網(wǎng)電壓強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)約束。根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算規(guī)范》(GB/T 40581—2021)[15]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(yīng)低于1.5,使用多場站短路比作為電網(wǎng)電壓強(qiáng)度指標(biāo)時(shí),多場站短路比不應(yīng)小于1.5。

2)新能源機(jī)組出力約束。新能源機(jī)組存在本身的固有功率上限PREi_max,同時(shí)電網(wǎng)各區(qū)域在規(guī)劃、運(yùn)行等計(jì)算場景中,對應(yīng)著不同的天氣、計(jì)算邊界條件等因素約束的新能源機(jī)組i出力上限Pilim_up,及下限Pilim_low,對機(jī)組i而言,應(yīng)有

PREi lim_low≤PREi≤PREi lim_up

(5)

結(jié)合目標(biāo)函數(shù)、電網(wǎng)電壓強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)約束條件以及區(qū)域新能源機(jī)組出力范圍約束條件,形成求解區(qū)域新能源出力優(yōu)化問題的表達(dá)式:

基于此式提出求解區(qū)域新能源出力分布優(yōu)化問題遵循的基本框架,如圖2所示。

圖2 區(qū)域新能源出力分布優(yōu)化問題求解基本框架

首先,采集電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各新能源機(jī)組有功功率值、功率折算因子和等值阻抗矩陣等基本信息,并檢查系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓、線路功率及變壓器上下網(wǎng)功率,確保電網(wǎng)潮流分布的合理性;其次,結(jié)合各地區(qū)新能源發(fā)電設(shè)備出力特性,確定各機(jī)組出力約束條件,形成如式(6)的約束優(yōu)化表達(dá)式;最后,基于當(dāng)前各新能源發(fā)電設(shè)備功率分布計(jì)算各機(jī)組MRSCR值,并判斷是否滿足約束條件,如果滿足約束條件則獲得約束優(yōu)化的求解結(jié)果;如果不滿足,則在約束條件內(nèi)對區(qū)域新能源進(jìn)行出力調(diào)整,并反復(fù)循環(huán)迭代,以使得出力分布最終更趨近于優(yōu)化目標(biāo),并獲得符合目標(biāo)的出力分布。

3 基于模擬退火算法的出力優(yōu)化方法

模擬退火算法是模擬晶體退火過程的1種基于概率的隨機(jī)尋優(yōu)算法,因熔融金屬中粒子的統(tǒng)計(jì)力學(xué)問題與復(fù)雜組合最優(yōu)化問題的求解過程具有相似性而被廣泛應(yīng)用。模擬退火算法的核心是Metropolis準(zhǔn)則的采用,其優(yōu)勢在于在物體降溫過程中除了接受優(yōu)值,還會(huì)根據(jù)溫度變量產(chǎn)生的概率而接受較差的值,從而增大算法在尋優(yōu)過程中跳出局部優(yōu)解的概率[16]。理論證明只要模擬過程足夠充分,模擬退火算法就可以以概率1收斂到全局最優(yōu)解[16]。實(shí)際上很難做到使退火過程模擬足夠充分,但即便模擬過程不太充分,通常也能夠找到接近全局最優(yōu)解的次最優(yōu)解。

基于模擬退火算法的區(qū)域電網(wǎng)新能源出力分布優(yōu)化流程,如圖3所示。

圖3 基于模擬退火算法的區(qū)域電網(wǎng)新能源出力分布優(yōu)化流程

1)設(shè)定最高溫度Tmax、最低溫度Tmin和降溫速率Rde,并令初始溫度T=Tmax。其中降溫速率Rde<1,通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)置Tmax,可以控制退火的快慢。

2)對于給定的出力分布方式,使用排序算法將所有新能源機(jī)組的多場站短路比優(yōu)化到滿足設(shè)備最低安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),并以此時(shí)的出力分布為初始狀態(tài)。其中排序算法是指按照多場站短路比對各新能源機(jī)組進(jìn)行排序,對最大的N個(gè)新能源機(jī)組在對應(yīng)的出力約束范圍內(nèi)逐次提升出力,對最小的N個(gè)新能源機(jī)組在對應(yīng)的出力約束范圍內(nèi)逐次降低出力,直至所有機(jī)組的多場站短路比滿足不低于1.5要求。各新能源場站多場站短路比對于并網(wǎng)有功功率敏感性不同,對于接入極弱交流網(wǎng)架的新能源場站,即便有功出力下降為零,仍然存在多場站短路比不滿足要求的情況,此時(shí)需要從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、加裝分布式調(diào)相機(jī)等規(guī)劃層面提升多場站短路比。本文為保證算法的收斂性,剔除了5%以內(nèi)對出力優(yōu)化不敏感的機(jī)組,并對其出力不進(jìn)行優(yōu)化。

3)為每臺機(jī)組賦予隨機(jī)微小擾動(dòng)ΔPi,Prandom為設(shè)定的單次最大微小擾動(dòng)量絕對值,則ΔPi的取值范圍為[-Prandom,Prandom]。

4)判定獲得隨機(jī)擾動(dòng)后的狀態(tài)是否同時(shí)滿足約束條件以及Metropolis準(zhǔn)則,若同時(shí)滿足,則更新這組擾動(dòng)后的狀態(tài);否則,不更新狀態(tài)并返回第三步。

每次更新狀態(tài)后,更新溫度T=T×Rde。隨著狀態(tài)的改變會(huì)持續(xù)降溫,降低至最低溫度之前,有T>Tmin,則返回第三步;循環(huán)第三步和第四步,直至出現(xiàn)T≤Tmin,則輸出狀態(tài),并視為一組優(yōu)化結(jié)果。

4 算例驗(yàn)證

4.1 某省級電網(wǎng)情況

為高效開發(fā)利用新能源,該省將投運(yùn)1條以輸送大型沙戈荒新能源為主的特高壓直流。由圖4可以看出,該特高壓直流近區(qū)電源以大規(guī)模集中并網(wǎng)光伏、風(fēng)電為主,局部新能源裝機(jī)占比超過80%,且缺乏大容量火電機(jī)組支撐,系統(tǒng)電壓支撐能力相對較弱。

圖4 某省級電網(wǎng)局部接線

4.2 多場站短路比的新能源出力受限情況

結(jié)合新能源最大發(fā)電能力歷史情況,考慮區(qū)域新能源大發(fā)方式,光伏同時(shí)率0.8,風(fēng)電同時(shí)率 0.7,預(yù)計(jì)2025年該省全網(wǎng)新能源總出力39 354 MW,此時(shí)各新能源場站機(jī)端多場站短路比區(qū)間為0.769～2.701,其中僅有14.6%機(jī)組多場站短路比不低于1.5,其余機(jī)組均未達(dá)標(biāo),以特高壓直流近區(qū)的配套新能源為例,E一、二、三、四、五新能源機(jī)端多場站短路比僅為1.1左右,如表1所示。

表1 某直流近區(qū)新能源多場站短路比及暫態(tài)壓升情況

由于特高壓直流近區(qū)新能源多場站短路比小于1.5,交流網(wǎng)架電壓支撐能力薄弱,系統(tǒng)發(fā)生交直流故障后,造成換流站及近區(qū)新能源暫態(tài)過電壓超過設(shè)備耐壓能力,嚴(yán)重制約了該省特高壓直流送電能力及新能源消納能力。以該省變電站SP至換流站兩回750 kV輸電線路發(fā)生同桿N-2故障為例,近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)壓升達(dá)到0.4 p.u.,如表1所示,新能源短路比越小,暫態(tài)過電壓問題越嚴(yán)重。針對短路比低于1.5的情況,運(yùn)行中通常按照新能源發(fā)電設(shè)備額定容量等比例降低各場站新能源出力,以滿足多場站短路比大于1.5的要求。

4.3 基于模擬退火算法的新能源出力優(yōu)化

對于上述新能源最大發(fā)電方式,應(yīng)用模擬退火算法進(jìn)行新能源出力優(yōu)化,并設(shè)定初始溫度T=200,最小溫度Tmin=0.1,降溫速率Rde=0.9,Prandom=1 MW,結(jié)合該省新能源出力特性,對于風(fēng)電機(jī)組Pilim_up=0.7PNRE i,光伏機(jī)組Pilim_up=0.8PNRE i,風(fēng)電光伏Pilim_low=0 MW。圖5為采用排序算法及模擬退火算法后,各新能源機(jī)組多場站短路比的對比圖可以看出,初始方式下電網(wǎng)內(nèi)大部分機(jī)組多場站短路比低于1.5,應(yīng)用排序算法及模擬退火算法后,各機(jī)組多場站短路比均滿足大于1.5的要求,實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)所有新能源機(jī)組的多場站短路比均滿足設(shè)備最低安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。另外,對比2種算法下機(jī)組多場站短路比分布,可以看出排序算法下各機(jī)組多場站短路比高于1.5的情況較多,機(jī)組出力沒有得到充分利用,而模擬退火算法下機(jī)組多場站短路比接近1.5臨界值要求,機(jī)組出力得到了最大化利用。

圖5 不同算法下新能源機(jī)組多場站短路比分布

圖6為采用排序算法及退火算法后,各新能源機(jī)組有功出力分布?？梢钥闯?排序算法下為滿足所有機(jī)組多場站短路比大于1.5要求,各新能源機(jī)組出力處于較低水平,而模擬退火算法下各機(jī)組出力得到了充分利用,在滿足多場站短路比最低要求的情況下實(shí)現(xiàn)了區(qū)域新能源出力的最大化。

圖6 不同算法下新能源機(jī)組有功出力分布

表2為不同算法下該省新能源整體消納能力的對比情況,采用等比例降低新能源出力方法,新能源消納能力為17 431 MW;采用排序算法,新能源消納能力提升至20 533 MW,提升18%;而采用模擬退化算法,新能源消納能力提升至30 752 MW,提升76%,提升效果顯著。

表2 不同算法下新能源消納能力對比

5 結(jié) 論

基于新能源多場站短路比指標(biāo),分析了優(yōu)化新能源出力對提升系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度的可行性。以新能源多場站短路比為主要約束,構(gòu)建了區(qū)域新能源出力優(yōu)化問題基本框架,并提出了基于模擬退火算法的區(qū)域新能源出力優(yōu)化算法。

通過某省級電網(wǎng)典型算例的仿真驗(yàn)證,表明基于模擬退火算法的區(qū)域新能源出力優(yōu)化算法能夠顯著提升區(qū)域電網(wǎng)新能源消納能力,相較于傳統(tǒng)基于額定裝機(jī)容量的等比例降低新能源出力的方法具有明顯優(yōu)勢,可以改善新能源受限情況,并提升系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度。