趙會瑩，楊明玉

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

TK 08

A

2096-2185(2017)05-0041-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.05.007

含大規(guī)模風(fēng)光電源的電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

趙會瑩，楊明玉

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

針對電壓穩(wěn)定評估指標(biāo)從有功功率或無功功率單方面去評價而產(chǎn)生的結(jié)果差異問題，提出了一種用于分析大規(guī)模風(fēng)電場、光伏電站接入電網(wǎng)后系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的綜合評價指標(biāo)。通過功率-電壓曲線計算節(jié)點電壓的有功靈敏度指標(biāo)IP，來研究風(fēng)電場、光伏電站聯(lián)合接入電網(wǎng)后的風(fēng)光電源有功出力變化對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響；通過計算含大規(guī)模風(fēng)光電源的系統(tǒng)節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)IQ，來進行系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的評估；在這基礎(chǔ)上，根據(jù)理想點法將這2種指標(biāo)進行綜合得到系統(tǒng)的綜合評價指標(biāo)I.利用評價指標(biāo)IP、IQ、I對山西省實際電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行分析，判斷出山西電網(wǎng)中電壓相對薄弱節(jié)點和區(qū)域，并對這3個指標(biāo)下的電網(wǎng)電壓薄弱區(qū)域進行對比分析，驗證了綜合評價指標(biāo)的全面性。

靜態(tài)電壓穩(wěn)定性；有功靈敏度指標(biāo)；節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)；理想點法

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，常規(guī)能源(如煤炭、石油、天然氣)消耗過度，這使得能源緊缺和環(huán)境污染成為各國發(fā)展的主要瓶頸。與其他國家相比，“富煤貧油少氣”是我國獨特的能源結(jié)構(gòu)，這使得我國在探索煤炭的清潔化利用之外，開發(fā)利用清潔的可再生能源是國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，其中，以風(fēng)能、光伏電源為代表的間歇性可再生能源的開發(fā)利用，成為可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策之一。然而，風(fēng)電、光伏出力的隨機性、波動性和間歇性，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題成為不容忽視的問題[1-2]，因此對電網(wǎng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定性進行分析，評估出系統(tǒng)的薄弱節(jié)點，對電網(wǎng)的正常高效運行是很有必要的。

目前，關(guān)于系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析方法已經(jīng)取得了一定的進展，各專家學(xué)者從不同的角度分析電網(wǎng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定性，并采取不同分析方法，得到系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性評估指標(biāo)及系統(tǒng)的薄弱節(jié)點。目前電壓薄弱區(qū)域識別的方法有很多，如靈敏度法、奇異值分解法、特征值分解法[3-5]等，文獻[6]利用節(jié)點靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)識別系統(tǒng)薄弱節(jié)點，然后通過電壓幅值優(yōu)化來提高薄弱節(jié)點靜態(tài)電壓裕度；文獻[7]計算風(fēng)機不同出力下反映電網(wǎng)節(jié)點電壓薄弱程度的LC指標(biāo)，通過統(tǒng)計分析估計電網(wǎng)的薄弱區(qū)域及其薄弱程度；文獻[8]采用電壓變化指標(biāo)來判定系統(tǒng)的薄弱節(jié)點；文獻[9]通過參數(shù)等值和奇異值分解的方法來確定電壓穩(wěn)定薄弱節(jié)點；文獻[10-11]采用模態(tài)分析法來確定電壓薄弱節(jié)點。從以上文獻所涉及的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)可以得出，每一種指標(biāo)都是從不同的方面來分析，與系統(tǒng)的某種特定運行狀態(tài)有密切的關(guān)系，如與有關(guān)負荷相關(guān)、或者與無功負荷相關(guān)等[12]，這使得其有一定的局限性?，F(xiàn)有文獻，也有考慮到單一指標(biāo)的非全面性，文獻[13]基于理想點法，對有功負荷裕度和靈敏度指標(biāo)進行綜合評價，文獻[14]通過結(jié)構(gòu)熵權(quán)法，提出了由節(jié)點電壓隨風(fēng)電場發(fā)出有功功率變化的靈敏度指標(biāo)和節(jié)點無功裕度指標(biāo)構(gòu)成的雙重電壓穩(wěn)定指標(biāo)。本文以2017年山西電網(wǎng)冬季典型運行方式下規(guī)模風(fēng)電、光伏電源聯(lián)合接入電網(wǎng)為研究的主要背景，考慮風(fēng)光電源聯(lián)合影響，利用PSD-BPA潮流程序，分析系統(tǒng)中風(fēng)電場、光伏電站有功出力聯(lián)合變化引起的靈敏度指標(biāo)IP、含大規(guī)模風(fēng)光電源的系統(tǒng)節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)IQ及基于理想點法形成的綜合評價指標(biāo)I，著重分析在以上3個指標(biāo)下山西電網(wǎng)的電壓薄弱節(jié)點和薄弱區(qū)域，為山西電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運行提供支撐。

1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法及指標(biāo)選取

電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是指在給定的初始運行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)遭受擾動后系統(tǒng)中所有母線維持穩(wěn)定電壓的能力，其依賴于負荷需求與系統(tǒng)向負荷供電之間保持或恢復(fù)平衡的能力。根據(jù)擾動的大小，電壓穩(wěn)定分為小擾動電壓穩(wěn)定和大擾動電壓穩(wěn)定，小擾動電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小擾動后，系統(tǒng)所有母線維持穩(wěn)定電壓的能力，小擾動電壓穩(wěn)定也稱為靜態(tài)電壓穩(wěn)定；大擾動電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受大擾動如系統(tǒng)故障、失去發(fā)電機或線路之后，系統(tǒng)所有的母線保持電壓穩(wěn)定的能力，這過程可能是短期的或長期的，其中，短期電壓穩(wěn)定又稱暫態(tài)電壓穩(wěn)定[15-17]。本文主要針對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行研究。

1.1基于功率-電壓曲線的靜態(tài)電壓分析及指標(biāo)選取

功率-電壓(PU)曲線是一種基于電壓穩(wěn)定機理的基本的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的工具。其中：P可表示為某區(qū)域的總負荷，也可表示傳輸斷面或區(qū)域聯(lián)絡(luò)線上的傳輸功率；U為關(guān)鍵母線電壓，通過建立負荷與節(jié)點電壓間的關(guān)系，能形象地、連續(xù)地顯示隨著負荷或傳輸功率的增加，系統(tǒng)電壓降低乃至崩潰的過程[17]。從繪制的功率-電壓曲線中可以得到：(1)系統(tǒng)節(jié)點負荷靈敏度指標(biāo)ΔU/ΔP，ΔU為節(jié)點電壓變化量，ΔP為系統(tǒng)有功功率變化量，此計算值越大表明這個節(jié)點越薄弱；(2)系統(tǒng)節(jié)點電壓變化指標(biāo)(U0-U1)/U1，其中U0表示系統(tǒng)節(jié)點的初始電壓，U1表示系統(tǒng)節(jié)點在負荷或傳輸功率極限狀態(tài)下的電壓，這個指標(biāo)代表區(qū)域中負荷或傳輸功率增長引起節(jié)點的變化，其計算值越大表明這個節(jié)點越薄弱；(3)系統(tǒng)節(jié)點負荷裕度指標(biāo)(P1-P0)/P0，其中P0表示系統(tǒng)節(jié)點的初始有功負荷，P1系統(tǒng)節(jié)點的極限有功負荷，這個指標(biāo)代表區(qū)域的有功裕度，其計算值越小表明這個節(jié)點越薄弱[17]。

本文利用功率-電壓曲線的節(jié)點有功靈敏度指標(biāo)ΔU/ΔP來研究風(fēng)電、光伏聯(lián)合接入電網(wǎng)對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，其中，P代表系統(tǒng)中風(fēng)電場、光伏電站發(fā)出的總有功功率，U為新能源接入點或其他關(guān)鍵母線電壓，可反映當(dāng)新能源并入系統(tǒng)的功率變化時，系統(tǒng)電壓會隨之發(fā)生改變，進而可實現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電、光伏并網(wǎng)的電力系統(tǒng)潮流仿真。

1.2基于節(jié)點靈敏度分析的靜態(tài)電壓分析及應(yīng)用指標(biāo)選取

靈敏度分析方法是建立在電力系統(tǒng)潮流方程的基礎(chǔ)上，通過某些物理量之間的微分關(guān)系來研究系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性[17]。此方法可以判別系統(tǒng)節(jié)點的穩(wěn)定情況、系統(tǒng)的較薄弱節(jié)點及改善措施，主要包括節(jié)點靈敏度分析、線路靈敏度分析和損耗靈敏度分析，其中，節(jié)點靈敏度分析包括由無功擾動或有功擾動引起的各節(jié)點電壓變化值及變化量，線路靈敏度分析包括由線路電抗變化或節(jié)點并聯(lián)導(dǎo)納變化所引起的線路有功潮流變化量、系統(tǒng)損耗變化量及節(jié)點電壓變化量,損耗靈敏度分析包括反映節(jié)點發(fā)電或者負荷有功/無功變化對系統(tǒng)損耗的影響及節(jié)點電壓變化對系統(tǒng)損耗的影響。

本文選用無功擾動引起的各節(jié)點電壓變化量即壓-無功靈敏度指標(biāo)無功擾動來評估含大規(guī)模風(fēng)光電源的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，為此，選擇在每個節(jié)點上加10 Mvar的并聯(lián)無功負荷擾動量，根據(jù)擾動節(jié)點的電壓變化情況，從而求得各節(jié)點的dU/dQ值，此值越大表明這個節(jié)點越薄弱。

2 綜合靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)

本文著重考慮風(fēng)光電源聯(lián)合并網(wǎng)的電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，因此對系統(tǒng)中風(fēng)電場、光伏電站有功聯(lián)合變化引起的靈敏度指標(biāo)IP和含大規(guī)模風(fēng)光電源的系統(tǒng)節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)IQ這2個指標(biāo)進行分析，并采用理想點法形成綜合評價指標(biāo)I，進而對3個指標(biāo)下電網(wǎng)節(jié)點電壓穩(wěn)定性進行分析。

2.1指標(biāo)預(yù)處理

假設(shè)系統(tǒng)中節(jié)點有n個，由上述2個指標(biāo)可以形成節(jié)點的指標(biāo)評價矩陣為

(1)

式中：IiP為節(jié)點i電壓對風(fēng)電場、光伏電站有功聯(lián)合變化引起的有功靈敏度指標(biāo)；IiQ為含大規(guī)模風(fēng)光電源的系統(tǒng)中第i個節(jié)點的電壓-無功靈敏度指標(biāo)。

有功靈敏度指標(biāo)和節(jié)點的電壓-無功靈敏度指標(biāo)在判斷系統(tǒng)薄弱節(jié)點時，都為指標(biāo)值越大，則表示節(jié)點越薄弱，但在計算中，前者采用標(biāo)幺值計算，后者采用的是有量綱的數(shù)值計算，因此，二者會在數(shù)量級上有一定的差別，為此，使用如下的標(biāo)準(zhǔn)化法進行處理：

(2)

2.2理想點法

(3)

利用以上敘述的理想點法，并考慮風(fēng)光聯(lián)合有功變化靈敏度指標(biāo)及含大規(guī)模風(fēng)光電源的系統(tǒng)節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)，進行綜合靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)。評價計算步驟如下：

(1) 利用式(1)形成節(jié)點的指標(biāo)評價矩陣；

(4) 利用式(3)計算節(jié)點的綜合靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)為：

(4)

式中ωP+ωQ=1。ωP和ωQ的取值代表了風(fēng)電場、光伏電站風(fēng)光聯(lián)合出力變化及節(jié)點無功對系統(tǒng)電壓的影響程度，可根據(jù)實際系統(tǒng)兩者對電壓的影響程度，對二者取一定的數(shù)值，計算出各點的綜合靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)，對指標(biāo)進行降序排列，從而得到系統(tǒng)各節(jié)點的電壓薄弱程度排序。

3 算例分析

3.1電網(wǎng)運行概況

本文對我國山西電網(wǎng)進行綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)計算，山西電網(wǎng)擁有晉北特、晉中特、長治3座1 000 kV變電站，變電容量均為2×3 000 MVA(晉北特、晉中特與山西500 kV及220 kV電網(wǎng)無直接電氣聯(lián)系)，500 kV網(wǎng)架層面上，山西電網(wǎng)形成了“三縱四橫”的500 kV骨干網(wǎng)架。山西電網(wǎng)2017年冬季典型運行方式下，山西電網(wǎng)機組出力共計42 529.1 MW，總負荷為24 192.3 MW。其中，風(fēng)電電源同時率按0.67考慮，出力共計7 737.8 MW；光伏電源同時率按0.78考慮，出力共計2 367.3 MW，新能源電源出力共計10 105.1 MW，占全省發(fā)電出力的23.8%。針對系統(tǒng)中大規(guī)模新能源并網(wǎng)對電壓的靜態(tài)穩(wěn)定進行分析。

采用PSD-BPA潮流作為本次研究的主要工具，計算得到山西電網(wǎng)中風(fēng)電場、光伏電站中風(fēng)光電源聯(lián)合出力波動時，節(jié)點電壓對風(fēng)電場、光伏電站所發(fā)聯(lián)合有功功率的靈敏度指標(biāo)IP=ΔU/ΔP，及節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)IQ=dU/dQ，并在Matlab中實現(xiàn)綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)。

3.2仿真計算

2017年山西電網(wǎng)冬季典型方式下,風(fēng)電場、光伏電站的有功出力可能在零至最大出力之間波動，其中風(fēng)機、光伏電源運行在恒功率因數(shù)方式下，功率因數(shù)恒為1，所有風(fēng)電場及部分光伏電站內(nèi)部裝有動態(tài)無功補償裝置。在風(fēng)電光伏出力變化過程中系統(tǒng)低壓無功補償、其他機組開停機方式以及機組機端電壓等均保持不變。考慮系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)電場、光伏電站內(nèi)動態(tài)無功補償裝置的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)作用，模擬山西新能源基地各風(fēng)電場及光伏電站出力從零到最大的變化情況，從而可得到系統(tǒng)各節(jié)點的電壓對風(fēng)電場、光伏電站所發(fā)有功功率的靈敏度指標(biāo)IP。

2017年山西電網(wǎng)冬季典型方式下，在系統(tǒng)每個變電站母線處加上大小為10 Mvar的并聯(lián)無功負荷擾動量，觀察各節(jié)點的電壓變化情況，從而計算出含大規(guī)模風(fēng)光電源系統(tǒng)各節(jié)點的電壓-無功靈敏度指標(biāo)IQ。

由于節(jié)點數(shù)目過多，本文對長治1 000 kV側(cè)母線、22個500 kV側(cè)母線及185個220 kV側(cè)母線的有功功率的靈敏度指標(biāo)和節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)進行了數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理，限于篇幅有限，本文列出了指標(biāo)數(shù)值較大的前20個節(jié)點數(shù)據(jù)，其原始記錄及數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果如表1、2。綜合考慮風(fēng)電場、光伏電站的有功出力及各節(jié)點的無功擾動，本文理論上認為兩者對節(jié)點的電壓穩(wěn)定性影響相同，取ωP=ωQ=0.5，從而可計算出和節(jié)點的綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)，表3列出了數(shù)值較大的前30個節(jié)點。

3.3計算結(jié)果分析

從仿真計算結(jié)果可以看出，2017年山西電網(wǎng)冬季典型方式下，當(dāng)山西新能源基地各風(fēng)電場及光伏電站出力從零到最大的變化及增加無功擾動時，從各節(jié)點電壓變化情況來看，各母線電壓均在正常運行范圍內(nèi)，電網(wǎng)電壓是穩(wěn)定的。

表1中，從有功變化靈敏度指標(biāo)排序的前20個節(jié)點中可以看出，其中有10個位于大同地區(qū)，8個位于朔州地區(qū)，2個位于忻州地區(qū)，這些節(jié)點都位于山西北部，并且多處于電網(wǎng)末端風(fēng)電場、光伏電站并網(wǎng)相連的節(jié)點。

表1 有功靈敏度指標(biāo)記錄及其預(yù)處理Table 1 Recording and preprocessing of active sensitivity index

表2 節(jié)點電壓-無功靈敏度指標(biāo)記錄及其預(yù)處理Table 2 Recording and preprocessing of node voltage reactive sensitivity index

表3 綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)排序Table 3 Sort of integrated voltage stability index

由表2可以看出，電壓-無功靈敏度指標(biāo)較大的節(jié)點位置分布較分散，2個指標(biāo)從不同的角度去評價節(jié)點存在較大的差異。從IP、IQ指標(biāo)分析得到的系統(tǒng)節(jié)點靜態(tài)電壓穩(wěn)定性差異可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)山西省內(nèi)各地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有不同，且其電源、負荷分配也不盡相同時，IP、IQ指標(biāo)對風(fēng)光電源聯(lián)合系統(tǒng)中母線電壓穩(wěn)定性的影響程度也不同，本文采用理想點法客觀、公正的評價指標(biāo)，得到更加精確的分析結(jié)果。

表3中，I指標(biāo)得到的結(jié)果與單個指標(biāo)得到的結(jié)果是部分一致的，有些節(jié)點的電壓穩(wěn)定性一直較好，而部分節(jié)點的電壓穩(wěn)定性變化較大，如壺泉220 kV變電站母線電壓隨風(fēng)電場、光伏電站出力波動變化較大，但是其緊鄰?fù)桨l(fā)電機，抵抗無功擾動的能力較大，電壓穩(wěn)定性較好，興縣220 kV變電站母線抵抗無功擾動的能力較小，但其受而風(fēng)電場、光伏電站出力波動變化較小，電壓穩(wěn)定性較差。因此從分析結(jié)果可以看出，I指標(biāo)結(jié)果綜合考慮了大規(guī)模風(fēng)電、光伏電源聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點的并聯(lián)無功負荷變化對系統(tǒng)母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，克服了IP、IQ指標(biāo)評價結(jié)果的非全面性。采用綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)更加合理全面地分析系統(tǒng)接入大規(guī)模風(fēng)電場、光伏電站后風(fēng)電機組、光伏電源出力的波動性和抗無功擾動的能力，更加準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1) 本文基于2017年山西電網(wǎng)冬季典型運行方式下，大規(guī)模風(fēng)電、光伏電源聯(lián)合接入系統(tǒng)后可能對系統(tǒng)節(jié)點的電壓穩(wěn)定造成影響這一點，利用功率-電壓曲線和靈敏度分析法對實際系統(tǒng)進行了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，并提出綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)，克服了單一指標(biāo)的片面性和結(jié)果差異性，綜合考慮了有功和無功功率對電壓的影響，結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確。

(2) 通過理想點法計算綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)節(jié)點電壓薄弱程度的客觀、公正、合理的評價，使結(jié)果更加可靠。

(3) 通過綜合電壓穩(wěn)定指標(biāo)得到的系統(tǒng)節(jié)點電壓薄弱程度排序，可采取加強薄弱節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或加裝無功補償裝置的措施，提高節(jié)點的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

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StaticVoltageStabilityAnalysisonGridWithLargeScaleWindandPhotovoltaicPower

ZHAO Huiying, YANG Mingyu

(School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electrical Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

The voltage stability index was merely established from the perspective of active power or reactive power, and it might generate different results. In order to solve the problem, this paper proposes an integrated voltage stability index to analyze the static voltage stability of the grid with large scale wind farm and photovoltaic plant connection. On one hand, it obtains the active sensitivity index IP of node voltage through power-voltage curve to study the impact of the active power change of wind-photovoltaic generation of the grid with wind farm and photovoltaic plant connection on the voltage stability of system. On the other hand, the node voltage reactive sensitivity index IQ of the grid with wind farm and photovoltaic plant connection is used in evaluating voltage stability of power system. On this basis, the integrated voltage stability index I is proposed by the integration of the above two indices based on ideal point method. We use the evaluation indexes IP, IQ and I to analyze the static voltage stability of the actual power grid in Shanxi province, which can identify the weak buses and areas of Shanxi grid. The comparison and analysis of the weak area of power grid under these three indexes verifies the comprehensiveness of the comprehensive evaluation index.

static voltage stability; active sensitivity index; node voltage reactive sensitivity index; ideal point method

趙會瑩

2017-06-15

趙會瑩(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為新能源并網(wǎng)技術(shù)，ncepu_zhy@126.com。楊明玉(1965—)，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制、新能源并網(wǎng)技術(shù)。

(編輯 蔣毅恒)