洪雯，林濤，陳寶平

(武漢大學 電氣工程學院，武漢430072)

0 引 言

隨著煤炭、石油和天然氣等一次性能源的日益枯竭，電力系統(tǒng)對新能源發(fā)電如光伏、風力發(fā)電的需求越來越大。但是由于清潔能源并網(wǎng)運行存在一系列問題，給電網(wǎng)安全運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。因此，清潔能源并網(wǎng)后的運行狀態(tài)的評估，具有廣闊的研究前景。目前，許多專家學者已經(jīng)對電網(wǎng)運行狀態(tài)[3-4]的研究方法進行了深入的研究[5-10]。文獻[5-7]采用連續(xù)潮流法來求解負荷節(jié)點的臨界運行點，雖克服了雅克比矩陣在臨界點的病態(tài)問題，但可能出現(xiàn)因參數(shù)的選擇不當而遇到的數(shù)值病態(tài)解，并且很難確保潮流計算結(jié)果一定收斂；文獻[8-10]從能量函數(shù)法的角度出發(fā)，分析擾動后制約系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的最薄弱的支路和割集，辨識擾動后電網(wǎng)中仍然可能的故障環(huán)節(jié)，但是并未考慮的擾動前的電網(wǎng)運行狀態(tài)。

針對清潔能源接入電網(wǎng)的運行狀態(tài)評估問題，本文基于負荷節(jié)點的運行參數(shù)，運用短路容量理論，提出了負荷節(jié)點運行狀態(tài)的評價方法及指標，繼而通過對比求得的節(jié)點指標探討不同類型的電源對電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響。此外，本文在IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)中進行了仿真并將仿真結(jié)果與連續(xù)潮流法的負荷節(jié)點裕度指標計算結(jié)果進行了比對，驗證該方法的有效性。本文所述的運行狀態(tài)評估方法考慮了有清潔能源接入的情況，完善了電網(wǎng)運行狀態(tài)的評估體系；且計算方法簡單，物理概念清晰，為電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度運行提供決策支持，具有在線應(yīng)用前景。

1 基于短路容量裕度的負荷節(jié)點運行狀態(tài)評價方法

短路容量是節(jié)點電壓強度的標志，反映該節(jié)點的電壓穩(wěn)定性及帶負荷的能力。當負荷節(jié)點i接入一新電源時，面向負荷節(jié)點i的戴維南等值電路如圖1所示。

圖1 負荷節(jié)點的戴維南等值電路

根據(jù)定義，圖1中負荷節(jié)點i的所需的短路容量：

(1)

定義節(jié)點i處的系統(tǒng)側(cè)可提供的短路容量：

(2)

(3)

系統(tǒng)和電源可提供的總短路容量為：

(4)

通過比較負荷節(jié)點i的所需的短路容量與負荷節(jié)點實際所需短路容量的大小，即可識別負荷節(jié)點的運行狀態(tài)，定義負荷節(jié)點的運行狀態(tài)指標ωri為：

(5)

2 短路容量的計算

本章介紹了接入電源提供的短路容量的計算方法。該計算方法中，所有節(jié)點均為PQ節(jié)點，且沒有考慮電源內(nèi)部具體接線和變壓器的影響。

2.1 負荷節(jié)電運行狀態(tài)評價方法

運用兩點法思想，通過求解電路方程推導出戴維南參數(shù)的解析式，直接算出戴維南參數(shù)。按照一定的遷移規(guī)律，只改變被觀察負荷節(jié)點處的有功功率和無功功率大小，嚴格保持電網(wǎng)其他節(jié)點的功率以及系統(tǒng)的運行方式、拓撲結(jié)構(gòu)不變，則可得到被觀察負荷節(jié)點處的運行領(lǐng)域點。

通過計算潮流和實時監(jiān)測等方法，可獲得負荷節(jié)點i處初始運行點與領(lǐng)域點的節(jié)點電壓和負荷電流數(shù)據(jù)，運行點及其鄰域點的節(jié)點電壓和電流分別以V0∠φv0、I0∠φl0和V1∠φv1、I1∠φl1來表示。

假定運行點到領(lǐng)域點戴維南參數(shù)保持不變，根據(jù)電路原理：

(6)

經(jīng)推導可得待測節(jié)點戴維南網(wǎng)絡(luò)的四個參數(shù)，即戴維南等值阻抗模ZT、戴維南等值阻抗角φΤ、戴維南等值電勢阻抗角ψT和戴維南等值電勢ET的解析式。其中：

(7)

(8)

最后根據(jù)式(2)求得系統(tǒng)提供的短路容量。

2.2 接入電源提供的短路容量的計算方法

2.2.1 同步發(fā)電機的提供短路容量的計算方法

選取同步電機模型作為電源模型時，其參數(shù)下所示。發(fā)電機戴維南等值電勢模值：

(9)

發(fā)電機等值阻抗：

ZG=jxq

(10)

(11)

2.2.2 DFIG風電場提供短路容量計算方法

在DFIG風力發(fā)電機定子磁場不變且只考慮基波時，DFIG的3階簡化動力學模型為：

(12)

理想情況下，DFIG風力發(fā)電機的簡化等效電路如圖2所示。

圖2 風電機組等值電路

(13)

3 算例驗證與分析

3.1 算例驗證

為了驗證本文所述運行狀態(tài)評估方法的有效性，將IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)進行改造，將DFIG風電場接入負荷節(jié)點8。另外，將接有電源的負荷節(jié)點2、5、8設(shè)為PQ節(jié)點，測試算例接線如圖3所示。

圖3 IEEE-30節(jié)點測試算例的系統(tǒng)接線圖

3.2 算法簡介

(1)建立電網(wǎng)中負荷節(jié)點的運行狀態(tài)評價方法，提出其運行狀態(tài)指標；

(2)利用短路容量理論中式(1)～式(5)求解負荷節(jié)點的運行狀態(tài)指標，并依據(jù)指標值判斷節(jié)點的脆弱程度；

2.2.2 年齡;老人和兒童對藥品反應(yīng)與成年人不同,因為老年人和兒童對藥品的代謝和排泄慢,容易出現(xiàn)不良反應(yīng);嬰幼兒的身體沒有成熟,對有些藥品比較敏感也易發(fā)生不良反應(yīng)。

(3)采用連續(xù)潮流法行仿真。并將本文所述傳統(tǒng)指標的仿真結(jié)果與該方法計算出來的裕度指標進行對比，驗證該方法的有效性和可行性；

(4)依據(jù)步驟(2)、步驟(3)，基于仿真結(jié)果所得的指標，探究同步發(fā)電機和風電分別接入電網(wǎng)后運行狀態(tài)的變化。

3.3 負荷節(jié)點的運行狀態(tài)分析

3.3.1 基于短路容量裕度的運行狀態(tài)評估

基于1.1節(jié)中基于短路容量裕度的運行狀態(tài)指標對IEEE-30系統(tǒng)中21個負荷節(jié)點進行運行狀態(tài)評估，并從大到小排序，選取前13名的排序結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)值可見，節(jié)點2的狀態(tài)指標為0.044 60，要遠小于其他節(jié)點，故其負荷節(jié)點的短路容量裕度較大，運行狀態(tài)在13個節(jié)點中最好。

節(jié)點26的狀態(tài)指標是0.097 40，排在所有節(jié)點第一位，意味著其負荷節(jié)點的短路容量裕度小，運行狀態(tài)最脆弱。

表1 前13名負荷節(jié)點運行狀態(tài)指標結(jié)果排序

3.3.2 仿真驗證

為了驗證本文所述方法在實際算例電網(wǎng)中的實用性和有效性，使用電力系統(tǒng)綜合程序PSASP對IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)接入電源后進行仿真分析：設(shè)置全網(wǎng)負荷節(jié)點以0.01 +j0.01(標幺值)為步長逐漸增大節(jié)點負荷功率一直至保持節(jié)點穩(wěn)定運行的極限點，基于連續(xù)潮流法計算分析負荷節(jié)點電壓變化情況，所得P-V曲線如圖4所示。

圖4 IEEE-30節(jié)點的PV曲線

(17)

通過計算，得到基于連續(xù)潮流法的負荷節(jié)點裕度指標排序如表2所示。

表2 負荷節(jié)點裕度指標排序的前13名

其中節(jié)點2的裕度指標為0.119 26，相對較小，因此運行狀態(tài)較好，而節(jié)點26的裕度指標為0.258 67，指標數(shù)值最大，運行狀態(tài)最差。將表1和表2的所得的指標數(shù)據(jù)進行對比，由表3可知，兩個表格的指標排序結(jié)果基本一致，證明了本文所述方法的準確性。

表3 前13名結(jié)果對比

基于連續(xù)潮流法的負荷節(jié)點裕度指標計算方法，雖克服了雅克比矩陣在臨界點的病態(tài)問題，但仍有可能存在發(fā)散問題，且計算量大；而本文所述的方法計算簡單，準確性高，不會存在軟件上無法計算等問題，而且在離線的狀態(tài)下也可以進行計算，具有在線評估的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于短路容量裕度的負荷節(jié)點的運行狀態(tài)評估方法及指標，并研究了同步機和DFIG風力發(fā)電機分別接入負荷節(jié)點時對電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響，完善了運行狀態(tài)評價指標體系。最后基于IEEE-30母線系統(tǒng)中的仿真結(jié)果驗證該方法的有效性和優(yōu)越性，仿真結(jié)果表明：

(1)基于短路容量裕度的運行狀態(tài)評估方法物理概念清晰，計算方法簡單，可以準確有效的反映節(jié)點的運行狀態(tài);

(2)通過與基于連續(xù)潮流法的評估方法的仿真結(jié)果進行對比，驗證了所提指標的有效性。但連續(xù)潮流計算方法因需保證潮流方程在臨界點處的收斂性，計算復(fù)雜，存在的局限性；而本文所述運行狀態(tài)評估方法既可滿足運行狀態(tài)指標評估的精確性，又可兼顧實際評估的快速性需求。