徐艷春，蔣偉俊，孫思涵，MI Lu

(1.梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002；2.德克薩斯農(nóng)工大學(xué) 電氣與計算機工程學(xué)院，美國 德克薩斯州 卡城 77840)

0 引言

隨著“2030碳達峰，2060碳中和”戰(zhàn)略目標的制定，中國的能源行業(yè)正逐步轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展新能源發(fā)電已勢在必行，其中作為主力軍的分布式風電是加快未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的中流砥柱[1-2]。近年來，由于風電并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大[3]，風電在配電網(wǎng)中的滲透率正逐漸增加[4-5]，這對電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。目前，用于評估配電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的指標缺乏工程理論與實踐的統(tǒng)一標準，文獻[6]針對分布式電源(distributed generation，DG)接入的配電網(wǎng)暫態(tài)電壓特性，提出了暫態(tài)響應(yīng)恢復(fù)率和相對電壓提升率2個指標來衡量故障后母線電壓的恢復(fù)速率和分布式電源對母線暫態(tài)電壓的提升水平。文獻[7-8]利用系統(tǒng)平均均方根值變化頻率指標，通過在監(jiān)測期內(nèi)統(tǒng)計各用戶特定有效值變化測量事件的平均次數(shù)來反映配電網(wǎng)各節(jié)點電壓暫降的情況。文獻[9]在含有多感應(yīng)電動機負荷的配單網(wǎng)中，基于感應(yīng)電動機的T-s特性，用故障極限切除時間來衡量電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

在評估暫態(tài)電壓穩(wěn)定性這方面，相比配電網(wǎng)而言，國內(nèi)外學(xué)者大都聚焦于輸電網(wǎng)絡(luò)，且針對不同特性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了不同類型的評估指標。針對直流受端電網(wǎng)，文獻[10]提出用一組包含電壓跌落的門檻值及其可接受的最大持續(xù)時間的二元表來描述系統(tǒng)中各節(jié)點暫態(tài)電壓跌落是否安全的方法。在此基礎(chǔ)上，文獻[11]結(jié)合現(xiàn)有的國家標準，通過構(gòu)造單二元表來量化各節(jié)點電壓的跌落程度，定義了多故障集下的節(jié)點電壓跌落指標和系統(tǒng)電壓跌落指標。文獻[12]采用多二元表判據(jù)構(gòu)建了基于多二元表的暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標，能在不同電壓閾值區(qū)間內(nèi)有效量化節(jié)點電壓的跌落程度。而對于直流送端電網(wǎng)，文獻[13]根據(jù)直流閉鎖、換相失敗等典型的直流系統(tǒng)故障，給出了基于多二元表的暫態(tài)壓升嚴重性指標，旨在對呈現(xiàn)暫態(tài)過電壓特性的母線電壓進行快速評估。

上述的評估指標大都局限于具體的網(wǎng)絡(luò)背景，且僅能對呈現(xiàn)單一暫態(tài)特性下的母線電壓進行評估，對于擾動后具有多暫態(tài)特性的母線電壓無能為力。此外，針對母線電壓在擾動結(jié)束后出現(xiàn)多波動或振蕩，現(xiàn)有指標的適用性普遍受限。

為此，本文基于具體工程實踐，提出一套適用性強、應(yīng)用范圍廣的基于改進多二元表的母線暫態(tài)電壓安全裕度指標和區(qū)域暫態(tài)電壓安全裕度指標。通過Matlab/Simulink對含高滲透率風電的配電網(wǎng)進行大量的仿真分析，驗證所提指標的合理性和適用性。

1 多二元表判據(jù)的評估思想

在暫態(tài)電壓的量化方法中，基于多二元表判據(jù)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標具有顯著優(yōu)勢，其核心思想是通過在電力系統(tǒng)中設(shè)置電壓二元表(Vcr，Tcr)來要求某母線電壓Vi低于預(yù)設(shè)門檻值Vcr的最長持續(xù)時間不超過規(guī)定時間Tcr。當某母線電壓滿足此條件時，則認為該母線暫態(tài)電壓穩(wěn)定，否則暫態(tài)電壓失穩(wěn)。

國家能源局發(fā)布的 DL/T 1234—2013《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算技術(shù)規(guī)范》[14]規(guī)定電力系統(tǒng)在受到擾動后的暫態(tài)過程中，若負荷母線電壓能夠在故障后10 s內(nèi)恢復(fù)到0.80 p.u.以上，則暫態(tài)電壓穩(wěn)定，否則暫態(tài)電壓失穩(wěn)。由于中國南部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中國南方電網(wǎng)有限責任公司在其發(fā)布的Q/CSG 11004—2009《南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算分析導(dǎo)則》[15]中對暫態(tài)電壓穩(wěn)定提出了新要求，規(guī)定故障后的暫態(tài)過程中系統(tǒng)中樞點母線電壓下降持續(xù)低于0.75 p.u.的時間不超過1 s，且暫態(tài)過程結(jié)束后220 kV及以上電壓等級中樞點母線電壓不低于0.9 p.u.時，才可認為暫態(tài)電壓穩(wěn)定?；诙喽砼袚?jù)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標利用上述標準，通過適當量化實現(xiàn)了對母線電壓的評估，但因量化方法構(gòu)造不當，不僅限制了該指標的評估范圍，還影響了評估準確性，使其評估結(jié)果保守。因此，亟須對現(xiàn)有暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標做出改進。

2 基于改進多二元表的母線暫態(tài)電壓安全裕度指標及關(guān)鍵母線篩選方法

2.1 母線電壓跌落安全裕度指標

以低電壓多二元表 (0.80 p.u., 10 s) (0.75 p.u.,1 s)為例，構(gòu)建出故障清除后任意母線i電壓的最大跌落面積如圖1所示。圖1中：ti.d.0為故障清除時刻；Tcr.d.1、Tcr.d.2分別為故障清除后母線電壓低于 0.75 p.u.和 0.80 p.u.的最大允許時長。

圖1 基于低電壓多二元表的母線電壓臨界跌落面積Fig.1 Critical drop area of bus voltage based on lowvoltage multiple-two-element notation

該工況是考慮故障清除后，系統(tǒng)又發(fā)生連鎖故障導(dǎo)致其母線電壓再度跌落的最不利工況，此時母線電壓跌落面積最大，此最大跌落面積也是系統(tǒng)所能允許母線電壓跌落的臨界跌落面積。鑒于母線電壓在自然恢復(fù)過程中通常不會階躍變化，此時可進一步對上述母線電壓臨界跌落面積進行修正，如圖2所示。

圖2 修正后的母線電壓臨界跌落面積Fig.2 Critical drop area of bus voltage after correction

與圖1相比較，圖2所刻畫的跌落面積更能體現(xiàn)大多故障后母線電壓的變化情形。圖3用修正后的電壓臨界跌落面積構(gòu)成約束區(qū)域，對故障后任意母線i的實際電壓響應(yīng)曲線進行約束。圖3中：ti.d.1、ti.d.2分別為故障清除后的恢復(fù)過程中母線i電壓初次高于 0.75 p.u.和 0.80 p.u.的時刻。

圖3 基于約束區(qū)域下的實際電壓跌落面積Fig.3 Actual voltage drop area based on constraint area

2.2 母線過電壓安全裕度指標

2.3 母線暫態(tài)電壓安全裕度指標

式(1)和式(3)的安全域區(qū)間均為[0,1]，指標值越小代表母線i的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越好；當指標大于1時，母線i暫態(tài)電壓失穩(wěn)；當指標等于1時，母線i臨界穩(wěn)定。此時，若簡單將母線i的暫態(tài)電壓安全裕度指標定義為式(1)與式(3)之和，通過判斷指標值域是否處于[0,2]的范圍內(nèi)進而判斷母線i是否暫態(tài)電壓失穩(wěn)，則很大程度上容易造成誤判。為此，引入階躍因子σ(t)來將其規(guī)避，即

式中：e為自然常數(shù)；t為時間；ω為峰度參數(shù)，它表征函數(shù)的陡峭程度，本文ω取1 000。

由式(5)可知σ (t)具有如下特性。（1）t<0時，σ (t)=0；（2）t≥0時，σ(t)=1；（3）。

相比于階躍函數(shù) ε (t)，階躍因子σ(t)是個非奇異函數(shù)，在定義域內(nèi)處處可導(dǎo)，這為計算機遠程在線計算帶來便利，也為后期優(yōu)化提供新的途徑。

綜合式(1) (3)和式(5)，構(gòu)造出任意母線i的暫態(tài)電壓安全裕度指標 ηi為

式中： ηi為n個低電壓多二元表和m個過電壓二元表約束下，母線i的暫態(tài)電壓安全裕度指標。

通過分析式(6)可知，引入階躍因子σ(t)后能有效解決前述誤判問題，針對任意母線i的暫態(tài)電壓安全裕度指標，其安全域均為[0,1]，當ηi＞1時，即可判定母線i暫態(tài)電壓失穩(wěn)。

理論上，選取的電壓二元表個數(shù)越多，母線電壓的評估結(jié)果越精確，但鑒于工程實用性和在線計算速度，設(shè)置的電壓二元表個數(shù)不宜過多，文獻[12]中基于多個省級電網(wǎng)的仿真結(jié)果表明，當設(shè)置4個電壓二元表時，評估結(jié)果的精確度就足夠高，完全能滿足工程實際應(yīng)用要求。此外，針對新能源出力的不確定性和一些旋轉(zhuǎn)設(shè)備的動態(tài)特性可能導(dǎo)致母線電壓在擾動結(jié)束后的恢復(fù)過程當中出現(xiàn)多波動或振蕩，本文所提的母線暫態(tài)電壓安全裕度指標依舊適用。針對電壓跌落指標，在整個暫態(tài)過程期間綜合所有的波動或振蕩的時段，規(guī)定母線電壓響應(yīng)曲線在相鄰電壓閾值之間區(qū)域下的跌落面積為該區(qū)間內(nèi)相鄰電壓閾值與母線電壓響應(yīng)曲線所包圍的所有曲邊梯形面積之和。而對于過電壓指標，規(guī)定母線電壓響應(yīng)曲線在高于某一電壓閾值下的上升面積為該電壓閾值與相鄰的下級電壓閾值與母線電壓響應(yīng)曲線所包圍的所有曲邊梯形面積之和，并計及曲線經(jīng)過該電壓閾值的所有時間段內(nèi)該過電壓閾值與時間軸所包圍的面積之和。具體如圖4所示。

圖4 解算多波動電壓響應(yīng)曲線的示意圖Fig.4 The schematic diagram of solving voltage response curve with multiple fluctuations

2.4 基于母線暫態(tài)電壓安全裕度指標的關(guān)鍵母線篩選方法

實際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，母線數(shù)目繁多，故障發(fā)生時可能有眾多母線受其影響，為了處理眾多母線的復(fù)雜空間維問題[18]，可基于2.3節(jié)母線暫態(tài)電壓安全裕度指標對母線數(shù)量進行壓縮，僅篩選出少量的關(guān)鍵母線，達到降維的效果。而篩選出的關(guān)鍵母線需滿足如下條件[18]。（1）針對某一故障，該母線的電壓能夠涵蓋所有嚴重母線電壓響應(yīng)的基本特征；（2）所選出的母線在與其具有相似電壓響應(yīng)的母線集中暫態(tài)電壓問題最為嚴重。具體的篩選過程如下。

對篩選出的嚴重母線集，按母線電壓響應(yīng)相似程度指標[18]對嚴重母線進行聚類，之后從每一類簇中選擇出暫態(tài)電壓問題最嚴重的一條母線組成關(guān)鍵母線集，即

3 區(qū)域暫態(tài)電壓安全裕度指標

針對大規(guī)模的配電網(wǎng)，為了控制方便往往都會采取分區(qū)操作，若研究對象是配電網(wǎng)中某一區(qū)域或整個系統(tǒng)時，可用區(qū)域電壓合格率指標Pa和區(qū)域電壓安全裕度指標 ηa來表征區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

區(qū)域電壓合格率指標Pa為

式中：M為故障集中的故障類型數(shù)量；N為系統(tǒng)內(nèi)所有區(qū)域的負荷母線總數(shù)；Na.b.j為負荷母線b處發(fā)生故障j時，區(qū)域a內(nèi)電壓合格母線的數(shù)量，當母線i的 ηi＜1時，即可認為母線i為電壓合格母線；Na為系統(tǒng)區(qū)域a內(nèi)負荷母線的總數(shù)；δj為故障j的權(quán)重系數(shù)，數(shù)值上等于其發(fā)生的概率，由于各典型故障相互獨立，故有。

區(qū)域電壓安全裕度指標 ηa為

式中： ηi.b.j為負荷母線b處發(fā)生故障j時，區(qū)域a內(nèi)電壓合格母線i的暫態(tài)電壓安全裕度指標。

綜合了電網(wǎng)所有母線處可能發(fā)生各類故障的區(qū)域電壓合格率指標Pa和區(qū)域電壓安全裕度指標ηa不僅可以表征該區(qū)域暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的強弱，為相應(yīng)的靈敏度分析奠定基礎(chǔ)，還可配合2.4節(jié)的關(guān)鍵母線為后續(xù)無功規(guī)劃提供方案，指導(dǎo)動態(tài)無功補償裝置的配置[13]?？紤]到在某些特定故障作用下，該區(qū)域的母線電壓可能全部失穩(wěn)，為此進一步引入?yún)^(qū)域電壓失穩(wěn)風險指標，其定義如下。

通常配電網(wǎng)中負荷母線的電壓等級均相等，故在分析時可無須考慮各負荷母線的權(quán)重系數(shù)，即認為所有負荷母線的重要性基本一致[11]。

在含高滲透率風電的配電網(wǎng)暫態(tài)電壓量化評估方法上，相較于基于多二元表判據(jù)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標，本文提出的暫態(tài)電壓安全裕度指標具有明顯優(yōu)勢。

針對電壓跌落，風電滲透率越高，對全網(wǎng)母線電壓的支撐作用越強[6]，母線的暫態(tài)電壓安全裕度指標越小，但即使風電滲透率高達80%甚至以上時，電網(wǎng)的部分母線電壓仍然存在著電壓失穩(wěn)的風險。本文所提的母線電壓跌落安全裕度指標能更廣范圍、更精準地衡量母線暫態(tài)電壓的變化程度，且保障了母線電壓在波動或振蕩時指標的適用性。

對于暫態(tài)過電壓，風電滲透率越高，母線的暫態(tài)電壓安全裕度指標越大，當風電滲透率過高，例如滲透率達到60%以上時，母線電壓面臨過電壓風險，本文所提的母線過電壓安全裕度指標能判別各母線是否出現(xiàn)暫態(tài)過電壓問題并準確反映其過電壓水平。對于既有電壓跌落又有電壓暫升的特殊情形，母線暫態(tài)電壓安全裕度指標能同時評估母線的電壓跌落安全裕度和過電壓安全裕度。此外，本文所提的區(qū)域暫態(tài)電壓安全裕度指標能在暫態(tài)過程期間整體衡量區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

4 算例分析

本文基于Matlab/Simulink搭建了圖5所示的改進的IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)，并進行了大量的仿真分析工作，在量化評估影響該配電系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的若干影響因素的同時，驗證了所提指標的有效性和普適性。此外，所得結(jié)論仍適用于IEEE 69節(jié)點系統(tǒng)及更大規(guī)模的配電網(wǎng)，這里不做過多贅述。

圖5 改進的IEEE33節(jié)點系統(tǒng)Fig.5 Improved IEEE 33-node system

圖5所示改進的IEEE33節(jié)點系統(tǒng)是電壓等級為11 kV的中壓配電網(wǎng)，配電網(wǎng)中所有負荷按照50%感應(yīng)電動機+50%恒功率的比例配置，其中感應(yīng)電動機是由單機容量4 kW鼠籠式異步電動機聚合[19]而成，其模型參數(shù)如表1所示，恒功率負荷參數(shù)詳見表2。變壓器和雙饋風機的典型參數(shù)分別如表3、表4所示。

表1 鼠籠式異步電動機模型參數(shù)Table 1 Model parameters of squirrel-cage asynchronous motor

表2 恒功率負荷參數(shù)Table 2 Constant-power load parameters

表3 變壓器的典型參數(shù)Table 3 Typical parameters of transformer

表4 雙饋式風力發(fā)電機的典型參數(shù)Table 4 Typical parameters of doubly-fed induction generator

本文采用升壓變壓器將感應(yīng)電動機和雙饋式風力發(fā)電機并網(wǎng)，通過調(diào)整風機出力來改變風電在該系統(tǒng)中的滲透率大小，風電滲透率的計算方法為

式中：PWT%為風電的滲透率；Pv.WT為系統(tǒng)內(nèi)第v臺風機的實際有功出力；u為系統(tǒng)內(nèi)風機的總臺數(shù)；PL.sum為系統(tǒng)內(nèi)負荷的總有功功率。

本文預(yù)設(shè)的低電壓多二元表[12]和過電壓二元表[13]為 [0.80 p.u., 10 s][0.75 p.u., 1 s][0.7 p.u.,0.2 s][0.65 p.u., 0.1 s][1.1 p.u., 1.2 s][1.15 p.u., 0.1 s]，由于該系統(tǒng)母線數(shù)目較少，分析時將整個系統(tǒng)看成了一個區(qū)域，用區(qū)域電壓合格率指標、區(qū)域電壓安全裕度指標、區(qū)域電壓失穩(wěn)風險指標來評估系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

為凸顯本文所提指標在評估上的優(yōu)越性，分別將母線電壓跌落安全裕度指標、母線過電壓安全裕度指標與文獻[12]的電壓跌落指標和文獻[13]的過電壓指標進行比對。

4.1 風機接入方式對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

風機的接入方式會對電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性造成影響，現(xiàn)按照如下工況將雙饋風機接入系統(tǒng)進行仿真分析。工況1：1臺風機經(jīng)母線32接入電網(wǎng)；工況2：2臺風機分別經(jīng)母線32、母線21接入電網(wǎng)；工況3：3臺風機分別經(jīng)母線32、母線21、母線17接入電網(wǎng)。3種工況對應(yīng)的風電總滲透率均為60%，且各工況下每臺風機出力相等。0.1 s時，分別在母線8處設(shè)置AB兩相接地短路故障、ABC三相短路故障，5個周波后故障清除，此時M=2， δ1=0.8， δ2=0.2[20]。經(jīng)仿真計算得到在2種典型故障作用下各工況的區(qū)域電壓合格率指標、區(qū)域電壓安全裕度指標、區(qū)域電壓失穩(wěn)風險指標如表5所示。由表5可知，在相同風電滲透率下，相比于集中接入，雙饋風機分散接入有利于區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

表5 預(yù)設(shè)工況下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標Table 5 Safety margin index of regional transient voltage under preset working conditions

基于工況1和工況3，不同風電滲透率下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標如表6所示。由表6可知，無論在哪種接入方式下，風電的滲透率越大，其對母線電壓的支撐能力越強，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越好。

表6 不同風電滲透率下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標Table 6 Safety margin index of regional transient voltage under different wind power penetration

4.2 感應(yīng)電動機對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

4.2.1 感應(yīng)電動機分布位置對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

為了研究感應(yīng)電動機的分布位置對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，基于4.1節(jié)的擾動類型與電氣距離[21]，按照表7預(yù)設(shè)的工況，依次將改進的IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)中部分恒功率負荷替換為感應(yīng)電動機，將雙饋風機于母線32處接入電網(wǎng)，表8給出了各工況下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標。由表8可知，在相同的風電滲透率下，感應(yīng)電動機距雙饋風機的電氣距離越近，故障后區(qū)域的魯棒性越好。可見雙饋風機與電機負荷的相對位置將會影響系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

表7 感應(yīng)電動機在系統(tǒng)中的分布位置Table 7 Induction motor distribution in system

表8 預(yù)設(shè)工況下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標Table 8 Safety margin index of regional transient voltage under preset working conditions

針對表7中工況2下的部分母線，對比了其在母線電壓跌落安全裕度指標與文獻[12]的電壓跌落指標評估下的評估結(jié)果，如表9所示。部分母線的電壓波形如圖6所示。

表9 電壓跌落指標的對比結(jié)果Table 9 Comparison results of voltage sag index

圖6 電壓跌落情形下部分母線的暫態(tài)電壓波形Fig.6 Transient voltage waveforms of some buses under voltage sag

由表9和圖6可知，對于評估系統(tǒng)的部分母線，文獻[12]的電壓跌落指標容易造成失穩(wěn)母線的誤判。導(dǎo)致該指標誤判的根本原因在于該指標的評估范圍僅落在t∈[ti.d.0, ti.d.0+Tcr.d.n]的區(qū)間內(nèi)，母線電壓在剩余n–1個時間閾值內(nèi)的失穩(wěn)情況并未被充分考慮，這使其評估結(jié)果較為保守，無法大范圍、準確地表征出母線暫態(tài)電壓的變化程度，而本文所提的母線電壓跌落安全裕度指標彌補了這些缺陷，能正確判斷母線的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

4.2.2 感應(yīng)電動機接入對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

大容量電動機接入相當于在其并網(wǎng)處發(fā)生三相短路[22]，會造成母線電壓跌落。穩(wěn)態(tài)運行時，雙饋風機位于母線32處，現(xiàn)根據(jù)表10預(yù)設(shè)的工況，將等效容量為500 kW的電動機接入系統(tǒng)，各工況下區(qū)域的關(guān)鍵母線暫態(tài)電壓波形如圖7所示。

表10 感應(yīng)電動機在系統(tǒng)中的接入位置Table 10 Access position of induction motor in system

圖7 各工況下區(qū)域關(guān)鍵母線的暫態(tài)電壓波形Fig.7 Transient voltage waveform of regional key bus under each working condition

由圖7可知，大容量電動機接入位置會影響區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。隨著其接入位置距離風機越遠，關(guān)鍵母線的暫態(tài)電壓問題越嚴重，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越差。

4.3 負荷擾動對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

系統(tǒng)中負荷功率大幅突變對電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響不盡相同，現(xiàn)分別對其展開研究。

4.3.1 負荷功率突增對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

按照表11預(yù)設(shè)的工況，將雙饋風機接于母線32處，0.1 s時對區(qū)域內(nèi)負荷的有功功率、無功功率施加擾動，各預(yù)設(shè)工況下的區(qū)域電壓合格率指標、區(qū)域電壓安全裕度指標、區(qū)域電壓失穩(wěn)風險指標如表12所示。

表11 系統(tǒng)中負荷功率的突增情況Table 11 Sudden surges in load power in system

表12 各負荷突增情況下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標Table 12 Safety margin index of regional transient voltage under various sudden load surges

由表12可知，風電滲透率越高，區(qū)域承受負荷突增擾動的能力越強，暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越好。此外，負荷距離風機越近，負荷功率突增對區(qū)域暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響越小，同時也意味著近端負荷所能允許的突增容量大于遠端負荷。

4.3.2 負荷功率突減對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

以4.3.1節(jié)為基礎(chǔ)，通過大量的仿真分析發(fā)現(xiàn)，負荷功率突減比例低于95%時，母線不會出現(xiàn)暫態(tài)過電壓問題，只有當負荷功率突減比例大于等于95%時，母線才會呈現(xiàn)暫態(tài)過電壓特性，95%是其穩(wěn)定的臨界點。因此，參照表13預(yù)設(shè)的工況，對區(qū)域內(nèi)負荷實施擾動，各工況下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標如表14所示。

表13 系統(tǒng)中負荷功率的突減情況Table 13 Sudden drops in load power in system

表14 各負荷突減情況下區(qū)域的暫態(tài)電壓安全裕度指標Table 14 Safety margin index of regional transient voltage under various sudden load drops

由表14可知，在面對負荷功率突減時，風電滲透率大小與區(qū)域暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的強弱呈負相關(guān)關(guān)系。暫態(tài)過程期間，風電滲透率越高，母線過電壓安全裕度指標越大，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性愈差。

表14中工況3的部分母線過電壓安全裕度指標與文獻[13]對比結(jié)果如表15所示，部分母線的暫態(tài)電壓波形對比如圖8所示。

表15 過電壓指標的對比結(jié)果Table 15 Comparison results of overvoltage index

圖8 過電壓情形下部分母線的暫態(tài)電壓波形Fig.8 Transient voltage waveform of some buses under overvoltage condition

由表15和圖8可知，針對過電壓情形下的部分母線，文獻[13]的過電壓指標容易造成誤判，其原因在于該指標小于1僅是母線能滿足電壓穩(wěn)定的充分不必要條件，故當該指標大于等于1時可能存在部分母線電壓穩(wěn)定的情形，而本文所提的母線過電壓安全裕度指標則可有效規(guī)避上述問題，能正確判斷各母線的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

針對基于多二元表判據(jù)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標在多擾動情形下無法適用的問題，本文所提的母線暫態(tài)電壓安全裕度指標在各種運行工況下均有較強的適用性，在工程上能快速、準確地量化出母線的暫態(tài)電壓的穩(wěn)定裕度。此外，通過區(qū)域電壓合格率指標、區(qū)域電壓安全裕度指標、區(qū)域電壓失穩(wěn)風險指標對含高滲透率風電的配電網(wǎng)進行評估，得出如下結(jié)論。

（1）雙饋風機分散接入有利于改善區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，且風電滲透率越高，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越好。

（2）當系統(tǒng)含有感應(yīng)電動機時，面臨相同故障，電動機距風機越近，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越好。此外，當大容量電動機接入時，接入位置距離風機越遠，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越差。

（3）負荷功率突增時，風電滲透率越高，系統(tǒng)承受負荷擾動的能力越強，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越好，且功率突增的負荷距離風機越近，其對區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響越小。負荷功率突減時，風電滲透率越高，區(qū)域的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越差。