趙天騏，李秉芳，楊松浩，謝 歡，張 雋，吳 濤

（1.國網冀北電力有限公司電力科學研究院（源網荷儲靈活運行與協(xié)調控制國家電網公司實驗室）,北京市 100045；2.西安交通大學電氣工程學院,陜西省西安市 710049；3.國網冀北電力有限公司電力調控中心,北京市 100054）

0 引言

構建新型電力系統(tǒng)是推動實現中國“雙碳”戰(zhàn)略的重要舉措。然而,目前新能源,尤其是風電大規(guī)模開發(fā)和大功率送出面臨并網短路比低、電壓支撐能力弱的制約［1］。同步調相機具備良好的瞬時動態(tài)無功響應特性和提供短路容量支撐的能力,在新能源場站部署調相機可改善新能源送端由低短路比引發(fā)的電壓振蕩與暫態(tài)過電壓等問題［2-5］,對支撐電網強度和促進新能源消納效果顯著。因此,“新能源與調相機”組合成為目前國家電網公司正在大力推行的新型發(fā)電組合。

同步調相機作為一種特殊的同步電機,可能引發(fā)系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性問題。在傳統(tǒng)認知中,同步調相機/同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定裕度很大,一般不會發(fā)生加速失步,只可能在大擾動下因動態(tài)失穩(wěn)而發(fā)生減速失步［6-7］。但最近的研究表明,安裝于新能源場站的同步調相機受新能源的影響,存在故障后功角加速失穩(wěn)的風險。文獻［8］提出了新能源場站中調相機的加速失穩(wěn)現象,并分析了該弱送端電網在送出通道發(fā)生故障時的功角穩(wěn)定性。文獻［9］進一步研究了考慮新能源暫態(tài)特性的調相機失穩(wěn)形態(tài),通過注入電流源的方式揭示了新能源穩(wěn)態(tài)出力及低電壓穿越控制對調相機功角穩(wěn)定性的影響機理,并指出新能源采用低電壓穿越控制后,同步調相機均有暫態(tài)功角加速失穩(wěn)的風險,需要在新能源送出系統(tǒng)的配置規(guī)劃及運行控制中予以考慮。

目前,國內外已有大量針對新能源電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機暫態(tài)功角穩(wěn)定性的關鍵影響因素分析的研究成果。文獻［10］基于直流潮流模型,定性地分析了同步機出力調整、風電場選址、風電滲透率等因素對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。文獻［11］通過仿真證明了風電等容量置換同步機,可提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻［12］指出風電比例對送端系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響規(guī)律同受端系統(tǒng)強弱有關。文獻［13］分析了雙饋風電機組直接接入和代替同容量同步發(fā)電機接入系統(tǒng)2 種方式下對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響差別。文獻［14］指出系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性同故障位置有關,當故障發(fā)生在風電場附近時,系統(tǒng)轉子角振蕩顯著加劇。此外,新能源的暫態(tài)控制特性也會對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性產生影響。文獻［15］建立了光伏與風電系統(tǒng)的低電壓穿越控制模型,通過仿真證明了若新能源無故障穿越能力,則系統(tǒng)中同步發(fā)電機更容易發(fā)生暫態(tài)功角減速失穩(wěn)。文獻［16］構建了雙饋風電機組接入系統(tǒng)后的等值單機-無窮大系統(tǒng)模型,基于等面積準則闡明了故障清除后風電機組有功出力恢復速率的減慢在提升系統(tǒng)首擺穩(wěn)定性的同時會導致二擺失穩(wěn)。文獻［17］通過進一步研究提出雙饋風電機組的有功出力恢復控制在加劇系統(tǒng)首擺與奇數次多擺失穩(wěn)可能性的同時,可抑制偶數次多擺失穩(wěn)現象的發(fā)生。文獻［18］分析表明當改變故障后風電機組有功出力恢復速率時,風電接入對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的正面（或負面）影響性質保持不變,但是影響程度不同。文獻［19］通過電磁暫態(tài)仿真,論證了故障清除后風電機組有功出力的快速恢復特性會降低系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平。

上述文獻對新能源電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響因素開展了深入研究并獲得了有益結論,但由于新能源場站中同步調相機暫態(tài)失穩(wěn)形態(tài)與同步機存在顯著差別,故相關結論無法直接應用。本文針對這一問題,在文獻［9］的基礎之上,進一步討論系統(tǒng)網架、同步調相機參數和新能源控制策略等因素對調相機暫態(tài)穩(wěn)定性的影響,并通過新能源送出系統(tǒng)簡化模型和含新能源和調相機的多機系統(tǒng)進行了仿真驗證。

1 穩(wěn)定分析模型及量化評價指標

1.1 穩(wěn)定分析模型

含同步調相機的新能源送出系統(tǒng)拓撲結構如圖1（a）所示。圖中:同步調相機與新能源電源并入同一母線,送端功率經1 條單回線路和1 條雙回線路送入負荷。同步調相機與遠端同步系統(tǒng)構成了典型的兩機系統(tǒng)。

圖1 含同步調相機的新能源送出系統(tǒng)Fig.1 Renewable energy sending-end power system with synchronous condenser

該兩機系統(tǒng)的簡化等值電路圖如圖1（b）所示,其 中,分 別 為 送 受 端 同 步 機 的 暫 態(tài) 電 勢；I?1和I?2分別為送受端同步機注入節(jié)點1 和節(jié)點2 的電流；Y1、Y2、YL和YF分別為送端、受端、輸電部分及負荷的等值導納。新能源以電流源I?0并網,消去中間節(jié)點后等效注入調相機節(jié)點和系統(tǒng)發(fā)電機節(jié)點的電流分別 為,其表達式為:

將兩機系統(tǒng)等值為調相機相對于發(fā)電機的單機-無窮大系統(tǒng),其轉子運動方程為:

式中:δ為調相機相對于系統(tǒng)的功角；Meq為兩機系統(tǒng)的等值慣量；PM和PE分別為調相機相對于系統(tǒng)的等值機械功率和電磁功率；M1和M2分別為調相機和同步發(fā)電機的慣性時間常數；PMC和PMG分別為調相機、發(fā)電機的機械輸入功率；G11和G22分別為節(jié)點1 和2 的自導納；E1和E2分別為送受端同步機的暫態(tài)電勢幅值；|Y12|為節(jié)點1 與節(jié)點2 之間轉移導納的模值；P′E為自導納對PE的影響量；P〃E為新能源有功功率注入對PE的影響量；Re（·）為求實部的函數。推導過程見附錄A。

由文獻［9］可知,同步調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定性受新能源穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)有功出力大小的影響。穩(wěn)態(tài)時新能源有功出力的增大會使調相機的靜態(tài)穩(wěn)定裕度下降。而新能源低電壓穿越深度（低電壓穿越深度越深代表故障中保留的有功電流越小,如附錄A 圖A1 所示）的不同則會改變調相機的暫態(tài)功角搖擺形態(tài)。調相機2 種暫態(tài)功角搖擺形態(tài)如圖2 所示。圖2 中:PE1、PE2、PE3分別為短路前、短路中、短路清除后調相機等值電磁功率；δ0和δc分別為短路開始與清除時刻調相機的等值功角；δh和δj分別為故障清除后兩機系統(tǒng)穩(wěn)定平衡點和不穩(wěn)定平衡點所對應的功角。定義調相機功角增大的方向為功角搖擺的正方向,在低電壓穿越深度較淺時,故障發(fā)生后調相機首擺功角正向擺動,如圖2（a）所示；在低電壓穿越深度較深時,短路期間及故障清除后的一段時間內調相機功角反向擺動（此時點abcg圍成的面積等于點defg的面積）,e點之后功角正向擺動,如圖2（b）所示。

圖2 同步調相機暫態(tài)功角搖擺形態(tài)Fig.2 Transient rotor-angle swing patterns of synchronous condenser

定義Sabcg、Sdefg、Sdgh、Sefh、Shij分別為由點abcg、點defg、點dgh、點efh、點hij圍成的面積,亦可表征暫態(tài)能量。從圖2 可知,盡管調相機在短路期間功角減小,但其暫態(tài)總加速面積增大:一方面,由于Sabcg=Sdefg,故可將短路期間的減速能量Sabcg視為加速能量；另一方面,故障清除時刻的功角δc越小,則加速面積Sefh越大,呈現出“彈簧效應”,即短路期間的減速是為短路清除后的加速而“蓄力”。

1.2 影響因素量化評價指標

新能源外送單回線路上發(fā)生單相接地短路故障后非全相運行場景,具有發(fā)生概率高、危害性大、代表性強的特點（分析見附錄B）。因此,本文將針對這一典型場景,對新能源場站調相機首擺功角反向擺動時的暫態(tài)功角穩(wěn)定性進行理論分析與仿真驗證。為量化評價各影響因素對調相機功角穩(wěn)定性的影響,本文提出暫態(tài)穩(wěn)定裕度指標ΔS。

由于調相機沒有原動機,故其穩(wěn)態(tài)有功出力近似為0。由式（4）可知,等值單機-無窮大系統(tǒng)的機械功率為:

短路期間的加速能量S1為:

非全相運行期間的暫態(tài)加速能量S2為:

非全相運行期間的最大暫態(tài)減速能量S3為:

定義暫態(tài)穩(wěn)定裕度ΔS為最大減速能量與總加速能量之差,即:

ΔS增大,表明調相機的功角穩(wěn)定性變好；反之,若ΔS減小,則代表調相機的功角穩(wěn)定性變差。在調相機保持暫態(tài)穩(wěn)定時,也可以用首擺時最大搖擺角δmax表征其功角穩(wěn)定性大小,δmax越大,功角穩(wěn)定性越差。

2 影響因素分析

2.1 新能源-調相機與系統(tǒng)側的電氣距離

新能源距離系統(tǒng)等值發(fā)電機的電氣距離增大后,Y12減小,而且由式（1）可知,Y2或YL的減小會使I?′0增 大,I?〃0減小。進而根據式（5）和式（7）可知,PE1、PE2和PE3均 會 下 移（下 移 后 的 曲 線 為P′E2和P′E3）,導致故障前調相機穩(wěn)定運行點所對應的功角δ0、短路清除時刻所對應的功角δc及加速結束時刻功角δh右移,最大減速面積處所對應的功角δj稍右移（如圖3（a）和圖3（b）所示,其中,電氣距離D′

圖3 各因素對同步調相機暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響Fig.3 Influence of various factors on transient rotorangle stability of synchronous condenser

當短路中調相機功角反向擺動時,由于低電壓穿越期間新能源有功電流較小,PE2減幅不大,故S1可看做近似不變。對于非全相運行期間的加速能量S2和 減 速 能 量S3,有δh-δc>0、δj-δh>0 及cosδh-cosδj>0,根據式（10）和式（11）可知,S2增大,S3減小,從而ΔS減小。因此,當新能源與系統(tǒng)側的電氣距離增大時,同步調相機的功角穩(wěn)定性將顯著降低。

2.2 調相機慣量

同步電機慣性時間常數的定義是在同步機的轉軸上加額定轉矩后,轉子從停頓狀態(tài)加速到額定轉速所需要的時間。本文以慣性時間常數作為系統(tǒng)慣量的表征指標。

當M1?M2時,由式（5）和式（8）可得到:

當M1變化時,調相機等值電磁功率與機械功率曲線的相對位置沒有改變,即S3不變。由式（2）可知,Meq越小時,越大。設故障持續(xù)時間為T,則有

式中:ω0為初始時刻調相機的角速度。

2.3 新能源暫態(tài)控制策略

2.3.1 新能源低電壓穿越控制深度

為保證系統(tǒng)發(fā)生故障后新能源機組能夠不間斷并網運行,要求新能源機組具備故障期間減發(fā)有功出力的低電壓穿越能力。新能源低電壓穿越深度越深,表示故障期間新能源保留有功出力越小。根據式（1）、式（5）和式（7）,當網絡拓撲參數確定時,調相機等值電磁功率的大小主要取決于新能源注入電流,所以 故障期間 新能源有 功電流越大,即低 電壓穿越深度越淺,PE2曲線下移程度就越大。從式（2）和式（14）可知,如果短路時間相同,|PE2-PM|越大,則故障清除時刻所對應的功角δc相對于故障前穩(wěn)定運行點δ0的變化量,即|δc-δ0|也就越大。這表明隨著低電壓穿越深度從深到淺,短路中PE2曲線由上至下移動（下移后的曲線為P′E2,對應的運行點為也隨之由小變大。

圖3（e）和圖3（f）是用等面積準則解釋低電壓穿越深度變化對暫態(tài)能量影響的示意圖,其中,低電壓穿越深度′′。當低電壓穿越深度從深到淺變化時,δc-δ0增大,δh-δc和PE2減小。若短路期間調相機功角減小,則有δc-δ0<0,δh-δc>0,cosδh-cosδj>0,這 時 低 電 壓 穿 越 深 度 的 降 低 會使S1和S2均減小。因為低電壓穿越深度的變化不會引起PE3的改變,所以S3不變,故而調相機穩(wěn)定性增強。

因此,隨著低電壓穿越深度由深變淺,調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定性會得到提升。

2.3.2 新能源有功出力恢復速率

在實際系統(tǒng)中,新能源有功出力恢復的快慢取決于其控制策略。如附錄A 圖A1 所示,Vi,i=0,1,2,3,為故障清除后新能源有功出力恢復速率,且有V3

隨著新能源有功出力恢復速度的減小,PE的變化情況如圖3（g）至圖3（j）所示,此時,實際上的PE不僅僅是δ的函數,也是時間的函數,會沿著設定恢復速率下的曲線組和既定的功角特性軌跡變化。圖3（g）至圖3（j）中,PE3為新能源有功出力完全恢復后的曲線,均為未完全恢復時的曲線。如圖3（g）所示,在故障清除瞬間,由于系統(tǒng)由單相故障變?yōu)榉侨噙\行狀態(tài),調相機的有功出力運行點從c點跳變到k點。在下一時刻,若新能源有功出力可以立即恢復,則運行點又會立刻變?yōu)閐點,此后沿著PE3先左移后右移變化；而當恢復速率減慢時,運行點跳變到k點之后會沿隨時間下移的PE曲線緩和地變化,如圖3（h）所示。

如圖3（h）、圖3（i）和圖3（j）所示,在恢復速率分別為V1、V2、V3時,對應的總加速能量S1+S2可以分 別 表 示 為:Sabcg′+Sd′g′h′、Sabcg″+Sd″g″h″以 及Sabcg?+Sd?g?h?；最 大 減 速 能 量S3可 分 別 表 示 為:Sh′i′j′、Sh″i″j″以及Sh?i?j?,以上變量均表示由其下標字母所表示的點圍成的面積。當恢復速率由V0減小為V1時,在故障清除后調相機的等值功角會沿逐步跌落的PE曲線繼續(xù)減小。若調相機PE曲線的運行點到達使Sabcg′=Sd′f′g′的′點時,新能源有功出力 還未完 全恢復,則下一時刻調相機運行點繼續(xù)沿著恢復中的PE曲線組變化,功角正向擺動。與立即恢復相比,以速率V1恢復時,S1+S2與S3均會增大,但調相機減速階段時新能源有功出力的恢復程度要大于加速階段,這就使得減速面積的增幅小于加速面積的增幅,即ΔS3<ΔS1+ΔS2。因此,新能源有功出力恢復速率從V0變?yōu)閂1后,調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定性變差（如圖3（g）到圖3（h）所示）。

當新能源恢復速率進一步減小至V2乃至V3（趨近于0 s-1）時,這一階段S3仍在增大,理論上的最 大 值 為Sh?i?j?,但 加 速 能 量S1≤Sabcg?=Sd?f?g?

因此,故障清除后新能源有功出力從立即恢復到減慢恢復速率,調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定性先降后升。

3 仿真驗證

3.1 含調相機的新能源送出簡化系統(tǒng)

在PSD-BPA 軟件仿真平臺上構建新能源送出簡化仿真系統(tǒng),如附錄C 圖C1 所示。其中,分布式調相機總容量為150 MV·A,額定電壓為10.5 kV,慣性時間常數為5 s；等值發(fā)電機容量為1 500 MV·A、慣性時間常數為20 s；新能源為直驅風力發(fā)電機,并入0.69 kV 母線,總裝機容量為550 MV·A,實際有功出力為450 MW。新能源場站內安裝同步調相機,二者匯集于35 kV 母線后,經220 kV 單回線路和500 kV 雙回線路輸送至負荷。負荷為恒阻抗模型,額定功率為500 MW。電氣距離、調相機慣量、新能源低電壓穿越深度及有功出力恢復速率的參數變化情況見表1,其中,電氣距離的標幺值以同一基準容量1 000 MV·A 歸算。設置故障為0.5 s 時220 kV 線路電源側處發(fā)生單相瞬時故障,100 ms 后保護動作將故障相切除,再經1 s 后重合。

表1 簡化系統(tǒng)關鍵仿真參數Table 1 Key simulation parameters of simplified system

在上述條件下進行仿真,得到在送受端電氣距離、調相機慣量、新能源低電壓穿越深度及恢復速率變化時調相機的等值功角隨時間變化的曲線,如圖4 所示。上述4 種影響因素分別對應圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）和圖4（d）,圖中t為時間變量。

圖4 不同影響因素下的功角曲線Fig.4 Rotor-angle curves with different influence factors

從圖4（a）可知,新能源距離系統(tǒng)的電氣距離增大后,調相機穩(wěn)態(tài)運行點所對應的功角增大,最大搖擺角δmax也隨之增大,當電氣距離為1.54 p.u.時,調相機功角失穩(wěn)。這表明調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定性隨新能源與系統(tǒng)電氣距離的增加而變差。

圖4（b）表明,調相機慣量對初始穩(wěn)定運行點沒有影響。M1越大,短路結束時刻的功角δc的絕對值越小,首擺時的δmax也越小,調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定性呈現出隨慣量增大而增大的趨勢。仿真結果與前述理論分析相一致。

圖4（c）是當新能源低電壓穿越深度從80%降至30%時同步調相機的功角曲線。該圖表明,新能源低電壓穿越深度從深到淺變化時,調相機暫態(tài)功角從失穩(wěn)（低電壓穿越深度為80%）變?yōu)榉€(wěn)定（低電壓穿越深度為30%～70%）。以δmax的大小來衡量,在低電壓穿越深度變淺的過程中,調相機功角穩(wěn)定性逐漸增強。

新能源有功出力恢復速率變化時調相機等值功角曲線如圖4（d）所示。當恢復速率V≥100% s-1時,恢復速率越小,調相機首擺功角減小得越多,則次擺最大搖擺角δmax增幅就越大,因而暫態(tài)穩(wěn)定性也就越差。當新能源有功出力用時0.5～1 s 恢復時,調相機功角失去穩(wěn)定；但當V≤50% s-1時,反向擺動時的最小功角基本不再變化。同時,S3的增大使得δmax較之立即恢復時不斷減小。因此,隨著恢復速率減慢,調相機的功角穩(wěn)定性會先減小后增大。

3.2 含新能源與調相機的多機系統(tǒng)

為驗證新能源低電壓穿越控制策略對調相機功角穩(wěn)定性的影響在多機系統(tǒng)中的適應性,構建了如附錄C 圖C2 所示的含新能源與調相機的多機系統(tǒng)。該系統(tǒng)在IEEE 10 機39 節(jié)點標準系統(tǒng)的基礎上進行修改,用風電場加調相機替代39 號母線上的同步發(fā)電機。其中,新能源有功出力為650 MW,調相機容量為150 MVA,低電壓穿越深度設為10%～100%和50%,新能源有功出力恢復速率設為立即恢復和0（立即恢復）～50% s-1。故障設置為1 s 時母線38 與母線29 之間的單回線路發(fā)生單相接地短路,100 ms 后保護動作將故障相切除,再經1 s 后重合。仿真結果如附錄C 圖C3 所示。由圖C3 可知,若首擺反向擺動時,隨著低電壓穿越深度的變深,調相機功角穩(wěn)定性變差；隨著恢復速率的減小,調相機的功角穩(wěn)定性先降低后提升。上述仿真結果與理論分析結果相一致,驗證了所得結論在多機系統(tǒng)的適應性。

4 功角穩(wěn)定約束下新能源功率送出極限及影響因素靈敏度分析

4.1 功角穩(wěn)定約束下新能源功率送出極限

新能源場站功率送出極限由多因素決定,工程上常采用短路比（short circuit ratio,SCR）等指標進行估計。短路比是評價系統(tǒng)電網強度、評估新能源功率送出極限的實用綜合指標。相關研究表明［20-21］,新能源并網系統(tǒng)電壓支撐能力較弱,當故障清除后,新能源匯集地區(qū)易出現暫態(tài)過電壓或機組反復低電壓穿越的現象,甚至導致連鎖脫網事故。因此,故障后的電壓安全問題是目前限制新能源場站功率送出極限的主要因素。若在新能源場站安裝分布式調相機,利用調相機瞬時動態(tài)無功支撐與短路容量支撐的能力,可以提高新能源的功率送出極限。但是,由本文分析可知,新能源影響下的調相機面臨功角失穩(wěn)風險,同樣存在約束新能源有功出力的可能。

表2 給出了新能源場站在有和無調相機2 種場景下受不同約束的功率送出極限,系統(tǒng)參數與3.1節(jié)相同。由表2 可知,當不安裝調相機時,受電壓安全及短路比的約束,新能源場站功率送出極限為216.2～290.0 MW,此時不存在功角穩(wěn)定約束。若按照3.1 節(jié)中的參數配置同步調相機,則短路比約束下新能源場站的送出功率極限可提升至425.0～850.0 MW；考慮新能源容量限制及輸電通道的熱穩(wěn)定制約時,新能源場站功率送出極限為550 MW；在調相機功角穩(wěn)定約束下,新能源場站的功率送出極限為468.0 MW。這一結果說明在新能源場站中增設調相機可以顯著增加新能源場站在電壓安全或短路比約束下的出力極限,但是調相機的功角穩(wěn)定性或將成為限制新能源出力的主要約束之一。因此,分析功角穩(wěn)定性約束下的新能源送出功率極限,對保障新能源場站送出系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有指導意義。

表2 不同主導約束條件下新能源功率送出極限Table 2 Power dilivery limits of renewable energy under different dominant constraints

4.2 影響因素靈敏度分析

為進一步挖掘新能源場站功率送出潛力,提高新能源功率送出水平,現對影響調相機暫態(tài)功角穩(wěn)定性因素進行靈敏度分析。對各個影響因素進行標幺化處理（正常運行狀態(tài)下的數值為基準值,而新能源有功出力恢復速率選取100% s-1為基準,得到各影響因素與新能源功率送出極限關系,如圖5所示。

圖5 影響因素對新能源功率送出極限的靈敏度比較Fig.5 Sensitivity comparison of influence factors on power delivery limits of renewable energy

圖5 中曲線的斜率體現了新能源功率送出極限對不同影響因素的靈敏度。由圖5 可知,新能源功率送出極限對電氣距離與新能源有功出力恢復速率變化最敏感,低電壓穿越深度次之,對調相機慣量變化的敏感度最低。從曲線的變化來看,新能源有功出力恢復速率對新能源功率送出極限的影響最為顯著。新能源出力恢復速度從立即恢復降速至100% s-1恢復速率時,新能源功率送出極限持續(xù)下降,當恢復速度降低至100% s-1時,送出極限最低,共降低了42 MW。若恢復速度進一步降低,則新能源功率送出極限開始提升,當恢復速度持續(xù)降低至30% s-1時,新能源功率送出極限最大為550 MW,較立即恢復時提升了82 MW。新能源低電壓穿越深度從30%變化至80%時,新能源功率送出極限從477 MW 降至433 MW。在合理變化范圍內,調相機慣量的影響程度最小:慣量從2 s 增至6 s,送出極限的變化量僅為11 MW。

圖5 也直觀地反映了新能源控制策略對調相機功角穩(wěn)定性的影響,可為制定新能源控制策略提供參考。整體而言,低電壓穿越深度較淺時,調相機的功角穩(wěn)定性較強,但也增加了新能源定子變流器在短路過程中的過電流風險。因此,建議在變流器耐流能力范圍內,盡量降低新能源的低電壓穿越深度。另一方面,新能源有功出力恢復很快或很慢均有利于提升調相機的功角穩(wěn)定水平,但考慮到新能源自身的功率平衡,建議采用較快的有功出力恢復速率。

需要說明,在線路2 三相短路故障過程中,最不利低電壓穿越深度下的新能源功率送出極限為650 MW,顯著高于線路1 單相短路故障對新能源功率送出極限的約束。這也證明了對于新能源與調相機送出系統(tǒng),本文所討論的送出線發(fā)生單相故障場景具有典型性。

通過上述分析可知,功角穩(wěn)定約束下的新能源場站功率送出極限對新能源暫態(tài)控制等可控因素具有較高的靈敏度。因此,改進新能源暫態(tài)特性以提升新能源功率送出極限具有很好的潛力。

5 結語

在新能源場站配置同步調相機可提升新能源并網強度,但同時引入了調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定約束。本文分析了影響調相機功角穩(wěn)定性的關鍵因素,旨在為其運行規(guī)劃及控制策略的制定提供理論基礎,以期進一步提升新能源的送出水平。得到以下主要結論。

1）新能源距系統(tǒng)側電氣距離越大,新能源有功電流會對調相機的暫態(tài)穩(wěn)定性產生越不利的影響。調相機的暫態(tài)功角穩(wěn)定性隨其慣量的增大而增大,但影響程度較小。

2）新能源的控制策略會對調相機的暫態(tài)穩(wěn)定性產生影響。當調相機首擺功角反向擺動時,隨著低電壓穿越深度從深到淺變化,調相機功角穩(wěn)定性變好；故障清除后新能源有功電流以恒速率斜坡恢復使調相機功角穩(wěn)定性隨新能源有功出力恢復速率的減慢先下降后提升。

需要指出,本文結論建立在一定理想假設及模型簡化基礎上,可定性地反映該典型場景下的穩(wěn)定形態(tài)和影響因素,而欲定量求解實際新能源與調相機系統(tǒng)在功角穩(wěn)定性約束下的功率送出極限,還需借助更加精細的系統(tǒng)級建模和更大規(guī)模的仿真驗證。

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