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        基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力優(yōu)化方法研究

        2023-12-22 11:06:58張再馳于希娟周運(yùn)斌張文朝
        可再生能源 2023年12期
        關(guān)鍵詞:受端發(fā)電機(jī)組出力

        張再馳,王 衛(wèi),于希娟,周運(yùn)斌,張文朝

        (1.國網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院,北京 100075;2.國網(wǎng)北京市電力公司調(diào)控中心,北京 100031;3.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司,北京 100192;4.華北電力大學(xué)(保定),河北 保定 071066)

        0 引言

        在受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電占比日益增長,這在一定程度上改變了受端電網(wǎng)的運(yùn)行特性,對保持當(dāng)前大規(guī)模新能源并網(wǎng)后受端電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性提出更高的要求[1],[2]。電網(wǎng)短路比通常被看作是衡量電網(wǎng)電壓支撐能力強(qiáng)度的重要指標(biāo)[3]。當(dāng)大量分散式新能源發(fā)電資源并網(wǎng)到受端電網(wǎng)內(nèi)的不同節(jié)點(diǎn)時,會在一定程度上影響受端電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,尤其是受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量,從而可能導(dǎo)致受端電網(wǎng)發(fā)生運(yùn)行故障[4],[5]。這是由于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電資源并網(wǎng)后,使得受端電網(wǎng)調(diào)壓能力有所降低,同時由于受端電網(wǎng)受短路比的影響,大規(guī)模新能源并網(wǎng)點(diǎn)處容易因受端電網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)電壓波動導(dǎo)致新能源發(fā)電資源的脫網(wǎng)。因此,新能源發(fā)電資源并網(wǎng)須要考慮受端電網(wǎng)短路比的影響,同時也需要新能源發(fā)電資源為受端電網(wǎng)提供一定的電壓支撐[6]。

        新能源出力、消納優(yōu)化的研究須要從當(dāng)前電力系統(tǒng)源側(cè)、網(wǎng)側(cè)、荷側(cè)的多個環(huán)節(jié)入手。文獻(xiàn)[7]采用自適應(yīng)約束生成算法,研究了含大容量新能源發(fā)電資源接入的電網(wǎng)實(shí)時優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[8]針對故障情況下新能源機(jī)組的運(yùn)行振蕩問題,分析了電網(wǎng)新能源機(jī)組承載強(qiáng)度的影響因素,提出了一種考慮振蕩穩(wěn)定約束的電網(wǎng)新能源并網(wǎng)承載強(qiáng)度優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[9]針對送端電網(wǎng)直流通道故障下的新能源機(jī)組暫態(tài)過電壓問題,提出了一種考慮送端電網(wǎng)短路比約束的新能源送出功率優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[10],[11]主要針對含大容量、高比例新能源發(fā)電機(jī)組接入的電力系統(tǒng),通過分析新能源發(fā)電機(jī)組出力波動對電網(wǎng)內(nèi)交流、直流子系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響因素,提出了一種能夠提高電網(wǎng)接納新能源容量裕度和并網(wǎng)強(qiáng)度的優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[12]針對新能源發(fā)電基地送出能力受限和送出通道的電壓穩(wěn)定性問題,詳細(xì)分析了影響新能源發(fā)電基地送出能力的約束因素,并剖析了新能源送出通道低電壓產(chǎn)生原因,提出了一種基于分布式調(diào)相機(jī)的新能源發(fā)電基地送出能力優(yōu)化提升方法。

        國內(nèi)外部分學(xué)者研究了短路比對電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。文獻(xiàn)[13]基于新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對新能源出力特性、負(fù)荷波動水平進(jìn)行了分析,并對影響新能源消納水平的主要因素進(jìn)行了詳細(xì)研究。文獻(xiàn)[14]通過分析低短路比電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制穩(wěn)定性的影響因素,提出了一種考慮風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器協(xié)同的低短路比風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制方法,降低了風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)對低短路比電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[15]通過建立交直流系統(tǒng)的短路比計算模型,分析了交直流系統(tǒng)中直流線路數(shù)量增加時系統(tǒng)短路比的變化規(guī)律,并對影響交直流系統(tǒng)短路比的因素進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[16]通過建立高壓直流輸電系統(tǒng)小干擾模型,并采用靈敏度分析法,分析了系統(tǒng)內(nèi)交流子系統(tǒng)短路比變化對整個直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。以上文獻(xiàn)均未考慮系統(tǒng)短路比對新能源出力與消納能力的影響,基于短路比約束的新能源出力優(yōu)化、消納措施的研究較少。

        本文通過計算短路容量,推導(dǎo)出不同運(yùn)行方式下并網(wǎng)點(diǎn)處的短路比計算模型;以短路比為約束條件,研究提升新能源消納能力的方法,優(yōu)化受端電網(wǎng)新能源出力。針對我國華北某地區(qū)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析,驗(yàn)證本文所提基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化的有效性。

        1 分布式新能源接入受端電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

        新能源發(fā)電機(jī)組通過換流系統(tǒng)匯集后集中接入受端電網(wǎng),新能源發(fā)電機(jī)組出力具有隨機(jī)性、波動性的特點(diǎn),會對受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響:一是受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的暫態(tài)電壓響應(yīng)能力較弱;二是當(dāng)受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處出現(xiàn)短時擾動或故障時,新能源發(fā)電機(jī)組自身對擾動、故障的抵抗能力較弱,容易引起受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處擾動或故障危害程度進(jìn)一步擴(kuò)大。

        圖1為新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)的等效結(jié)構(gòu)。新能源發(fā)電機(jī)組以風(fēng)電、光伏電源為代表,受端電網(wǎng)則通過簡化等效為等值大電源。

        圖1 網(wǎng)絡(luò)等效Fig.1 Grid equivalence

        圖1中 :SNew,1,SNew,2,SNew,n分 別 為 新 能 源 發(fā) 電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)輸出的視在功率;PNew,1和QNew,2,PNew,2和QNew,2,PNew,n和QNew,n分 別 為 新 能 源發(fā)電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)輸出的有功、無功;n為受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量;ZNew,11∠θNew,11,ZNew,22∠θNew,22,ZNew,nn∠θNew,nn分 別 為 各 并 網(wǎng)點(diǎn)處受端交流電網(wǎng)側(cè)折算的等值阻抗大小和相角 ;ZNew,12∠θNew,12,ZNew,2n∠θNew,2n,ZNew,1n∠θNew,1n分 別為受端交流電網(wǎng)各并網(wǎng)點(diǎn)與新能源發(fā)電機(jī)組間聯(lián)絡(luò)線折算的等值阻抗大小和相角;U.New,1,U.New,2,U.New,n分別為新能源發(fā)電機(jī)組各并網(wǎng)點(diǎn)處母線的電壓。

        不考慮受端電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組的影響,僅分析分布式新能源發(fā)電機(jī)組接入受端交流系統(tǒng)后,對受端交流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。當(dāng)新能源發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時,新能源發(fā)電機(jī)組內(nèi)的換流系統(tǒng)須要消耗一定的無功功率:

        由于換流系統(tǒng)處無功補(bǔ)償裝置無功削減具有一定的時延,當(dāng)新能源發(fā)電機(jī)組出力波動或者換流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,可能使得換流系統(tǒng)大量無功流向受端交流系統(tǒng),引起并網(wǎng)點(diǎn)處暫態(tài)電壓升高。

        由式(1),(2)可以看出,分布式新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)后,可能引起的暫態(tài)電壓變化與系統(tǒng)短路容量、新能源發(fā)電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)輸出的有功大小有緊密的關(guān)系,可以通過引入相關(guān)約束條件,優(yōu)化新能源發(fā)電機(jī)組的出力,維持受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處暫態(tài)電壓穩(wěn)定,進(jìn)而改善新能源發(fā)電機(jī)組接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        2 新能源并網(wǎng)短路比模型

        新能源并網(wǎng)短路比可以用來分析、研究受端電網(wǎng)對新能源的消納能力以及受端電網(wǎng)穩(wěn)定性的變化特性[17]。因此,首先推導(dǎo)計算新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)的短路比,然后考慮短路比約束,對受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電機(jī)組出力進(jìn)行優(yōu)化。

        以圖1為例,受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)i處母線的電壓可以按照下式進(jìn)行計算:

        根據(jù)新能源并網(wǎng)短路比的基本物理含義,結(jié)合式(3),可得新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)后,第i個受端系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處的短路比為

        式中:SCRNew,i為第i個受端交流系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處的短路比;U.NR,i為第i個受端交流系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處的母線標(biāo)稱電壓值;I.New,i為新能源發(fā)電機(jī)組向受端交流系統(tǒng)提供的短路電流大小。

        將式(7)進(jìn)一步變形推導(dǎo),可得:

        由式(8)可以看出,考慮多個新能源發(fā)電機(jī)組間的影響,新能源并網(wǎng)短路比SCRNew,i與新能源發(fā)電機(jī)組輸出功率有緊密的關(guān)系,通過優(yōu)化新能源發(fā)電機(jī)組的出力,增大新能源并網(wǎng)短路比SCRNew,i,可以使受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性能更高。

        3 考慮短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化模型

        優(yōu)化受端電網(wǎng)的新能源出力,可以表述為求解合適的新能源發(fā)電機(jī)組出力,使得受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處電壓穩(wěn)定性高,且滿足新能源并網(wǎng)短路比約束條件。因此,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以表示為受端電網(wǎng)新能源棄電成本、火電機(jī)組運(yùn)行成本最小。

        式中:fNew為受端電網(wǎng)新能源出力的優(yōu)化目標(biāo);Cq為新能源棄電單位成本;ΔPNew,i為受端電網(wǎng)新能源 的 棄 電 量,可 按 式(11)進(jìn) 行 計 算;fj(PG,j)為 受 端電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組運(yùn)行成本,可按式(12)進(jìn)行計算;m為受端電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組數(shù)量。

        在優(yōu)化受端電網(wǎng)新能源的出力時,須要考慮以下約束條件。

        ①新能源發(fā)電機(jī)組出力約束

        ②換流系統(tǒng)約束條件

        式中:δd,i為換 流系 統(tǒng)的換 流功 率因 數(shù);分別為換流系統(tǒng)換流功率因數(shù)的最小值、最大值;QC,i為換流系統(tǒng)處無功補(bǔ)償裝置的無功補(bǔ)償容量;分別為換流系統(tǒng)處無功補(bǔ)償容量的最小值、最大值。

        ③新能源并網(wǎng)短路比約束

        式中:SCRNew,ref為新能源發(fā)電機(jī)組接入受端電網(wǎng)后的短路比最低值。

        ④受端電網(wǎng)火電機(jī)組運(yùn)行約束

        式中:QG,j為受端電網(wǎng)火電機(jī)組輸出的無功;分別為受端電網(wǎng)火電機(jī)組輸出的有功的最小值、最大值;分別為受端電網(wǎng)火電機(jī)組輸出的無功的最小值、最大值;分別為受端電網(wǎng)火電機(jī)組爬坡限制的上、下限。

        本文通過多次迭代的方法求解考慮短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化模型。

        首先設(shè)定受端電網(wǎng)中新能源機(jī)組向受端電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄?、無功為一個較小的初始值,同時設(shè)定火電機(jī)組的有功、無功輸出為一較大的初始值,然后逐步迭代增加新能源機(jī)組輸出的有功、無功,減小火電機(jī)組輸出的有功、無功,并同時計算該過程中新能源并網(wǎng)短路比SCRNew,i的值,判斷是否滿足約束條件,直至該地區(qū)受端電網(wǎng)達(dá)到最低的短路比;若在求解過程中,不滿足短路比約束時,可以先嘗試迭代增加新能源機(jī)組輸出的有功、無功,不改變火電出力,并判斷新能源并網(wǎng)短路比SCRNew,i是否滿足約束條件,比較此時方案的運(yùn)行成本,最終求解得到受端電網(wǎng)新能源發(fā)電機(jī)組出力的最優(yōu)方案。具體求解流程如圖2所示。

        圖2 模型求解Fig.2 Model solution

        4 算例分析

        為驗(yàn)證本文建立的基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源出力優(yōu)化方法,搭建如圖3所示的受端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析。其中,G1,G2,G3,G4為接入受端電網(wǎng)中的新能源發(fā)電機(jī)組,G5,G6為接入受端電網(wǎng)中的原有火電機(jī)組,部分仿真參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE算例參數(shù),其他具體的受端電網(wǎng)邊界條件參數(shù)如表1所示。

        表1 受端系統(tǒng)主要邊界條件Table 1 Main boundary conditions of the receiving power grid

        圖3 受端系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Power grid structure of the receiving power grid

        本文設(shè)定受端電網(wǎng)的短路容量為500 MV?A,設(shè)定臨界新能源并網(wǎng)短路比為2,受電壓支撐能力的限制,新能源發(fā)電機(jī)組出力并網(wǎng)的最大容量為290 MW?;谏鲜鰠?shù),對考慮新能源并網(wǎng)短路比約束下的受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究,并分析受端電網(wǎng)對新能源發(fā)電機(jī)組出力的接納情況。

        首先,在圖3的受端電網(wǎng)模型中,分別設(shè)定母線節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4處發(fā)生短路故障,且1 s后受端電網(wǎng)切除短路故障,受端系統(tǒng)對應(yīng)的母線節(jié)點(diǎn)電壓曲線如圖4所示。從圖4可以看出,在未考慮新能源并網(wǎng)短路比約束的情況下,母線節(jié)點(diǎn)3處發(fā)生短路時電壓波動較大,電壓在1 s時開始跌落,1.5 s跌至最低;母線節(jié)點(diǎn)4處發(fā)生短路時電壓波動也較大,在1.3 s時電壓跌至最低值??紤]新能源并網(wǎng)短路比約束時,發(fā)生系統(tǒng)短路后電壓波動較小。這表明考慮新能源并網(wǎng)短路比約束對受端電網(wǎng)新能源出力進(jìn)行優(yōu)化,可以很好地抑制受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處暫態(tài)電壓波動。

        圖4 受端電網(wǎng)母線節(jié)點(diǎn)電壓曲線Fig.4Voltage curve of the bus node in the receiving power grid

        受端電網(wǎng)部分參數(shù)發(fā)生變化時,受端電網(wǎng)對新能源發(fā)電機(jī)組出力的接納能力也發(fā)生變化,如表2所示。由表2可以看出,受端電網(wǎng)用電量的提升、火電機(jī)組出力的減少,都可以增加受端電網(wǎng)對新能源發(fā)電機(jī)組出力的接納能力。

        表2 參數(shù)變化時受端電網(wǎng)新能源接納能力計算Table 2 Calculation of new energy acceptance capacity of the receiver power grid when parameters change

        受端電網(wǎng)新能源發(fā)電機(jī)組出力的并網(wǎng)規(guī)模與新能源并網(wǎng)短路比變化趨勢的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,前5 s時受端電網(wǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài),隨著新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)出力的不斷增加,并網(wǎng)點(diǎn)電壓逐漸降低,15 s時,受端電網(wǎng)中新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)出力達(dá)到最大值,即290 MW后,受端電網(wǎng)電壓逐漸失去穩(wěn)定。通過對新能源并網(wǎng)短路比的合理設(shè)置,并考慮新能源并網(wǎng)短路比約束條件,可有效提高受端系統(tǒng)的新能源發(fā)電接納水平,優(yōu)化受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力,同時有助于提升受端電網(wǎng)強(qiáng)度和受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓穩(wěn)定性,同時能夠抑制故障過程中受端電網(wǎng)的暫態(tài)電壓波動。

        圖5 新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對受端電網(wǎng)穩(wěn)定性影響Fig.5 Impact of new energy generation unit grid-connected on the stability of the receiving power grid

        5 結(jié)束語

        本文研究分析了受端電網(wǎng)內(nèi)分布式新能源發(fā)電機(jī)組接入后受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓穩(wěn)定性,并采用短路比指標(biāo)評估方法,建立了受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)短路比模型,在此基礎(chǔ)上,考慮新能源并網(wǎng)短路比等其他約束,建立了受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力優(yōu)化模型。最后,通過仿真分析驗(yàn)證了本文所提出的基于短路比約束的受端電網(wǎng)新能源并網(wǎng)出力優(yōu)化方法的有效性。

        通過理論、仿真分析,驗(yàn)證了在考慮短路比約束的受端電網(wǎng)優(yōu)化過程中,提升新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)出力,保證受端電網(wǎng)的短路比滿足最低要求,能夠提高受端電網(wǎng)的強(qiáng)度,保持受端電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定,盡可能提高受端電網(wǎng)的新能源接納能力。

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