高比例新能源電網新能源功率優化分配方法

任沖， 柯賢波， 王吉利， 王國春， 趙榮臻

(1. 國家電網有限公司西北分部，陜西 西安 710048；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

受資源分布限制，風光資源大多遠離負荷和常規電源地區，大規模新能源并入交流電網末端。在上述電網末端，電網強度與新能源接入量相比較弱，且新能源機組通過電力電子設備并入電網，無法對電網提供電壓、頻率支撐，新能源發電功率大幅增加后，設備與設備之間、設備與電網之間耦合明顯，容易因電網強度下降產生暫態過電壓[1—2]、寬頻帶振蕩[3—4]等系統穩定問題。隨著雙碳目標的提出，沙漠、戈壁、荒漠新能源發展進一步提速，新能源接入的電網強度將呈進一步下降趨勢，引發的相關穩定問題逐漸成為影響新能源發展的主要因素。

針對上述問題，國內外學者針對新能源發電功率對電網穩定性、高比例新能源接入系統方案優化等方面開展了大量研究。穩定性方面主要針對新能源對系統靜態穩定、暫態穩定水平影響開展分析，文獻[5—6]考慮電壓越限等靜態穩定問題，定量計算各機組出力對電壓上升的靈敏度，確定發電功率極限；文獻[6]考慮了新能源對系統暫態穩定水平的影響；文獻[7]通過特征值阻尼比分析，研究了雙饋風電場接入規模對小干擾穩定性的影響。經濟性方面主要針對發電費用、環保效益、網損等指標開展研究，文獻[8]以系統網損最小為目標，提出新能源接入系統優化方案；文獻[9]考慮電力市場影響，研究新能源發電的環保和社會效益并提出了環境系數，可用于指導大規模新能源接入規劃?？煽啃苑矫嬷饕紤]新能源對供電可靠性、調峰能力、保護設備等的影響，文獻[10—12]從電網的調峰平衡角度出發，對新能源極限滲透率進行優化求解；文獻[13]研究了不同新能源發電功率對系統繼電保護設備可靠動作的影響，進而計算系統新能源發電最大滲透率。

綜上，目前多數研究僅分析新能源接入對電網單項特性的影響，針對新能源對電網綜合穩定性影響的分析不夠充分。系統短路容量對平抑電壓波動、提升抗擾動能力具有重要意義[14—16]，能夠綜合反映新能源接入系統的電壓強度，同時代表著新能源接入系統的抗擾動能力。在網架結構設備參數不變的情況下，高比例新能源接入弱系統穩定問題突出的本質原因就是近區無功支撐即短路容量不足[17—19]，同時，新能源場站在故障進入高、低穿期間將吞吐大量無功，在考慮短路容量需求時須考慮新能源場站間相互影響。文獻[14]提出新能源多場站短路比(multiple renewable energy station short circuit ratio，MRSCR)指標，考慮了短路容量、新能源發電功率及新能源場站間的相互影響，評價新能源多場站接入交流系統后的系統強度，能夠反映高比例新能源電網穩定性。

為此，文中提出一種基于等靈敏度準則的新能源發電功率優化分配方法，構建了短路比(short circuit ratio，SCR)綜合靈敏度指標，該指標既考慮了新能源場站增加功率后對系統平均穩定水平的影響，又考慮了對系統中穩定水平最低的新能源場站的影響?；谠撝笜死玫褥`敏度準則對新能源發電功率進行優化控制，能夠在確保安全穩定的基礎上充分利用可再生能源，最后以西北某新能源集中送出系統為算例進行分析，驗證了該方法的可行性和有效性。

1 高比例新能源集中接入系統特性

1.1 高比例新能源集中接入系統存在的穩定問題

在新能源裝機規模與交流系統強度不匹配、新能源接入弱交流系統的條件下，新能源無功電壓支撐能力較弱，相對短路容量和抗故障擾動能力低，新能源和交流系統相互作用導致系統存在暫態過電壓、鎖相同步等多種穩定問題[20—24]。而交直流故障后新能源機端暫態過電壓問題尤為突出，新能源逆變器等設備耐受能力差，暫態電壓水平易超出新能源設備耐受范圍，引起大規模連鎖脫網。在圖1所示大規模新能源直流送出系統中，若發生直流大功率故障，則直流系統和新能源機組有功大幅波動，直流和新能源均向系統交換大量無功功率，具體如圖2所示，導致送端近區電壓波動幅度大、變化快，存在新能源機組大規模無序脫網風險[25]。

圖1 大規模風電直流送出系統示意Fig. Schematic diagram of large-scale wind power DC sending system

圖2 直驅風電機組進入低穿期間無功出力Fig.2 Reactive power output during low voltagethrough of direct-drive wind turbines

新能源機組需要通過鎖相環技術對系統電壓進行跟蹤[15—16]，實現非同步能量向同步能量的轉換。交流系統相對強度較低時，新能源輸出電流與端口電壓間的交互作用加大，易引發鎖相同步穩定問題，導致新能源振蕩脫網[19—20]。

1.2 基于MRSCR的穩定評估方法

系統中某節點的短路容量為該點三相短路電流與額定電壓乘積，反映了系統電壓強度。短路容量與電氣設備(包括電力電子設備)容量的比值即為SCR，SCR能直觀簡單地反映電氣設備接入系統的穩定性水平[26—29]。短路容量對于平抑電壓波動、降低暫態過電壓水平具有重要意義，在故障沖擊、網架結構設備參數不變的情況下，暫態過電壓水平與短路容量呈負相關。

以青海海南高比例新能源接入基地為例，該地區新能源接入量大，近區無常規電源支撐，短路容量較低，新能源暫態壓升問題嚴重。在增開常規電源增加系統短路容量后，新能源場站暫態過電壓水平有效降低，如圖3所示。

圖3 系統短路容量與暫態過電壓關系Fig.3 Relationship between short circuit capacity of the system and transient overvoltage

SCR分析作為一種靜態分析方法，以其簡單性、直觀性，為電氣設備容量選取以及電網規劃運行提供了重要的參考依據。文獻[15]進一步提出MRSCR指標，更適用于評估新能源接入系統穩定性，其計算如式(1)所示。

(1)

(2)

式中：Saci，PREi分別為新能源場站i電網側接入點/場站并網點的三相短路容量和注入的有功功率；Zij為新能源場站i并網母線和新能源場站j并網母線之間的功率折算因子，反映了各新能源發電設備電網側接入點/新能源場站并網點等值阻抗的幅值差異；Zeqij為新能源場站j對新能源場站i的互阻抗；Zeqii為新能源場站i的自阻抗；Ui，Uj分別為新能源場站i和j的并網母線電壓。MRSCR考慮了新能源場站間的相互影響，計及新能源發電設備無功的影響，由式(1)可以看出，MRSCR水平與新能源并網點電網強度及近區新能源發電功率密切相關。新能源單機接入無窮大系統時，通過增加接入等值阻抗，調整新能源SCR，統計發生故障時暫態過電壓與SCR之間的關系，可得出SCR與暫態過電壓關系如圖4所示?？梢钥闯?，新能源發電設備電網側接入點處SCR越大，過電壓水平越低。在單機無窮大系統中，利用電磁暫態仿真工具可以看出，當SCR為1.5時還易導致寬頻振蕩，如圖5所示。

圖4 系統SCR與暫態過電壓關系Fig.4 Relationship between SCR of the system and transient overvoltage

圖5 低SCR下的寬頻振蕩Fig.5 Broadband oscillation under low SCR

由于低SCR情況下的新能源穩定問題，相關標準對高比例新能源接入系統強度水平進行了規定，2019版《電力系統安全穩定導則》及澳大利亞相關標準都對SCR提出相應要求。通過對實際新能源在各類工況和擾動下的大量仿真分析得知，當MRSCR大于1.5時，新能源暫態過電壓及鎖相同步滿足要求，因此MRSCR可作為新能源接入系統強度評估依據[15]。

2 基于接入系統強度量化評估的新能源優化方案

2.1 新能源發電功率對SCR靈敏度分析

對于大規模新能源集中接入系統，新能源機組不同并網點和不同并網容量都將影響系統MRSCR。當系統中出現SCR不滿足要求的新能源場站時，會導致暫態過電壓水平過高，新能源無序連鎖脫網等問題，因此須保證系統內所有MRSCR都滿足要求。

以2個新能源場站為例，新能源場站的穩定水平特性分別為VMRSCR1=M1(PRE1,PRE2)，VMRSCR2=M2(PRE1,PRE2)，新能源發電功率為Pzf=PRE1+PRE2，其中M1，M2分別為第1個和第2個新能源場站有功功率變化下的系統SCR。新能源場站出力優化問題可以描述為求解合適的新能源場站發電方案，使得2個新能源場站穩定水平更高且最低MRSCR滿足要求，即max(PRE1+PRE2)，且min(M1，M2)>Mref，Mref為系統SCR參考值。利用拉格朗日乘法求解，不受約束的目標函數如式(3)所示，其中λ為拉格朗日乘子。

maxL=PRE1+PRE2-λ(min(M1，M2)-Mref)

(3)

最優化分配條件下，需要滿足式(4)、式(5)要求：

(4)

(5)

由式(5)可知，在各新能源場站的發電功率對SCR靈敏度均相等時，為各新能源機組發電功率最優分配狀態，將該最優性條件稱為基于SCR最優分配原則。此外，若某新能源機組發電功率達到上限，即達到裝機容量或理論最大可發功率值，則將該新能源機組并網容量設定為上限值，其他新能源機組仍應滿足最優SCR分配原則。綜上，地區新能源發電功率上限僅取決于該地區電網結構，在該地區電網強度不能滿足所有新能源機組同時滿發時，利用該方法可以找出滿足電網穩定水平要求的最優分配方案。

同理，在包括多新能源場站的高比例新能源集中系統中，為保證系統內所有MRSCR均滿足要求，首先需要計算各新能源機組發電功率對不同新能源場站SCR的靈敏度，如式(6)所示。

(6)

為在確保安全穩定的基礎上充分利用新能源，提出利用新能源SCR綜合靈敏度指標，表征電網穩定水平與新能源發電功率之間的量化關系。該指標計算如式(7)所示。

Dc,i=αDsys,i+βDMmin,i

(7)

其中：

(8)

式中：Dc,i為新能源場站i的綜合靈敏度；Dsys,i為系統所有場站SCR對于新能源場站i功率的平均靈敏度；DMmin,i為最低新能源場站SCR對第i個新能源場站的靈敏度；α，β分別為系統平均靈敏度以及最低新能源場站SCR靈敏度權重系數。綜合靈敏度指標既考慮了新能源場站增加功率后對系統平均穩定水平的影響，又考慮了對系統中穩定水平最低的新能源場站的影響。為避免短板效應，隨著新能源功率的增加，穩定水平最低的新能源場站最先失穩，因此穩定水平最低的新能源場站靈敏度權重系數高于平均穩定水平靈敏度。

由式(6)可以看出，在電網結構及常規機組開機容量相對固定的情況下，SCR對各新能源機組發電功率的靈敏度恒為負值。即該區域任意新能源機組發電功率的增加都會降低系統穩定水平，所以新能源場站功率分配問題可轉化為系統最低SCR指標下優化問題，如式(9)所示。

(9)

式中：VMRSCR,ref為系統SCR最低要求值；PREi,max為新能源場站i最大可發功率，該值為新能源最大裝機容量和最大理論可發功率(與當時風速相關)兩者取小值。隨著新能源場站可發功率的不斷變化，系統新能源場站功率最優分配不是一組固定數值，而是隨著新能源出力的不斷變化不停更新的最優分配狀態。

由式(9)可知，基于等SCR靈敏度原則的新能源發電功率極限可由迭代方法求出，即各新能源機組發電功率初始值設定為一個較小值，通過逐步增加新能源機組功率至新能源機組達到最大出力值，同時也達到功率最優分配狀態。首先增加綜合靈敏度絕對值最小的新能源機組發電功率，因為該新能源機組在增加相同容量時對系統穩定性影響程度最小。隨著迭代次數增加，該機組功率增大，SCR綜合靈敏度將逐步增大，上一迭代過程中綜合靈敏度次小的機組將變為當前迭代過程中SCR綜合靈敏度最小機組，再增加當前迭代過程中綜合靈敏度最低的新能源場站出力，直至SCR降至最低限制。通過逐次迭代能得出滿足該地區SCR要求的新能源極限發電功率,同時按此方法得出的新能源場站功率分配方案能夠滿足SCR最高和新能源場站出力最大，即新能源場站最優功率分配。

2.2 具體優化方法

基于各新能源場站發電功率的SCR靈敏度特性，由式(9)的等SCR靈敏度準則得到高比例新能源接入系統最優發電功率優化計算方法，流程見圖6，具體步驟如下。

圖6 基于等SCR靈敏度的發電功率最優分配Fig.6 Optimal generation power allocation method based on equal SCR sensitivity

步驟 1：輸入新能源機組并網系統參數，如交流電網拓撲結構及相應阻抗數值和新能源場站初始功率；

步驟 2：根據式(1)計算系統SCR，并校核各場站SCR是否滿足最小SCR要求；

步驟 3：根據式(7)計算SCR對各新能源機組并網容量的綜合靈敏度，比較各綜合靈敏度數值，記錄綜合靈敏度絕對值最小的新能源場站i；

步驟 4：判斷新能源場站i是否達到其最大可發出力，如已達到最大可發出力，則不再計算該場站SCR綜合靈敏度；

步驟 5：第i個新能源發電功率增加一個調整步長，記錄發電功率和迭代次數；

步驟 6：根據式(1)計算系統SCR，記錄最小SCR與系統要求數值之差ΔVMRSCR=VMRSCR-Mref；

步驟 7：將ΔVMRSCR與偏差設定值比較，并判斷迭代次數是否達到最大值，若ΔVMRSCR小于偏差設定值，或迭代次數達到最大值，執行步驟8，否則執行步驟 3；

步驟 8：輸出新能源場站發電功率分配方案及相應的新能源場站發電極限。

3 等SCR靈敏度算例分析

為驗證基于等SCR靈敏度的新能源場站發電功率最優分配方法的可行性及有效性，以新疆準東地區實際電網為算例，分別對文中方法和等容量分配法進行對比仿真驗證。新疆準東電網網架結構如圖7所示。該地區風資源富集，新能源裝機容量達5.5 GW，大規模新能源從低壓690 V/400 V逐級升壓千余倍接入750 kV電網匯集至直流送出，風電與主網電氣距離較遠，接入點近區無常規能源，短路容量較低，在近區直流發生故障時暫態過電壓問題突出。按等容量分配時，在近區風電發電超過3 GW時，直流故障后部分風機將出現暫態過電壓問題脫網，因此近區風電限額僅為3 GW，在大風期該地區風電受限嚴重。

圖7 新疆準東地區實際電網地理圖Fig.7 Geographical map of actual power grid in Zhundong,Xinjiang

表1為不同方法進行新能源場站功率分配的方案對比，由表可知，基于等靈敏度方法的新能源并網容量達到3.54 GW，遠高于按裝機容量比例分配的新能源并網容量。

表1 新能源場站功率分配方案對比Table 1 Comparison of power distribution schemes for new energy stations MW

圖8為直流閉鎖時機組電壓變化曲線，按裝機容量比例分配3 GW新能源發電功率時，直流故障后新能源匯集站暫態過電壓最高為1.286 p.u.。按等靈敏度準則分配3 GW新能源發電功率時，SCR最低為1.26 p.u.，相較于按裝機容量分配方案，系統穩定水平有一定提升，驗證了文中方法的可行性和有效性。按等靈敏度方法以最低SCR為目標進行新能源場站功率分配，分配容量為3.5 GW時，直流故障后新能源匯集站暫態過電壓也要低于按裝機容量比例分配3 GW時的暫態過電壓，為1.273 p.u.。由于目前電網新能源機組完成1.3 p.u.耐壓改造，由圖8可知，在本次故障下，電壓最高點小于1.3 p.u.，不會引起風電機群連鎖脫網，電網可以穩定運行。

圖8 暫態過電壓對比Fig.8 Transient overvoltage comparison

由于寬頻帶穩定等問題機理、普適規律尚不明確，在單機系統降低系統短路容量可能出現寬頻振蕩問題，但在實際電網方式中，受限于新能源裝機規模、電網結構、最小開機方式等實際情況，在SCR較低時可能不會出現寬頻振蕩問題。在對新疆準東地區算例進行計算分析時，不同SCR下新能源并網方案有功功率波動對比如圖9所示，可知不同新能源并網方案下，均未出現寬頻振蕩，均能保持穩定。

圖9 不同新能源并網方案有功波動對比Fig.9 Comparison of active power fluctuations ofdifferent new energy grid-connected schemes

圖10為算例分析過程中SCR迭代情況，由圖可知，SCR相同時，基于系統穩定水平量化評估方法比基于傳統方法接入的新能源功率更大，能夠在確保安全穩定的基礎上最大化接入新能源。

圖10 SCR迭代Fig.10 SCR iteration

4 結語

文中提出一種基于接入系統強度量化評估的新能源優化功率分配方法及極限送出能力分析方法。首先，引入SCR作為電網穩定水平與新能源場站的量化關系評估指標；其次，推導出各新能源場站的綜合靈敏度，揭示新能源機組功率變化對系統穩定水平的影響；然后，提出基于等SCR靈敏度的發電功率優化分配方法；最后，通過實際電網系統驗證了該方法的可行性和相較于按裝機容量分配方法的優越性。文中為高比例新能源接入系統發電優化調度提供了全新思路，有助于更加全面地評估系統發電極限，優化分配方案。

考慮新能源場站發電公平性，下一步將增加考慮不同新能源場站限電率差異性的約束指標，即在確定最優分配方案的同時考慮不同新能源場站的限電率差異應不大于一固定值，以避免出現三公調度問題，但針對SCR差異較大的新能源場站應允許其在限電率方面保留一定差異，以提高其加裝小型調相機提升電網強度的積極性。