基于相对等效短路比的新能源——柔直送出系统振荡风险评估

新能源基地并网系统面临与电压支撑强度密切相关的振荡稳定性问题,在海量运行方式下,逐一建立精细化模型的稳定性分析过程耗时较长。短路比指标可直观反映新能源并网系统的电压支撑强度和稳定裕度,但现有短路比无法适用于无同步机电源的系统。为此,将短路比概念合理扩展至全电力电子化系统,基于戴维南等效网络来度量新能源-柔直送出系统电压支撑强度,进而提出了能快速评估新能源-柔直送出系统振荡风险的相对等效短路比计算方法,并阐明相对等效短路比能够全面考虑新能源场站发电功率、交流网架结构以及新能源设备变流控制系统等多重因素对振荡稳定性的影响,最后通过算例验证了相对等效短路比评估方法的有效性。

分布式调相机在新能源场站端的应用

为实现“双碳”目标,推动电力系统绿色低碳转型,未来电力系统会出现高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”特性。传统能源发电优势在于可依赖发电机组的短路容量,电网电压稳定;可依赖发电机组的旋转惯性,电网频率稳定。新能源(风电、光伏)发电的特点则是基本无短路容量、无功支撑弱、旋转惯性无法利用、负荷不可控。根据调相机的特性,在新能源场站装设分布式调相机可以大幅增加短路容量、提升短路比,对电网稳定运行起到无法替代的支撑作用。重点介绍在电网末端新能源场站集中区域,在风电场站或光伏电站装设分布式调相机的各种设计方案。

基于实时戴维南等值参数估计的短路比分析

针对风电接入多场站电力系统暂态稳定问题,依托短路比对系统的暂态稳定性进行判定。首先,建立新能源并网系统等效模型,运用时域仿真的戴维南等值参数法来求解系统暂态的戴维南等值参数;在此基础上,计算交流系统短路容量,推导得出新能源并网系统短路比,并构建短路比与节点电压的代数关系,得到系统短路比关于节点电压的计算式;最后,基于系统最大传输功率计算得出临界短路比,通过对比实现对系统暂态稳定的实时评估。仿真结果表明,基于时域仿真的戴维南短路比计算准确,算法的适应性强。当短路比小于临界短路比时,系统处于特性不稳定区域,反之则处于稳定区域。

考虑电压支撑强度约束的区域新能源出力分布优化方法

建设大规模新能源基地,并经特高压直流送出已成为新能源开发利用的重要形式,但随着新能源接入占比的抬升,系统电压支撑强度不足并引发暂态过电压问题凸显,已严重制约直流送电能力及新能源接纳能力。新能源多场站短路比是衡量系统电压支撑强度的有效手段,通过揭示新能源出力对短路比的影响规律,明确了新能源出力分布优化的可行性,进而构建基于新能源多场站短路比约束的区域新能源出力分布优化问题的实施框架,提出基于模拟退火算法的出力优化方法。以国内某省级电网为例,仿真验证了算法对提升区域新能源消纳能力的效果。仿真表明,所提出的出力优化方法可以提升新能源消纳能力70%以上。

新能源基地柔性直流送出系统小扰动电压支撑强度评估

系统电压支撑强度(简称系统强度)常用于描述系统电压响应性能和量化安全稳定水平,其中基于短路比的强度量化指标在描述新能源送出极限时具有简单直观的特点。然而,现有基于短路比的分析基础是以同步机提供短路容量或电压支撑为前提,难以适用于无同步机支撑的新能源基地柔性直流送出系统。为此,该文从小扰动角度探讨新能源基地柔性直流送出系统的强度评估问题,首先推导了该系统中多端口电流对母线电压的灵敏度传递函数矩阵,阐述了受扰后母线电压响应与系统静态电压稳定/小扰动同步稳定的定性关系;然后,基于送端柔直电压源等值思路,并结合新能源设备临界短路比提出了源-网分离的系统强度评估方法,将广义短路比推广应用到全电力电子系统,所提出的方法能快速分析在系统运行点处的静态电压稳定/小扰动同步稳定裕度,确定系统强度的薄弱环节以及系统强度提升的优化路径;最后,多风电场经柔性直流送出系统算例验证了评估方法的有效性。

特大型新能源基地面临挑战及未来形态演化分析

在推动中国新能源高质量跃升式发展背景下,大规模新能源开发、汇集和远距离输送成为新能源建设的重要路径之一,特大型新能源基地成为未来的重要形态。由于缺少常规交流同步发电机组和可靠备用容量,特大型新能源基地稳定性挑战、新能源利用率与供电充裕性矛盾凸显,其形态结构及演化路径成为当前关切的热点问题。系统梳理了当前最新学术研究成果,研判特大型新能源基地未来可能的源网形态并做特征分析;进一步,面向特大型新能源基地系统强度弱、灵活性不足、源网协调运行矛盾突出等挑战,针对性提出源网协调规划、灵活性专项规划和系统强度提升措施的优化配置技术等规划支撑技术和关键场景运行技术;最后以张北特大型新能源汇集区为例,结合其资源禀赋分析新能源基地现状并研判未来源网形态发展趋势,提出适应张北特大型新能源基地未来发展的关键支撑技术体系,为张北特大型新能源基地近中期规划和可靠运行提供参考。

考虑小干扰同步稳定约束的电网新能源承载能力评估方法

随着新能源渗透率的增加,电网电压支撑强度逐渐变低,锁相环主导的小干扰同步稳定问题逐渐成为制约电网新能源承载能力的主要因素之一。然而,高比例新能源电力系统表现为设备类型多、动态模型维数高和新能源设备内部参数未知等特点,导致考虑小干扰同步稳定约束的电网新能源承载能力评估十分困难。为此,首先,将小干扰同步稳定约束转化为广义短路比约束,构建考虑小干扰同步稳定约束的电网新能源承载能力评估模型;其次,将所构建的优化模型等价转换为具有凸性质和网络结构保持的半定规划模型,确保能够求得最优的新能源落点和容量分配。所提新能源承载能力评估方法避免了对系统动态详细建模,大大简化了所关注优化问题的复杂度,适用于大规模新能源并网场景、新能源“黑箱”模型场景以及跟网型和构网型混联的新能源并网场景。最后,仿真算例验证了所提电网新能源承载能力评估方法的有效性。

构网型储能对新能源多场站短路比的影响分析

新能源多场站短路比(multiple renewable energy stations short-circuit ratio,MRSCR)是衡量电力系统支撑强度的重要指标,构网型储能对提升MRSCR具有重大意义。首先,介绍构网型储能的基本结构,对构网型储能的功率与频率电压的关系进行分析,通过理论推导和仿真结果验证了构网型储能具有虚拟同步发电机特性,可等效为传统电源向交流系统提供短路容量;然后,基于等值阻抗矩阵揭示了构网型储能对MRSCR的影响机理;最后,结合算例验证了构网型储能对MRSCR的提升作用。

适应高比例新能源直流外送输电能力提升的分布式调相机配置方法研究

特高压直流送出是我国大规模可再生能源消纳的重要输电形式。在新能源高渗透率地区,直流故障后新能源的暂态过电压问题已成为制约新能源外送能力的主要因素。对新能源外送系统的分布式调相机配置方法进行研究,结合限制故障影响范围制定初步配置方案,并以新能源脱网站点的短路比为参考指标对初步配置方案进行优化完善。针对某实际电网的算例仿真表明,最终配置方案可有效提升网内新能源的消纳能力,且推荐的新能源汇集站点分布式调相机配置比例可用于指导后续电网实际规划和建设工作。

新能源同步机对新能源多场站短路比的提升作用

短路比作为衡量电力系统静态电压稳定的指标,被广泛应用于高压直流输电和新能源多场站系统的研究中。基于新能源多场站短路比的定义,研究新能源同步机(motor-generator pair,MGP)对新能源多场站短路比的提升作用。首先介绍了MGP系统的基本结构和独特优势,分析了新能源采用MGP并网对系统短路容量的提升作用。然后基于戴维南等值法和支路追加法分别分析了MGP对系统结构和节点阻抗矩阵的影响作用,揭示了MGP对短路比的影响机理,理论推导结果表明MGP能够提升系统的短路比。最后在PSCAD仿真软件中搭建了新能源三场站系统的仿真模型,结合算例的理论计算和仿真结果验证了MGP系统对新能源多场站短路比提升作用,并通过仿真验证了MGP对暂态低电压和暂态过电压的抑制作用。

大型新能源基地中调相机同步失稳机理与影响因素分析

新能源远距离送出系统的短路比较低时,容易引发振荡和过电压等问题,提升送端电网的电网强度存在迫切需求。鉴于调相机在动态无功支撑方面的优势,工业界普遍采取加装调相机的措施以提升大型新能源基地的送出能力。然而,调相机本质上是同步机,在短路比较低且新能源控制配合不恰当时存在暂态功角失稳风险,这一潜在问题尚未引起工业界的足够重视。为此,首先解析了新能源送出系统调相机的功角特性,分析了调相机暂态功角失稳机理。其次,提出了量化调相机同步稳定性的新能源等效容量折算系数和系统的临界短路比条件。进一步,分析了影响调相机功角稳定水平的关键因素,为后续提高调相机同步稳定裕度的协调控制策略提供理论基础。仿真算例验证了所提稳定机理和影响因素的有效性。

新能源多场站短路比定义及指标

随着新能源在电力系统中占比不断增加、接入形式的多样化,局部地区出现了新能源并入弱交流电网的场景,这是出现宽频带振荡、过电压等问题的影响因素之一,因此,亟需提出理论科学、工程实用的新能源接入规模的量化评估指标。该文首先基于短路比的物理本质,提出计及场站间相互影响的新能源多场站短路比(multiple renewable energy stations short circuit ratio,MRSCR)定义及计算方法,并根据系统阻抗比与短路比间的关联关系,给出针对不同阻抗比范围的计算解析表达式。其次,对新能源多场站临界短路比进行定性分析,并基于典型电网参数计算结果从工程应用的角度提出MRSCR临界指标。最后,依托电力系统分析综合程序(power system analysis synthesis program,PSASP)开发MRSCR计算模块,通过时域仿真算例验证所提出MRSCR对多新能源场站接入系统电压强度表征作用的有效性。

新能源并网系统短路比指标分析及临界短路比计算方法

短路比作为评估新能源并网系统电压支撑强度的重要指标,其准确性与实用性之间存在矛盾,且由于构建方法众多导致临界短路比计算不统一。该文对新能源并网系统的短路比指标进行分析,并提出临界短路比计算方法,实现对系统电压支撑强度的评估。首先,建立新能源并网系统的等效分析模型,依据叠加定理分析新能源接入对节点电压的影响,推导交流系统短路容量以及计及多馈入相互影响的新能源等效并网容量;进一步,提出两个等价短路比指标:依据短路比的容量比概念,提出基于容量计算的短路比指标SCR-S,以及通过分析短路比与节点电压之间的关系,提出基于电压计算的短路比指标SCR-U,通过解析推导SCR-U与SCR-S完全等价关系,SCR-U形式及解析表达更加简单。其次,基于最大传输功率提出临界短路比数值的理论算法,进一步求解临界短路比的极值,建议将临界短路比极值2作为划分新能源并网系统强弱的标准,当SCR-U小于2时,系统为弱系统。然后,结合SCR-U及临界短路比提出系统电压支撑强度评估方法,当SCR-U小于临界短路比时,系统处于P-V特性不稳定区域。最后,通过算例验证了采用SCR-U及临界短路比极值对电压支撑强度进行评估的准确性与合理性。

新能源发电集群的改进等效短路比计算方法

短路比是衡量电源接入点并网强度的重要指标,低短路比并网的新能源电站发生振荡、电压失稳等问题的风险较高。文中首先针对新能源集群并网的场景,分析了常用的加权短路比、复合短路比以及等效短路比等计算方法的适用性及其不足,提出了一种考虑新能源无功出力、静止无功发生器、阻抗角以及初始相位角的改进的新能源集群等效短路比计算方法。然后,基于简单网络证明了所提计算方法与常规短路比的相互关系,分析了无功补偿方式对等效短路比的影响。最后,结合典型算例和实际新能源基地经特高压直流送出工程,开展了基于改进等效短路比的电网强度评估应用研究,并进一步分析了分布式调相机对于加强新能源电站并网点强度的作用。

新能源多场站短路比在改善电网电压稳定性中的应用

针对评估新能源多场站短路比可能改善电网电压稳定问题,介绍了新能源多场站短路比的计算原理,以某交、直流混联电网为例进行了新能源多场站短路比计算,应用新能源多场站短路比指标分析了持续的新能源并网对电网电压强度的影响,并确定了电网电压强度的薄弱区域,提出了多种单一规划措施及组合规划措施,分析了各措施对提升新能源多场站短路比的效果。通过比较各措施下电网发生交、直流故障下的母线电压变化曲线,验证了新能源多场站短路比提升效果较好的组合规划措施可以更好地改善电网的电压稳定性。

新能源多场站短路比影响因素分析

新能源在电力系统中的接入占比不断增加,使得局部地区出现了新能源接入弱交流电网的场景,易引发新能源振荡失稳及过电压脱网风险。计及多个新能源场站间相互影响的新能源多场站短路比(multiple renewable energy stations short circuit ratio,MRSCR)是衡量新能源接入系统电压支撑强度的重要指标。首先,推导了MRSCR的计算公式,结合不同假设条件,给出不同解析表达式;其次,详细分析了影响新能源多场站短路比的因素,包括新能源场站发电功率、节点运行电压、加装调相机等,并对上述因素的影响效果进行理论推导;最后,为进一步验证上述因素对MRSCR的影响情况,依托电力系统分析综合程序(power system analysis synthesis program,PSASP),以宁夏某新能源场站为例进行了仿真分析。仿真结果表明新能源场站发电功率、加装调相机对MRSCR具有显著影响,上述结论对指导高比例新能源接入系统电网运行及新能源场站规划设计具有重要意义。