計及新能源大規模接入電網的需求側精細化建模研究

房 俏，李 山，劉文學，蔣 哲，李常剛

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

隨著社會經濟發展，電力需求也大幅增長。近年來，電力負荷不斷增長，電力系統暫態電壓失穩事故也時有發生［1-4］，諸如美國加州東北部電網大面積停電事故、美國西部1996 年7 月2 日大停電、倫敦南部地區大停電等。電力系統失穩導致的停電往往帶來巨大的經濟損失和社會影響，因此，研究電力系統穩定性具有重要意義［5］。

電力系統穩定性是指在給定的初始運行方式下，系統受到物理擾動后仍能夠重新獲得運行平衡點，且在該平衡點大部分系統狀態量都未越限，從而保證系統完整性的能力［6］。電力系統兩大國際組織國際大電網會議（Conseil International des Grands Réseaux Electriques，CIGRE）和國際電氣與電子工程師學會電力工程分會（Institute of Electrical and Electronic Engineers，Power Engineering Society，IEEE PES）綜合考慮電力系統失穩的物理特性、擾動程度以及時間尺度等方面，將電力系統分為功角穩定、電壓穩定和頻率穩定三類［7］。在系統發生大擾動導致失穩后，通常表現為電壓失穩和功角失穩兩種形態［8］，功角穩定主要指大電網中的同步發電機遭受擾動后，保持相互間同步運行的能力；電壓穩定則是指系統在初始運行點處，經歷擾動后，維持可接受的穩態電壓能力。

電力系統的暫態穩定分析可以歸結為微分-代數方程組的求解問題。由于電力系統的復雜性，對電力系統的穩定性分析十分困難，常見有兩種方法，暫態能量函數法和數值仿真法［9］。

暫態能量函數法也稱為直接法，由李雅普諾夫的運動穩定性理論發展而來。直接法通過構造能量函數，并根據系統擾動方程式計算得出該函數的時變性，以此確定非線性系統的穩定性質［10］。但是，由于大電網的李雅普諾夫函數建立困難，難以確定相關不穩定平衡點（第一類平衡點），因此無法用于分析實際大系統。

數值仿真法的基本思想是求解電力系統的微分-代數方程組，通常采用潮流的解作為初值，用數值積分方法求出描述擾動后微分方程組的時間解［11］。數值仿真法可以適應不同詳細程度的元件數學模型，分析結果準確可靠。數值仿真法雖然無法給出系統運行點在各個方向上的裕度，但是由于其分析大電網的優越性以及在技術應用方面相對成熟，在系統暫態穩定分析中廣泛應用。目前，國家電力調度通信中心的大電網仿真分析多基于中國電力科學研究院研發數值仿真程序“電力系統分析綜合程序”（Power System Analysis Software Package，PSASP）［12］，交流同步電網數據的元件庫均錄入中國電力科學研究院提供的國家電網仿真計算數據平臺［13］。

元件模型的精細化程度決定了數值仿真的準確性，通常大電網暫態仿真使用發電機六階模型、直流準穩態模型、線路集中參數模型等能夠較為準確描述電網的動態特性，滿足仿真要求［14-16］。但是，由于仿真資源有限，因此大電網建模對于需求側的處理較為簡略，多采用等值的綜合負荷，即負荷加感應電動機模型代替配電網［17-18］。同時，電力系統呈電力電子化趨勢。在輸電系統中，柔性交流和柔性直流輸電技術逐步應用，特高壓直流輸電快速發展。并且，隨著新能源大規模接入電網，異步電源均需要電力電子接口裝置，使輸出的交流電與電力系統保持同步。傳統用單機倍乘機組等值新能源場站，并用一套典型參數作為新能源控制參數的建模方法也無法精確描述新能源的動態特性，從而降低了數值仿真的正確性與可靠性。

針對電網模型簡化對電力系統數值仿真帶來的影響，提出了一種區別傳統等值模型的大電網精細化建模方法，對網絡結構拓撲展開建模，考慮主網架與輻射狀配網，并將新能源場站建模至機端。承接前期新能源建模與控制參數實測工作，在新能源建模中為不同新能源場站配套新能源實測控制參數［19］，有利于新能源在仿真分析中的動態特性更加貼合實際。以某交直流混聯同步電網數據作為實例，某受端電網采用傳統等值模型與集中式新能源全電壓等級模型兩種方式進行建模，并對不同模型下暫態電壓穩定性及主要影響因素進行對比分析。

1 基于等值模型的大電網仿真建模

電力系統由各種不同元件組成，在仿真計算中，通過仿真軟件計算大電網的潮流，小干擾穩定，或者分析大電網的暫態特性等，首先要研究各元件的特性，建立其動態模型。在此基礎上，根據系統的具體結構，即元件的相互關系，建立全系統的數學模型，并通過適當的數學方法進行求解。

目前，PSASP 元件庫中包括常見電力系統元件如：發電機、變壓器、負荷、交流線、直流、新能源等系統常見元件模型及其控制器，基本滿足仿真計算及分析需求。但是，考慮到節省計算資源以及縮短計算時間，實際工作中，用于大電網穩定分析的數據建模止于220 kV 變電站，220 kV 以下電壓等級的變電站及其末端所接入的負荷與新能源場站，均以等值負荷與等值新能源機組直接接入220 kV變電站的高壓側及中壓側母線。

某220 kV 變電站負荷及新能源等值模型如圖1所示。220 kV 變電站下接變電站及線路全部被省略，所供負荷總和以等值負荷代替，接入220 kV 變電站中壓測。等值負荷考慮靜態負荷和感應電動機兩部分，這種負荷模型能夠計及感應電動機轉子繞組中的暫態過程，但是忽略了感應電動機定子回路的暫態過程。新能源模型省略升壓變及箱變，僅用功率單機倍乘機組等值后接入變電站高壓側或中壓側，風機僅采用雙饋風機模型（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）。雙饋風機與光伏電源分別套用參數為中國電科院提供的一套典型參數，此套參數在故障后低穿期間動態響應能力較差，較為保守。

圖1 基于等值模型的變電站建模

2 基于拓撲模型的大電網仿真建模

隨著數值積分算法的不斷優化以及計算資源的逐漸充裕，大電網仿真計算對元件精細化建模的要求逐漸提高。借助中國電力科學研究院提供的數據平臺，可將110 kV及以下電壓等級變電站，直至10 kV 用戶站的元件穩態參數及暫態參數、網絡拓撲結構錄入其中，達到電網精細化建模的目的。

同時，新能源大規模接入電網不僅帶來了隨機性和不確定性，也改變了大電網的動態特性。使用新能源典型參數的暫態仿真顯然無法為離線分析提供更加可靠的電網特性分析依據。因此，依據新能源實測參數建模，不同場站不同動態特性的新能源變流器控制參數也同時被錄入至國家電網仿真數據平臺中，形成了更為精細化的拓撲模型加新能源實測參數的仿真模型。圖1 所示變電站及所接入的低電壓等級拓撲模型如圖2所示。

圖2 基于拓撲模型的變電站及接入廠站建模

此種建模更為精細化，不再忽略220 kV 以下電壓等級網絡拓撲結構及線路參數，負荷接入實際低電壓等級用戶站。新能源場站建模中，考慮升壓變及箱變，將新能源模型建至機端，且配合此新能源場站逆變器機組相應型號實測參數。

3 仿真算例

3.1 算例參數

采用某交流同步電網數據進行分析。如圖3 所示，某受端電網通過十回交流線路由同步電網1 受電、通過三回直流線路分別由同步電網2、同步電網3受電。

采用傳統的等值模型+新能源典型參數、拓撲模型+新能源典型參數以及拓撲模型+新能源實測參數3 種模型，電網交直流受電斷面如圖3 所示。基于PSASP7.61軟件版本，對系統進行仿真分析。

圖3 某受端電網交直流受電斷面

3.2 電壓穩定性

1 000 kV 變電站A 站至B 站雙回線路發生三永N-2故障，故障導致受端電壓崩潰，臨界運行方式下，受端電網采用3種模型的交直流受電能力如表1所示。

表1 不同建模方式受電能力對比

分析表1 數據，對比3 種建模方法。相同負荷水平及新能源出力情況下，拓撲模型+新能源實測參數建模的外受電+新能源占全網負荷的比例最高，表明此種建模方法下受電能力最高，電壓穩定性最好。拓撲模型+新能源典型參數建模此項比例最低，表明此種建模方法下受電能力最低，電壓穩定性最差。

4 算例分析

不同建模方式下受電能力主要與兩個影響因素相關，分別為新能源參數差異以及網架結構差異。

4.1 新能源控制參數差異

對比拓撲模型+新能源實測參數及拓撲模型+新能源典型參數兩種建模方式，新能源低壓穿越期間控制參數，影響新能源機組動態特性，進而影響故障后電網的有功缺額。

新能源低壓穿越期間采用指定電流控制，低壓穿越期間雙饋風機指定電流控制如式（1）所示，雙饋風機參數如表2所示。

表2 某雙饋風機有功控制參數對比

式中：IpLVRT為機組低壓穿越運行時的有功電流分量；K1_Ip_LV和K2_Ip_LV為有功電流計算系數；Vt為端電壓幅值；Ip0為初始有功電流；Ipset_LV為有功電流整定值。

依據式（1）可知，有功降落主要與電流計算系數及初始有功電流、機端電壓相關。新能源機組穩態相同，則電流初始值Ip0相同。拓撲模型+新能源實測參數及拓撲模型+新能源典型參數兩種建模方式均采用拓撲網架結構，因此故障后機端電壓跌落程度相近，如圖4 所示。動態中新能源的有功出力與K1_Ip_LV與Vt的乘積相關性最大。以表2中某實測參數與典型參數為例。1 s 故障后，新能源進入低穿。低壓穿越期間，某實測參數新能源機端功率如圖5 中藍色曲線所示，實測參數K1_Ip_LV較高，電流指令較高，最終計算得到的有功參考值高，因此機端有功降落少。典型參數K1_Ip_LV為零，有功電流指令與機端電壓解耦，低壓穿越期間有功下降明顯，如圖5中綠色曲線所示。

圖4 不同新能源參數DFIG機端電壓對比

圖5 不同新能源參數DFIG機端有功對比

4.2 網架結構差異

對比拓撲模型+新能源典型參數與等值模型+新能源典型參數兩種建模方式，在新能源無功控制中，無功控制與機端電壓跌落程度密切相關，而有功降落只與初始有功電流相關，因此兩種方式有功降落差距不大，有功對電壓穩定性影響差別相近，如圖6所示。

圖6 不同拓撲建模DFIG機端有功對比

根據低穿期間無功控制式（2）及表3 所列參數可知，新能源機端無功支撐與無功電流計算系數正比于電壓跌落差VLin-Vt。等值模型與拓撲模型電壓跌落情況如圖7 所示。拓撲模型新能源機端距離故障電氣距離遠，電壓跌落淺，無功發出少，對主網架無功支撐能力差。反之，新能源機端電壓跌落深，無功發出多，對主網支撐能力強，如圖8所示。

圖7 不同拓撲建模DFIG機端電壓對比

圖8 不同拓撲建模DFIG機端無功對比

表3 某雙饋風機無功典型控制參數

式中：IqLVRT為機組低壓穿越運行時的無功電流分量；K1_Iq_LV和K2_Iq_LV為無功電流計算系數；VLin為進入低穿電壓閾值；Iq0為初始無功電流；Iqset_LV為無功電流整定值。

拓撲模型精細化建模，新能源機端電壓距離故障點電氣距離遠，因此故障后機端電壓跌落少，對大電網的無功支撐能力差，等值模型接入的新能源機組距離大電網電氣距離近，電壓跌落深，因此無功支撐能力強，電壓穩定性更好。

為驗證網絡結構對電壓穩定性影響結論，摒除典型參數過于保守的影響，進一步采用拓撲模型+一套實測參數與等值模型+一套實測參數兩種建模方法，對電壓穩定性進行復核，其結果對比如表4所示。

表4 拓撲建模差異下兩種建模方法受電能力對比

可以看出，在全網新能源均采取一套實測參數情況下，維持原有規律不變。等值模型的電壓支撐能力依舊強于拓撲模型，表明網架拓撲結構的建模會在計算中一定程度上影響電壓穩定性。

5 結語

針對大電網數值仿真等值模型可能造成的計算不準確現象，提出了一種需求側與新能源精細化建模方法，結合新能源實測建模與參數擬合工作，為新能源場站配套實測參數，以實現對新能源大規模接入后大電網暫態特性更加準確可靠仿真。仿真算例說明不同建模方法對電網電壓穩定性影響。

采用精細化建模方法，提高了數值仿真的正確性，今后將在以下方面進一步研究：結合實際生活中居民負荷與工業負荷的不同特性，進一步對負荷精細化建模；由于電力電子大規模接入電網，使用機電、機電電磁混合與全電磁對結論進一步仿真，以相互佐證其正確性；結合數值仿真與直接法的優越性，對系統失穩的主導模式進一步定性研究，給出主導失穩因素的判斷依據。