計及DSSC的含新能源電網靜態電壓穩定性分析

仇晨光, 張振華, 李藍青 , 李彥柳, 周霞, 馬道廣

(1. 國網江蘇省電力有限公司,南京市 210008;2.南京郵電大學碳中和先進技術研究院,南京市 210023)

0 引 言

以新能源為主體的新型電力系統得到廣泛發展,大規模新能源呈現高比例并網的發展趨勢。但高滲透率新能源并入電網場景下發生的電壓崩潰事故將造成巨大的經濟損失[1],大規模新能源接入會對電網靜態電壓產生影響,因此解決大規模新能源發電時的電壓穩定問題是當前研究人員重點關注的問題,其中靜態電壓穩定問題尤為顯著[2-3]。

針對解決大規模新能源并入電網后的靜態電壓穩定問題,目前已有較多的文獻利用分析靜態電壓穩定特征的方式量化系統電壓穩定性,同時提出提升靜態電壓穩定性的策略。傳統靜態電壓穩定特征分析是以潮流計算為基礎,通過尋找靜態電壓穩定臨界點,計算當前系統節點的電壓穩定裕度,常用的有連續潮流法[4-7]、崩潰節點法[8-9]和非線性規劃法[10-11]。文獻[12-13]基于節點電壓曲線、無功功率變化曲線,將系統臨界穩定運行的節點電壓變化值和無功功率變化值加權和作為綜合電壓穩定指標,評估內部負荷變化時電力系統的電壓穩定性。文獻[14-15]根據輸電線路上功率與線路首尾節點電壓之間的關系,利用潮流計算方程根的判別式提出靜態電壓穩定指標。文獻[16-17]按照簡化系統思路和分析配電網的單條線路模型,在潮流計算的基礎上,針對配電網安全穩定問題提出靜態電壓穩定指標。現有的靜態電壓穩定指標大多是基于單一固定的模型進行設計,忽略了負荷波動、新能源發電不確定性等因素,難以充分反映當電力系統受到擾動后整體的運行狀態,限制了靜態電壓穩定指標的通用性。

伴隨著電力電子技術的發展,柔性交流輸電技術(flexible AC transmission system, FACTS)在調節線路潮流、改善靜態電壓穩定性方面的研究更加深入[18-19],文獻[20]分析了高比例光伏并入電網對系統安全穩定運行的影響,并提出通過對新能源電網配置FACTS裝置的策略改善薄弱線路的靜態電壓穩定性。文獻[21-23]通過安裝可控串聯補償裝置(thyristor controlled series compensation ,TCSC)和靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)裝置在電壓薄弱節點處,調節線路潮流從而提升系統整體靜態電壓穩定性[24-25]。上述文獻鮮有將FACTS裝置與電力系統潮流計算方程結合提出新的電壓穩定指標,并且未考慮新能源電網配置FACTS裝置后對電力系統安全穩定運行性能的提升。分布式靜態串聯補償器(distributed static series compensator, DSSC)作為目前先進的柔性交流輸電裝置之一[26-28],為電網的安全運行提供了一種電壓支撐和功率調節的方法,DSSC可通過調節線路潮流的方式有效緩解高比例新能源并網后對系統安全所帶來的危害[29-30]。

針對上述問題,本文探討了DSSC對高滲透率新能源電網靜態電壓穩定特征的影響,從系統靜態電壓穩定性方面評估DSSC發揮的控制潮流效能。為分析配置DSSC的潮流控制對系統靜態電壓穩定性的提升效果,本文首先通過等值功率注入法建立含DSSC裝置的等效模型,得到考慮DSSC的潮流計算方程;其次,針對新能源并入電網后所帶來的安全穩定性問題,基于潮流計算方程提出系統靜態電壓穩定性指標,分析不同容量新能源并入電網后配置DSSC對當前電力系統薄弱節點靜態電壓穩定性的影響;最后通過IEEE 30節點驗證分析DSSC的潮流控制對系統靜態電壓穩定性的影響。

1 DSSC結構及模型

1.1 DSSC原理及結構

DSSC是一種用于潮流控制的分布式柔性交流輸電技術(distributed flexible AC transmission system, D-FACTS)單相設備,省去設備間的絕緣設計直接耦合于輸電線路上,容量一般為0～10 kVA。DSSC是包含單匝變壓器、復合開關(指反并聯晶閘管或雙向晶閘管和常閉機械開關的組合)、濾波器、單相電壓源逆變器、直流電容、控制保護模塊,通信模塊的新型電力電子裝置,DSSC結構示意圖如圖 1 所示。通過將多個小容量、單相逆變器直接與輸電導線相連,主動調節傳輸線路阻抗值,從而實現對電網有功潮流的控制。

DSSC的基本原理為當傳輸線路無電流通過或者電流相對較小時,復合開關處于閉合狀態。在傳輸線路電流較大時, DSSC可通過控制電路保持設備較低的工作電流,以此確保單相電壓源逆變器的安全。當傳輸線電流達到相應值后,DSSC通過單相電壓源逆變器向電網注入一個連續且可控的電壓,從而改變阻抗動態調節線路潮流。此電壓包含兩個分量,一個分量用于正交線路電流,形成注入電壓線路所需的阻抗值,使等效阻抗呈現電感、電容等特性,從而調節線路輸送的有功和無功功率潮流,實現阻尼功率振蕩、提高暫態穩定性等控制目標;另一分量與線路電流同相,用于實現補償逆變器的功率損耗和維持逆變器直流電壓穩定。同時逆變器對于系統暫態電壓穩定性進行無功補償,減少系統內潮流阻塞的線路潮流,降低一些發電機出力或進行切機處理,減少系統故障率,以此來提高系統暫態電壓穩定性。DSSC的等效電路圖如圖2所示,其中US為系統等效電源;XDSSC為單匝變壓器等效漏抗;UDSSC為逆變器輸出電壓;ILine為系統電流;UL為負載側電壓。SL=PL+jQL為負載功率;PL、QL為負荷的有功功率及無功功率。

圖2 DSSC等效電路圖Fig.2 DSSC equivalent circuit diagram

1.2 DSSC等效電路

DSSC耦合于輸電線路上,線路中流過的有功功率P可以表示為:

(1)

式中:V1和V2分別為線路首末端的電壓幅值;X為輸電線路的電抗;δ為線路首末端之間的相角差。

DSSC配置到系統相應線路后,相當于注入一個與線路電流垂直的電壓。因此,線路中流過的有功功率P′可以表示為:

(2)

式中:VDSSC為 DSSC 注入線路的電壓。

考慮到線路兩端電壓接近1.0 pu,并且線路兩端的相角差較小,有sinδ≈δ,cos(δ/2)≈1,DSSC的直流有功潮流P″可以表示為:

(3)

可以看出:DSSC 注入電壓的相位影響線路潮流的變化,通過增減注入電壓的大小來調整各個輸電線路潮流分布差異。

2 考慮新能源接入的靜態電壓穩定分析

2.1 新能源發電機組等效模型

本文以風電機組為例,并入電網的數學模型如圖3所示。圖3中X′SG為傳統同步機組等值阻抗;X′W為風電機組等值阻抗;XS為輸電線路阻抗;U為并網后電網母線電壓。

圖3 風電并網數學模型Fig.3 Mathematical model of wind power grid connection

(4)

式中:XSG為系統中僅有傳統機組并網時的等值阻抗;η為當前系統風電機組滲透率,定義為風電出力/總出力;λ為當前風電發電機組與傳統機組的阻抗比值。

2.2 新能源接入系統的靜態電壓穩定機理

圖4 新能源接入電網的簡化圖Fig.4 Simplified diagram of new energy access to power grid

(5)

新能源并網點向電網發出功率后可得:

(6)

(7)

式中:θ為相位角;結合式 (6)與式 (7)化簡后可得:

(8)

(9)

(10)

忽略傳輸電阻RS,可得:

(11)

由式(11)可知:新能源并入電網功率與接入電網的電壓之間為負相關,隨著新能源功率的增加,電網有功功率與節點電壓相關聯的靈敏度逐漸增大,系統電網的電壓穩定性明顯降低。

3 含DSSC的系統靜態電壓穩定評估

3.1 計及DSSC的潮流計算方法

對于任何復雜的電力系統,其系統都可以簡化為共包含n個節點,(m-1)個PQ節點,(n-m)個PV節點,以及一個平衡節點,則潮流平衡方程可以表示為:

(12)

式中:ΔPi是系統第i個節點有功注入功率量;ΔQi是系統第i個節點無功注入功率量;Ui是系統第i個PV節點電壓值;Gij、Bij是i-j支路導納的實部和虛部;Pi為系統第i個節點初始有功功率;Qi為系統第i個節點初始無功功率;Uj為系統第j個PV節點電壓值;θij為i-j支路的相位角差值。

簡化后的潮流平衡方程為:

(13)

式中:ΔP為系統有功注入功率量;ΔQ為系統無功注入功率量;H、N、J、L為雅可比矩陣的轉置向量;Δθ為節點電壓的相角差;ΔU為節點電壓差。

將DSSC配置在線路i-j的節點i側,并且對配置DSSC所在線路兩端的潮流方程進行修改,其他節點潮流方程保持不變。修改后的潮流方程為:

(14)

式中:Pi(ini)、Qi(ini)、Pj(ini)、Qj(ini)分別是DSSC注入系統節點i、j的有功和無功功率。

裝有DSSC的線路傳輸功率為:

(15)

式中:UD為配置DSSC線路的節點電壓;δD為配置DSSC線路的相角;g、b為支路導納的實部和虛部;bc為配置DSSC線路導納的實部。

本文側重于評估DSSC接入后對新能源并網安全穩定運行的影響,因此采用DSSC恒定容量控制模式:

HD-Href=0

(16)

式中:HD為當前線路所配置DSSC的容量實際值;Href為當前線路所配置DSSC的容量給定值。DSSC的逆變電壓可由容量參考值Href與串聯線路電流額定值Imax表示:

(17)

式中:Umax為DSSC接入線路的最大逆變電壓。電網中各線路電流額定值Imax均已知,因此本文可將控制目標修改為:

UD-Umax=0

(18)

因此,系統每接入一套 DSSC都將增加兩個控制變量UD和δD,同時增加內部運行約束式 (15)和控制目標式 (18)。

3.2 系統靜態電壓穩定指標

新能源并入電網后改變系統潮流,從而會影響系統靜態電壓穩定。新能源潮流分布會影響到靜態電壓穩定性,從而影響系統安全穩定運行。

圖5 輸電網簡化模型圖Fig.5 A simplified model diagram of the transmission network

從而可得相應電壓方程:

(19)

(20)

進一步計算可得:

(21)

DSSC裝置通過調節線路潮流的方式改善系統靜態電壓穩定性。線路末端負荷節點j電壓穩定值可表示為:

LVSI=min(dvc1,dvc2,…,dvcN)

(22)

式中:LVSI為線路末端負荷節點電壓穩定值;dvcj為節點j電壓穩定裕度;N是系統中以j為節點末端的支路總數。電網整體電壓穩定性的強弱與節點電壓穩定裕度成正比,以節點為末端的支路穩定裕度為0,即支路電壓穩定性處于臨界狀態,越過臨界運行狀態將會在此節點出現電壓崩潰的現象,同時丟失輸電線路原本的平衡節點。系統在不同運行狀態下的最小節點電壓穩定裕度被定義為系統最薄弱節點,此節點安全裕度能夠反映系統整體的靜態電壓穩定性,即:

μVSI=min(LVS1,LVS2,…,LVSk)

(23)

式中:μVSI為系統整體的靜態電壓穩定性;k是系統中負荷節點的個數。本文采用的薄弱節點是在負荷的增長過程中系統節點電壓崩潰概率最大的節點。

4 算例分析

4.1 新能源滲透率對靜態電壓穩定值的影響

本文在IEEE 30 節點系統接入風電、光伏新能源,采用MATLAB仿真驗證本文所提指標的正確性和合理性,如圖6所示。

圖6 新能源接入的IEEE 30節點系統Fig.6 IEEE 30-node system for new energy access

此外,本文使用的IEEE 30節點系統假設如下:關鍵節點的有功和無功負荷以恒定功率因數的模式增長,發電機和新能源以初始基準值等比例承擔負荷增長;新能源發電機組逐漸替代發電機電源,研究新能源不同接入點對系統靜態電壓穩定性的影響以及接入DSSC對靜態電壓穩定性的影響。

圖7為本文所使用的IEEE 30節點系統在初始狀態下各節點的值。由圖可知,節點19在初始運行狀態下的值為0.331 5 pu,可認為此系統該節點電壓安全穩定裕度最小,在整個系統中處于最薄弱位置。伴隨著新能源并入電網的負荷逐步增加,該節點發生電壓崩潰的概率最大,危及整體電網的安全穩定運行。

圖7 初始狀態下各節點的靜態電壓穩定值Fig.7 Static voltage stability value of each node in initial state

圖8是新能源滲透率增長過程中不同節點的靜態電壓穩定值,系統接入新能源后影響整個系統的安全穩定性,其中新能源節點19處的μVSI值下降了0.075,節點15處的μVSI值下降了0.058 8,這表明距離新能源負荷節點越近電壓下降速率越快。

圖8 新能源滲透率增長過程中薄弱節點的靜態電壓穩定值Fig.8 Static voltage stability of weak nodes in the process of new energy penetration growth

4.2 DSSC相較于SSSC的效果對比

DSSC作為分布式柔性交流輸電裝置的一個代表性設備,與靜態同步串聯補償器(static synchronous series compensater, SSSC)為代表的大容量FACTS設備以及傳統FACTS設備相比在結構方面更加簡潔,更適合大規模安裝解決電網整體潮流問題。圖9是系統配置FACTS設備對系統靜態電壓穩定性提升效果對比,其中包括DSSC、傳統FACTS和SSSC 等設備對靜態電壓改善的效果。分析可知:伴隨著新能源滲透率的增加,系統靜態電壓穩定性呈下降趨勢。相比于無FACTS裝置的系統來說,當系統加入DSSC 裝置后平均靜態電壓穩定指標提升0.152 5,系統加入傳統FACTS設備后平均靜態電壓穩定指標提升0.120 1,系統加入SSSC 裝置后平均靜態電壓穩定指標提升0.102 3,結果表明DSSC在改善系統靜態電壓穩定性方面更具優勢。系統薄弱節點靜態電壓穩定性受到線路容量極限的限制,潮流過大會造成線路過載,DSSC靈活分布的特性可以有效解決多條線路潮流過載的問題,進一步提升系統的安全穩定性。

圖9 配置FACTS設備對系統靜態電壓穩定性提升效果Fig.9 Improving the static voltage stability of the system by configuring FACTS equipment

4.3 DSSC安裝位置和容量的影響

由圖8可得系統薄弱節點為節點19,本文以節點19處接入DSSC的方案為基礎,研究分析在不同薄弱節點處以及不同位置安裝DSSC后系統的靜態電壓穩定結果,表1為不同配置地點的結果對比。

表1 不同位置下安裝DSSC對薄弱節點靜態電壓穩定指標的提升Table 1 Improvement of static voltage stability index of weak nodes by installing DSSC in different positions

分析表1中系統靜態電壓穩定指標結果可得:無論是否接入新能源,DSSC均能提升電網的靜態電壓穩定性。將容量為70 MVA的DSSC配置在節點19處后,經分析可得線路16-19阻塞處潮流減小,且由線路16-19 組成的送端斷面功率逐漸減小,系統靜態電壓穩定指標值相應提升。當系統在最薄弱節點19處安裝DSSC對整體電壓穩定性的改善更加明顯,μVSI值提升了0.111 3。DSSC安裝在薄弱節點15處μVSI值提升了0.049 9,結果表明DSSC對潮流的控制能力與接入薄弱節點位置的距離成正相關,距離薄弱節點越近DSSC裝置調節支路潮流的能力越強,同時可增強新能源電網運行時的安全性與經濟性。

表2為安裝不同容量DSSC薄弱節點靜態電壓穩定性的變化情況。由表2分析可以得出:隨著配置在系統薄弱節點處單個DSSC設備容量的增加,由系統重載線路16-19組成的送端斷面功率逐漸減小,靜態電壓穩定值μVSI逐漸提升。當DSSC的安裝容量達到11.55 MVA時,相比于不安裝DSSC時靜態電壓穩定值μVSI提升了0.120 6。系統在薄弱節點處增大接入的DSSC設備容量,將會提升阻塞支路潮流控制能力,DSSC利用等效功率注入法將阻塞線路處潮流轉移至其余相對空閑輸電通道,優化整體潮流分布從而提升電網整體的安全穩定性。

表2 安裝不同容量DSSC薄弱節點靜態電壓穩定性的變化Table 2 The change of static voltage stability of DSSC weak nodes with different capacities

5 結 論

本文分析了DSSC對高滲透率新能源電網系統靜態電壓穩定性的影響,從提高系統靜態電壓穩定性方面評估DSSC發揮的控制潮流效能。將DSSC應用于改善新能源電網下的靜態電壓穩定性,提出基于DSSC等效功率注入模型的潮流計算方程,并基于潮流計算方程提出反映系統靜態電壓穩定的效能評估指標,計算分析接入不同容量新能源并網后對系統靜態電壓的影響以及DSSC對改善新能源并網靜態電壓安全穩定性的影響,結論如下:

1)高滲透率新能源并入電網后系統靜態電壓穩定性下降,DSSC通過注入功率的方式調節薄弱節點電壓,有效提升新能源電網的安全穩定性。

2)相較于應用SSSC改善系統靜態電壓穩定性,在實際電網復雜的運行環境下安裝DSSC更具適應性,能夠更好提升新能源并網后系統的安全穩定性。

3)DSSC對潮流的控制能力與接入薄弱節點位置的距離成正相關,距離薄弱節點越近DSSC裝置調節支路潮流的能力越強,同時安裝DSSC在薄弱節點處可有效降低擴建輸電設備的投資,提升新能源并網運行時的安全性與經濟性。