考慮頻率穩(wěn)定約束的分布式調(diào)相機(jī)選址定容策略

劉鋮, 胥冬洋,武誠,程定一,蔣哲,周書宇,孫圣軒

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)),吉林省吉林市 132012;2. 國網(wǎng)山東省電力公司,濟(jì)南市 250001;3. 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,濟(jì)南市 250000)

0 引 言

我國預(yù)計(jì)將在2030年將風(fēng)光總裝機(jī)容量提升至1 200 GW,非化石能源消納比例達(dá)到25%,在2050年將可再生能源占比增加至60%以上[1]。隨著碳達(dá)峰、碳中和的重大戰(zhàn)略實(shí)施,能源體系的低碳化將是中國能源體系的重要發(fā)展方向[2],高比例新能源是今后中國電力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)[3]。新能源的出力具有波動(dòng)性和不確定性,對(duì)電網(wǎng)功率平衡具有一定影響[4],加之高比例新能源擠占常規(guī)同步電源,電力系統(tǒng)將向具有高滲透新能源的低慣性電力系統(tǒng)演變。

由于高比例新能源電力系統(tǒng)慣性支撐力弱,系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性問題越來越突出[5-6]。系統(tǒng)頻率變化率變大,頻率偏差加大,容易引發(fā)第三道防線上安全自動(dòng)裝置動(dòng)作,從而導(dǎo)致大量切負(fù)荷、切機(jī)[7]。英國“8·9”和澳大利亞“9·28”大停電事故引發(fā)了世界范圍內(nèi)各大科研單位的廣泛關(guān)注[8-9]。因此,迫切需要新的、靈活的、可調(diào)整的慣量配置方案以保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定[10]。

同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)中的運(yùn)用,經(jīng)歷了20世紀(jì)80、90年代的沉寂,到了2010年左右,又迎來了一個(gè)新的活躍時(shí)期。通常在直流換流母線處配置大型集中式調(diào)相機(jī),以支撐電力系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[11]。近幾年,除了配置集中式調(diào)相機(jī)之外,在新能源場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)可配置小型分布式調(diào)相機(jī)。通過配置分布式調(diào)相機(jī),能有效提高經(jīng)濟(jì)性[12]。2021年底,國家電網(wǎng)有限公司在青海、海南安裝的21臺(tái)小型分布式調(diào)相機(jī)全部投產(chǎn),正式形成了全球規(guī)模最大的新能源分布式調(diào)相機(jī)群,可為海南地區(qū)提供350萬kW的新能源外送電量[13],每年可增加新能源發(fā)電70.2億kWh,等同于減少燃煤318.9萬t,減少碳排放574.2萬t,充分響應(yīng)國家“雙碳”政策。為了適應(yīng)電力市場(chǎng)的需求,新一代調(diào)相機(jī)有了很大的改進(jìn)[14]。它已不僅僅是一種無功電壓補(bǔ)償裝置,而是一種具有慣性響應(yīng)的同步裝置,對(duì)改善低慣量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性、提高系統(tǒng)的頻率支持性能具有較大的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也具有較好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性,目前已被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外電力系統(tǒng),具有較強(qiáng)的研究熱度[15]。由于調(diào)相機(jī)為轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備,受到一次投入、維修、選址等限制,必須合理選擇調(diào)相機(jī)的配置,以保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性和新能源的接入規(guī)模。

文獻(xiàn)[16]探究了調(diào)相機(jī)慣量響應(yīng)原理及改善頻率穩(wěn)定的作用,但并未提出高效可行的選址定容策略。文獻(xiàn)[17]提出了一種提高電力系統(tǒng)電壓強(qiáng)度的調(diào)相機(jī)選址定容方案,但未考慮調(diào)相機(jī)對(duì)增大系統(tǒng)慣量、提高頻率支撐強(qiáng)度的作用。文獻(xiàn)[18]提出了一種增強(qiáng)頻率支撐能力的儲(chǔ)能選址定容方法,但未考慮當(dāng)前成為研究熱點(diǎn)的調(diào)相機(jī)。文獻(xiàn)[19]提出了一種節(jié)點(diǎn)慣量計(jì)算方法,這一指標(biāo)能夠衡量節(jié)點(diǎn)阻礙頻率變化的能力,對(duì)系統(tǒng)慣量進(jìn)行分區(qū)評(píng)估。

本文利用節(jié)點(diǎn)慣量對(duì)電網(wǎng)慣性支撐能力進(jìn)行定量評(píng)估,分析了調(diào)相機(jī)的接入對(duì)電網(wǎng)頻率的影響,在此基礎(chǔ)上提出了一種考慮頻率穩(wěn)定約束的分布式調(diào)相機(jī)選址定容配置策略。該方法能夠有效地提高新能源接入后電網(wǎng)的頻率支撐能力,在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面都有很大的優(yōu)越性。通過對(duì)2個(gè)典型算例進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了本文所提分布式調(diào)相機(jī)選址定容策略的有效性。

1 分布式調(diào)相機(jī)參與的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率建模

隨著高比例新能源的接入,電力系統(tǒng)的慣量水平明顯降低。分布式調(diào)相機(jī)作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備在提供無功支撐的同時(shí)具備慣性響應(yīng)作用,可為系統(tǒng)提供短時(shí)頻率支撐。本節(jié)對(duì)調(diào)相機(jī)參與電網(wǎng)的頻率響應(yīng)過程進(jìn)行分析,給出計(jì)算系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)慣量的方法,并建立基于系統(tǒng)頻率安全約束的臨界慣量。

1.1 電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)過程

電力系統(tǒng)的頻率與實(shí)時(shí)有功功率平衡有關(guān)。當(dāng)發(fā)電功率與負(fù)荷功率出現(xiàn)不平衡時(shí),頻率動(dòng)態(tài)變化過程按時(shí)間順序可分為3個(gè)主要過程:慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻。本文主要研究慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻過程,如圖1所示。

擾動(dòng)過程大致分為以下階段:

t0～t1慣量響應(yīng)階段,發(fā)電機(jī)機(jī)械功率未變,而電磁功率增加,這時(shí)由于慣量的作用將轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁功率,使整個(gè)系統(tǒng)的有功供給和需求保持平衡。

t1～t2階段,慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻共同作用。t1時(shí)刻一次調(diào)頻動(dòng)作使機(jī)械功率增加,功率缺額減小,慣量承擔(dān)的功率下降,轉(zhuǎn)子減速變慢。直至t2時(shí)刻頻率跌落最低。

t2～t3階段,原動(dòng)機(jī)持續(xù)提供機(jī)械功率,將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恢復(fù)到接近額定轉(zhuǎn)速,在此期間,慣量提供的功率為負(fù)值,也就是從系統(tǒng)中吸取了能量。

綜上所述,在系統(tǒng)不平衡功率無法瞬時(shí)平衡時(shí),慣量為電磁功率提供能量來源,緩沖頻率變化速度,為一次調(diào)頻爭(zhēng)取時(shí)間,為維持頻率穩(wěn)定發(fā)揮重要作用[20]。

1.2 改善頻率響應(yīng)的調(diào)相機(jī)慣量支撐原理

電力系統(tǒng)的運(yùn)行頻率取決于所有同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時(shí),發(fā)電機(jī)和同步調(diào)相機(jī)的電磁功率都會(huì)增加,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低。由于發(fā)電機(jī)組具有調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到某一水平時(shí),原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率增加,降低轉(zhuǎn)速下降速度直到回升。同步調(diào)相機(jī)不具備原動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)速會(huì)慢于發(fā)電機(jī),這使調(diào)相機(jī)的電勢(shì)相位滯后于發(fā)電機(jī),有功功率逐漸流向相位滯后的位置。同步調(diào)相機(jī)輸出的電磁功率恢復(fù)為零,由同步機(jī)承擔(dān)[21]。綜上所述,同步調(diào)相機(jī)的存在不影響穩(wěn)定后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率,但它的慣量響應(yīng)作用改變了系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化過程,促使系統(tǒng)初始頻率變化率降低,頻率最大偏差減小。結(jié)合系統(tǒng)一次調(diào)頻作用,延遲了頻率最小值出現(xiàn)的時(shí)間,避免系統(tǒng)頻率在短時(shí)間內(nèi)降低到低頻減載第一輪動(dòng)作值。

在電力系統(tǒng)中慣量的大小通常采用慣性時(shí)間常數(shù)進(jìn)行量化,對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)而言,一般用其額定角速度下的轉(zhuǎn)子動(dòng)能與額定容量的比值表示。式(1)是只有同步發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)慣量Hg表達(dá)式。當(dāng)高比例新能源替換傳統(tǒng)同步機(jī)組后,系統(tǒng)等效慣量Heq如式(2)所示。當(dāng)同步調(diào)相機(jī)作為慣量源接入系統(tǒng)后,系統(tǒng)有效慣量Hsys如式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中:Ji、Jc分別為同步發(fā)電機(jī)i和調(diào)相機(jī)c的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωi、ωc為分別同步發(fā)電機(jī)i和調(diào)相機(jī)c的額定轉(zhuǎn)速;Si、Sj、Sc分別為同步發(fā)電機(jī)i、新能源機(jī)組j和調(diào)相機(jī)c的額定容量;n、m、p分別為同步發(fā)電機(jī)、新能源機(jī)組和調(diào)相機(jī)的數(shù)量。

可見,新能源的接入導(dǎo)致電力系統(tǒng)慣量水平下降,通過配置同步調(diào)相機(jī)可以增大系統(tǒng)等值慣量,減小了頻率最大變化率和頻率最大偏差,有利于改善系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)和促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[22],如圖2所示。圖2中,fRoCoF為系統(tǒng)頻率最大變化率,fnadir為系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)。

圖2 慣性對(duì)電力系統(tǒng)頻率特性的影響Fig.2 Influence of inertia on frequency characteristics of power system

1.3 電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)慣量計(jì)算

在電力系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)瞬間,系統(tǒng)功率缺額將在同步機(jī)間按照同步機(jī)節(jié)點(diǎn)與擾動(dòng)點(diǎn)電氣距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行分配[22]。這引起同步機(jī)轉(zhuǎn)速之間出現(xiàn)差異,導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)頻率不完全一致,進(jìn)而引起系統(tǒng)頻率時(shí)空分布的差異性[23]。系統(tǒng)慣量阻礙節(jié)點(diǎn)頻率變化,電力系統(tǒng)的頻率時(shí)空分布特性是慣量時(shí)空分布特性的體現(xiàn)。電力系統(tǒng)的慣性也顯現(xiàn)出時(shí)空分布特性,即同一節(jié)點(diǎn)不同時(shí)間慣性不同,同一時(shí)間不同節(jié)點(diǎn)的慣性不同[24]。

如果能得到系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的慣量,繪制出慣量分布圖,就可以直觀地顯示電力系統(tǒng)的慣量分布[24]。文獻(xiàn)[25]提出了一種節(jié)點(diǎn)慣量計(jì)算方法,這一指標(biāo)能夠衡量節(jié)點(diǎn)阻礙頻率變化的能力。因此。可以通過系統(tǒng)慣量分布指導(dǎo)調(diào)相機(jī)選址。

定義節(jié)點(diǎn)k的慣量為擾動(dòng)功率大小與節(jié)點(diǎn)k處初始頻率變化率的比值,即:

(4)

式中:Hk表示節(jié)點(diǎn)k的慣量;ΔP為節(jié)點(diǎn)k處擾動(dòng)功率;fk為節(jié)點(diǎn)k處頻率。

通過電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方程推導(dǎo)了發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓之間的關(guān)聯(lián)矩陣R。由此可借助R中的元素將節(jié)點(diǎn)頻率用發(fā)電機(jī)端頻率表示,如式(5)所示:

(5)

式中:fi和Vi分別為發(fā)電機(jī)i的頻率和內(nèi)電勢(shì)幅值;rki為矩陣R中對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)k和發(fā)電機(jī)i電壓關(guān)系的元素。

節(jié)點(diǎn)k處出現(xiàn)擾動(dòng)功率ΔP時(shí),各發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)按照同步功率系數(shù)分擔(dān)擾動(dòng)功率,發(fā)電機(jī)i分擔(dān)的不平衡功率為:

(6)

式中:ΔPi為發(fā)電機(jī)i分擔(dān)的不平衡功率;Dik=ViVkBikcosδik0為發(fā)電機(jī)i的同步功率系數(shù),其中Bik為擾動(dòng)節(jié)點(diǎn)k和收縮到發(fā)電機(jī)i內(nèi)電勢(shì)節(jié)點(diǎn)之間的電納,δik0為節(jié)點(diǎn)k和發(fā)電機(jī)i之間的電壓初始相位差。

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和式(6),得到發(fā)電機(jī)i的頻率變化率為:

(7)

式中:Hi為發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。將式(6)和式(7)代入式(4),得到節(jié)點(diǎn)k的計(jì)算慣量:

(8)

由式(8)可知,節(jié)點(diǎn)k的慣量取決于同步機(jī)或調(diào)相機(jī)等慣量源的慣量大小及其與之的電氣距離。

當(dāng)電力系統(tǒng)受到功率擾動(dòng)時(shí),在一次調(diào)頻動(dòng)作之前只依靠慣量支撐減緩頻率下降速度。慣量的時(shí)空分布特性導(dǎo)致在同一時(shí)間斷面系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)的慣量分布不均,慣量最小節(jié)點(diǎn)面臨的頻率崩潰危險(xiǎn)更大,因此在低慣量節(jié)點(diǎn)附近配置調(diào)相機(jī)可以更有效地提高系統(tǒng)的慣量水平。

1.4 電力系統(tǒng)頻率安全約束的臨界慣量

電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性指標(biāo)主要包括:頻率最大變化率fRoCoF、頻率最大偏差Δfnadir、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差Δfss。Δfss主要反映功率擾動(dòng)后系統(tǒng)經(jīng)一次調(diào)頻后的頻率質(zhì)量,不在頻率動(dòng)態(tài)變化過程之中,屬于穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。Δfnadir表示頻率下降幅值,如果幅值太大會(huì)觸發(fā)保護(hù)裝置,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻率崩潰。fRoCoF表示頻率最大變化速率,其數(shù)值過大會(huì)使頻率迅速降低甚至超過閾值。因此,在考慮暫態(tài)頻率穩(wěn)定約束時(shí),應(yīng)主要計(jì)及fRoCoF與Δfnadir兩項(xiàng)指標(biāo)。

1)系統(tǒng)受擾后最大頻率變化率與擾動(dòng)功率成正比而與慣量大小成反比關(guān)系,擾動(dòng)功率越大,系統(tǒng)慣量越低,越容易觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作;擾動(dòng)瞬間沒有頻率偏差,發(fā)電機(jī)與負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)還未開始起作用,頻率變化只取決于系統(tǒng)慣量與擾動(dòng)功率的大小。

基于fRoCoF約束的系統(tǒng)最小慣量為:

(9)

式中:ΔPmax為擾動(dòng)功率最大值。

2)系統(tǒng)慣量水平和一次調(diào)頻能力越大,擾動(dòng)發(fā)生后系統(tǒng)的頻率最大偏差越小,為保證頻率偏差在安全約束范圍內(nèi),系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的慣量水平以應(yīng)對(duì)各種大小擾動(dòng);系統(tǒng)頻率偏差取決于初始功率缺額和系統(tǒng)慣量,并與時(shí)間t呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)[25]根據(jù)多機(jī)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)模型,經(jīng)過推導(dǎo)得出Δfnadir約束下的臨界慣量表達(dá)式:

(10)

式中:fB為基準(zhǔn)頻率;tnadir為頻率最低點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻。

可知,在慣量較低的系統(tǒng)中,擾動(dòng)發(fā)生后的fRoCoF和Δfnadir這兩個(gè)重要的頻率穩(wěn)定指標(biāo)都會(huì)惡化[26]。綜上所述,擾動(dòng)后滿足這兩個(gè)指標(biāo)在安全范圍內(nèi)的邊界慣量水平,就是考慮頻率穩(wěn)定約束的臨界慣量[27]。

2 分布式調(diào)相機(jī)選址定容策略

目前我國廣泛應(yīng)用的是在新能源匯集的場(chǎng)站分散配置的小型分布式調(diào)相機(jī),在與最小慣量節(jié)點(diǎn)電氣距離最近的新能源場(chǎng)站處裝設(shè)調(diào)相機(jī)具有現(xiàn)實(shí)意義。所提策略通過系統(tǒng)慣量分布指導(dǎo)分布式調(diào)相機(jī)選址,并根據(jù)臨界慣量約束規(guī)劃調(diào)相機(jī)容量[28-30]。

2.1 分布式調(diào)相機(jī)優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)

通過配置分布式調(diào)相機(jī),能顯著地提高新能源電力系統(tǒng)的頻率支撐能力。調(diào)相機(jī)的最優(yōu)配置在于保證配置效果的前提下,最大程度減少配置容量,從而達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)性能[23]。由此,可以得出調(diào)相機(jī)的最優(yōu)配置目標(biāo)為:

(11)

式中:S為調(diào)相機(jī)配置總?cè)萘?Sl為在新能源場(chǎng)站l處配置的調(diào)相機(jī)容量;q為系統(tǒng)新能源場(chǎng)站個(gè)數(shù)。

2.2 考慮臨界慣量下分布式調(diào)相機(jī)配置的約束條件

由1.3節(jié)可知,基于fRoCoF約束和Δfnadir約束的系統(tǒng)最小慣量分別為:

(12)

對(duì)于同時(shí)受fRoCoF和Δfnadir約束的系統(tǒng),可根據(jù)式(12)分別求出兩種約束下的電網(wǎng)慣量,再取二者較大的為臨界慣量。

(13)

式中:Hmin為系統(tǒng)的臨界慣量。

若要電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定,須使系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的慣量均大于臨界慣量,即慣量最小節(jié)點(diǎn)的慣量大于臨界慣量:

(14)

2.3 分布式調(diào)相機(jī)優(yōu)化配置策略

本文所提出的分布式調(diào)相機(jī)優(yōu)化配置策略如下:

步驟1：讀取電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù);

步驟2：確定能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最大頻率變化率和頻率最大偏差的限定值,并以此計(jì)算系統(tǒng)臨界慣量;

步驟3：根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),計(jì)算節(jié)點(diǎn)慣量,評(píng)估系統(tǒng)慣量分布,尋找最小慣量節(jié)點(diǎn);

步驟4：檢驗(yàn)系統(tǒng)中最小慣量節(jié)點(diǎn)的慣量是否低于臨界慣量,如果是則需要配置調(diào)相機(jī);

步驟5：在距離最小慣量節(jié)點(diǎn)最近的新能源場(chǎng)站處配置1臺(tái)調(diào)相機(jī),重新檢驗(yàn)系統(tǒng)的最小慣量節(jié)點(diǎn)的慣量是否低于臨界慣量Hmin,如果是則重復(fù)步驟3,重新尋找最小慣量節(jié)點(diǎn),并在距離最小慣量節(jié)點(diǎn)最近的新能源場(chǎng)站處配置1臺(tái)調(diào)相機(jī),直到滿足不等式約束;

步驟6：迭代結(jié)束,輸出配置結(jié)果。

分布式調(diào)相機(jī)配置方法流程如圖3所示。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 含風(fēng)機(jī)的3機(jī)9節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)

采用改進(jìn)的3機(jī)9節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證,如圖4所示。發(fā)電機(jī)G1、G2慣性時(shí)間常數(shù)分別為47.28 s、12.80 s,將發(fā)電機(jī)G3替換成容量為100 MVA的雙饋風(fēng)機(jī),并在發(fā)電機(jī)G1、G2處以外接的方式分別接入容量為100 MVA的雙饋風(fēng)機(jī),系統(tǒng)風(fēng)機(jī)滲透率為31.44%。設(shè)置節(jié)點(diǎn)6處在0.5 s時(shí)負(fù)荷突增(圖4中負(fù)荷標(biāo)紅處),功率擾動(dòng)為負(fù)荷的25%。基準(zhǔn)頻率為50 Hz,fRoCoF=0.1 Hz/s,允許最大頻率偏差Δfnadir=0.5 Hz。評(píng)估頻率最大變化率和最大偏差約束下的系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界慣量(慣性常數(shù)形式)為25.16 s。所配置的分布式調(diào)相機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)為2 s,容量為50 Mvar。

圖4 含風(fēng)機(jī)的3機(jī)系統(tǒng)圖Fig.4 3-generator system diagram with fan

在上述工況下,通過最大頻率變化率和頻率最大偏差的限定值,計(jì)算系統(tǒng)臨界慣量Hmin。根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),計(jì)算節(jié)點(diǎn)慣量,評(píng)估系統(tǒng)慣量分布,尋找最小慣量節(jié)點(diǎn)。最小慣量為節(jié)點(diǎn)3,最小慣量為8.90 s,小于最小臨界慣量Hmin,則需要在距離節(jié)點(diǎn)3最近的新能源場(chǎng)站G3處配置1臺(tái)調(diào)相機(jī)。配置后重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)慣量,尋找最小慣量節(jié)點(diǎn)繼續(xù)配置調(diào)相機(jī),以此類推直到最小慣量節(jié)點(diǎn)大于系統(tǒng)臨界慣量Hmin。分布式調(diào)相機(jī)配置前后系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)慣量如表1所示。

表1 調(diào)相機(jī)配置前后各節(jié)點(diǎn)慣量Table 1 Inertia of nodes before and after condenser configuration

調(diào)相機(jī)配置結(jié)果如表2所示,需要在新能源場(chǎng)站G3處配置3臺(tái)調(diào)相機(jī),新能源場(chǎng)站G2處配置1臺(tái)調(diào)相機(jī),共計(jì)4臺(tái)調(diào)相機(jī),總?cè)萘繛?00 Mvar。

表2 調(diào)相機(jī)配置結(jié)果(3機(jī)系統(tǒng))Table 2 Condenser configuration results (3-generator system)

優(yōu)化配置調(diào)相機(jī)前后系統(tǒng)慣性中心頻率曲線如圖5所示,反映系統(tǒng)整體頻率的慣性中心頻率得到了明顯的優(yōu)化,Δfnadir和fRoCoF都在允許的范圍內(nèi)。

圖5 調(diào)相機(jī)配置前后9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)頻率響應(yīng)Fig.5 9-node system frequency response before and after condenser configuration

3.2 含風(fēng)機(jī)的10機(jī)39節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)

含風(fēng)電場(chǎng)的NEW ENGLAND 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖6所示,將G5、G7、G10替換為相同出力的雙饋風(fēng)機(jī),在G6、G8、G9接入容量分別為200、200、300 MVA的雙饋風(fēng)機(jī),發(fā)電機(jī)G1、G2、G3、G4、G6、G8、G9參數(shù)如表3所示,驗(yàn)證所提方法的正確性。設(shè)置節(jié)點(diǎn)15、20、25處在0.5 s時(shí)負(fù)荷突增(圖6中負(fù)荷標(biāo)紅處),功率擾動(dòng)分別為負(fù)荷的300%、200%、250%。基準(zhǔn)頻率為50 Hz,fRoCoF=0.1 Hz/s,允許最大頻率偏差Δfnadir=0.5 Hz。所配置的分布式調(diào)相機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)為2 s,容量為50 Mvar。

表3 改動(dòng)的10機(jī)系統(tǒng)參數(shù)Table 3 Parameters of the modified 10-generator system

圖6 含風(fēng)機(jī)的10機(jī)系統(tǒng)圖Fig.6 10-generator system diagram with fan

在上述工況下,通過最大頻率變化率和頻率最大偏差的限定值,計(jì)算系統(tǒng)最小臨界慣量Hmin。根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的慣量,評(píng)估系統(tǒng)慣量分布,尋找最小慣量節(jié)點(diǎn)并在距離最小慣量節(jié)點(diǎn)最近的新能源場(chǎng)站配置1臺(tái)調(diào)相機(jī)。配置后重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)慣量,尋找最小慣量節(jié)點(diǎn)繼續(xù)配置調(diào)相機(jī),直到最小慣量節(jié)點(diǎn)大于系統(tǒng)最小臨界慣量Hmin。

調(diào)相機(jī)配置結(jié)果如表4所示,需要在新能源場(chǎng)站G5處配置3臺(tái)調(diào)相機(jī),新能源場(chǎng)站G6處配置1臺(tái)調(diào)相機(jī),新能源場(chǎng)站G7處配置3臺(tái)調(diào)相機(jī),新能源場(chǎng)站G8處配置1臺(tái)調(diào)相機(jī),新能源場(chǎng)站G9處配置2臺(tái)調(diào)相機(jī),新能源場(chǎng)站G10處配置3臺(tái)調(diào)相機(jī),共計(jì)13臺(tái)調(diào)相機(jī)。

表4 調(diào)相機(jī)配置結(jié)果(10機(jī)系統(tǒng))Table 4 Condenser configuration results (10-generator system)

優(yōu)化配置調(diào)相機(jī)前后系統(tǒng)慣性中心頻率曲線如圖7所示,反映系統(tǒng)頻率的慣性中心頻率得到了明顯的優(yōu)化,Δfnadir和fRoCoF都在允許的范圍內(nèi)。

圖7 調(diào)相機(jī)配置前后39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)頻率響應(yīng)Fig.7 39-node System frequency response before and after condenser configuration

生成調(diào)相機(jī)配置前后系統(tǒng)慣量分布圖,如圖8所示,圖8中顯示調(diào)相機(jī)配置前后系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)慣量有了顯著提升,節(jié)點(diǎn)慣量越大顏色越淺。從圖8(a)可以看出,系統(tǒng)中右側(cè)區(qū)域的慣量小于左側(cè)區(qū)域的慣量,這是由于具有高慣量的大容量機(jī)組大部分位于系統(tǒng)的左側(cè),不含慣量支撐能力的新能源場(chǎng)站大多匯集在系統(tǒng)的右側(cè)。根據(jù)表3中的調(diào)相機(jī)配置方案,分布式調(diào)相機(jī)配置在這些新能源場(chǎng)站上。對(duì)比圖8(a)和圖8(b)可看出,本文所提出的調(diào)相機(jī)配置方案提高了低慣性節(jié)點(diǎn)區(qū)域的慣量。通過對(duì)系統(tǒng)慣量分布的可視化分析,驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖8 調(diào)相機(jī)配置前后慣量分布圖Fig.8 Inertia distribution diagrambefore and after condenser configuration

4 結(jié) 論

本文根據(jù)節(jié)點(diǎn)慣量對(duì)電網(wǎng)頻率支撐能力進(jìn)行定量評(píng)估,分析了配置調(diào)相機(jī)對(duì)系統(tǒng)慣量水平的影響,提出了一種考慮頻率穩(wěn)定約束的分布式調(diào)相機(jī)選址定容策略。通過仿真算例分析驗(yàn)證了所提方法的有效性,得出如下結(jié)論:

1)高比例新能源的接入導(dǎo)致電網(wǎng)慣性顯著降低,分布式調(diào)相機(jī)在提供電壓支撐的同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)元件,可以顯著提高系統(tǒng)的慣量水平,增強(qiáng)頻率支撐能力。

2)節(jié)點(diǎn)慣量能夠反映系統(tǒng)的慣性分布特征,其大小主要取決于節(jié)點(diǎn)與各慣量源的電氣距離和慣量源慣量大小。新能源接入節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)慣量明顯下降。將分布式調(diào)相機(jī)配置在離最小慣量節(jié)點(diǎn)最近的新能源匯集場(chǎng)站處效果更好。

3)本文提出的分布式調(diào)相機(jī)選址定容策略直接高效,能使調(diào)相機(jī)總配置容量顯著降低,提升高比例新能源電力系統(tǒng)頻率支撐強(qiáng)度,實(shí)用性強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性好。

未來新能源發(fā)電的占比將進(jìn)一步提升,電力系統(tǒng)面臨的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)逐漸提高,可以繼續(xù)研究同步調(diào)相機(jī)在電壓穩(wěn)定方面的支撐作用,構(gòu)建同時(shí)考慮電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的分布式和集中式調(diào)相機(jī)混合配置方案,將對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行更具現(xiàn)實(shí)意義。