基于短路比約束的受端電網新能源并網出力優化方法研究

張再馳，王 衛，于希娟，周運斌，張文朝

(1.國網北京電力科學研究院，北京 100075；2.國網北京市電力公司調控中心，北京 100031；3.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100192；4.華北電力大學(保定），河北 保定 071066）

0 引言

在受端電網中新能源發電占比日益增長，這在一定程度上改變了受端電網的運行特性，對保持當前大規模新能源并網后受端電網的運行可靠性提出更高的要求[1]，[2]。電網短路比通常被看作是衡量電網電壓支撐能力強度的重要指標[3]。當大量分散式新能源發電資源并網到受端電網內的不同節點時，會在一定程度上影響受端電網的運行穩定性，尤其是受端電網的電壓穩定性和電能質量，從而可能導致受端電網發生運行故障[4]，[5]。這是由于風電、光伏等新能源發電資源并網后，使得受端電網調壓能力有所降低，同時由于受端電網受短路比的影響，大規模新能源并網點處容易因受端電網內節點電壓波動導致新能源發電資源的脫網。因此，新能源發電資源并網須要考慮受端電網短路比的影響，同時也需要新能源發電資源為受端電網提供一定的電壓支撐[6]。

新能源出力、消納優化的研究須要從當前電力系統源側、網側、荷側的多個環節入手。文獻[7]采用自適應約束生成算法，研究了含大容量新能源發電資源接入的電網實時優化調度方法。文獻[8]針對故障情況下新能源機組的運行振蕩問題，分析了電網新能源機組承載強度的影響因素，提出了一種考慮振蕩穩定約束的電網新能源并網承載強度優化方法。文獻[9]針對送端電網直流通道故障下的新能源機組暫態過電壓問題，提出了一種考慮送端電網短路比約束的新能源送出功率優化方法。文獻[10]，[11]主要針對含大容量、高比例新能源發電機組接入的電力系統，通過分析新能源發電機組出力波動對電網內交流、直流子系統運行穩定性的影響因素，提出了一種能夠提高電網接納新能源容量裕度和并網強度的優化方法。文獻[12]針對新能源發電基地送出能力受限和送出通道的電壓穩定性問題，詳細分析了影響新能源發電基地送出能力的約束因素，并剖析了新能源送出通道低電壓產生原因，提出了一種基于分布式調相機的新能源發電基地送出能力優化提升方法。

國內外部分學者研究了短路比對電網系統運行特性的影響。文獻[13]基于新能源并網系統的結構，對新能源出力特性、負荷波動水平進行了分析，并對影響新能源消納水平的主要因素進行了詳細研究。文獻[14]通過分析低短路比電網內風電機組并網控制穩定性的影響因素，提出了一種考慮風電機組網側變流器與轉子側變流器協同的低短路比風電機組并網控制方法，降低了風電機組并網對低短路比電網運行穩定性的影響。文獻[15]通過建立交直流系統的短路比計算模型，分析了交直流系統中直流線路數量增加時系統短路比的變化規律，并對影響交直流系統短路比的因素進行了深入研究。文獻[16]通過建立高壓直流輸電系統小干擾模型，并采用靈敏度分析法，分析了系統內交流子系統短路比變化對整個直流輸電系統運行穩定性的影響。以上文獻均未考慮系統短路比對新能源出力與消納能力的影響，基于短路比約束的新能源出力優化、消納措施的研究較少。

本文通過計算短路容量，推導出不同運行方式下并網點處的短路比計算模型；以短路比為約束條件，研究提升新能源消納能力的方法，優化受端電網新能源出力。針對我國華北某地區電力系統進行分析，驗證本文所提基于短路比約束的受端電網新能源出力優化的有效性。

1 分布式新能源接入受端電網穩定性分析

新能源發電機組通過換流系統匯集后集中接入受端電網，新能源發電機組出力具有隨機性、波動性的特點，會對受端電網并網點處的運行穩定性產生影響：一是受端電網并網點處的暫態電壓響應能力較弱；二是當受端電網并網點處出現短時擾動或故障時，新能源發電機組自身對擾動、故障的抵抗能力較弱，容易引起受端電網并網點處擾動或故障危害程度進一步擴大。

圖1為新能源發電機組接入受端電網的等效結構。新能源發電機組以風電、光伏電源為代表，受端電網則通過簡化等效為等值大電源。

圖1 網絡等效Fig.1 Grid equivalence

圖1中 ：SNew，1，SNew，2，SNew，n分 別 為 新 能 源 發 電機組向受端交流系統輸出的視在功率；PNew，1和QNew，2，PNew，2和QNew，2，PNew，n和QNew，n分 別 為 新 能 源發電機組向受端交流系統輸出的有功、無功；n為受端電網中新能源發電機組并網點數量；ZNew，11∠θNew，11，ZNew，22∠θNew，22，ZNew，nn∠θNew，nn分 別 為 各 并 網點處受端交流電網側折算的等值阻抗大小和相角 ；ZNew，12∠θNew，12，ZNew，2n∠θNew，2n，ZNew，1n∠θNew，1n分 別為受端交流電網各并網點與新能源發電機組間聯絡線折算的等值阻抗大小和相角；U.New，1，U.New，2，U.New，n分別為新能源發電機組各并網點處母線的電壓。

不考慮受端電網內火電機組的影響，僅分析分布式新能源發電機組接入受端交流系統后，對受端交流系統運行穩定性的影響。當新能源發電機組穩定運行時，新能源發電機組內的換流系統須要消耗一定的無功功率：

由于換流系統處無功補償裝置無功削減具有一定的時延，當新能源發電機組出力波動或者換流系統出現故障時，可能使得換流系統大量無功流向受端交流系統，引起并網點處暫態電壓升高。

由式(1），(2）可以看出，分布式新能源發電機組接入受端電網后，可能引起的暫態電壓變化與系統短路容量、新能源發電機組向受端交流系統輸出的有功大小有緊密的關系，可以通過引入相關約束條件，優化新能源發電機組的出力，維持受端電網并網點處暫態電壓穩定，進而改善新能源發電機組接入后系統的穩定性。

2 新能源并網短路比模型

新能源并網短路比可以用來分析、研究受端電網對新能源的消納能力以及受端電網穩定性的變化特性[17]。因此，首先推導計算新能源發電機組接入受端電網的短路比，然后考慮短路比約束，對受端電網中新能源發電機組出力進行優化。

以圖1為例，受端電網并網點i處母線的電壓可以按照下式進行計算：

根據新能源并網短路比的基本物理含義，結合式(3），可得新能源發電機組接入受端電網后，第i個受端系統并網點處的短路比為

式中：SCRNew，i為第i個受端交流系統并網點處的短路比；U.NR，i為第i個受端交流系統并網點處的母線標稱電壓值；I.New，i為新能源發電機組向受端交流系統提供的短路電流大小。

將式(7）進一步變形推導，可得：

由式(8）可以看出，考慮多個新能源發電機組間的影響，新能源并網短路比SCRNew，i與新能源發電機組輸出功率有緊密的關系，通過優化新能源發電機組的出力，增大新能源并網短路比SCRNew，i，可以使受端電網并網點處的暫態電壓穩定性能更高。

3 考慮短路比約束的受端電網新能源出力優化模型

優化受端電網的新能源出力，可以表述為求解合適的新能源發電機組出力，使得受端電網并網點處電壓穩定性高，且滿足新能源并網短路比約束條件。因此，優化目標函數可以表示為受端電網新能源棄電成本、火電機組運行成本最小。

式中：fNew為受端電網新能源出力的優化目標；Cq為新能源棄電單位成本；ΔPNew，i為受端電網新能源 的 棄 電 量，可 按 式(11）進 行 計 算；fj(PG，j）為 受 端電網內火電機組運行成本，可按式(12）進行計算；m為受端電網內火電機組數量。

在優化受端電網新能源的出力時，須要考慮以下約束條件。

①新能源發電機組出力約束

②換流系統約束條件

式中：δd，i為換 流系 統的換 流功 率因 數；分別為換流系統換流功率因數的最小值、最大值；QC，i為換流系統處無功補償裝置的無功補償容量；分別為換流系統處無功補償容量的最小值、最大值。

③新能源并網短路比約束

式中：SCRNew，ref為新能源發電機組接入受端電網后的短路比最低值。

④受端電網火電機組運行約束

式中：QG，j為受端電網火電機組輸出的無功；分別為受端電網火電機組輸出的有功的最小值、最大值；分別為受端電網火電機組輸出的無功的最小值、最大值；分別為受端電網火電機組爬坡限制的上、下限。

本文通過多次迭代的方法求解考慮短路比約束的受端電網新能源出力優化模型。

首先設定受端電網中新能源機組向受端電網傳輸的有功、無功為一個較小的初始值，同時設定火電機組的有功、無功輸出為一較大的初始值，然后逐步迭代增加新能源機組輸出的有功、無功，減小火電機組輸出的有功、無功，并同時計算該過程中新能源并網短路比SCRNew，i的值，判斷是否滿足約束條件，直至該地區受端電網達到最低的短路比；若在求解過程中，不滿足短路比約束時，可以先嘗試迭代增加新能源機組輸出的有功、無功，不改變火電出力，并判斷新能源并網短路比SCRNew，i是否滿足約束條件，比較此時方案的運行成本，最終求解得到受端電網新能源發電機組出力的最優方案。具體求解流程如圖2所示。

圖2 模型求解Fig.2 Model solution

4 算例分析

為驗證本文建立的基于短路比約束的受端電網新能源出力優化方法，搭建如圖3所示的受端電網網架結構模型進行仿真分析。其中，G1，G2，G3，G4為接入受端電網中的新能源發電機組，G5，G6為接入受端電網中的原有火電機組，部分仿真參數采用標準的IEEE算例參數，其他具體的受端電網邊界條件參數如表1所示。

表1 受端系統主要邊界條件Table 1 Main boundary conditions of the receiving power grid

圖3 受端系統的電網結構Fig.3 Power grid structure of the receiving power grid

本文設定受端電網的短路容量為500 MV?A，設定臨界新能源并網短路比為2，受電壓支撐能力的限制，新能源發電機組出力并網的最大容量為290 MW。基于上述參數，對考慮新能源并網短路比約束下的受端電網并網點暫態電壓穩定性進行分析研究，并分析受端電網對新能源發電機組出力的接納情況。

首先，在圖3的受端電網模型中，分別設定母線節點3、節點4處發生短路故障，且1 s后受端電網切除短路故障，受端系統對應的母線節點電壓曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在未考慮新能源并網短路比約束的情況下，母線節點3處發生短路時電壓波動較大，電壓在1 s時開始跌落，1.5 s跌至最低；母線節點4處發生短路時電壓波動也較大，在1.3 s時電壓跌至最低值。考慮新能源并網短路比約束時，發生系統短路后電壓波動較小。這表明考慮新能源并網短路比約束對受端電網新能源出力進行優化，可以很好地抑制受端電網并網點處暫態電壓波動。

圖4 受端電網母線節點電壓曲線Fig.4Voltage curve of the bus node in the receiving power grid

受端電網部分參數發生變化時，受端電網對新能源發電機組出力的接納能力也發生變化，如表2所示。由表2可以看出，受端電網用電量的提升、火電機組出力的減少，都可以增加受端電網對新能源發電機組出力的接納能力。

表2 參數變化時受端電網新能源接納能力計算Table 2 Calculation of new energy acceptance capacity of the receiver power grid when parameters change

受端電網新能源發電機組出力的并網規模與新能源并網短路比變化趨勢的仿真結果如圖5所示。由圖5可知，前5 s時受端電網處于穩定狀態，隨著新能源發電機組并網出力的不斷增加，并網點電壓逐漸降低，15 s時，受端電網中新能源發電機組并網出力達到最大值，即290 MW后，受端電網電壓逐漸失去穩定。通過對新能源并網短路比的合理設置，并考慮新能源并網短路比約束條件，可有效提高受端系統的新能源發電接納水平，優化受端電網新能源并網出力，同時有助于提升受端電網強度和受端電網新能源并網點處的電壓穩定性，同時能夠抑制故障過程中受端電網的暫態電壓波動。

圖5 新能源發電機組并網對受端電網穩定性影響Fig.5 Impact of new energy generation unit grid-connected on the stability of the receiving power grid

5 結束語

本文研究分析了受端電網內分布式新能源發電機組接入后受端電網并網點處的電壓穩定性，并采用短路比指標評估方法，建立了受端電網新能源并網短路比模型，在此基礎上，考慮新能源并網短路比等其他約束，建立了受端電網新能源并網出力優化模型。最后，通過仿真分析驗證了本文所提出的基于短路比約束的受端電網新能源并網出力優化方法的有效性。

通過理論、仿真分析，驗證了在考慮短路比約束的受端電網優化過程中，提升新能源發電機組并網出力，保證受端電網的短路比滿足最低要求，能夠提高受端電網的強度，保持受端電網并網點的暫態電壓穩定，盡可能提高受端電網的新能源接納能力。