基于短路容量裕度的電網運行狀態評估方法研究

洪雯，林濤，陳寶平

(武漢大學 電氣工程學院，武漢430072)

0 引 言

隨著煤炭、石油和天然氣等一次性能源的日益枯竭，電力系統對新能源發電如光伏、風力發電的需求越來越大。但是由于清潔能源并網運行存在一系列問題，給電網安全運行帶來了巨大的挑戰[1-2]。因此，清潔能源并網后的運行狀態的評估，具有廣闊的研究前景。目前，許多專家學者已經對電網運行狀態[3-4]的研究方法進行了深入的研究[5-10]。文獻[5-7]采用連續潮流法來求解負荷節點的臨界運行點，雖克服了雅克比矩陣在臨界點的病態問題，但可能出現因參數的選擇不當而遇到的數值病態解，并且很難確保潮流計算結果一定收斂；文獻[8-10]從能量函數法的角度出發，分析擾動后制約系統暫態穩定性的最薄弱的支路和割集，辨識擾動后電網中仍然可能的故障環節，但是并未考慮的擾動前的電網運行狀態。

針對清潔能源接入電網的運行狀態評估問題，本文基于負荷節點的運行參數，運用短路容量理論，提出了負荷節點運行狀態的評價方法及指標，繼而通過對比求得的節點指標探討不同類型的電源對電網運行狀態的影響。此外，本文在IEEE-30節點系統中進行了仿真并將仿真結果與連續潮流法的負荷節點裕度指標計算結果進行了比對，驗證該方法的有效性。本文所述的運行狀態評估方法考慮了有清潔能源接入的情況，完善了電網運行狀態的評估體系；且計算方法簡單，物理概念清晰，為電網規劃和調度運行提供決策支持，具有在線應用前景。

1 基于短路容量裕度的負荷節點運行狀態評價方法

短路容量是節點電壓強度的標志，反映該節點的電壓穩定性及帶負荷的能力。當負荷節點i接入一新電源時，面向負荷節點i的戴維南等值電路如圖1所示。

圖1 負荷節點的戴維南等值電路

根據定義，圖1中負荷節點i的所需的短路容量：

(1)

定義節點i處的系統側可提供的短路容量：

(2)

(3)

系統和電源可提供的總短路容量為：

(4)

通過比較負荷節點i的所需的短路容量與負荷節點實際所需短路容量的大小，即可識別負荷節點的運行狀態，定義負荷節點的運行狀態指標ωri為：

(5)

2 短路容量的計算

本章介紹了接入電源提供的短路容量的計算方法。該計算方法中，所有節點均為PQ節點，且沒有考慮電源內部具體接線和變壓器的影響。

2.1 負荷節電運行狀態評價方法

運用兩點法思想，通過求解電路方程推導出戴維南參數的解析式，直接算出戴維南參數。按照一定的遷移規律，只改變被觀察負荷節點處的有功功率和無功功率大小，嚴格保持電網其他節點的功率以及系統的運行方式、拓撲結構不變，則可得到被觀察負荷節點處的運行領域點。

通過計算潮流和實時監測等方法，可獲得負荷節點i處初始運行點與領域點的節點電壓和負荷電流數據，運行點及其鄰域點的節點電壓和電流分別以V0∠φv0、I0∠φl0和V1∠φv1、I1∠φl1來表示。

假定運行點到領域點戴維南參數保持不變，根據電路原理：

(6)

經推導可得待測節點戴維南網絡的四個參數，即戴維南等值阻抗模ZT、戴維南等值阻抗角φΤ、戴維南等值電勢阻抗角ψT和戴維南等值電勢ET的解析式。其中：

(7)

(8)

最后根據式(2)求得系統提供的短路容量。

2.2 接入電源提供的短路容量的計算方法

2.2.1 同步發電機的提供短路容量的計算方法

選取同步電機模型作為電源模型時，其參數下所示。發電機戴維南等值電勢模值：

(9)

發電機等值阻抗：

ZG=jxq

(10)

(11)

2.2.2 DFIG風電場提供短路容量計算方法

在DFIG風力發電機定子磁場不變且只考慮基波時，DFIG的3階簡化動力學模型為：

(12)

理想情況下，DFIG風力發電機的簡化等效電路如圖2所示。

圖2 風電機組等值電路

(13)

3 算例驗證與分析

3.1 算例驗證

為了驗證本文所述運行狀態評估方法的有效性，將IEEE-30節點系統進行改造，將DFIG風電場接入負荷節點8。另外，將接有電源的負荷節點2、5、8設為PQ節點，測試算例接線如圖3所示。

圖3 IEEE-30節點測試算例的系統接線圖

3.2 算法簡介

(1)建立電網中負荷節點的運行狀態評價方法，提出其運行狀態指標；

(2)利用短路容量理論中式(1)～式(5)求解負荷節點的運行狀態指標，并依據指標值判斷節點的脆弱程度；

2.2.2 年齡;老人和兒童對藥品反應與成年人不同,因為老年人和兒童對藥品的代謝和排泄慢,容易出現不良反應;嬰幼兒的身體沒有成熟,對有些藥品比較敏感也易發生不良反應。

(3)采用連續潮流法行仿真。并將本文所述傳統指標的仿真結果與該方法計算出來的裕度指標進行對比，驗證該方法的有效性和可行性；

(4)依據步驟(2)、步驟(3)，基于仿真結果所得的指標，探究同步發電機和風電分別接入電網后運行狀態的變化。

3.3 負荷節點的運行狀態分析

3.3.1 基于短路容量裕度的運行狀態評估

基于1.1節中基于短路容量裕度的運行狀態指標對IEEE-30系統中21個負荷節點進行運行狀態評估，并從大到小排序，選取前13名的排序結果如表1所示。

由表1數值可見，節點2的狀態指標為0.044 60，要遠小于其他節點，故其負荷節點的短路容量裕度較大，運行狀態在13個節點中最好。

節點26的狀態指標是0.097 40，排在所有節點第一位，意味著其負荷節點的短路容量裕度小，運行狀態最脆弱。

表1 前13名負荷節點運行狀態指標結果排序

3.3.2 仿真驗證

為了驗證本文所述方法在實際算例電網中的實用性和有效性，使用電力系統綜合程序PSASP對IEEE-30節點系統接入電源后進行仿真分析：設置全網負荷節點以0.01 +j0.01(標幺值)為步長逐漸增大節點負荷功率一直至保持節點穩定運行的極限點，基于連續潮流法計算分析負荷節點電壓變化情況，所得P-V曲線如圖4所示。

圖4 IEEE-30節點的PV曲線

(17)

通過計算，得到基于連續潮流法的負荷節點裕度指標排序如表2所示。

表2 負荷節點裕度指標排序的前13名

其中節點2的裕度指標為0.119 26，相對較小，因此運行狀態較好，而節點26的裕度指標為0.258 67，指標數值最大，運行狀態最差。將表1和表2的所得的指標數據進行對比，由表3可知，兩個表格的指標排序結果基本一致，證明了本文所述方法的準確性。

表3 前13名結果對比

基于連續潮流法的負荷節點裕度指標計算方法，雖克服了雅克比矩陣在臨界點的病態問題，但仍有可能存在發散問題，且計算量大；而本文所述的方法計算簡單，準確性高，不會存在軟件上無法計算等問題，而且在離線的狀態下也可以進行計算，具有在線評估的應用前景。

4 結束語

本文提出了一種基于短路容量裕度的負荷節點的運行狀態評估方法及指標，并研究了同步機和DFIG風力發電機分別接入負荷節點時對電網運行狀態的影響，完善了運行狀態評價指標體系。最后基于IEEE-30母線系統中的仿真結果驗證該方法的有效性和優越性，仿真結果表明：

(1)基于短路容量裕度的運行狀態評估方法物理概念清晰，計算方法簡單，可以準確有效的反映節點的運行狀態;

(2)通過與基于連續潮流法的評估方法的仿真結果進行對比，驗證了所提指標的有效性。但連續潮流計算方法因需保證潮流方程在臨界點處的收斂性，計算復雜，存在的局限性；而本文所述運行狀態評估方法既可滿足運行狀態指標評估的精確性，又可兼顧實際評估的快速性需求。