基于源流路徑電氣剖分法的電壓仿真分析

尹建林

(國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

2018年，全國累計風電并網(wǎng)裝機容量達到1.84億kW，占全部發(fā)電裝機容量的9.7 %。風電發(fā)電量達3 660億kWh，占全部發(fā)電量的5.2 %，比2017年提高約0.4 %。風電機組的大規(guī)模集中并網(wǎng)，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成較大的影響，也對含大量風電場的風電電力系統(tǒng)的分析帶來新的挑戰(zhàn)。基于此背景，提出一種基于源流路徑電氣剖分信息的風電系統(tǒng)關鍵節(jié)點識別方法，實現(xiàn)對電力網(wǎng)絡的高效剖分。

1 源流路徑雙向電氣剖分算法概述

雙向電氣剖分算法在電力網(wǎng)絡源流路徑鏈的聯(lián)合電氣剖分關系的基礎上，沿有功潮流相反方向?qū)β窂芥溸M行分支電氣剖分關系分析，得到所有路徑鏈的徹底電氣剖分參數(shù)。

1.1 模型構建

對于某一具有N個節(jié)點和Nl條支路的電力網(wǎng)絡，p為電源節(jié)點總數(shù)，q為負荷節(jié)點總數(shù)。在某特定運行狀態(tài)下，雙向電氣剖分后共有NL條源流路徑鏈，路徑鏈記為，其中i=1，2…p，j=1，2…q，k=1，2…NL。G和L分別表示網(wǎng)絡源、流，(e，n)和(n，f)表示路徑鏈的構成支路。對源和流之間某一源流路徑鏈，如圖1所示。

對某一網(wǎng)絡源流路徑鏈，可獲得向路徑鏈的各段剖分子支路供給功率的剖分子網(wǎng)絡的源功率以及從路徑鏈汲取功率的剖分子網(wǎng)絡的流功率。

1.2 剖分算法流程

首先根據(jù)電力網(wǎng)絡的拓撲結構得出系統(tǒng)的潮流分布，從而得到全網(wǎng)所有的源流路徑鏈集合，以有功潮流的方向為正方向，對每一條電力網(wǎng)絡源流路徑鏈進行正向聯(lián)合電氣剖分，得到初步的電氣剖分參數(shù)，在此基礎上，按照電力網(wǎng)絡源流路徑分支電氣剖分方法進行反向分支電氣剖分，得到路徑鏈的詳細電氣剖分參數(shù)。源流路徑雙向電氣剖分的算法流程如圖2所示。

2 關鍵節(jié)點識別思路

所提方法主要用于電力網(wǎng)絡關鍵節(jié)點識別，該節(jié)點能夠有效降低因系統(tǒng)內(nèi)故障導致風電機組連鎖脫網(wǎng)的概率，假設關鍵節(jié)點上動態(tài)無功補償裝置具有足夠的響應速度和補償容量。全網(wǎng)源流路徑鏈的徹底電氣剖分參數(shù)能夠反應網(wǎng)絡源、流的功率具體走向，因此，網(wǎng)絡節(jié)點的關鍵度很大程度上依賴于剖分后的源流對之間的功率傳輸路徑。考慮到實際電網(wǎng)的運行情況，有必要對辨識出的關鍵節(jié)點進行仿真驗證。關鍵節(jié)點辨識的基本思路如圖3所示。

(1) 根據(jù)實時電力系統(tǒng)結構和電網(wǎng)參數(shù)信息，可獲得系統(tǒng)的具體潮流分布情況。基于計算得到的實時潮流信息，由圖3的具體算法流程，對網(wǎng)絡中所有源流對進行雙向電氣剖分，獲得全網(wǎng)路徑鏈的最終詳細電氣剖分參數(shù)。

(2) 基于最終詳細電氣剖分參數(shù)，提取剖分子網(wǎng)絡的源功率、流功率以及子支路的阻抗信息。

(3) 根據(jù)已得到的全網(wǎng)源流路徑鏈信息，分析有多少電源成分通過何種路徑傳輸至某一負荷以及有多少負荷成分通過何種路徑從某一電源汲取功率的詳細供求信息。

(4) 根據(jù)源流對的電氣剖分信息，按照所提的方法計算獲得所有機組對電網(wǎng)節(jié)點的支撐度，根據(jù)支撐度數(shù)值大小確定網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點集。

(5) 通過在關鍵節(jié)點加無功動態(tài)無功補償裝置，可以得出關鍵節(jié)點上的補償裝置對風電場節(jié)點的電壓支撐度以及其對提升全局電壓平均水平的貢獻，并將計算結果進行對比，驗證所提關鍵節(jié)點辨識方法的有效性和合理性。

3 關鍵節(jié)點識別指標

3.1 源流路徑鏈電氣特征參數(shù)

(1) 剖分子網(wǎng)絡源、流節(jié)點關鍵度。根據(jù)某一源流路徑鏈的相關電氣信息，可分別求取子網(wǎng)絡源節(jié)點輸出的功率和流節(jié)點輸入的功率占全網(wǎng)源、流功率的比例。所占比例越高，說明源節(jié)點和流節(jié)點在全網(wǎng)中關鍵度越高。

源、流節(jié)點的重要度具有間接反映電網(wǎng)運行狀態(tài)特性的作用。在關鍵度高的剖分子支路上進行無功補償，可以有效降低電網(wǎng)故障時可能導致的大規(guī)模風機脫網(wǎng)的概率。

假設某源流路徑鏈中，該剖分子網(wǎng)絡從送端源中獲得的有功功率為，受端流從該源流路徑輸入的有功功率為，該子網(wǎng)絡中源、流節(jié)點的關鍵度可定義為：

當電網(wǎng)結構或系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生改變時，源流對之間的路徑鏈及路徑鏈傳輸?shù)墓β蕰S之發(fā)生改變，并在一定程度上表現(xiàn)為源、流節(jié)點的重要度的數(shù)值變化。

(2) 剖分路徑鏈電氣距離。由于線路的電阻相對于電抗可忽略不計，因此采取剖分子支路的電抗作為衡量源流節(jié)點之間的電氣距離。對某一源流路徑鏈中的第m段剖分子支路，其電氣距離可表示為：

源流路徑鏈上的節(jié)點n和送端源之間的電氣距離可表示為:

式中：M為節(jié)點n和送端源之間的剖分子支路總數(shù)。越小，說明送端源利用源流路徑鏈傳輸功率時經(jīng)過該剖分子支路的等效距離越短，較短的電氣長度會增強之間的電氣聯(lián)系，對辨識關鍵節(jié)點影響更大。

相對于僅從網(wǎng)絡結構計算得到的電氣距離，采用以上方法得到的線路電抗能同時反映網(wǎng)絡結構和系統(tǒng)運行狀態(tài)特性，聯(lián)系電氣距離較短的剖分子支路，其作用更為重要。

綜合以上電氣特征參數(shù)，可定義源流路徑鏈的送端源和受端流對路徑鏈中任意節(jié)點n的支撐度為：

式中：λ為發(fā)電機和節(jié)點之間的電氣聯(lián)系系數(shù)。基于雙向電氣剖分后源流路徑鏈，若發(fā)電機通過該節(jié)點傳輸功率時，說明發(fā)電機和該節(jié)點沒有直接的電氣聯(lián)系，則λ=0；反之λ=1。

3.2 節(jié)點關鍵度指標

式(5)求得的是源流路徑鏈上源節(jié)點對節(jié)點n的支撐度。由于節(jié)點n還可能出現(xiàn)在其他源流路徑鏈中，即原始網(wǎng)絡中其他發(fā)電機組對其仍有支撐作用，因此在衡量原始網(wǎng)絡中對應節(jié)點n的關鍵度時，需要考慮其在不同源流路徑鏈中受到支撐度的綜合累積效應。當風電系統(tǒng)發(fā)生故障時，采用節(jié)點關鍵度指標可以評估出最能有效阻止故障連鎖反應的節(jié)點，通過在該點加動態(tài)無功補償設備，使得該節(jié)點控制效果最優(yōu)，從而達到防御連鎖故障的最佳效果。

將原始網(wǎng)絡中所有發(fā)電機組對節(jié)點n的支撐度之和定義為節(jié)點n的關鍵度：

與傳統(tǒng)關鍵節(jié)點識別方法不同，從電氣原理出發(fā)，既可發(fā)現(xiàn)節(jié)點關鍵度指標隨系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的規(guī)律，又可獲得關鍵節(jié)點上的無功源與系統(tǒng)其他節(jié)點之間發(fā)生電氣供求關系的路徑關系，從而辨識出最能有效防御連鎖故障發(fā)生的節(jié)點。

4 算例分析

為驗證所提方法的合理性和實用性，以西部某典型風電場42節(jié)點系統(tǒng)為例進行分析，該系統(tǒng)共有10個電源節(jié)點、20個負荷節(jié)點、48條支路和42個節(jié)點，其中節(jié)點32與無窮大電網(wǎng)相連。

風電場均由2 MW雙饋感應風電機組構成，且機組的無功出力在額定有功出力時功率因數(shù)超前和滯后0.95所確定的無功容量內(nèi)動態(tài)可調(diào)。各電源節(jié)點接入的風電場輸出有功功率和無功功率大小如表1所示。根據(jù)系統(tǒng)當前運行狀態(tài)對網(wǎng)絡進行關于網(wǎng)絡源流對的第3類雙向電氣剖分，可得到全網(wǎng)源流路徑集合。

表1 風電場的輸出功率

以節(jié)點30接風電場為例，經(jīng)拓撲分析獲得全網(wǎng)所有源流路徑鏈集合，共計63條。經(jīng)統(tǒng)計得出經(jīng)過節(jié)點16的源流路徑鏈數(shù)目最多，從源節(jié)點{33,35,36}始發(fā)的路徑鏈中分別有6條、12條和6條經(jīng)過該節(jié)點將功率送往相應的流節(jié)點，若能在系統(tǒng)故障時對節(jié)點16進行有效的無功控制，則有望避免流節(jié)點{3,4,15,16,23,24}全部失電。

根據(jù)式(6)可得到的節(jié)點關鍵度，取關鍵度最高的三個節(jié)點組成關鍵節(jié)點集。表2給出了風電場從不同電源點接入時的關鍵節(jié)點集分布及對應的關鍵度數(shù)值，運行方式1～9代表電源點30，32～39分別接風電場時的情況。

由表2可知，在運行方式5時流節(jié)點26的關鍵度數(shù)值相對較大。雙向電氣剖分得到的全網(wǎng)路徑鏈分析，有9條路徑鏈經(jīng)過節(jié)點26為源節(jié)點{37,38}和流節(jié)點{25,26,27,28,29}提供輸電通道，且流節(jié)點{26,27,29}的功率完全由經(jīng)過節(jié)點26的路徑鏈提供。運行方式8下，從源節(jié)點{35,36}始發(fā)的路徑鏈有18條經(jīng)過流節(jié)點24將功率送往相應的流節(jié)點，因此，節(jié)點24的關鍵度數(shù)值較大。

表2 節(jié)點關鍵度指標

對于不同運行方式，在關鍵節(jié)點加一定容量的動態(tài)無功補償，評估關鍵節(jié)點對風電場節(jié)點的電壓支撐度以及補償前后全網(wǎng)平均電壓水平。表3為運行方式1～9下，在關鍵節(jié)點和其他節(jié)點分別加無功補償時對風電場節(jié)點的電壓支撐度以及全網(wǎng)電壓平均水平比較。

5 結論

在運行方式7下，節(jié)點26上的無功源對風電場電壓支撐度更大，這是由于從網(wǎng)絡拓撲結構角度出發(fā)，風電場節(jié)點離節(jié)點26更近，因此無功電壓支撐作用更明顯。同樣，對于運行方式8，節(jié)點29上加動態(tài)無功補償時風電場的電壓升高較多。由表3可知，采用提出的關鍵度指標辨識出的關鍵節(jié)點既能對風電場節(jié)點提供電壓支撐，又能保證各節(jié)點的電壓處于合理水平和提升區(qū)域電網(wǎng)平均電壓水平。在風電系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用無功源對關鍵節(jié)點進行合理的無功優(yōu)化控制，就能達到防御阻止連鎖故障的最優(yōu)效果。

表3 不同運行方式下的結果驗證