丁坤, 陳博洋, 秦建茹,劉永成, 楊昌海, 劉德祺, 孫亞璐, 李海波

(1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 蘭州市 730050;2. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 成都市 610213)

0 引 言

隨著能源消費(fèi)轉(zhuǎn)型,清潔能源比例逐漸攀升,以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的新能源發(fā)電發(fā)展迅速[1-2]。截至2022年11月底,全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為350.96 GW,光伏累計(jì)裝機(jī)容量為372.02 GW,風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量占發(fā)電總裝機(jī)容量的28.80%。中國(guó)“三北”地區(qū)已形成了多個(gè)兆瓦級(jí)新能源集群集中開(kāi)發(fā)并集中外送的場(chǎng)景。部分新能源由于缺乏常規(guī)水電、火電等同步發(fā)電機(jī)組的支撐,新能源主動(dòng)支撐能力弱,造成電網(wǎng)強(qiáng)度弱,暫態(tài)電壓失穩(wěn)、寬頻帶振蕩等穩(wěn)定問(wèn)題突出,新能源消納和送出能力受限嚴(yán)重?！笆奈濉逼陂g,中國(guó)新能源裝機(jī)容量將進(jìn)一步擴(kuò)大,傳統(tǒng)同步機(jī)組電源裝機(jī)容量占比持續(xù)降低,新能源集中接入地區(qū)因新能源主動(dòng)支撐不足,弱電網(wǎng)強(qiáng)度已成為制約新能源消納的關(guān)鍵因素,成為“三北”地區(qū)新能源持續(xù)大規(guī)模開(kāi)發(fā)面臨的普遍問(wèn)題。

目前,在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中新能源主動(dòng)支撐能力弱,造成大規(guī)模新能源接入地區(qū)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特征,因安全穩(wěn)定導(dǎo)致的新能源消納受限問(wèn)題突出。例如,新疆哈密新能源匯集區(qū)域因新能源主動(dòng)支撐能力不足,電網(wǎng)強(qiáng)度弱,限制區(qū)域新能源最大出力約8 000 MW極限,造成新能源消納受阻嚴(yán)重。冀北地區(qū)目前運(yùn)行的四端柔直電網(wǎng)中,因新能源主動(dòng)支撐能力不足,造成匯集端2座換流站(安康巴諾爾、中都換流站)僅滿足新能源同時(shí)率50%的外送需求。張雄源網(wǎng)協(xié)調(diào)送端電網(wǎng)因短路比過(guò)低,送出極限僅為新能源接入規(guī)模的45%,已成為制約張北新能源消納的關(guān)鍵因素。

目前,針對(duì)大規(guī)模新能源集群接入弱電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題已有大量研究,主要聚焦于電網(wǎng)強(qiáng)度量化評(píng)估方面。大量學(xué)者提出了短路比指標(biāo)和臨界短路比指標(biāo),以衡量系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度[3-6]。短路比最早應(yīng)用于傳統(tǒng)直流系統(tǒng)中受端交流電網(wǎng)的強(qiáng)度分析,而隨著新能源設(shè)備的增多,也對(duì)集群接入下電網(wǎng)的強(qiáng)弱評(píng)估提出了需求。文獻(xiàn)[7]針對(duì)單饋入系統(tǒng)提出了傳統(tǒng)的短路比指標(biāo),但沒(méi)有考慮多新能源場(chǎng)站之間的交互影響,準(zhǔn)確性較低。進(jìn)一步,文獻(xiàn)[8-9]簡(jiǎn)單計(jì)及各饋入支路的交互影響,分別提出了加權(quán)短路比和復(fù)合短路比,準(zhǔn)確性仍然較低;文獻(xiàn)[10]基于模態(tài)法對(duì)新能源多饋入系統(tǒng)進(jìn)行解耦,提出廣義短路比,但其工程實(shí)用性低。文獻(xiàn)[11]提出一種計(jì)及新能源無(wú)功出力和場(chǎng)站交互影響因子的改進(jìn)等效短路比指標(biāo),可用于評(píng)估各新能源并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)強(qiáng)弱,識(shí)別電網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié);文獻(xiàn)[12]在最大傳輸功率理論基礎(chǔ)上提出臨界短路比概念,并將臨界短路比極值2作為劃分系統(tǒng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。

目前新能源的消納能力分析主要集中于系統(tǒng)調(diào)峰能力、電網(wǎng)輸電能力、可再生能源并網(wǎng)技術(shù)以及調(diào)度運(yùn)行水平等因素影響分析[13-16],普遍認(rèn)為系統(tǒng)調(diào)峰能力是最主要的限制因素。文獻(xiàn)[17-20]從系統(tǒng)低谷調(diào)峰裕度角度分析了電網(wǎng)接納風(fēng)電能力,在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[21-22]考慮了光伏發(fā)電的消納,以上研究?jī)H從電力角度來(lái)衡量電網(wǎng)新能源消納能力,不能直觀反映棄風(fēng)、棄光等產(chǎn)生的電量損失。文獻(xiàn)[23-24]提出了基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的新能源年度消納能力計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了從損失電量的角度評(píng)估電網(wǎng)的新能源消納能力。目前研究多從系統(tǒng)電力電量平衡角度建立新能源消納能力評(píng)估的生產(chǎn)模擬模型,但其中對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度低導(dǎo)致的新能源送出受限因素考慮不足。新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下,以及國(guó)家加快推進(jìn)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中,未來(lái)將出現(xiàn)多個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)大型新能源基地,如果缺乏相應(yīng)的電網(wǎng)強(qiáng)度提升措施,電網(wǎng)強(qiáng)度將會(huì)逐漸成為制約新能源并網(wǎng)消納的瓶頸。對(duì)于新能源集群弱電網(wǎng)系統(tǒng)而言,傳統(tǒng)的時(shí)序生產(chǎn)模擬由于沒(méi)有考慮系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度約束,會(huì)使得新能源集群系統(tǒng)的新能源消納評(píng)估結(jié)果偏于樂(lè)觀。因此有必要建立面向大規(guī)模新能源集群接入弱電網(wǎng)的消納能力評(píng)估模型,分析電網(wǎng)強(qiáng)度與新能源消納能力的耦合機(jī)理,為提升弱電網(wǎng)區(qū)域新能源消納能力的資源配置優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

本文基于容量短路比指標(biāo)計(jì)算方法,并以臨界短路比指標(biāo)約束建立了新能源消納能力與新能源并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián),推導(dǎo)了弱電網(wǎng)制約新能源消納的機(jī)理,分析了無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)弱電網(wǎng)系統(tǒng)新能源消納的提升機(jī)理;其次,在傳統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬算法基礎(chǔ)上,加入短路比約束,提出一種考慮短路比約束的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型,以準(zhǔn)確評(píng)估弱電網(wǎng)系統(tǒng)新能源消納能力。最后,結(jié)合我國(guó)“三北”地區(qū)某新能源匯集送端系統(tǒng)工程,開(kāi)展了基于短路比約束的弱電網(wǎng)系統(tǒng)新能源消納評(píng)估應(yīng)用研究。

1 弱電網(wǎng)系統(tǒng)制約新能源消納機(jī)理

1.1 電網(wǎng)強(qiáng)度概念及量化指標(biāo)

1.1.1 電壓支撐強(qiáng)度定義

傳統(tǒng)電力電子設(shè)備以跟網(wǎng)型電流源形式接入系統(tǒng),缺乏慣性和阻尼支撐,且無(wú)法主動(dòng)響應(yīng)電網(wǎng)電壓、頻率變化,因此,傳統(tǒng)交流系統(tǒng)需要為其接入提供電壓、頻率支撐,整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性主要取決于交流系統(tǒng)相對(duì)于電力電子設(shè)備的強(qiáng)弱程度。目前,大規(guī)模新能源以電力電子逆變器形式接入電網(wǎng),大量學(xué)者對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行了探討,提出頻率支撐強(qiáng)度和電壓支撐強(qiáng)度概念,來(lái)表征新能源并網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)度[25-29]。其中,頻率支撐強(qiáng)度體現(xiàn)了系統(tǒng)擾動(dòng)引發(fā)的頻率變化阻礙作用,通常采用慣性常數(shù)、頻率變化率等指標(biāo)衡量[30]。電壓支撐強(qiáng)度體現(xiàn)了在給定的初始運(yùn)行狀態(tài)下,系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后維持電壓穩(wěn)定的能力[27],通常采用短路比、阻抗比等指標(biāo)衡量。

電力系統(tǒng)強(qiáng)弱程度與頻率支撐強(qiáng)度、電壓支撐強(qiáng)度之間均呈正相關(guān)性,隨著新能源滲透率提高與多直流系統(tǒng)接入,電力系統(tǒng)中的電力電子滲透率提高,傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)逐步退出,系統(tǒng)阻抗增大,電力系統(tǒng)頻率、電壓支撐能力減弱。大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力降低,難以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。但在極高比例電力電子的電力系統(tǒng)中,電壓支撐強(qiáng)度和頻率支撐強(qiáng)度相關(guān)性低,低短路比系統(tǒng)并不代表低系統(tǒng)慣性常數(shù),這是由于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的機(jī)理不同,兩者特性不耦合且相對(duì)獨(dú)立,可分別開(kāi)展分析。本文主要關(guān)注電壓支撐強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)弱的量化評(píng)估。

目前風(fēng)電、光伏通常采用跟隨型電流控制器,呈現(xiàn)電流源性質(zhì),電壓取決于外部連接情況。與常規(guī)火電機(jī)組相比,電壓支撐能力弱。且大規(guī)模新能源通常處于偏遠(yuǎn)的電網(wǎng)末端,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱,故障期間極易因電壓波動(dòng)脫網(wǎng)。新能源機(jī)組與同步機(jī)之間的距離越遠(yuǎn)、滲透率越高,受到擾動(dòng)時(shí)電壓的波動(dòng)越大。故本文將電壓支撐強(qiáng)度用于新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的電網(wǎng)強(qiáng)度評(píng)估。

1.1.2 電壓支撐強(qiáng)度量化指標(biāo)

新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中,系統(tǒng)“強(qiáng)”和“弱”是一個(gè)相對(duì)的概念,不是單純根據(jù)接入交流電網(wǎng)的新能源設(shè)備容量大小進(jìn)行評(píng)估,即不能簡(jiǎn)單判斷為新能源并網(wǎng)容量小的系統(tǒng),其電網(wǎng)強(qiáng)度就高于新能源并網(wǎng)容量大的電力系統(tǒng)。目前,常用短路比衡量交流系統(tǒng)與新能源的相對(duì)強(qiáng)弱[12],表達(dá)式如下:

(1)

式中:KSCR為短路比;Sac表示交流系統(tǒng)短路容量;PN表示新能源設(shè)備額定容量;UN表示并網(wǎng)母線額定電壓;Z表示系統(tǒng)阻抗;Zpu表示系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值。

針對(duì)新能源多饋入系統(tǒng),上述傳統(tǒng)短路比指標(biāo)存在兩點(diǎn)不足,一是各并網(wǎng)點(diǎn)的新能源裝機(jī)容量不同,難以統(tǒng)一基準(zhǔn)容量;二是并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響不僅與該并網(wǎng)點(diǎn)直接相連的新能源有關(guān),還要考慮其他饋入新能源的影響。故采用交流系統(tǒng)短路容量與新能源等效并網(wǎng)容量的比值,提出基于容量計(jì)算的短路比指標(biāo)KSCR-S[12]：

(2)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]的推導(dǎo),可進(jìn)一步得到短路比與并網(wǎng)點(diǎn)電壓的關(guān)系表達(dá)式如下:

(3)

由式(3)可知,短路比指標(biāo)與并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化量呈反比,短路比越大,并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化量越小,系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力越強(qiáng),系統(tǒng)強(qiáng)度越強(qiáng)。

1.2 基于短路比指標(biāo)的新能源消納評(píng)估

為了便于分析短路比指標(biāo)與并網(wǎng)點(diǎn)新能源出力之間的耦合機(jī)理,本節(jié)將式(2)所示短路比計(jì)算簡(jiǎn)化表示如下:

(4)

(5)

式中:KSCR-P,i為并網(wǎng)點(diǎn)i處的電壓支撐強(qiáng)度;Pi、Pj分別為并網(wǎng)點(diǎn)i、j的新能源有功出力值;rji為并網(wǎng)點(diǎn)j、i之間電壓交互影響因子。

需要指出的是,本文主要關(guān)注運(yùn)行階段短路比對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)度的評(píng)估,故利用并網(wǎng)點(diǎn)新能源實(shí)際出力來(lái)計(jì)算等效短路比,而不是新能源裝機(jī)容量。由式(4)可知,當(dāng)交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一定時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)新能源出力越大,系統(tǒng)等效短路比越低,對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓影響越大,系統(tǒng)強(qiáng)度越弱。

當(dāng)采用短路比指標(biāo)評(píng)估新能源并網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)弱時(shí),需要建立短路比指標(biāo)與系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定之間的聯(lián)系,目前通常采用臨界短路比來(lái)表征此關(guān)聯(lián),即當(dāng)新能源并網(wǎng)點(diǎn)短路比值小于并網(wǎng)點(diǎn)處臨界短路比時(shí),該并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)強(qiáng)度弱,由此可以得到如下電網(wǎng)強(qiáng)度約束:

(6)

式中:KCSCR為并網(wǎng)點(diǎn)處臨界短路比。

對(duì)式(6)做進(jìn)一步推導(dǎo),得到滿足電網(wǎng)強(qiáng)度約束下,并網(wǎng)點(diǎn)新能源有功出力最大值,具體表達(dá)式如下:

(7)

文獻(xiàn)[12]指出,對(duì)于新能源多饋入系統(tǒng)而言,將臨界短路比極值2作為劃分新能源并網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn),即當(dāng)KCSCR=2時(shí),由式(7)計(jì)算所得到的并網(wǎng)點(diǎn)新能源出力即為該并網(wǎng)點(diǎn)在電網(wǎng)強(qiáng)度約束下的最大新能源出力值。由此可知,新能源并網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)度越弱,計(jì)算所得到的并網(wǎng)點(diǎn)新能源出力限值越小,弱系統(tǒng)制約了新能源的消納送出能力。反之,當(dāng)所得到的新能源出力最大值達(dá)到并網(wǎng)點(diǎn)新能源裝機(jī)容量時(shí),即可以認(rèn)為此時(shí)該并網(wǎng)點(diǎn)新能源消納量不再受系統(tǒng)強(qiáng)度制約,此時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)度足以支撐新能源的接入,該新能源消納問(wèn)題轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)基于生產(chǎn)模擬算法的調(diào)峰、斷面約束等方面。綜上,對(duì)于大規(guī)模新能源匯集系統(tǒng),其新能源消納需考慮兩方面,首先解決系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度弱的制約因素;當(dāng)源端新能源出力限值提高至最高出力后,再?gòu)南到y(tǒng)調(diào)峰、斷面等制約因素開(kāi)展新能源消納分析。

1.3 無(wú)功補(bǔ)償對(duì)新能源消納的提升機(jī)理

為改善新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓性能,提升新能源集群弱電網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)度,目前常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償方式包括安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator,SVC)、靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator,SVG)、調(diào)相機(jī)以及利用新能源設(shè)備自身所發(fā)出的無(wú)功進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)?。而各無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度提升機(jī)理不同,下面將從短路比計(jì)算流程中闡述各無(wú)功補(bǔ)償方式的作用機(jī)理。

短路比指標(biāo)計(jì)算流程如圖1所示,首先根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(線路、變壓器等),建立系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣,其中常規(guī)機(jī)組取其次暫態(tài)電抗納入導(dǎo)納矩陣,同時(shí)忽略新能源設(shè)備的逆變器接口的阻抗;然后對(duì)導(dǎo)納矩陣求逆得到系統(tǒng)阻抗矩陣;根據(jù)對(duì)稱短路計(jì)算原理可知,系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的自阻抗的倒數(shù)即為節(jié)點(diǎn)短路電流的標(biāo)幺值,由此計(jì)算系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)短路容量,最后根據(jù)式(4)、(5)可得各新能源并網(wǎng)點(diǎn)短路比值,衡量各并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)強(qiáng)度。

圖1 短路比計(jì)算流程

通過(guò)上述短路比計(jì)算流程可知,各類無(wú)功補(bǔ)償方式的接入會(huì)影響各并網(wǎng)點(diǎn)短路比計(jì)算,從而影響各并網(wǎng)點(diǎn)新能源出力限值的計(jì)算,進(jìn)而影響各新能源場(chǎng)站的消納能力。其中,SVC、調(diào)相機(jī)的投入主要通過(guò)更改系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣,從而影響系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)短路容量,但調(diào)相機(jī)的接入直接影響接入節(jié)點(diǎn)位置的自導(dǎo)納,而SVC被視為與母線并聯(lián)的電納納入導(dǎo)納矩陣,這也是調(diào)相機(jī)補(bǔ)償效果優(yōu)于SVC的原因;而SVG與新能源自身無(wú)功功率主要是增加了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電源的無(wú)功功率。各無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)短路比計(jì)算影響機(jī)理總結(jié)如表1所示。

表1 無(wú)功補(bǔ)償對(duì)新能源消納的影響機(jī)理

為量化分析上述各無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度的提升效果,以某新能源匯集送端系統(tǒng)為例,開(kāi)展無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)KSCR-S的提升效果對(duì)比分析,計(jì)算結(jié)果如表2所示,表中WT/PV表示利用新能源場(chǎng)站自身無(wú)功進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。由計(jì)算結(jié)果可知,4種無(wú)功補(bǔ)償方式均可提升新能源并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的短路比值。其中,SVC對(duì)KSCR-S的提升幅度最小,提升率分布在1%～8%之間,且多在5%以下;利用SVG補(bǔ)償和利用新能源自身無(wú)功補(bǔ)償這2種模式對(duì)KSCR-S的提升幅度大致相同,位于6%～11%之間。加入調(diào)相機(jī)對(duì)于KSCR-S的提升效果最為明顯,安裝分布式調(diào)相機(jī)的匯集站下屬新能源電站KSCR-S提升水平均在40%以上,最高達(dá)到了83%。因此利用調(diào)相機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償,改善電網(wǎng)強(qiáng)度是目前工業(yè)界研究的熱點(diǎn)。

2 考慮短路比約束的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

為了在短路比約束下最大程度消納新能源,以新能源出力最大F為目標(biāo),即:

(8)

2.2 約束條件

2.2.1 電力電量平衡約束

(9)

2.2.2 短路比約束

(10)

(11)

2.2.3 旋轉(zhuǎn)備用約束

(12)

2.2.4 常規(guī)機(jī)組爬坡約束

(13)

2.2.5 常規(guī)機(jī)組出力約束

(14)

2.2.6 新能源出力約束

(15)

(16)

最后,基于MATLAB軟件調(diào)用CPLEX求解器對(duì)該最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。

3 算例分析

3.1 算例描述

本節(jié)以“三北”地區(qū)某新能源匯集送端系統(tǒng)為例,進(jìn)行基于短路比約束的新能源消納評(píng)估,開(kāi)展不同無(wú)功補(bǔ)償措施對(duì)新能源消納提升的量化分析。

工程算例系統(tǒng)如圖2所示,該新能源匯集區(qū)域擁有78個(gè)新能源場(chǎng)站,分別匯集于4個(gè)500 kV變電站,并通過(guò)1 050 kV高壓站經(jīng)特高壓直流送出,新能源總裝機(jī)容量為11 000 MW左右,其中風(fēng)電裝機(jī)容量為7 500 MW左右,光伏裝機(jī)容量為3 500 MW。其新能源分布連接情況如圖2所示。

圖2 工程算例示意

算例所用負(fù)荷數(shù)據(jù)為該地區(qū)某一年8 760 h的實(shí)際調(diào)度數(shù)據(jù),最大負(fù)荷值為890 MW;風(fēng)電、光伏數(shù)據(jù)分別是根據(jù)歷史多年實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)對(duì)新能源出力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,形成歷史多年棄電前出力預(yù)測(cè)曲線,平均得到新能源場(chǎng)站典型年(8 760 h)出力預(yù)測(cè)曲線,并根據(jù)不同新能源場(chǎng)站裝機(jī)容量模擬得到對(duì)應(yīng)場(chǎng)站的年8 760 h預(yù)測(cè)出力曲線。

3.2 新能源消納能力對(duì)比分析

為驗(yàn)證本文所提考慮短路比約束生產(chǎn)模擬模型的有效性,本文設(shè)置如下兩個(gè)典型場(chǎng)景:場(chǎng)景1為不考慮短路比約束的傳統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬;場(chǎng)景2為考慮短路比約束的時(shí)序生產(chǎn)模擬。在不同時(shí)間尺度(天、周、月、年)下,基于場(chǎng)景1和場(chǎng)景2進(jìn)行新能源消納能力評(píng)估,結(jié)果如表3所示。

由表3可以看到,不同時(shí)間尺度上,考慮短路比約束時(shí)新能源的總消納量和消納率都遠(yuǎn)低于不考慮短路比約束時(shí),此對(duì)比結(jié)果意味著傳統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬模型不能直接應(yīng)用于新能源集群弱電網(wǎng)系統(tǒng)的新能源消納能力評(píng)估;同時(shí),此對(duì)比結(jié)果也說(shuō)明,對(duì)于大規(guī)模新能源集群系統(tǒng)而言,系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度不足是制約新能源消納的主要原因。故為了大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)新能源的最大消納,首當(dāng)其沖的問(wèn)題是如何配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以提高新能源集群弱電網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)度,進(jìn)而提升系統(tǒng)新能源消納能力。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償方式影響分析

為改善新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓性能,提升弱電網(wǎng)系統(tǒng)的新能源消納能力,最有效的手段是提升新能源并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)強(qiáng)度,本節(jié)分析新能源場(chǎng)站采用不同無(wú)功補(bǔ)償措施對(duì)場(chǎng)站新能源消納的影響。

首先,在如圖2所示的4個(gè)新能源集群系統(tǒng)的35 kV側(cè)分散配置SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置,然后將SVC補(bǔ)償更換為SVG補(bǔ)償、新能源設(shè)備自身發(fā)出的無(wú)功功率和調(diào)相機(jī)這3種模式并進(jìn)行對(duì)比分析。此外,需要說(shuō)明的是,當(dāng)采用新能源設(shè)備自身所發(fā)出的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),各新能源機(jī)組的無(wú)功輸出約為有功功率的10%,配置SVG時(shí)SVG的無(wú)功出力為電源有功出力的10%,配置調(diào)相機(jī)時(shí)調(diào)相機(jī)無(wú)功出力約為其裝機(jī)容量的80%。

基于上述工況,在極高比例新能源匯集的典型場(chǎng)景中,為了保證系統(tǒng)并網(wǎng)強(qiáng)度,以新能源并網(wǎng)點(diǎn)臨界短路比2為約束條件,計(jì)算各類無(wú)功補(bǔ)償措施下系統(tǒng)各新能源場(chǎng)站有功出力最大限值Pscrmax,通過(guò)比較各類措施下新能源場(chǎng)站最大出力限值Pscrmax大小,量化對(duì)比分析各類措施對(duì)新能源消納提升的影響,部分新能源場(chǎng)站計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同無(wú)功補(bǔ)償方式下部分新能源場(chǎng)站有功出力最大限值Pscrmax

由上述計(jì)算結(jié)果可知,各新能源場(chǎng)站無(wú)無(wú)功補(bǔ)償措施時(shí)的最大出力值Pscrmax與對(duì)應(yīng)新能源場(chǎng)站裝機(jī)容量差值大小各不相同,當(dāng)新能源場(chǎng)站無(wú)無(wú)功補(bǔ)償措施下的最大出力值Pscrmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)新能源場(chǎng)站的裝機(jī)容量時(shí),表明該新能源場(chǎng)站的電網(wǎng)強(qiáng)度弱,弱系統(tǒng)制約了新能源的消納送出能力,如新能源場(chǎng)站11;反之,當(dāng)新能源場(chǎng)站Pscrmax達(dá)到其裝機(jī)容量時(shí),表明該新能源場(chǎng)站的電網(wǎng)強(qiáng)度強(qiáng),足以支撐新能源的接入,如新能源場(chǎng)站5。此外,利用SVG、SVC、新能源自身無(wú)功功率和調(diào)相機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后,與無(wú)措施下的新能源場(chǎng)站出力限值Pscrmax相比,新能源場(chǎng)站的整體出力水平均有明顯提升;其中,采用新能源設(shè)備自身無(wú)功補(bǔ)償方式與SVG無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)新能源場(chǎng)站消納能力提升效果相當(dāng)且優(yōu)于SVC補(bǔ)償方式;當(dāng)利用調(diào)相機(jī)補(bǔ)償方式后,場(chǎng)站出力限值Pscrmax提升最明顯,由新能源場(chǎng)站3和新能源場(chǎng)站9的結(jié)果可知,當(dāng)配置調(diào)相機(jī)后,場(chǎng)站出力限值高達(dá)新能源裝機(jī)容量,這意味著配置調(diào)相機(jī)后,新能源場(chǎng)站3和新能源場(chǎng)站9的并網(wǎng)點(diǎn)不再因系統(tǒng)強(qiáng)度弱因素而制約新能源出力,此時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)度足以支撐新能源的接入。

此外,通過(guò)比較無(wú)措施下各新能源場(chǎng)站Pscrmax相對(duì)于對(duì)應(yīng)新能源場(chǎng)站裝機(jī)容量的大小,可以評(píng)判新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中各并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)強(qiáng)度大小,例如新能源場(chǎng)站5在無(wú)措施下的Pscrmax為28 MW,高達(dá)其對(duì)應(yīng)場(chǎng)站的新能源裝機(jī)量,故認(rèn)為新能源場(chǎng)站5并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度足夠,可以不用考慮配置無(wú)功補(bǔ)償;而新能源場(chǎng)站2在無(wú)措施下的Pscrmax為17.5 MW,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)新能源裝機(jī)量99 MW,故認(rèn)為新能源場(chǎng)站2并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度弱,嚴(yán)重制約了該場(chǎng)站新能源消納能力。

為進(jìn)一步量化分析各無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)新能源場(chǎng)站消納能力提升的效果,以新能源場(chǎng)站6所得結(jié)果為基礎(chǔ),并基于場(chǎng)站6新能源出力的理論最大值曲線,繪制得到如圖3所示結(jié)果。圖3中不同無(wú)功補(bǔ)償措施下場(chǎng)站出力限值曲線Pscrmax以上部分面積即為因并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)強(qiáng)度弱而所制約的新能源消納量,由此可見(jiàn)配置調(diào)相機(jī)時(shí)該面積最小,故配置調(diào)相機(jī)時(shí)對(duì)場(chǎng)站新能源消納能力提升效果最明顯。

圖3 不同無(wú)功補(bǔ)償方式下Pscrmax計(jì)算結(jié)果

表5為新能源場(chǎng)站6在不同無(wú)功補(bǔ)償措施下新能源最大可消納量與短路比約束下新能源制約量計(jì)算結(jié)果,可見(jiàn),各無(wú)功補(bǔ)償方式均可提升該新能源場(chǎng)站的最大可消納量,其中調(diào)相機(jī)提升效果最為明顯。

表5 不同無(wú)功補(bǔ)償方式新能源消納能力對(duì)比

4 結(jié) 論

本文分析了短路比指標(biāo)與新能源消納能力之間的關(guān)聯(lián),在傳統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬模型基礎(chǔ)上,加入短路比約束,提出一種考慮短路比約束的時(shí)序生產(chǎn)模擬算法,并通過(guò)某新能源匯集送端系統(tǒng)工程驗(yàn)證了所提方法的有效性。具體結(jié)論如下:

1)以臨界短路比值2為邊界條件,推導(dǎo)了短路比約束下,各新能源并網(wǎng)點(diǎn)最大新能源接納能力,建立了新能源消納能力與短路比指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)。

2)基于短路比計(jì)算流程,分析了各無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)短路比計(jì)算的影響,進(jìn)而分析無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)新能源消納能力的影響。

3)考慮短路比指標(biāo)與新能源出力制約關(guān)系,建立了考慮系統(tǒng)短路比約束的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型,可準(zhǔn)確評(píng)估弱電網(wǎng)系統(tǒng)新能源消納能力,并可量化評(píng)估各無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)新能源消納提升效果。

4)由算例結(jié)果可知,采用新能源設(shè)備自身無(wú)功補(bǔ)償方式與SVG無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)新能源場(chǎng)站消納能力提升效果相當(dāng)且優(yōu)于SVC補(bǔ)償方式,而安裝調(diào)相機(jī)對(duì)新能源消納能力提升效果最明顯。

本文下一步的研究方向是結(jié)合各類型無(wú)功補(bǔ)償措施經(jīng)濟(jì)性,建立面向弱電網(wǎng)新能源消納能力提升的多類型無(wú)功資源優(yōu)化規(guī)劃模型。