关键词：
系统强度
广义短路比
电压稳定
同步稳定
构网型装备
多变流器系统
摘要：
随着社会经济全面绿色转型的要求与电力电子技术的快速进步,以化石能源消耗为主的传统电力系统正向以新能源为主体的新型电力系统转变,高比例新能源与高比例电力电子装备是其主要特征。新能源等电力电子装备广泛采用跟网型控制技术,具有灵活的功率调节能力,但相比于常规同步机组则表现为弱抗扰性与弱支撑性。随着新能源电力系统中常规同步机组逐渐被电力电子装备所替代,受扰后系统电压抵抗偏移或抵抗失稳的能力(即系统电压支撑强度,后文称之为“系统强度”)显著下降,严重威胁着新能源电力系统的安全稳定运行。因此,探索电力电子装备采用构网型控制技术,提供主动电压支撑能力是当前学术界与工业界共同关注的热点问题。然而,多类型电力电子装备之间及其与电网之间交互作用复杂,装备运行控制特性对系统电压动态性能的影响规律不明,导致系统强度的精准评估与有效提升困难。为此,本文从小扰动视角聚焦新能源电力系统强度理论,以采用两类典型控制方式(跟网型控制与构网型控制)的新能源等电力电子装备多机为研究对象,旨在解决含构网型装备的新能源电力系统强度评估与提升问题,为新能源电力系统规划与运行提供基础理论指导。本文的主要工作与创新成果可以概括为以下两部分:
1.在系统强度量化评估方面,研究了含构网型装备新能源电力系统强度评估方法,并进一步探索了运行场景下新能源电力系统强度的评估指标。
1)提出了含构网型装备的新能源电力系统强度评估方法。首先,依据构网型装备频域阻抗特性分析了其电压支撑能力,提出了构网型装备等值建模方法;其次,计及跟网型与构网型装备的交互作用建立了多机动态模型,提出了可表征该系统小扰动稳定性的特征子系统分析方法;在此基础上,将广义短路比推广到无常规同步机组支撑的新能源电力系统,提出了广义短路比及其临界值计算方法,通过比较广义短路比与其临界值的相对大小即可评估系统强度裕量。研究表明,广义短路比在物理上可视为特征子系统的短路比,表征了各跟网型装备到构网型装备等值电压源之间的电气距离,故克服了传统方法依赖于同步机提供短路容量或电压支撑的理论局限;其临界值反映了跟网型装备对弱电网的耐受能力不足是导致该系统强度裕量不足、小扰动失稳风险高的主要因素。
2)考虑运行场景下新能源电力系统对电压动态性能的多维需求,提出了相应的系统强度评估指标。首先,考虑运行期间新能源等装备功率扰动的影响,基于功率-电压灵敏度矩阵分析了系统抵抗电压失稳或电压偏移的能力,提出了基于灵敏度矩阵最小奇异值与最小模特征值的系统电压动态性能量化方法;其次,从稳定性维度,重点考虑跟网型新能源等装备非单位功率因数运行工况,基于潮流雅可比矩阵奇异性分析了系统电压稳定条件,并基于电压相角回路分析了系统同步稳定条件,分别导出了电压稳定与同步稳定维度下系统强度指标;进一步地,从抗扰性能维度,分析了跟网型与构网型装备多机系统互补灵敏度峰值的性质,导出了电压抗扰性能维度下系统强度指标,刻画了受运行功率波动影响下系统电压的最大偏移程度。
2.在系统强度优化提升方面,研究了多样化装备运行控制特性对系统强度的提升规律,并进一步探索了面向系统强度提升的跟网型与构网型装备优化配置策略。
1)针对多机运行控制特性对新能源电力系统强度影响规律不明而导致系统强度提升路径不明的问题,首先引入了装备多样性的概念,以描述新能源等装备在功率因数、运行状态以及控制方式等方面的差异化;其次,从电压稳定与同步稳定维度,对比分析了跟网型装备单一化或多样化功率因数运行、新能源-储能等装备联合运行对系统强度的影响,基于所提出系统强度指标的数学性质论证了跟网型装备功率因数与运行状态多样性对系统强度的提升规律;进一步地,从电压抗扰性能维度,对比分析了单一跟网型或单一构网型多机运行与跟网型-构网型装备联合运行对系统强度的影响,基于所提出系统强度指标的数学性质论证了跟网型-构网型控制多样性对系统强度的提升规律。
2)提出了面向新能源电力系统强度提升跟网型与构网型装备优化配置策略。首先,依据所揭示的跟网型多机运行特性对系统强度的影响规律,分析了跟网型新能源多场站运行功率对系统强度的灵敏度关系,提出了馈入功率灵敏度指标,进而从协调多机馈入功率的角度提出了跟网型储能优化选址策略;其次,依据所揭示的跟网型-构网型多机控制特性对系统强度的影响规律,提出了构网型装备落点对广义短路比的参与因子指标,并论证了构网型装备容量对广义短路比的单调关系,在此基础上提出了构网型装备选址定容策略。所提出的策略可为新能源基地中储能与静止无功发生器等辅助装备的优化配置提供理论指导。
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