考慮電壓支撐的新能源發(fā)電網的外網等值建模*

朱革蘭 盛建蘭

(華南理工大學 電力學院， 廣東 廣州 510640)

考慮電壓支撐的新能源發(fā)電網的外網等值建模*

朱革蘭 盛建蘭

(華南理工大學 電力學院， 廣東 廣州 510640)

提出了一種考慮電壓支撐作用的外部電網等值建模方法.首先由電力系統(tǒng)綜合分析程序(PSASP)的多重故障仿真計算外網所有邊界節(jié)點的短路信息，得到電流源支路形式的外網等值模型，該模型忽略了內網運行，因而邊界節(jié)點電壓存在一定誤差.在將該模型轉化為基于戴維南支路的阻抗型外網模型后，提出了一種在邊界節(jié)點的等值功率注入支路中進行以實際電網穩(wěn)態(tài)電壓為期望值的等值電勢修正的方法，所獲修正后的外網等值模型基于邊界節(jié)點信息，能準確反映外部電網對內網的電壓支撐作用.最后以寧夏局部新能源發(fā)電網為例，分別在長鏈型和環(huán)型兩種內網結構下對外網建模，仿真驗證了所提外網等值建模方法的正確性和有效性.

電壓支撐；邊界節(jié)點；電網等值建模；短路計算

據(jù)報道，截至2015年底，中國風力光伏發(fā)電累計并網裝機約1.72億 kW，然而全國總體棄風棄光率超過10%[1]，新能源發(fā)電引起的電網電壓波動是制約其上網的主要因素之一.大型新能源發(fā)電基地一般位于遠離負荷中心的電網薄弱區(qū)[2]，而新能源接入地區(qū)的電壓穩(wěn)定性不僅受到控制策略和無功補償?shù)挠绊懀哺貐^(qū)電網的支撐能力密切相關[3- 4].因此，當對新能源發(fā)電網建立電磁暫態(tài)模型研究時，由于與其互聯(lián)的外部大型區(qū)域網絡數(shù)據(jù)量巨大，因此需要對其進行等值建模，這不僅要求等值算法在滿足技術要求下應易于實現(xiàn),而且要求外網等值模型能夠準確地反映其電壓支撐能力.

區(qū)域電網的等值建模通常采用靜態(tài)等值方法[5- 6]，目前應用較為廣泛的是Ward等值和REI(Radial Equivalent Independent)等值[7- 10]及其改進的等值法[11- 14].但它們存在或求解繁瑣或依賴較大量已知信息等問題.例如，文獻[11]提出了一種外網信息未知情況下的兩端口靜態(tài)等值參數(shù)估計法，適用于含黑箱外網的雙端互聯(lián)區(qū)域電網的等值，但求解步驟較為繁瑣，而且若擴展為多端口網絡，模型將變得極其復雜；文獻[12]提出改進的擴展Ward等值，能較準確地體現(xiàn)外網中無功補償元件對內網的作用，但是其高斯消去過程較復雜，且需要外網的導納信息，不適用于大型互聯(lián)電網；文獻[13]提出考慮發(fā)電機與非發(fā)電機之間電壓和電流的靈敏度一致性的靜態(tài)等值法，較為全面地保留了外網對內網的影響，精度較高，然而其計算量較大，且需要外網及其發(fā)電機、非發(fā)電機節(jié)點的導納和電壓電流等信息，求解步驟也較復雜；文獻[14]提出了基于PSASP短路計算的區(qū)域電網等值方法，減少了計算量，但是只驗證了等值前后短路電流的一致性，對等值后的外網節(jié)點電壓誤差沒有討論.

上述這些等值方法都要已知完備的外網信息，且對系統(tǒng)運行方式具有較強的依賴性，當內部網絡狀態(tài)變化時，不能準確地反映外部電網對母線電壓的支撐作用.針對上述不足本研究提出一種新的考慮電壓支撐作用的外部電網等值建模方法，不需要外網的導納信息，只需要借助PSASP復雜故障計算獲取邊界節(jié)點的短路電壓和電流等節(jié)點信息；同時，為提高外網等值模型對內網的電壓支撐的準確度，在邊界節(jié)點的等值注入功率中進行以實際電網穩(wěn)態(tài)電壓為期望值的等值電勢的修正；最后以寧夏地區(qū)局部新能源發(fā)電網為內網，對其外部所連西北電網應用文中所提方法進行了等值前后的仿真驗證.

1 基于PSASP短路計算的外網等值模型

傳統(tǒng)Ward等值需要考慮網絡的所有節(jié)點信息，外部注入功率的節(jié)點全部看成是PQ節(jié)點，其建模實質是對外部網絡線性代數(shù)方程的高斯消去，過程較為復雜.本研究將網絡劃分為內部網絡和外部網絡兩部分，其中，邊界節(jié)點包含在外部網絡之中，外部網絡等值后成為一個只有邊界節(jié)點的多端網絡，包含邊界節(jié)點、注入電流源、邊界節(jié)點自導納和邊界節(jié)點之間的互導納.基于PSASP短路計算的外網等值模型與Ward等值[14- 15]得到的網絡形式相類似.

下面以3個邊界節(jié)點的外部網絡的等值為例進行闡述.設等值后的外網如圖1虛線內所示：

圖1 基于PSASP短路計算的外網等值模型

Fig.1 Equivalent network model based on PSASP short-circuit calculation

圖1中，ⅰ1、ⅰ2、ⅰ3分別表示邊界節(jié)點1、2、3的等值注入電流源的電流值，y11、y22、y33分別表示電流源1、2、3的內導納，y12、y23、y13分別表示節(jié)點1、2、3之間的支路導納.則節(jié)點自導納計算公式為

Yii=yi1+yi2+yi3

(1)

式中，i=1，2，3.

節(jié)點之間的互導納計算公式為

Yij=-yij

(2)

式中：i≠j；i=1，2，3；j=1，2，3.

進行外部網絡等值時，不考慮內部網絡節(jié)點和支路.

若依次在每個邊界節(jié)點處設置三相短路故障，則通過PSASP短路計算可以得到各個邊界節(jié)點的電壓和短路點的電流，它們二者之間的關系可以用式(3)表示：

(3)

根據(jù)矩陣運算法則，可得到式(4)：

(4)

式中，ⅰdi(i=1,2,3)表示除短路點外的其他節(jié)點流向短路節(jié)點i的電流，即由PSASP短路計算得到的電流測量值.

上式中ⅰ1、ⅰ2、ⅰ3的數(shù)值可以通過設置所有邊界節(jié)點同時發(fā)生三相短路接地獲得,因此時邊界節(jié)點的電壓都為零，則：ⅰ1=ⅰd1、ⅰ2=ⅰd2、ⅰ3=ⅰd3.即此時短路節(jié)點的電流測量值等于該節(jié)點的等值電流源電流.

由式(4)結合式(1)、(2)可得到外網等值導納矩陣.

當邊界節(jié)點數(shù)大于3時，運算過程類似.

2 邊界節(jié)點等值注入功率分析

從圖1可看出，在外部網絡等值時，其功率注入考慮為電流源形式，在PSASP短路計算求解外網的等值參數(shù)過程中，去掉了內網的節(jié)點和支路，沒有考慮到內網對邊界節(jié)點功率注入的影響.

(6)

Bijsinθij)}

(7)

Ui2(Bij+Bi0)}

(8)

式中，φl表示內部網絡中與邊界節(jié)點i相連的節(jié)點集合，Gij+jBij表示與邊界節(jié)點i相連的聯(lián)絡線或等值支路的支路導納，Gi0+jBi0表示與節(jié)點i相連的支路在i側的對地支路導納.

由以上分析可知，外網邊界節(jié)點的等值注入功率也會受內網的影響.當Ui、θi及Uj、θj隨內網狀態(tài)變化而改變時，第1節(jié)所述的外網模型中邊界節(jié)點等值功率注入支路參數(shù)必須進行修正，以反映內網的影響.

從圖2可知，上節(jié)中基于PSASP進行短路計算所得到的邊界節(jié)點電壓僅由外網的戴維南等值電路決定，而在正常穩(wěn)態(tài)時，邊界節(jié)點i的電壓是由節(jié)點處內網和外網共同決定的，因此，第1節(jié)所述外網等值模型勢必會造成等值前后邊界節(jié)點電壓的誤差.

圖2 在邊界節(jié)點處網絡的戴維南等值電路

Fig.2 Thevenin equivalent circuit seen from the boundary node

3 外網等值模型的電勢修正方法

采用恒定功率注入形式來表示邊界節(jié)點注入量，不能真實地反映外網對邊界節(jié)點的電壓支撐作用[11]，因此將邊界節(jié)點注入量轉化為電壓源形式.

圖3 基于戴維南支路的阻抗型外網等值模型

Fig.3 Impedance type of network equivalent model based on Thevenin branch

PSASP計算可得到邊界節(jié)點的電壓相量U·i及其與外部網絡的聯(lián)絡線路上的電流ⅰiL.假設有N個邊界節(jié)點，i≤N，當N為3時，基于電路原理中的基爾霍夫電流定律，邊界節(jié)點處的電流之和應該為零.則可以得到一組方程式：

(9)

(10)

(11)

由式(9)-(11)可求得經過修正的戴維南等值電勢參數(shù)，對其進行復數(shù)轉化運算可得到電勢參數(shù)的幅值和相角形式.

當N為任意正整數(shù)時，可以推導得到求解修正電勢E·Pi的通用表達式：

(12)

式中:zij=zji;i=1,2,…，N.

對N個邊界節(jié)點的外網等值，可以列出N個方程來修正其戴維南等值電勢，修正后的邊界節(jié)點處的等值電勢，能夠真實反映完整網絡穩(wěn)態(tài)運行條件下，外網對內部網絡的電壓支撐.以邊界節(jié)點處的電壓實際值為計算目標的等值電勢的修正過程，有效地改善了PSASP短路計算中忽視內部網絡狀態(tài)變化造成的等值功率注入誤差，同時，戴維南支路形式的功率注入也改善了電流源支路不能反映外部網絡對內部網絡的電壓支撐的缺陷.

4 仿真驗證

以寧夏局部新能源發(fā)電網為對象進行仿真驗證.寧夏地區(qū)的局部新能源發(fā)電網屬于西北六省區(qū)域網絡中的一部分，其網架結構圖如圖4所示.風/光資源主要分布在中衛(wèi)、迎水橋、香山、九彩、寧安和棗園，新能源總裝機為870.5 MW，分散開發(fā)的風/光資源接入330 kV變電站，通過330 kV輸電通道與其他各變電站相連，常規(guī)電源只有沙坡頭水電站和中寧二火電廠，其裝機容量總和為780.3 MW，錦鋁和巨科為330 kV負荷變電站.可見，該地區(qū)電網是典型的含常規(guī)電源少且具有長鏈型輸電特征的網絡，在對外網等值建模時必須能夠反映外網對特定新能源區(qū)域電網的支撐作用.

圖4 寧夏局部新能源發(fā)電網網架圖

利用文中第1節(jié)和第3節(jié)所述方法進行外網等值，在表1-4中分別用模型1和模型2表示.外部網絡為除去內部網絡的整個西北全網，當內部網絡不同時，相當于選取的外部網絡也不相同.文中選取長鏈式結構和環(huán)式結構兩種內部網絡形式來仿真分析外網等值模型.

4.1 長鏈式內部網絡結構

內部網絡為長鏈式結構網絡的情況記為Case 1，如圖4中虛線左側所示.即凱歌-中衛(wèi)-迎水橋-宣和330 kV輸電通道及香山、沙坡頭為內部網絡，其他為外部網絡.此時，邊界節(jié)點為棗園、寧安和甘石城.對等值前后的網絡模型在邊界節(jié)點處進行三相短路試驗仿真，等值前后邊界節(jié)點的三相短路電流和主要母線電壓及相角對比如表1和表2所示，其中“實際”表示PSASP中等值之前的西北全網詳細模型對應的電流值.

表1 Case 1中邊界節(jié)點的短路電流對比

Table 1 Short circuit current comparison of boundary nodes in Case 1

節(jié)點名稱三相短路電流/kA實際模型1幅值相對誤差/%模型2幅值相對誤差/%甘石城14.8120.538.4215.393.92棗園29.9535.5718.7627.577.95寧安39.3343.7111.1434.0413.45

由表1可見，模型2的三相短路電流誤差較小，由此證明了修正后的模型的有效性，以及所提等值方法的正確性.由表2可見，模型1的母線電壓幅值和相角最大誤差分別為21.65%、78.8%，模型2的母線電壓幅值和相角最大誤差分別為0.52%、6.83%.可見，經過電勢修正后的阻抗型外網等值模型，其母線電壓與等值前基本吻合，說明電勢修正后的戴維南等值支路的電源能夠準確地反映外網對內部網絡的電壓支撐作用，證明了電勢修正方法的正確性和有效性.

4.2 環(huán)式內部網絡結構

如果選擇邊界節(jié)點為甘石城、甘白銀、啟明、黃河、青銅峽、大壩6個節(jié)點，則此時的內部網絡為環(huán)式結構，記為Case 2.等值前后邊界節(jié)點的三相短路電流和主要母線電壓對比如表3、4所示.

表2 Case 1中主要母線的電壓及相角的對比

由表1和表3可知，Case 1中模型1、2的最大電流相對誤差分別為38.4%、13.45%，Case 2中模型1、2的最大電流相對誤差分別為3%、8.68%，Case 2中的兩個等值模型的邊界節(jié)點三相短路電流的最大誤差均有所減小.這是由于在Case 1中常規(guī)電廠中寧二發(fā)電廠雖然在內網附近，但屬于外網，因而作為PV節(jié)點進行了簡化處理；而Case 2中因包含在內網所以建立了它的詳細模型，因而提高了外網等值的精確性.

表3 Case 2中邊界節(jié)點的短路電流對比

Table 3 Short circuit current comparison of boundary nodes in Case 2

節(jié)點名稱短路電流/kA實際模型1幅值相對誤差/%模型2幅值相對誤差/%甘石城18.9718.930.2017.368.48甘白銀41.0241.110.2137.468.68啟明17.9117.900.0316.557.59黃河47.6148.942.7945.604.22青銅峽35.2634.761.4232.856.84大壩30.3529.433.0528.177.18

表4 Case 2中主要母線電壓及相角的對比

由表4各列對比可知，模型2內部網絡及邊界節(jié)點的電壓幅值和相位與實際基本保持一致，而未經修正的模型1與實際電壓幅值和相位都相差較大，幅值整體偏高，相位整體偏小.由表3和表4可知，修正后的基于戴維南支路的阻抗型外網等值模型對于研究網絡中計及附近常規(guī)發(fā)電廠的情況也是適用的.

從表1-4可知，雖然模型1和模型2的短路電流誤差相差不大，但是，與模型2相比，模型1中的母線電壓幅值和相位誤差較大.由此可見,為反映外網對內網的電壓支撐作用，外網等值建模時進行邊界節(jié)點的電勢修正是必要的.

5 結語

針對新能源接入的特定電網的電磁暫態(tài)仿真而進行外網等值時需要反映外網的電壓支撐作用，文中闡述了基于PSASP短路計算的外網等值建模方法，分析了其誤差機理，并提出了等值電勢修正的方法，修正后得到了基于戴維南支路的阻抗型外網等值模型.與未經修正的外網等值模型相比，進行電勢修正后的基于戴維南支路的阻抗型外網等值模型有如下優(yōu)勢：

(1)等值前后的內部網絡節(jié)點和邊界節(jié)點電壓的誤差大幅減小，同時邊界節(jié)點短路電流也與實際短路電流接近.

(2)若將內部網絡附近的外網常規(guī)發(fā)電廠納入內部網絡范圍，建立其詳細模型，則外網等值模型的短路電流誤差將得到進一步改善，同時主要母線電壓也與等值前基本吻合.

文中所提出的基于戴維南阻抗型支路的外網等值模型不考慮內部網絡的詳細信息，且將外部網絡視為一個黑箱，只需要其邊界節(jié)點的信息即可，求解過程簡單，能正確反映外網對內部網絡的電壓支撐作用，適用于進行含新能源電網的電壓問題研究.當然由于算法基于PSASP短路計算，對網絡元件的簡化帶來的誤差不能完全消除，因此針對基于潮流計算的研究還需做進一步改進研究.

[1] 范征,廖宇.借鑒德國新能源消納的經驗 [J].能源研究與利用,2016,168(2): 30- 31.

FAN Zheng,LIAO Yu.New energy consumptive expe-rience of Germany [J].Energy Research & Utilization,2016,168(2):30- 31.

[2] 劉聰,劉文穎,王維洲,等．高載能負荷參與的電網消納風/光電能力定量預評估方法 [J].電網技術,2015,39(1)：223- 229.

LIU Cong,LIU Wen-ying,WANG Wei-zhou,et al.A quantitative method to pre-evaluate power grid’s capability of accommo-dation for wind/photovoltaic power under participation of high-energy load [J].Power System Technology,2015,39(1):223- 229.

[3] LI C,AHN C,PENG H,et al.Synergistic control of plug-in vehicle charging and wind power scheduling [J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(2):1113- 1121.

[4] 楊碩,王偉勝,劉純,等.改善風電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的無功電壓協(xié)調控制策略 [J].電網技術,2014,38(5)：1250- 1256.

YANG Shuo,WANG Wei-sheng,LIU Chun,et al.Coordinative strategy of reactive power and voltage control for improving static voltage stability of wind power centralized system [J].Power System Technology,2014,38(5):1250- 1256.

[5] 李傳棟,許津津,何后裕,等.福建風電仿真的外網等值 [J].電力與電工,2013,33(3):1- 4.

LI Chuan-dong,XU Jin-jin,HE Hou-yu,et al.External network equivalent of wind power simulation in Fujian [J].Electric Power and Electrical Engineering,2013,33(3):1- 4.

[6] POON K K Y,EMAMI R,BOSE A,et al.External data exchange Issues for state estimation in power systems [J].IEEE Transactions on Power Systems,2012,27(2):849- 856.

[7] 林濟鏗,閆貽鵬,劉濤,等.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真外部系統(tǒng)等值方法綜述 [J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(11)：108- 115.

LIN Ji-keng,YAN Yi-peng,LIU Tao,et al.Review on external system equivalent method for electromagnetic transient sim-ulation of power systems [J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(11):108- 115.

[8] PHULPIN Y,BEGOVIC M,PETIT M,et al.Evaluation of network equivalents for voltage optimization in multi-area power systems [J].IEEE Transactions on Power Systems,2009,24(2):729- 743.

[9] 武艷,楊數(shù)強,蔣志勛.基于節(jié)點靈敏度分析的大電網等值研究 [J].電力系統(tǒng)保護與控制,2015,43(10):68- 73.

WU Yan,YANG Shu-qiang,JIANG Zhi-xun.Research on the equivalence of large-scale power system using node sensitivity analysis approach [J].Power System Protection and Control,2015,43(10):68- 73.

[10] ZHAO W,LIU M,SUN B.A norton equivalence based de-composition and coordination algorithm of reactive power optimization for multi-regional power grid [J].Power System Technology,2009,33(11):44- 48,54.

[11] 顏偉,李世明,陳俊,等.基于內網實測信息的兩端口外網靜態(tài)等值參數(shù)估計方法 [J].中國電機工程學報,2011,31(13):101- 106.

YAN Wei,LI Shi-ming,CHEN Jun,et al.Parameter estimation for two-port external network static equivalent model on the basis of internal network measured information[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(13):101- 106.

[12] 孫宏斌,張伯明,相年德.Ward型等值的非線性誤差分析與應用 [J].電力系統(tǒng)自動化,1996,20(9):12- 16.

SUN Hong-bin,ZHANG Bo-ming,XIANG Nian-de.Nonlinear error analysis and application of Ward-type equivalent [J].Automation of Electric Power Systems,1996,20(9):12- 16.

[13] 余娟,張勉,朱柳,等.考慮靈敏度一致性的外網靜態(tài)等值新理論研究 [J].中國電機工程學報,2013,33(10):64- 70.

YU Juan,ZHANG Mian,ZHU Liu,et al.New theory on external network static equivalent based on sensitivity consistency [J].Proceedings of the CSEE,2013,33(10):64- 70.

[14] 文明浩,楊帆.基于PSASP短路計算的區(qū)域電網等值方法 [J].電網技術,2012,36(1):113- 117.

WEN Ming-hao,YANG Fan.An equivalence method of regional power network based on short circuit calculation by power system analysis software package [J].Power System Technology,2012,36(1):113- 117.

[15] 劉峰.電力系統(tǒng)外部等值理論及實用化探討 [J].繼電器,2007,35(15):67- 71.

LIU Feng.Elementary analysis of external network equivalence [J].Relay,2007,35(15):67- 71.

[16] 張海波,張伯明,孫宏斌.基于異步迭代的多區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)動態(tài)潮流分解協(xié)調計算 [J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(24):1- 5.

ZHANG Hai-bo,ZHANG Bo-ming,SUN Hong-bin.A decomposition and coordination dynamic power flow calculation for multi-area interconnected system based on asynchronous iteration [J].Automation of Electric Power Systems,2003,27(24):1- 5.

[17] 林良真,葉林.電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD/EMTDC [J].電網技術,2000,24(1):65- 66.

LIN Liang-zhen,YE Lin.An introduction to PSCAD/EMTDC [J].Power System Technology,2000,24(1):65- 66.

EquivalentModelingofExternalNetworkinNewEnergyPowerGridTakingVoltageSupportintoConsideration

ZHUGe-lanSHENGJian-lan

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Proposed in this paper is a new equivalent modeling method of external network considering voltage support. Firstly, on the basis of short circuit information of all external network boundary nodes obtained by multiple fault simulation with Power System Analysis Software Package, an equivalent model of external network in the form of current source branch is established. Secondly, in order to overcome the errors of boundary node voltages due to the ignorance of internal network, the model is converted into a model in the form of Thevenin impendence branch. Then, a potential correction method, which takes actual steady-state voltages as the expectations in equivalent power injection branch, is proposed. The modified equivalent model on the basis of boundary node information can ac-curately reflect the voltage support of external network. Finally, by taking Ningxia regional new energy power grid for example, two external networks respectively with long chain-type and ring-type internal networks are modeled. Simulated results verify the validity and accuracy of the proposed modeling method.

voltage support;boundary node; power network’s equivalent modeling method;short-circuit calculation

2016- 05- 25

國家科技支撐計劃項目(2013BAA01B02)

*Foundationitem: Supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China(2013BAA01B02)

朱革蘭(1968-),女,博士,助理研究員，主要從事含新能源電網的仿真研究.E-mail:glzhul@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)07- 0001- 07

TM 711

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.07.001