2024低短路比场景下新能源场站构网跟网变流器容量配比估算报告

新能源场站构网/跟网变流器容量配比估算 辛焕海博士教授 邮箱： xinhh@ziu.edu.cn主页:http://person.zju.edu.cn/eexinhh研究方向：新型电力系统稳定 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战 三、多场站配比估算方法 四、配比典型结果与验证 五、结论与展望 1.1新能源接入系统存在稳定问题 大力发展新能源是我国实现双碳目标的必要举措，新能源消纳必须有与其容量相匹配的系统强度。国内外发生了多起因系统强度不足导致的电网安全稳定事故，如新疆哈密振荡事故、南澳大停电事故等。系统强度低是制约风光等新能源消纳的核心瓶颈 1.2系统强度需求：电网导则要求 导则》、CIGRE、IEC、AEMO以及IEEE等组织均对短路比和系统强度制定技术规范。 送受端系统的直流短路比、多馈入直流短路比以及新能源场站短路比应达到合理的水平 SYSTEM STRENGTH IMPACTASSESSMENTGUIDELINES IEEE Standard for Interconnection andInteroperability of Inverter-BasedResources (IBRs) Interconnecting withAssociated Transmission ElectricPower Systems 1.2 电网短路比指标：稳定性关键因素 ■电网短路比SCR：电网强度指标，描述电网特性，反映电网对并网设备的电压支撑能力 ■装备临界短路比：设备耐受指标，临界稳定时电网的短路比，装备对弱电网的耐受能力 系统闭环特征方程与SCR的显函数关系 装备临界短路比CSCR：Re(s)=β(SCR)=0SCR=CSCR 基于短路比的稳定判据SCR > CSCR短路比越小，系统越不稳定 1.2 电网短路比指标：稳定性关键因素 系统强度低，装备间及其与交流电网间的耦合强，振荡/过电压方面的稳定风险增加 案例：某地风机接入过多，系统强度下降，并网机组N=390台时振荡（71Hz/29Hz） 1.2 装备临界短路比指标：稳定性关键因素 装备临界短路比物理意义：单装备/场站所需要的电网最小短路比，跟网型装备对低短路比电网的耐受能力（电网灵敏度太大，失稳），典型值1.3~2.2，工程上CSCR~1.5 周璃涵,辛焕海,翰平.基于广义短路比的多馈入系统强度量化原理与方法：回顾、探讨与展望[].中国电机工程学报,2023,43(10):3794-3811. 1.3构网装备的强度提升机理：电压源特性 跟网型电力电子装备：常见风光新能源等电力电子设备，依赖电网电压的锁相环型矢量控制，无功刚性强，电压支撑能力较弱 构网型电力电子装备：逐渐兴起，热门的构网型储能、构网型风机、光伏；不依赖电网主动建立电压，能量来源有限可控、电压源特性、无功随电压变化，支撑能力较强 1.3构网装备的强度提升机理：短路比增加 构网容量需求：电压源外特性将短路比提升至理想值所需容量（降低电压对电流灵敏度） 短路比再认识：稳定视角下短路比初心是反映灵敏度（突破短路电流思维：低短路电流电力电子设备为电网强度提供高支撑 单机系统估算简单，多场站/多馈入系统接入场景超级复杂 1.3构网装备的缺陷：暂态下容易失稳 潜在优势：构网装备在小扰动下起到电压源作用，对电压支撑作用强，对振荡抑制有利 固有缺陷：构网装备在大扰动下容易同步失稳，电力电子的电流限幅特性加重失稳风险 月盈则亏：多构网装备的暂态稳定问题由于相互作用非常复杂，接入设备过多未必有益 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战 三、多场站配比估算方法 四、配比典型结果与验证 五、结论与展望 2.1构网-跟网设备配比问题 配比问题：新能源场站均配备构网装备，满足短路比工程需求的占比及其规律是什么？ 候选装备：构网储能、构网SVG、构网风机和光伏等，模拟同步机电压源特性的装备 2.2低压构网装备配置方案 方案1：在220kV母线上额外加装构网装备，如构网型储能和构网型SVG； 方案2：在35kV母线上额外加装构网装备，如构网型储能和构网型SVG； 方案3：风/光机组部分改造为构网控制，如采用风电控制成电压源虚拟机。! 2.3配比问题挑战 挑战1：设备-电网间交互作用复杂，跟网设备和构网装备强异构，系统强度难以解析 挑战2：构网-跟网设备配比和系统强度关系难以解析，求解系统稳定裕度的配比困难 耦合加剧 挑战1：系统强度难以解析 ①装备间交互作用复杂，指标难找②设备具有强异构性，指标临界值多变 挑战2：配比值和系统强度关系难以解析① 稳定裕度约束的配比估算问题难求解基于特殊案例的结果难以指导实践 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战 三、多场站配比估算方法 四、配比典型结果与验证 五、结论与展望 3.1多场站配比估算思路 步骤1：系统强度与短路比的解析。设备特性和电网特性共同决定系统强度，反映稳定性的特征方程由设备和网络传递函数矩阵构成 步骤2：短路比与容量配比的解析。配比影响对地等值阻抗和强度，解析联系找答案 构网配比(1，.….，n) 3.2基于广义短路比的系统强度量化方法 强度量化基础：1）新能源多场站系统可近似分解为多个单馈入子系统；2）基于最容易失稳的等效子系统，定义出电网厂义短路比gSCR和装备临界短路比：3）计算电网厂义短路比和装备临界短路比，形成基于广义短路比的量化方法和稳定判据 广义短路比方法 广义短路比（网络和装备容量相关） gSCR(SB,B)=min (S=B)= mino(S=1/2 BS-=1/2 3.2基于广义短路比的系统强度量化方法 电网广义短路比物理意义：多端口交流电网的电压/电流（或电压/无功）最大灵敏度反映装备群中心到等效电网中心的电气距离 gSCR越大,网络电压/电流灵敏度越小，网络接越强 周璃涵,辛焕海,翰平.基于广义短路比的多馈入系统强度量化原理与方法：回顾、探讨与展望[J].中国电机工程学报,2023,43(10):3794-3811. 3.2基于广义短路比的系统强度量化方法 装备临界短路比物理意义：单装备/场站所需要的电网最小短路比，跟网型装备对低短路比电网的耐受能力（电网灵敏度太大，失稳），典型值1.2～2.5，工程上CSCR~1.5 周璃涵,辛焕海,翰平.基于广义短路比的多馈入系统强度量化原理与方法：回顾、探讨与展望[].中国电机工程学报,2023,43(10):3794-3811. 3.3广义短路比量化方法的特点和优势 借助广义短路比，装备/场站临界短路比等于系统短路比临界值，其他短路比的痛点单场站短路比量化方法无损扩展到多场站系统，，形成多场站系统强度/裕度量化方法 单馈入系统强度量化方法 多馈入系统强度量化方法 Ssc.电网强度指标SCR=SbAU指标临界值等于装备临界短路比基本潮流解约束SCR > 1.0小干扰稳定约束SCR > 1.5 电网强度指标gSCR最小特征值(SB)系统的临界值等于装备临界短路比基本潮流解约束gSCR > 1.0小干扰稳定约束gSCR > 1.5 3.3广义短路比量化方法的特点和优势 全电力电子场景：基于宽频灵敏度矩阵定义的广义短路比，考虑了电力电子设备支撑能表征系统强度；传统指标基于短路电流，电力电子短路电流与系统强度关联弱。 短路不是物理本质，难以推广 新能源基地柔性直流送出系统小扰动电压支撑强度评估，电工技术学报，2023 3.3广义短路比量化方法的特点和优势 全电力电子场景：基于宽频灵敏度矩阵定义的广义短路比，考虑了电力电子设备支撑能表征系统强度；传统指标基于短路电流，电力电子短路电流与系统强度关联弱。 全电力电子系统强度判据 gSCR (Sb,B+△B)>CSCR IEEE39节点算例改造为全电力电子系统 基于广义短路比的系统强度判据仿真验证有效 新能源基地柔性直流送出系统小扰动电压支撑强度评估，电工技术学报，2023 3.4 构网装备占比与广义短路比的关系 广义短路比计算 未配置构网装备时 其中，网络导纳矩阵为： B，、B,：变压器等值导纳矩阵B"：交流网络等值导纳矩阵 未配置构网装备，gSCR不满足要求；加入构网装备改变电网，提高gSCR。 3.4 构网装备占比与广义短路比的关系 配置构网装备后 广义短路比计算公式 gSCR,'BB2B.-AB 其中，网络导纳矩阵为： BB,0B,B +B'AB B1、Bz：变压器等值导纳矩阵，对角阵AB：构网装备等值导纳，对角阵B’：交流网络等值导纳矩阵 3.4构网装备占比与广义短路比的关系 B, 和B2：对角阵可得到简化解 未配置构网装备时S'B' + F(gSCR。)= 0 配置构网装备（等效导纳为^B）时Sn'B" + S'AB + F(gSCR,)|= 0 3.5构网装备占比计算公式 3.6构网配比估算方法 针对三种配置方案，基于配比公式和流程，可将广义短路比从gSCRo提升至gSCR， 配比公式简洁、实操性强，具有严谨的理论依据，方便用于指导实际规划和运行 配比估算公式 f(gSCR。)- f(gSCR,)f(gSCR。)- f(gSCR,)加装改造1 / (Zgfm + Z1)1 / (Zgfm + Zr1) -1 / Zr2 - f(gSCR,) 配比估算流程 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战 三、多场站配比估算方法 四、配比典型结果与验证 五、结论与展望 配比边界条件 在保证系统潮流解存在的最基本前提下，即电网广义短路比的初始值满足gSCR。≥1.0将广义短路比从1.0提升至1.5或2.0的配比典型值，保证最恶劣条件可以满足工程需求 方案1：改造构网风机 在保证系统潮流解存在的最基本前提下，即电网广义短路比的初始值满足gSCR.≥1.0将广义短路比从1.0提升至1.5或2.0的配比典型值，保证最恶劣条件可以满足工程需求 方案2：加装低压构网装备 偏大，低压构网接高压网支撑能力弱，需研发高压直挂设备 仿真验证：测试系统描述 基于两区四机系统的电磁暂态仿真模型，设计八个算例，对比分析改造构网风机方案和加装构网装备等多种方案 方案1：改造构网风机仿真验证 方案2：加装构网装备仿真验证 方案3：改造和加装混合方案仿真验证 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战 三、多场站配比估算方法 四、配比典型结果与验证 五、结论与展望 结论与展望 ■广义短路比到1.5：（1）35kV母线加装比例≤8.0%~11.1%，约≤10%；（2）改造风电的比例≤6.6%~8.5%，约≤8%；（3）集中安装的比例能进一步下降 广义短路比提升到2.0：（1）35kV母线加装比例≤16.8~23.3%，约≤20%；（2）改造风电比例12.9%～~16.3%，约≤15%；（3）集中安装的比例能进一步下降。 考虑了分散式配置构网装备，是典型参数下的结论（其中，构网装备按低压构网考虑，控制技术按最新进展考虑），但具有一定的工程参考价值。 结论与展望 可以多场站集中式安装构网装备，经济性存在差异，成本收益分摊理论需要深入探索 关注了构网装备的“稳态容量”，稳态电压支撑下的测算结果；解决暂态支撑需要扩大装备的过载能力，需要关注暂态容量”，值得持续深入探索！ 参考文献 [1]电力电子多馈入电力系统的广义短路比.中国电机工程学报，2016. [2]多馈入直流系统广义短路比：定义与理论分析.中国电机工程学报，2016.[3]基于广义短路比的电力电子多馈入系统小干扰概率稳定评估，电力系统自动化，2018.[4] Critical Short Circuit Ratio Analysis on DFIG Wind Farm with Vector Power Cont