新能源多场站短路比影响因素分析

2022-02-06张汉花李宏强周雷马鑫顾雨嘉

宁夏电力 2022年5期

张汉花，李宏强，周雷，马鑫，顾雨嘉

（国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750011）

0 引言

近年来，以风电、光伏为代表的新能源发电设备大规模并网，现有新能源发电设备普遍采用经电流源型逆变器并网，并采用锁相环跟踪电网电压的控制模式，需要交流电网提供电压支撑[1-2]。随着新能源占比的不断提升，局部地区出现了新能源接入弱交流电网的场景，容易引发新能源发电设备锁相同步失稳、振荡失稳及过电压等风险[3]。短路比（short circuit ratio,SCR）是衡量系统电压支撑强度的重要指标[4-6]，根据文献[7]中的要求，新能源发电单元升压变低压侧的多场站短路比不应低于1.5，且新能源并网点的多场站短路比不应低于2.0、宜高于3.0。临界短路比为系统临界稳定状态对应的短路比[8]，通过评估系统当前短路比与系统临界稳定状态下的短路比指标，可有效衡量系统的运行状态及电压支撑强度[9]，对指导新能源并网及运行具有重要意义。

适用于单馈入系统的传统短路比指标由于没有考虑各新能源并网支路之间的相互影响，准确性较低[10-11]。针对多馈入新能源并网系统，文献[12]通过比较新能源并网产生的电压扰动相对于额定电压的大小，定义了新能源多场站短路比（multiple renewable energy station short circuit ratio,MRSCR），MRSCR 充分考虑了各新能源馈入支路的相互影响，准确性显著提升[13]。与多馈入直流系统短路比相比，MRSCR计算中的新能源场站通常覆盖范围广，落点多，接入电压等级较低，造成各场站并网点母线节点间阻抗角及电压相位角存在较大差异[12]。

本文首先给出上述MRSCR 的计算公式，基于不同假设条件，推导出MRSCR 的不同变形表达式；其次，基于MRSCR 计算公式，理论推导出影响MRSCR 大小的因素，包括新能源场站发电功率、节点运行电压以及加装分布式调相机等，作为同步电机的一种，调相机可以有效提升系统短路容量，增强电网电压支撑强度，提高电网发生扰动时的电压支撑能力[14]；最后，依托电力系统分析综合程序（power system analysis synthesis program,PSASP）计算宁夏麻黄山第四风电场的MRSCR，并仿真验证新能源场站发电功率、节点运行电压以及加装分布式调相机等因素对MRSCR的影响效果。

1 新能源多场站短路比定义及表达式

含n个新能源场站同时接入的高比例新能源接入系统可利用多端口戴维南等值方法表示为图1所示的简化等值模型。图1中S˙REi，PREi，QREi和分别为新能源发电设备/场站i的视在功率、有功功率、无功功率和新能源发电设备在并网母线产生的电压。为折算的并网点i、j间等值阻抗，为主网等值电源i与对应并网点间的系统折算等值阻抗。

图1 高比例新能源接入系统简化模型

短路比用于衡量新能源设备接入系统后系统标称电压与设备产生电压之间的相对大小[9]。文献[12]结合上述物理意义并通过适当的公式推导，给出了系统中第i个新能源并网母线处的MRSCR的计算表达式：

式中：为新能源并网母线处的交流电网等值阻抗矩阵Zeq的第i行、j列元素；为第i个并网母线节点标称电压；为第i个并网母线节点的实际运行电压˙为第i个新能源并网母线注入交流系统的电流；SREi为第i个新能源并网母线节点注入的新能源实际视在功率；为新能源并网母线i和j之间的复数功率折算因子，可以反映各新能源发电设备电网侧接入点/新能源场站并网点之间相位及幅值的差异。

文献[12]详细分析了阻抗比X/R与MRSCR之间的关系，并确定了不同条件下的MRSCR 表达式。当X/R≥10时，MRSCRi可表示为

式中：Saci表示第i个新能源并网母线的实际短路容量，Saci=|UNiUi/Zeqii|；∏ij= ZeqijUi/ZeqiiUj为新能源并网母线i和j之间的功率折算因子。

若进一步假设|Ui|=|Uj|=1，则式（2）可表示为

式中：λij=|Zeqij/Zeqii|，是新能源并网母线i和j之间的功率折算因子。

由于新能源场站通常接入较低电压等级电网，当新能源场站覆盖范围较大时，各场站节点系统等值阻抗=R+ jX的阻抗比X/R通常无法满足大于10的条件，因此计算时需要采用复数形式，即式（1）。本文为分析影响新能源多场站短路比的因素，简化分析的复杂度，假设各节点系统等值阻抗的阻抗比均满足X/R≥10 的条件，并采用式（2）计算。

2 新能源多场站短路比影响因素分析

新能源多场站短路比作为一种静态分析方法，主要反映了新能源多场站接入系统的电压强度及电网对新能源场站并网点母线无功电压支撑能力的大小。由式（2）可以看出，MRSCR 主要与各场站节点系统运行电压、等值阻抗以及新能源场站发电功率有关。

2.1 新能源场站发电功率影响情况分析

根据式（2）可以初步判断，第i个新能源并网母线处的MRSCRi与该母线所接新能源场站的有功功率PREi成反比，即随着新能源场站的发电功率逐步增大，MRSCR 逐步减小。进一步将式（2）对PREi求偏导可得

由式（4）可知，该式恒小于0，表明新能源场站的发电功率越大，MRSCR 越小，由于新能源场站的发电功率有限，PREi存在上限，即额定有功功率PNREi，因此当新能源场站发电功率达到额定值时，MRSCR 达到最小值。同时可以看出，∂MRSCRi/∂PREi与PREi成正比关系，即随着新能源场站的发电功率逐步增大，式（4）也将逐步增大，表明随着新能源场站的发电功率增大，降低新能源场站的发电功率对MRSCR的抬升作用将逐步减弱。

2.2 节点运行电压影响情况分析

式（2）表明，当忽略系统各节点之间电压相角的差异时，各节点MRSCR 与系统各节点的实际运行电压密切相关。对式（2）分子分母同时除以Ui可得

式（5）表明MRSCR 与系统各节点电压成正比关系，当系统运行电压抬升时，各节点的MRSCR 将增大。因此，当系统中节点i投入无功补偿电容器时，系统各节点运行电压抬升，其中节点i运行电压Ui抬升最为明显，MRSCRi增长最多；反之，当系统中节点i投入电抗器时，系统各节点运行电压下降，其中节点i运行电压下降最多，因而MRSCRi降低最多。

2.3 调相机影响情况分析

对于任一短路点K，系统均可简化为如图2所示的等值电路（忽略电阻影响），US为系统等值电源，XT表示网络转移阻抗等效正序电抗，XL为调相机接入点与短路点之间的等效正序电抗。调相机接入电网，可简化为含电压源的电感支路并联接入电网，XC为调相机正序电抗。

图2 短路电流计算正序等效电路

调相机的接入一方面会影响短路点的短路电流，另一方面也会改变系统的等值阻抗。首先分析调相机接入后对短路电流的影响，调相机接入前短路点K的短路电流Iac为

调相机接入后，短路点K的短路电流Iac′为

由于XL＞XL//XC，因此Iac′＞Iac，调相机的接入会增加短路点的短路电流，继而增加短路容量。

由于调相机接入后会对系统节点电压提供一定的支撑，为分析调相机接入对系统等值阻抗的影响，将忽略调相机对系统电压的影响，并假设|Ui|= |Uj|= 1，即MRSCR 采用式（3）计算。调相机接入前，电网可等效为含n个节点的阻抗网络，调相机接入后，可认为在节点p追加了对地并联的支路z0，如图3所示。

图3 调相机接入后系统节点等效

节点p接入调相机后，系统阻抗矩阵等值阻抗矩阵Zeq将变为Z′eq[15]。

式中：Zp= [Zeq1p…Zeqpp…Zeqnp]为Zeq的第p行向量；ZpT为Zp的转置。

将矩阵展开后，则矩阵Z′eq的任意元素可表示为

式中：i=1,2,…n,j=1,2,…,n。

由式（8）可以看出，当电网中加入并联调相机支路后，系统节点阻抗矩阵所有元素都会减小，其中Zeqpp减小最多。

对式（3）分子分母同时乘以Zeqii，并假设各场站间的电压相角相近且电网中各节点电压接近于额定值，扩展整理可得

将式（9）带入式（10），可得在系统p点接入调相机后对于系统中任意新能源节点i，其MRSCR变为

由式（10）和式（11）可知，调相机接入后的MRSCR'i恒小于调相机接入前的MRSCRi。综合调相机对短路容量及系统等值阻抗的影响，调相机接入可显著提升系统各节点的MRSCR。

3 仿真验证

文献[1]给出了机端MRSCR 的临界阈值为1.5，该值是经过实测得到的经验数值，具有较强的约束性。新能源场站机端短路比不低于1.5 才能确保系统不发生振荡失稳现象。目前宁夏电网新能源装机容量已达27.57 GW，其中风电场127座，光伏电站187座。随着新能源装机规模及并网场站数量的快速增长，新能源机端短路比低于1.5 的现象逐步增多，给系统安全稳定运行造成了新的挑战。以宁夏麻黄山第四风电场为例，利用PSASP 程序，分析调整新能源场站发电功率，投退无功补偿装置及加装调相机对新能源多场站机端短路比的影响情况。

3.1 系统描述

麻黄山第四风电场位于宁夏盐池县，该场风电总装机容量247 MW，风电机组机端电压为690 V，经过0.69/35 kV、35/110 kV两级升压至110 kV，后通过一回并网线路接入330 kV 麻黄山汇集站，麻黄山场内接线如图4所示。

图4 麻黄山第四风电场接线

图5为麻黄山第四风电场近区交流网架接线，该场处于宁东地区集中式新能源基地，近区新能源装机容量超过6 GW。

图5 麻黄山第四风电场近区交流网架

近区电网通过一回±660 kV直流、一回±800 kV特高压直流向受端电网输电。由于常规机组距离新能源基地较远，呈现高度电力电子化的特性。在新能源大发工况下（同时率70%），麻黄山第四风电场新能源机端短路比最低为1.056，具体见表1。

表1 新能源大发方式麻黄山第四风电场机端短路比

3.2 新能源发电功率影响验证

由表1可知，节点G1、G2 参数相同，MRSCR一致；节点G3有功功率较小，MRSCR 较大。本小节将以节点G1 为例，分析新能源发电功率对MRSCR的影响。

麻黄山第四风电场G1额定有功功率98.5 MW，考虑宁夏实际风况，风电机组最大发电同时率不超过80%，则实际最大发电功率78.8 MW，最小发电功率为0 MW。调整节点G1 的有功功率，计算节点G1 的MRSCR 及机端短路容量，结果如图6所示。随着风电机组有功功率的增长，MRSCR迅速减小，由1.666 下降至0.996,且随着有功功率的增长，MRSCR变化速度趋缓，与2.1节理论分析结果一致。

图6 节点G1MRSCR随发电功率变化曲线

由式（4）可知，风电机组有功功率除了作为分母直接影响MRSCR 大小外，还通过影响节点实际运行电压Ui及短路容量而间接影响MRSCR值。图6显示，随着有功功率的增大，节点电压下降，机端短路容量逐步降低，且有功功率越大，短路容量降低越快。

3.3 节点运行电压影响验证

图4中麻黄山第四风电场通过单回110 kV线路接入330 kV 麻黄山汇集站2 号主变压器中压侧，其中2 号主变压器低压侧共配置3 台12 Mvar无功补偿电容器，分别为C1、C2、C3。通过投切3组电容器，可以改变风电场实际运行电压，继而影响MRSCR，计算结果如表2所示。

3.4 加装调相机影响验证

根据安装形式调相机可分为两类：集中式调相机指集中布置在特高压直流换流站的大容量调相机，一般配置于换流站交流母线；分布式调相机则指在新能源汇集的场站分散配置的小型调相机，通常配置在新能源汇集站或者场站并网点低压侧。调相机安装位置如图7所示。其中调相机1 安装于新能源35 kV 汇集母线上，调相机2安装于汇集站主变低压侧，两台调相机容量均为50 Mvar。调相机对MRSCR的影响具体见表3。

图7 麻黄山第四风电场分布式调相机安装位置

表3 新能源大发方式安装调相机对短路比的影响

由表3可以看出，分布式调相机投运后，可以显著提升各节点的MRSCR。一方面，加装调相机后，节点短路容量提升，如调相机1 投运后，节点G1 的短路容量由201 MVA 增大至257.6 MVA，节点G2 由201 MVA 增大至217.9 MVA，节点G3 由168 MVA 增大至180.5 MVA；另一方面，调相机的投运改变了系统节点阻抗矩阵，从而影响MRSCR。

此外，可以看出在不同位置处安装调相机时，各节点的MRSCR 提升效果不同，其中加装调相机1 对麻黄山第四风电场各机组MRSCR 影响效果更为显著，且距离调相机安装位置越近，提升效果更为显著。由于调相机1直接安装于节点G1 的35 kV 汇集母线，节点G1 的MRSCR 抬升0.528，节点G2、G3 距离调相机1 位置略远，MRSCR 抬升分别为0.241 和0.298。调相机2 距各节点的距离较远，且位置接近，因而抬升效果较小，在0.151～0.18之间。

文献[16]研究表明，在MRSCR 越小的点接入调相机，对所有新能源节点的短路比增加量就越大，在MRSCR 最低的节点接入调相机对电网电压支撑强度提升效果最好。实际运行中，需要结合网架参数具体分析调相机安装位置，从而通过配置最少的调相机获得最大的电网电压支撑强度的提升。