新能源机组的电网强度适应性及暂态响应特性测试方案

2022-11-14刘浩芳朱艺颖吴娅妮张晓丽

电力系统自动化 2022年21期

刘浩芳，朱艺颖，刘琳，吴娅妮，张晓丽

（电网安全与节能国家重点实验室（中国电力科学研究院有限公司），北京市 100192）

0 引言

近年来，为应对全球气候变暖，新能源得到大力发展。2019 年，全球风电、光伏等新能源发电装机容量达到了1 437 GW［1］，中国新能源装机容量达到了414 GW［2］。随着新能源装机容量比例逐步增长及其他电力电子设备在电力系统的应用日益广泛，电力系统的“双高”（高比例新能源、高比例电力电子设备）特征逐步显现，并引发了新的稳定问题［3-7］。

随着以新能源为主体的新型电力系统快速发展，新能源占比不断增加。新能源机组对系统强度的适应性及其暂态响应特性对所接入电网的稳定特性有显著影响。为规范新能源并网后的稳态及暂态特性，减小新能源接入电网后产生的不利影响，已发布的相关入网及测试标准［8-13］规定新能源机组并网前需通过功率特性检测、低电压穿越能力检测、电压和频率适应性检测及电能质量检测等，并对检测系统及检测方法进行了规范。然而，目前已有标准中尚未见关于新能源机组对于所接入系统强度的适应性及其暂态响应特性的测试规定，而实际电力系统中新能源接入的电力系统强度各不相同，有些甚至很弱，响应特性也差异较大。因此，新能源机组对电网强度的适应性及其暂态响应特性测试是不可忽视的技术环节。

当车辆处于运行状态时，在线缆的固定点附近，线缆会受到因车辆运动而造成的额外拉应力和压应力。这两种应力的大小和方向随着车辆的运动而时刻变化。因此,线缆固定点附近的线缆也会因此而发生形变，这对线缆的疲劳寿命影响很大。

已有学者对电力电子设备对电网强度的适应性进行了研究。文献［14］明确规定新能源场站短路比应达到合理水平；文献［15］给出了电力电子设备多馈入系统的广义短路比及临界广义短路比的定义，并指出分析风机、光伏等新能源并网时的临界广义短路比指标，对电网的规划与运行具有重要意义。文献［16］提出了新能源多场站短路比的定义及其计算方法，并指出在单机新能源设备电网侧接入点短路比为1.1～1.8 时，会出现临界不稳定现象。事实上，新能源机组能否并网稳定运行，不仅与电网强度等电网因素有关，也与新能源设备的特性有关［17］，即新能源机组对于所接入电网的强度应具备一定的适应性。澳大利亚在2017 年发布的推荐标准要求光伏电站需要适配短路比为3 的弱电网环境（对应逆变器机端短路比为1.5）；西班牙某电网运营商修改后的光伏入网标准要求光伏电站的最低标准为适应短路比大于5（满足实际应用的逆变器短路比能力需要在1.5 附近），国内有产品可满足要求［18］。国内新能源对电网强度的适应性及其暂态响应特性测试相关标准正在制定过程中。

目前，新能源的电网适应性测试均未包含电网强度适应性测试，且暂态特性测试均未考虑新能源在不同电网强度下的差异化响应，主要通过调节新能源机端电压从额定值阶跃至指定值，从而完成相关测试，而不是完整模拟实际系统故障过程。

本文基于电磁暂态仿真方法，提出新能源的电网强度适应性及暂态响应特性测试方案，其测试结果可较为准确地量化表征新能源机组对电网强度的适应性，及在各种故障情况下的功率及电压暂态特性。本文可为新能源的电网强度适应性测试及量化表征提供参考，从而为后续制定新能源机组建模及入网等相关标准提供新的思路和方法。

3）在测试系统中模拟故障，若故障清除后，新能源机组能够恢复稳态，则可继续增大电压源内阻抗值，同时调节电压源幅值，使得机端电压为0.98～1.02 p.u.，重复以上操作，直至找到能够使新能源机组在故障后恢复的临界内阻抗值；反之，若故障后新能源机组出力不能恢复，则减小电压源内阻抗值，并调节机端电压为0.98～1.02 p.u.，模拟电力系统故障，监测新能源机组故障后是否能恢复到原稳态，重复以上操作，直至找到新能源机组能够恢复的临界内阻抗值。能够使得新能源机组在故障后恢复至原稳态的最大系统阻抗值所对应的短路比即为此情况下新能源机组接入电力系统的极限短路比。在此步骤中，所模拟的故障包括前面所设置的4 种故障，不同故障时所测极限短路比可能有所不同。此时，为确保新能源接入系统后的系统稳定性，选择其中的最大极限短路比作为新能源机组的极限短路比。

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1 新能源机组的电网强度适应性测试方案

5）极限短路比可以按如下方法计算得到。临界内阻抗值对应的等效导纳为：

关于新能源机组的性能测试，建立实际的新能源机组测试场站可对新能源机组进行并网测试，其优势是测试条件比较接近于该实际电网，测试结果能够反映机组接入实际电网的稳态及暂态特性，然而，实际测试场站不仅建设成本高，占地较多，而且会受到试验场站所接入电网的实际运行情况的限制［19］。而建立符合测试要求的仿真测试系统则可使测试更加便捷且易于实现。

由于新能源机组含电力电子元件，为了能对其进行全面的暂态、稳态电网强度适应性测试，测试系统应采用电磁暂态仿真软件实现。该测试系统应能够构建新能源机组的详细电磁暂态模型，方便地接入新能源机组控制器的数字封装模型，而且能够设置系统强弱、系统阻抗角等参数。若希望测试系统能够测试新能源机组的实际控制保护装置的性能，则该测试系统还应具备实时仿真能力，并配备充足的数模混合仿真接口。

1.1 测试系统

本文所提出的新能源机组电磁暂态仿真测试系统如图1 所示。

图1 新能源机组测试系统Fig.1 Test system for renewable generation unit

图1 中的35 kV 电压源和RL 串联支路表征新能源机组经升压变压器连接的外部电网，改变电压源电压幅值可调节电网的电压高低，而改变其内阻抗值可调节电网的强弱，通过设置电阻R、电感L的数值比例可改变内阻抗的阻抗角。本测试系统主要针对目前箱变高压侧为35 kV 的新能源机组，对于箱变高压侧为其他电压等级的情况，则应相应选择其他电压等级的电压源。

2）监测新能源的并网点电压、机端电压、有功功率及无功功率等波形，然后调节电压源电压幅值，使得新能源机组机端电压为0.98～1.02 p.u.，此时新能源机组有功出力设为额定值，无功出力设为0。在测试系统中设置4 种金属性故障，包括三相短路、相间、相间接地及单相接地故障，故障持续时间模拟电力系统各电压等级实际故障清除时间，可设为

式中：φ为系统阻抗角。根据电网实际运行情况，通常可取X/R=10，也可按测试要求（如指定系统阻抗角）计算其电阻及电抗值。

（2）不同系统阻抗角时的暂态响应特性曲线。在以上测试系统中，35 kV 系统短路电流为5 kA、故障电阻为10 Ω 时，分别取35 kV 电压源内阻抗的阻抗角为84.3°和0°时该光伏机组的有功、无功及机端电压曲线如图5 所示。

1.2 新能源机组的极限短路比测试

当系统阻抗角为某一给定值，且新能源机组机端电压为额定值，有功、无功出力为给定值时，能够使新能源机组在金属性故障后恢复至原稳态的最小短路比，该短路比为该新能源机组在该情况下接入系统的极限短路比。极限短路比用以表征新能源机组在给定条件下能够成功并网运行的最弱系统状态。新能源机组的极限短路比通常还与其有功、无功出力有关。

2)当市场需求减小(NH(q)

因此，测试极限短路比时，可按要求设定测试条件，如果是针对新能源机组做全面测试，则可取系统阻抗角分别为0、45°及84.3°（对应于X/R=10 的情况）进行测试，其有功出力为额定值，无功出力设定值为0。测试结果示例如表1 所示。

表1 新能源机组极限短路比Table 1 Minimum short-circuit ratio of renewable energy unit

新能源机组接入系统的极限短路比测试流程如图2 所示。

图2 新能源机组的极限短路比测试流程图Fig.2 Flow chart of minimum short-circuit ratio test for renewable energy unit

1）首先调整测试系统中电压源的内阻抗值，开始可选择较强系统，即短路电流较大时的电压源内阻抗（此时内阻抗较小），以确保新能源机组能够正常启动。

如测试条件给出的是额定电压为UN、短路电流为IK的系统，则可由式（1）计算出电压源的内阻抗Z。

100 ms。

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需要说明的是，为提高测试效率，调节系统阻抗时可采用变步长。为方便起见，可以35 kV 系统的短路电流大小作为确定系统阻抗的依据，例如：对于额定容量为2 MW 以下的新能源机组，开始时可选择35 kV 系统短路电流为10 kA，如果能够使得新能源机组故障后恢复原稳定运行状态，短路电流可依次选为5、1、0.5、0.1、0.05、0.04、0.03、0.02、0.01 kA等，直至确定其临界内阻抗值。

4）由于本测试系统中各元件均为集中参数元件，因此其戴维南等效阻抗值Zeq可计算得到。也可通过如下测试方法得到：在新能源机组机端处将新能源机组模型移除，接一大电阻（如1 MΩ），模拟机端开路，此时测得的大电阻上的电压即为开路电压，将大电阻移除，并将此处接地，则此处的接地电流即为短路电流，开路电压与短路电流之比即为戴维南等效阻抗的阻抗值Zeq。

对于电网而言，新能源机组等电力电子设备接入后，接入点的短路比通常用于反映该点的电网强度。对于新能源机组而言，其对于电网强度也有一定要求，即对于电网强度具备一定的适应性。在新能源机组接入电网后，能够使得电网维持静态电压稳定及小干扰稳定运行的临界短路比，称为该新能源机组的极限短路比。新能源机组的极限短路比是描述新能源机组对电网强度适应性的重要参数，极限短路比越小，其对于弱电网的强度适应性越好，反之，则其对于弱电网的强度适应性较弱。因此，新能源机组对电网强度的稳态适应性的测试即为极限短路比的测试。

短路比为系统短路容量与新能源机组额定容量的比值，即为：

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式中：SN为新能源机组额定容量；UN为新能源机组额定电压。

根据电网运行实际需求，新能源机组有功出力设定值可能从0.1～1 p.u.变化。测试结果表明，新能源机组接入电网的极限短路比随有功出力的增大而增大。因此，当系统短路比大于新能源机组额定有功出力情况下的极限短路比时，则该电网强度可满足新能源机组出力低于额定值时的其他运行状态的系统强度要求。

2 新能源机组暂态响应特性测试方案

2.1 暂态响应特性的影响因素

当新能源接入系统的并网点短路比大于极限短路比时，新能源机组故障后能够恢复稳态，而其故障后的暂态响应特性与测试系统强度、系统阻抗角及故障电阻有关。若测试对象（新能源机组）的控制策略及参数一定，则调节测试系统强度（系统阻抗值）、系统阻抗角及故障电阻，可测试不同系统条件时的新能源暂态响应。以下简单分析3 个因素对新能源暂态响应特性的影响。

对于图1 所示测试系统，将35 kV 电压源和等效电阻、等效电抗及变压器原边绕组电抗均折合至新能源机端电压等级，则其等效电路如图3 所示。

图3 测试系统等效电路示意图Fig.3 Schematic equivalent circuit of test system

图3 中：usrc、Rs和Ls分别为35 kV 系统的等效电压源电压、等效电阻和电感（均为折合至新能源机端电压等级后的值，下同）；Rg为故障接地电阻（三相分别接地的电阻，区别于三相短路点的共同接地电阻）；L1和L2为变压器绕组等效漏抗；Lm为变压器励磁电抗，可近似认为其为无穷大，即该支路开路，im≈0，则新能源机端电流in=i2；un为新能源机组机端电压。

（4）在某确定的运行状态下，新能源机组故障后的暂态响应特性参数测试结果。在以上测试系统中，35 kV系统短路电流为20 kA，且X/R=10 时，4 种故障情况下，故障电阻为1 Ω 时该光伏机组的暂态响应特性参数如表2 所示。

1）系统阻抗值的影响

对于同一新能源机组，当电压源电压、故障过渡电阻及电压源内阻抗的阻抗角相同时，仅改变35 kV电压源的内阻抗值以模拟不同系统强度，故障清除后，接入较强系统的新能源机组比接入较弱系统的机组的机端电压及有功、无功功率恢复时间要短。这主要是由于较强的系统，即35 kV 等效内阻抗幅值较小的系统，故障期间电压跌落比弱系统（35 kV等效内阻抗幅值较大）要小，从而使得故障时机端电压及有功跌落幅度均较小。

2）系统阻抗角的影响

测试新能源机组暂态特性时，若其他条件均相同，35 kV 电压源内阻抗的阻抗值也相同，仅阻抗角不同，若发生三相接地故障，当故障过渡电阻较小时，由于新能源侧电流in与系统侧电流i1相比，幅值很小，故障期间故障点电压稳态值UF1可近似表示为：

综上，新能源机组故障期间的暂态响应特性不仅与自身的控制策略及参数有关，也与测试系统的强度（系统阻抗的阻抗值）、系统阻抗角及故障电阻均有关。因此，当测试某台新能源机组接入系统后的故障恢复特性时，应在指定条件下测试，测试结果应标明测试时的系统阻抗角、系统短路比（或系统阻抗的阻抗值）及故障过渡电阻。

此外，若进行不同新能源机组的特性对比测试，则可将新能源机组通过调整其倍乘系数，使得所有被测试的新能源机组容量、有功设定值、无功设定值均相同，同时设置35 kV 电压源的内阻抗的阻抗值、阻抗角及接地电阻均相同。测试时，应调整35 kV电压源的电压，使得新能源机组的机端电压均为额定值，从而确保新能源机组在相同的测试条件下进行测试。

地音监测中有各种异常信息，其中最重要的2个指标表现为地音现象的突然加剧或突然沉寂，这两个异常往往与能量的不稳定性释放密切相关，预示的危险性的显著变化。地音异常系数这一指标可以衡量地音活动性的异常程度，包括频次异常系数ka和能量系数ke，其计算公式为

2.2 暂态响应特性的测试与描述

新能源机组暂态响应特性测试系统如图1 所示。为了能够较为全面地量化描述新能源机组的暂态响应特性，除给出新能源机组的故障及其恢复特性曲线外，可详细记录相关测量参数。由于其暂态响应特性不仅与其自身控制模式及参数有关，还与系统强度、系统阻抗角、故障过渡电阻及故障类型有关，其暂态响应特性及测量参数表格均须注明新能源的控制模式及测试条件。

3 测试实例

本文采用电磁暂态仿真软件Hypersim 按图1搭建测试系统，所测试的新能源机组为某电气有限公司的光伏发电单元机组，其一次系统模型如附录A 图A1 所示。该光伏发电单机模型包括光伏阵列、逆变器及控制部分等，其中最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）功能在光伏阵列部分实现，而逆变器控制部分则实现并网控制。逆变器一次电路为开关函数模型，逆变器的控制器为厂家提供的数字封装模型，其输出为调制波，通过仿真软件自带的脉冲发生器产生控制脉冲送到逆变器，从而实现并网控制。仿真所用光伏一次系统及逆变器控制器主要参数如附录A 表A1 所示，升压变压器参数如附录A 表A2 所示，被测试时该光伏的控制模式为定有功功率和定无功功率模式。

1）电网强度适应性测试结果

根据1.2 节所述方法，测得该光伏机组在附录A表A1 所示参数情况下，定有功功率和定无功功率控制模式下，且有功出力为额定值、无功出力为0 时的极限短路比，如表1 所示。

考虑跨区联络线交易计划的多区域互联系统分散调度方法//曾方迪,李更丰,别朝红,程海花,郑亚先,耿建//(16):32

2）暂态响应特性测试结果

（1）不同电网强度时的暂态响应特性曲线。将测试系统的电压源内阻抗的阻抗角设为84.3°（X/R=10），35 kV 电压源短路电流分别为20 kA 和5 kA 时，调节电压源的电压值，使得该光伏机组的机端电压为额定值，设F1点在0.5～0.6 s 发生三相接地故障，故障过渡电阻为1 Ω，则各曲线如图4 所示。图中uab和Uab分别为该光伏机组机端线电压的瞬时值及有效值。由图4 可知，当故障过渡电阻为1 Ω时，对于较强系统，其电压跌落较小，有功功率及电压均恢复较快；而对于较弱的系统，则电压跌落较严重，有功功率及电压均恢复较慢。

由此可见，虽然部分生长因子已应用于创面修复中，但它们之间的相互作用的生物学效应和机制尚不清楚，若能研究透彻，则在治疗创面时，众多生长因子可望实现优势互补。

图4 不同电网强度时的有功、无功及机端电压波形Fig.4 Waveforms of active power, reactive power and terminal voltage with different power grid strength

此仿真测试系统中，一次设备均采用数字仿真模型，其参数应与实际系统相同；新能源机组的控制器可为厂家提供的数字封装模型或实际控制保护装置。

图5 不同系统阻抗角时的有功、无功及机端电压波形Fig.5 Waveforms of active power, reactive power and terminal voltage with different system impedance angles

（3）不同故障过渡电阻时的暂态响应特性曲线。在以上测试系统中，35 kV 系统短路电流为20 kA、X/R=10 时，故障电阻分别为1 Ω、2 Ω 时该光伏机组的有功、无功及机端电压曲线如图6 所示。由图6可知，当故障电阻较大时，故障后新能源机端电压跌落较少，因而比故障电阻较小时恢复更快。

脑卒中急性期感觉障碍发生率为65%[1]，表现为偏瘫侧皮肤浅感觉和关节运动觉、位置觉等本体感觉的减退、缺失等，其中本体感觉障碍对患者的运动功能影响较大。目前临床上对偏瘫患者多重视运动障碍的康复治疗，对感觉障碍康复重视不足。笔者观察到部分脑卒中偏瘫患者由于感觉障碍的存在而严重影响患者的肢体功能，进一步影响患者的步行能力和日常生活活动能力的恢复。本研究旨在探讨经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)结合感觉功能训练对脑卒中感觉障碍患者肢体功能和日常生活活动能力的影响，报道如下。