基于短路容量裕度的电网运行状态评估方法研究

洪雯，林涛，陈宝平

(武汉大学 电气工程学院，武汉430072)

0 引 言

随着煤炭、石油和天然气等一次性能源的日益枯竭，电力系统对新能源发电如光伏、风力发电的需求越来越大。但是由于清洁能源并网运行存在一系列问题，给电网安全运行带来了巨大的挑战[1-2]。因此，清洁能源并网后的运行状态的评估，具有广阔的研究前景。目前，许多专家学者已经对电网运行状态[3-4]的研究方法进行了深入的研究[5-10]。文献[5-7]采用连续潮流法来求解负荷节点的临界运行点，虽克服了雅克比矩阵在临界点的病态问题，但可能出现因参数的选择不当而遇到的数值病态解，并且很难确保潮流计算结果一定收敛；文献[8-10]从能量函数法的角度出发，分析扰动后制约系统暂态稳定性的最薄弱的支路和割集，辨识扰动后电网中仍然可能的故障环节，但是并未考虑的扰动前的电网运行状态。

针对清洁能源接入电网的运行状态评估问题，本文基于负荷节点的运行参数，运用短路容量理论，提出了负荷节点运行状态的评价方法及指标，继而通过对比求得的节点指标探讨不同类型的电源对电网运行状态的影响。此外，本文在IEEE-30节点系统中进行了仿真并将仿真结果与连续潮流法的负荷节点裕度指标计算结果进行了比对，验证该方法的有效性。本文所述的运行状态评估方法考虑了有清洁能源接入的情况，完善了电网运行状态的评估体系；且计算方法简单，物理概念清晰，为电网规划和调度运行提供决策支持，具有在线应用前景。

1 基于短路容量裕度的负荷节点运行状态评价方法

短路容量是节点电压强度的标志，反映该节点的电压稳定性及带负荷的能力。当负荷节点i接入一新电源时，面向负荷节点i的戴维南等值电路如图1所示。

图1 负荷节点的戴维南等值电路

根据定义，图1中负荷节点i的所需的短路容量：

(1)

定义节点i处的系统侧可提供的短路容量：

(2)

(3)

系统和电源可提供的总短路容量为：

(4)

通过比较负荷节点i的所需的短路容量与负荷节点实际所需短路容量的大小，即可识别负荷节点的运行状态，定义负荷节点的运行状态指标ωri为：

(5)

2 短路容量的计算

本章介绍了接入电源提供的短路容量的计算方法。该计算方法中，所有节点均为PQ节点，且没有考虑电源内部具体接线和变压器的影响。

2.1 负荷节电运行状态评价方法

运用两点法思想，通过求解电路方程推导出戴维南参数的解析式，直接算出戴维南参数。按照一定的迁移规律，只改变被观察负荷节点处的有功功率和无功功率大小，严格保持电网其他节点的功率以及系统的运行方式、拓扑结构不变，则可得到被观察负荷节点处的运行领域点。

通过计算潮流和实时监测等方法，可获得负荷节点i处初始运行点与领域点的节点电压和负荷电流数据，运行点及其邻域点的节点电压和电流分别以V0∠φv0、I0∠φl0和V1∠φv1、I1∠φl1来表示。

假定运行点到领域点戴维南参数保持不变，根据电路原理：

(6)

经推导可得待测节点戴维南网络的四个参数，即戴维南等值阻抗模ZT、戴维南等值阻抗角φΤ、戴维南等值电势阻抗角ψT和戴维南等值电势ET的解析式。其中：

(7)

(8)

最后根据式(2)求得系统提供的短路容量。

2.2 接入电源提供的短路容量的计算方法

2.2.1 同步发电机的提供短路容量的计算方法

选取同步电机模型作为电源模型时，其参数下所示。发电机戴维南等值电势模值：

(9)

发电机等值阻抗：

ZG=jxq

(10)

(11)

2.2.2 DFIG风电场提供短路容量计算方法

在DFIG风力发电机定子磁场不变且只考虑基波时，DFIG的3阶简化动力学模型为：

(12)

理想情况下，DFIG风力发电机的简化等效电路如图2所示。

图2 风电机组等值电路

(13)

3 算例验证与分析

3.1 算例验证

为了验证本文所述运行状态评估方法的有效性，将IEEE-30节点系统进行改造，将DFIG风电场接入负荷节点8。另外，将接有电源的负荷节点2、5、8设为PQ节点，测试算例接线如图3所示。

图3 IEEE-30节点测试算例的系统接线图

3.2 算法简介

(1)建立电网中负荷节点的运行状态评价方法，提出其运行状态指标；

(2)利用短路容量理论中式(1)～式(5)求解负荷节点的运行状态指标，并依据指标值判断节点的脆弱程度；

2.2.2 年龄;老人和儿童对药品反应与成年人不同,因为老年人和儿童对药品的代谢和排泄慢,容易出现不良反应;婴幼儿的身体没有成熟,对有些药品比较敏感也易发生不良反应。

(3)采用连续潮流法行仿真。并将本文所述传统指标的仿真结果与该方法计算出来的裕度指标进行对比，验证该方法的有效性和可行性；

(4)依据步骤(2)、步骤(3)，基于仿真结果所得的指标，探究同步发电机和风电分别接入电网后运行状态的变化。

3.3 负荷节点的运行状态分析

3.3.1 基于短路容量裕度的运行状态评估

基于1.1节中基于短路容量裕度的运行状态指标对IEEE-30系统中21个负荷节点进行运行状态评估，并从大到小排序，选取前13名的排序结果如表1所示。

由表1数值可见，节点2的状态指标为0.044 60，要远小于其他节点，故其负荷节点的短路容量裕度较大，运行状态在13个节点中最好。

节点26的状态指标是0.097 40，排在所有节点第一位，意味着其负荷节点的短路容量裕度小，运行状态最脆弱。

表1 前13名负荷节点运行状态指标结果排序

3.3.2 仿真验证

为了验证本文所述方法在实际算例电网中的实用性和有效性，使用电力系统综合程序PSASP对IEEE-30节点系统接入电源后进行仿真分析：设置全网负荷节点以0.01 +j0.01(标幺值)为步长逐渐增大节点负荷功率一直至保持节点稳定运行的极限点，基于连续潮流法计算分析负荷节点电压变化情况，所得P-V曲线如图4所示。

图4 IEEE-30节点的PV曲线

(17)

通过计算，得到基于连续潮流法的负荷节点裕度指标排序如表2所示。

表2 负荷节点裕度指标排序的前13名

其中节点2的裕度指标为0.119 26，相对较小，因此运行状态较好，而节点26的裕度指标为0.258 67，指标数值最大，运行状态最差。将表1和表2的所得的指标数据进行对比，由表3可知，两个表格的指标排序结果基本一致，证明了本文所述方法的准确性。

表3 前13名结果对比

基于连续潮流法的负荷节点裕度指标计算方法，虽克服了雅克比矩阵在临界点的病态问题，但仍有可能存在发散问题，且计算量大；而本文所述的方法计算简单，准确性高，不会存在软件上无法计算等问题，而且在离线的状态下也可以进行计算，具有在线评估的应用前景。

4 结束语

本文提出了一种基于短路容量裕度的负荷节点的运行状态评估方法及指标，并研究了同步机和DFIG风力发电机分别接入负荷节点时对电网运行状态的影响，完善了运行状态评价指标体系。最后基于IEEE-30母线系统中的仿真结果验证该方法的有效性和优越性，仿真结果表明：

(1)基于短路容量裕度的运行状态评估方法物理概念清晰，计算方法简单，可以准确有效的反映节点的运行状态;

(2)通过与基于连续潮流法的评估方法的仿真结果进行对比，验证了所提指标的有效性。但连续潮流计算方法因需保证潮流方程在临界点处的收敛性，计算复杂，存在的局限性；而本文所述运行状态评估方法既可满足运行状态指标评估的精确性，又可兼顾实际评估的快速性需求。