基于短路比约束的受端电网新能源并网出力优化方法研究

张再驰，王 卫，于希娟，周运斌，张文朝

(1.国网北京电力科学研究院，北京 100075；2.国网北京市电力公司调控中心，北京 100031；3.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192；4.华北电力大学(保定），河北 保定 071066）

0 引言

在受端电网中新能源发电占比日益增长，这在一定程度上改变了受端电网的运行特性，对保持当前大规模新能源并网后受端电网的运行可靠性提出更高的要求[1]，[2]。电网短路比通常被看作是衡量电网电压支撑能力强度的重要指标[3]。当大量分散式新能源发电资源并网到受端电网内的不同节点时，会在一定程度上影响受端电网的运行稳定性，尤其是受端电网的电压稳定性和电能质量，从而可能导致受端电网发生运行故障[4]，[5]。这是由于风电、光伏等新能源发电资源并网后，使得受端电网调压能力有所降低，同时由于受端电网受短路比的影响，大规模新能源并网点处容易因受端电网内节点电压波动导致新能源发电资源的脱网。因此，新能源发电资源并网须要考虑受端电网短路比的影响，同时也需要新能源发电资源为受端电网提供一定的电压支撑[6]。

新能源出力、消纳优化的研究须要从当前电力系统源侧、网侧、荷侧的多个环节入手。文献[7]采用自适应约束生成算法，研究了含大容量新能源发电资源接入的电网实时优化调度方法。文献[8]针对故障情况下新能源机组的运行振荡问题，分析了电网新能源机组承载强度的影响因素，提出了一种考虑振荡稳定约束的电网新能源并网承载强度优化方法。文献[9]针对送端电网直流通道故障下的新能源机组暂态过电压问题，提出了一种考虑送端电网短路比约束的新能源送出功率优化方法。文献[10]，[11]主要针对含大容量、高比例新能源发电机组接入的电力系统，通过分析新能源发电机组出力波动对电网内交流、直流子系统运行稳定性的影响因素，提出了一种能够提高电网接纳新能源容量裕度和并网强度的优化方法。文献[12]针对新能源发电基地送出能力受限和送出通道的电压稳定性问题，详细分析了影响新能源发电基地送出能力的约束因素，并剖析了新能源送出通道低电压产生原因，提出了一种基于分布式调相机的新能源发电基地送出能力优化提升方法。

国内外部分学者研究了短路比对电网系统运行特性的影响。文献[13]基于新能源并网系统的结构，对新能源出力特性、负荷波动水平进行了分析，并对影响新能源消纳水平的主要因素进行了详细研究。文献[14]通过分析低短路比电网内风电机组并网控制稳定性的影响因素，提出了一种考虑风电机组网侧变流器与转子侧变流器协同的低短路比风电机组并网控制方法，降低了风电机组并网对低短路比电网运行稳定性的影响。文献[15]通过建立交直流系统的短路比计算模型，分析了交直流系统中直流线路数量增加时系统短路比的变化规律，并对影响交直流系统短路比的因素进行了深入研究。文献[16]通过建立高压直流输电系统小干扰模型，并采用灵敏度分析法，分析了系统内交流子系统短路比变化对整个直流输电系统运行稳定性的影响。以上文献均未考虑系统短路比对新能源出力与消纳能力的影响，基于短路比约束的新能源出力优化、消纳措施的研究较少。

本文通过计算短路容量，推导出不同运行方式下并网点处的短路比计算模型；以短路比为约束条件，研究提升新能源消纳能力的方法，优化受端电网新能源出力。针对我国华北某地区电力系统进行分析，验证本文所提基于短路比约束的受端电网新能源出力优化的有效性。

1 分布式新能源接入受端电网稳定性分析

新能源发电机组通过换流系统汇集后集中接入受端电网，新能源发电机组出力具有随机性、波动性的特点，会对受端电网并网点处的运行稳定性产生影响：一是受端电网并网点处的暂态电压响应能力较弱；二是当受端电网并网点处出现短时扰动或故障时，新能源发电机组自身对扰动、故障的抵抗能力较弱，容易引起受端电网并网点处扰动或故障危害程度进一步扩大。

图1为新能源发电机组接入受端电网的等效结构。新能源发电机组以风电、光伏电源为代表，受端电网则通过简化等效为等值大电源。

图1 网络等效Fig.1 Grid equivalence

图1中 ：SNew，1，SNew，2，SNew，n分 别 为 新 能 源 发 电机组向受端交流系统输出的视在功率；PNew，1和QNew，2，PNew，2和QNew，2，PNew，n和QNew，n分 别 为 新 能 源发电机组向受端交流系统输出的有功、无功；n为受端电网中新能源发电机组并网点数量；ZNew，11∠θNew，11，ZNew，22∠θNew，22，ZNew，nn∠θNew，nn分 别 为 各 并 网点处受端交流电网侧折算的等值阻抗大小和相角 ；ZNew，12∠θNew，12，ZNew，2n∠θNew，2n，ZNew，1n∠θNew，1n分 别为受端交流电网各并网点与新能源发电机组间联络线折算的等值阻抗大小和相角；U.New，1，U.New，2，U.New，n分别为新能源发电机组各并网点处母线的电压。

不考虑受端电网内火电机组的影响，仅分析分布式新能源发电机组接入受端交流系统后，对受端交流系统运行稳定性的影响。当新能源发电机组稳定运行时，新能源发电机组内的换流系统须要消耗一定的无功功率：

由于换流系统处无功补偿装置无功削减具有一定的时延，当新能源发电机组出力波动或者换流系统出现故障时，可能使得换流系统大量无功流向受端交流系统，引起并网点处暂态电压升高。

由式(1），(2）可以看出，分布式新能源发电机组接入受端电网后，可能引起的暂态电压变化与系统短路容量、新能源发电机组向受端交流系统输出的有功大小有紧密的关系，可以通过引入相关约束条件，优化新能源发电机组的出力，维持受端电网并网点处暂态电压稳定，进而改善新能源发电机组接入后系统的稳定性。

2 新能源并网短路比模型

新能源并网短路比可以用来分析、研究受端电网对新能源的消纳能力以及受端电网稳定性的变化特性[17]。因此，首先推导计算新能源发电机组接入受端电网的短路比，然后考虑短路比约束，对受端电网中新能源发电机组出力进行优化。

以图1为例，受端电网并网点i处母线的电压可以按照下式进行计算：

根据新能源并网短路比的基本物理含义，结合式(3），可得新能源发电机组接入受端电网后，第i个受端系统并网点处的短路比为

式中：SCRNew，i为第i个受端交流系统并网点处的短路比；U.NR，i为第i个受端交流系统并网点处的母线标称电压值；I.New，i为新能源发电机组向受端交流系统提供的短路电流大小。

将式(7）进一步变形推导，可得：

由式(8）可以看出，考虑多个新能源发电机组间的影响，新能源并网短路比SCRNew，i与新能源发电机组输出功率有紧密的关系，通过优化新能源发电机组的出力，增大新能源并网短路比SCRNew，i，可以使受端电网并网点处的暂态电压稳定性能更高。

3 考虑短路比约束的受端电网新能源出力优化模型

优化受端电网的新能源出力，可以表述为求解合适的新能源发电机组出力，使得受端电网并网点处电压稳定性高，且满足新能源并网短路比约束条件。因此，优化目标函数可以表示为受端电网新能源弃电成本、火电机组运行成本最小。

式中：fNew为受端电网新能源出力的优化目标；Cq为新能源弃电单位成本；ΔPNew，i为受端电网新能源 的 弃 电 量，可 按 式(11）进 行 计 算；fj(PG，j）为 受 端电网内火电机组运行成本，可按式(12）进行计算；m为受端电网内火电机组数量。

在优化受端电网新能源的出力时，须要考虑以下约束条件。

①新能源发电机组出力约束

②换流系统约束条件

式中：δd，i为换 流系 统的换 流功 率因 数；分别为换流系统换流功率因数的最小值、最大值；QC，i为换流系统处无功补偿装置的无功补偿容量；分别为换流系统处无功补偿容量的最小值、最大值。

③新能源并网短路比约束

式中：SCRNew，ref为新能源发电机组接入受端电网后的短路比最低值。

④受端电网火电机组运行约束

式中：QG，j为受端电网火电机组输出的无功；分别为受端电网火电机组输出的有功的最小值、最大值；分别为受端电网火电机组输出的无功的最小值、最大值；分别为受端电网火电机组爬坡限制的上、下限。

本文通过多次迭代的方法求解考虑短路比约束的受端电网新能源出力优化模型。

首先设定受端电网中新能源机组向受端电网传输的有功、无功为一个较小的初始值，同时设定火电机组的有功、无功输出为一较大的初始值，然后逐步迭代增加新能源机组输出的有功、无功，减小火电机组输出的有功、无功，并同时计算该过程中新能源并网短路比SCRNew，i的值，判断是否满足约束条件，直至该地区受端电网达到最低的短路比；若在求解过程中，不满足短路比约束时，可以先尝试迭代增加新能源机组输出的有功、无功，不改变火电出力，并判断新能源并网短路比SCRNew，i是否满足约束条件，比较此时方案的运行成本，最终求解得到受端电网新能源发电机组出力的最优方案。具体求解流程如图2所示。

图2 模型求解Fig.2 Model solution

4 算例分析

为验证本文建立的基于短路比约束的受端电网新能源出力优化方法，搭建如图3所示的受端电网网架结构模型进行仿真分析。其中，G1，G2，G3，G4为接入受端电网中的新能源发电机组，G5，G6为接入受端电网中的原有火电机组，部分仿真参数采用标准的IEEE算例参数，其他具体的受端电网边界条件参数如表1所示。

表1 受端系统主要边界条件Table 1 Main boundary conditions of the receiving power grid

图3 受端系统的电网结构Fig.3 Power grid structure of the receiving power grid

本文设定受端电网的短路容量为500 MV•A，设定临界新能源并网短路比为2，受电压支撑能力的限制，新能源发电机组出力并网的最大容量为290 MW。基于上述参数，对考虑新能源并网短路比约束下的受端电网并网点暂态电压稳定性进行分析研究，并分析受端电网对新能源发电机组出力的接纳情况。

首先，在图3的受端电网模型中，分别设定母线节点3、节点4处发生短路故障，且1 s后受端电网切除短路故障，受端系统对应的母线节点电压曲线如图4所示。从图4可以看出，在未考虑新能源并网短路比约束的情况下，母线节点3处发生短路时电压波动较大，电压在1 s时开始跌落，1.5 s跌至最低；母线节点4处发生短路时电压波动也较大，在1.3 s时电压跌至最低值。考虑新能源并网短路比约束时，发生系统短路后电压波动较小。这表明考虑新能源并网短路比约束对受端电网新能源出力进行优化，可以很好地抑制受端电网并网点处暂态电压波动。

图4 受端电网母线节点电压曲线Fig.4Voltage curve of the bus node in the receiving power grid

受端电网部分参数发生变化时，受端电网对新能源发电机组出力的接纳能力也发生变化，如表2所示。由表2可以看出，受端电网用电量的提升、火电机组出力的减少，都可以增加受端电网对新能源发电机组出力的接纳能力。

表2 参数变化时受端电网新能源接纳能力计算Table 2 Calculation of new energy acceptance capacity of the receiver power grid when parameters change

受端电网新能源发电机组出力的并网规模与新能源并网短路比变化趋势的仿真结果如图5所示。由图5可知，前5 s时受端电网处于稳定状态，随着新能源发电机组并网出力的不断增加，并网点电压逐渐降低，15 s时，受端电网中新能源发电机组并网出力达到最大值，即290 MW后，受端电网电压逐渐失去稳定。通过对新能源并网短路比的合理设置，并考虑新能源并网短路比约束条件，可有效提高受端系统的新能源发电接纳水平，优化受端电网新能源并网出力，同时有助于提升受端电网强度和受端电网新能源并网点处的电压稳定性，同时能够抑制故障过程中受端电网的暂态电压波动。

图5 新能源发电机组并网对受端电网稳定性影响Fig.5 Impact of new energy generation unit grid-connected on the stability of the receiving power grid

5 结束语

本文研究分析了受端电网内分布式新能源发电机组接入后受端电网并网点处的电压稳定性，并采用短路比指标评估方法，建立了受端电网新能源并网短路比模型，在此基础上，考虑新能源并网短路比等其他约束，建立了受端电网新能源并网出力优化模型。最后，通过仿真分析验证了本文所提出的基于短路比约束的受端电网新能源并网出力优化方法的有效性。

通过理论、仿真分析，验证了在考虑短路比约束的受端电网优化过程中，提升新能源发电机组并网出力，保证受端电网的短路比满足最低要求，能够提高受端电网的强度，保持受端电网并网点的暂态电压稳定，尽可能提高受端电网的新能源接纳能力。