新能源并网点阻抗比对临界短路比的影响分析.pdf
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1、15第 52 卷2024 年 1 月Vol.52 No.1Feb.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER新能源并网点阻抗比对临界短路比的影响分析李胜男1,何鑫1,张丹2,邓灿1(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南 昆明 650217;2.云南电力调度控制中心,云南 昆明 650011)摘要:短路比目前是衡量交直流系统电压支撑强度的有效指标,但是短路比在一定基值选取的前提下,是一个只由系统的等值阻抗的模值表示的参数,由实际系统的方程可知,交直流电力系统的稳定性不仅仅与戴维南等值阻抗的模值有关,与阻抗相角也息息相关,分析临界短路比与阻抗比的关系对指导新能源接入工程
2、有重要意义,本文研究了阻抗比与最大输送功率和交流系统参数的关系,推导了临界短路比与阻抗比的关系,对工程中以阻抗比作为辅助判据,判断电网强度提供了指导。关键词:短路比;临界短路比;新能源并网;最大功率传输Analysis of the Influence of Impedance Ratio on Critical Short Circuit Ratio of New Energy Grid Connection PointsLi Shengnan1,He Xin1,Zhang Dan2,Deng Can1(1.Electric Power Institute of Yunnan Power G
3、rid Co.,Ltd,Kunming,Yunnan,650217,China 2.Yunnan Electrical Power Dispatching and Control Center,Kunming,Yunnan,650011,China)Abstract:Short circuit ratio is currently an effective indicator for measuring the voltage support strength of AC/DC systems.However,under the premise of selecting a certain b
4、ase value,the short circuit ratio is a parameter expressed only by the modulus of the systems equivalent impedance.From the equations of actual systems,it can be seen that the stability of AC/DC power systems is not only related to the modulus of Thevenins equivalent impedance,but also closely relat
5、ed to the impedance phase angle,Analyzingtherelationshipbetweencriticalshortcircuitratioandimpedanceratioisofgreatsignificanceforguidingnewenergy access engineering.This paper studies the relationship between impedance ratio,maximum transmission power,and AC system parameters,derives the relationshi
6、p between critical short circuit ratio and impedance ratio,and provides guidance for using impedance ratio as an auxiliary criterion to judge the strength of the power grid in engineering.Key words:Short circuit ratio;Critical short-circuit ratio;New energy grid connection;Maximum power transmission
7、中图分类号:TM74文献标识码:B文章编号:1006-7345(2024)01-0015-060前言近年来我国随着新型电力系统的建设,新能源发电占总发电量的比例日益增高。根据国家能源局的统计数据,2023 年底我国以风电和光伏为代表的新能源装机容量已突破 10 亿千瓦。当前,大规模新能源发电、柔性直流输电等电力电子设备接入系统存在规模受限、暂态过电压、控制失稳等问题,其严重程度与系统的电压支撑强度密切相关。短路比(Short Circuit Ratio,SCR)是目前最常用的系统电压支撑强度衡量指标1,可衡量换流器接入规模与交流侧短路容量的相对大小,能够简单直观地反映系统的相对强弱。临界短路比
8、(Critical Short Circuit Ratio,CSCR)为系统临界稳定时的SCR,表示系统 SCR 稳定运行时的下限值1,SCR 与 CSCR 的差值越大,代表系统的电压稳定裕度越大。文献 2 提出新能源和直流并网系统的电压支撑强度,分别取 2 和 3 作为系统强弱的分界值。文献 3 使用临界值为 2 的改进多馈入有效短路比来衡量含静止同步补偿器系统的电压支撑强度。目前,国家强制性标准 GB38755-2019电力系统安全稳定导则明确 云南电网科技项目(YNKJXM20220037)16云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期要求新能源场站短路比应达到合理水平4-6,文献
9、7-8 利用电压灵敏度方法,求得新能源CSCR 的值为。文献 9 通过新能源多场站接入系统模型推导和仿真,得到多场站临界短路比的稳定性指标为 2.02.5。文献 10-11 定义了场站相关短路比临界值为 1。但无论是哪种CSCR 的定义方法,其临界状态均为静态电压稳定极限,当传输功率小于 P-V 曲线“鼻尖点”处传输功率极限即可说明系统电压支撑强度良好。因此文献 12 提出当 SCR 大于 2 时系统较强,反之则系统较弱,这是由不同传输功率下取得的 CSCR 最大值再额外保留一定裕度得到的。但现有研究中各种方法构建的新能源并网CSCR 基本都是综合表征,忽略了实际并网点等值阻抗角度的影响。首先
10、,多新能源场站接入系统实际运行中,新能源场站需要提供无功功率用以补偿新能源场站内集电线、站外送出线路的部分无功损耗7;其次,云南风光资源分散,大量新能源需通过 110 kV 线路或 35 kV 外送,线路电阻分量较大,当一个片区多个新能源场站集中并网上送时,各场站并网点母线节点间阻抗角及初始相位角均可能存在较大差异。忽略了系统等值阻抗电阻部分影响及各场站之间电压相角相同的假设,无法反映新能源发电设备的无功输出、新能源场站内不同节点之间各电气量幅值、相位差的区别。为此,本文在短路比和阻抗比计算的基础上,以一个简单的算例演示了阻抗比对稳定的影响,直观地给出了这种简单系统的定量分析结果,推导给出阻抗
11、比与最大传输功率的关系、与交流系统参数的关系,最后给出临界短路比和阻抗比的关系,量化阻抗比对临界短路比的影响。1短路比与阻抗比计算1.1短路比和阻抗比的定义短路比目前是衡量交直流系统电压支撑强度的有效指标,电力系统网络某点的短路容量等于该点三相短路电流与额定电压的乘积,是系统强度的标志。电力电子设备接入后的电压支撑强度可以通过交流系统短路容量与设备额定容量的比值大小,即短路比(short circuit ratio,SCR)进行衡量:acNSCRSP=(1)式中:Sac为交流系统短路容量,单位为MVA;PN为该节点的设备容量,单位为 MW。式中,PN可以看做这个节点的最大功率。在开路电压(即等
12、值内电势)为 1.0 p.u.的前提下,短路比可以表示为acNN1SCR=NSPP Z=(2)进而,若选取标幺基准功率为换流器额定功率 PN,即 PN为 1.0 p.u.,短路比可以写为:1SCRNZ=(3)由上式可知,短路比在一定基值选取的前提下,是一个只由系统等值阻抗的模值表示的参数。但由实际系统的方程可知,一个交直流系统的稳定性不仅仅与戴维南等值阻抗的模值有关,与阻抗相角也息息相关。评估电压支撑强度时主要考虑阻抗幅值的影响,针对大规模新能源并网系统送、受端距离较远或新能源接入低电压等级电网的情形,电阻影响较大,电压支撑强度的量化评估需综合考虑阻抗幅值与相角的影响。为此需要引入阻抗比的定义
13、:阻抗比(impedance ratio,IR)为交流系统戴维南等值电抗与戴维南等值电阻之间的比值,描述了系统阻抗角。阻抗比指标以及其与阻抗角之间的关系为:IR=X/R()=arctan(X/R)()式中:X 为系统戴维南等值电抗;R 为戴维南等值电组;为系统戴维南等值阻抗角。高压系统中,元件电阻通常小于其电抗,分析时可忽略电阻的影响。但是新能源通常经 35 kV 或110 kV 线路接入系统,此时电阻相对电抗已经不可忽略,部分 35 kV 电压等级的线路电阻甚至大于电抗,阻抗比较小,忽略电阻将增大分析误差。1.2阻抗比对稳定影响的简单算例推导为了说明这个情况,这里采用一个很简单的算例。例如图
14、 1 所示的系统:17新能源并网点阻抗比对临界短路比的影响分析第 52 卷2024 年第 1 期 图1简单电力输电网络假设在该算例中,发电机采用经典模型,负荷采用恒阻抗模型。潮流计算中,节点 1 设定为电压相位参考节点,发电机内节点电势保持恒定。它所采用的方程描述如下:对同步发电机:(6)网络方程这里不消去任何节点,最直观的表示如下:11112122122232332333IYYUIYYYUIYYU=(7)发电机方程:11d*e1 1jRe()EUI XPU I=+=()负荷方程:*222222L2L2*2333 33L3L3j(j)j(j)PQU IIRXPQU IIRX+=+=+()算例说
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