2024低短路比场景下新能源场站构网跟网变流器容量配比估算报告

浙江大学电气工程学院 COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY 低短路比场景下 新能源场站构网/跟网变流器容量配比估算 辛焕海博士教授 邮箱：xinhh@ziu.edu.cn 主页:http://person.zju.edu.cn/eexinhh 研究方向：新型电力系统稳定 http://ee.zju.edu.cn 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战三、多场站配比估算方法四、配比典型结果与验证五、结论与展望 浙江大学电气工程学院 1.1新能源接入系统存在稳定问题 大力发展新能源是我国实现双碳目标的必要举措，新能源消纳必须有与其容量相匹配的系统强度。国内外发生了多起因系统强度不足导致的电网安全稳定事故，如新疆哈密振荡事故、南澳大停电事故等。系统强度低是制约风光等新能源消纳的核心瓶颈 系统强度低引发的安全稳定事故 接入容量小事件后果 电气距离近，系统强度高新疆哈密切除风电百余次，引发 接入容量大，电气距离远 新疆哈密次同步振荡 大型特高压直流停运风险 2016年南澳洲大停电 K7振荡事故(新能源富集地区与主网失步） 9;46;09:46;109:46:209:46;309:46;409;46;509;47;00 时间 更高占比下将面临青海新能源送出受限 重大社会影响与经济损失 全年弃电超40亿千瓦时 支撑弱系统强度低更严重的事故风险！ （6000万人1个月用电量） 1.2系统强度需求：电网导则要求 导则》、CIGRE、IEC、AEMO以及IEEE等组织均对短路比和系统强度制定技术规范。 送受端系统的直流短路比、多馈入直流短路比以及 12,29.02 民共和国国G家B标准 新能源场站短路比应达到合理的水平电力系统安全稳定导则 ConnectionofwindfarmstoweakACnetworks BSENIEC62934:2021 NERC SYSTEMSTRENGTHIMPACT ASSESSMENTGUIDELINES EEESA WorkingGroup B4.62 IntegratingInverter BasedResourcesinto IEEEStandardforInterconnectionand LowShortCircuitInteroperabilityofInverter-Based StrengthSystemsResources(IBRs)Interconnectingwith AssociatedTransmissionElectric December2017PowerSystems December2016 1.2电网短路比指标：稳定性关键因素 ■电网短路比SCR：电网强度指标，描述电网特性，反映电网对并网设备的电压支撑能力 ■装备临界短路比：设备耐受指标，临界稳定时电网的短路比，装备对弱电网的耐受能力 Z 新能源电网 ？ 系统闭环特征方程与SCR的显函数关系 等价变形 单机系统短路比 以装备容量为基值的导纳标幺值及灵敏度 SCR?+a(s)SCR+b(s)=0 其中, S=@(SCR) SCR 1 Ssc SCR=CSCR SBAU0,L装备临界短路比CSCR：Re(s)=β(SCR)=0 基于短路比的稳定判据SCR>CSCR短路比越小，系统越不稳定 1.2电网短路比指标：稳定性关键因素 系统强度低，装备间及其与交流电网间的耦合强，振荡/过电压方面的稳定风险增加 案例：某地风机接入过多，系统强度下降，并网机组N=390台时振荡（71Hz/29Hz） Fundamontal(60H2):1019,THD=3.98% 仿真并网点 *=197 0.8 2dB-4dB -6dB 电压FFT0.6 0.4-10/gB 0.220/dB Line=1.25 (2H)Asunbo) FFTanaby Fundamental(50H2)68.8,THD-14.99% 0.2 B A 不稳定区域 ImaginaryAxis 0.4 仿真入网稳定区域 0.6 电流FFT 0.8 00.51.522.5 RealAxis 现场电气量基于广义阻抗的失稳分析 6 1.2装备临界短路比指标：稳定性关键因素 装备临界短路比物理意义：单装备/场站所需要的电网最小短路比，跟网型装备对低短 路比电网的耐受能力（电网灵敏度太大，失稳），典型值1.3~2.2，工程上CSCR~1.5 单机并网装备测试 过电压约束小扰动稳定约束潮流解存在性约束 小干扰失稳/ 1.5 （仿真法、实验法）空昔分岔 0.0 新能源.0静态电压稳定/ Z电网转结点分盆 .2 PCC点 .21.92.0 短路比SCR 4 短路比SCR SCR≥1.5SCR≥1.5SCR≥1.0 改变Z一CSCR改进设备控制性能源网协调的约束运行的前提 来保证通过规则来保证网络规划来保证 周璃涵,辛焕海,翰平.基于广义短路比的多馈入系统强度量化原理与方法：回顾、探讨与展望[].中国电机工程学报,2023,43(10):3794-3811. 1.3构网装备的强度提升机理：电压源特性 跟网型电力电子装备：常见风光新能源等电力电子设备，依赖电网电压的锁相环型矢量 控制，无功刚性强，电压✯撑能力较弱 构网型电力电子装备：逐渐兴起，热门的构网型储能、构网型风机、光伏；不依赖电网 主动建立电压，能量来源有限可控、电压源特性、无功随电压变化，✯撑能力较强 外特性近似 锁相环为电流源 I20 PCC电压波动 VabeVsabe 电流控制 1大，威胁设备 构网装备 GFM控制AVR 同步机 外特性近似 电压控制为电压源电压 电压源-内电抗等值 PCC电压波动✯撑 Vze小，镇定电网Leq 虚拟同步控制等值内阻小，电压✯撑 1.3构网装备的强度提升机理：短路比增加 构网容量需求：电压源外特性将短路比提升至理想值所需容量（降低电压对电流灵敏度） 短路比再认识：稳定视角下短路比初心是反映灵敏度（突破短路电流思维：低短路电流电力 电子设备为电网强度提供高✯撑 容量SGFL=1 变压器阻抗XT 未配置构网设备配置构网设备 1 跟网型变流器电网阻抗X SCR. X.+X SCR,= X+X,1/(X,/SGFM) 容量SGFM 提升至SCR所需比例 从灵敏度角度认识短路比内 涵，突破短路电流思维 构网型变流器混连系统1 等值阻抗Xi/SGFMSCR-1SCR, 单机系统估算简单，多场站/多馈入系统接入场景超级复杂 1.3构网装备的缺陷：暂态下容易失稳 潜在优势：构网装备在小扰动下起到电压源作用，对电压✯撑作用强，对振荡抑制有利固有缺陷：构网装备在大扰动下容易同步失稳，电力电子的电流限幅特性加重失稳风险月盈则亏：多构网装备的暂态稳定问题由于相互作用非常复杂，接入设备过多未必有益 构网装备 GFM控制 Vabc 4P 旧的减速面积 1.非饱和虚拟功角曲线 ★电压源特性2.饱和虚拟功角曲线 P 有功功率阶跃 P新的减速面积P 同步机 AVR sabc电流源特性 故障下 P, 能拟功角失稳 a 构网装备虚拟功角曲线虚拟功角失步 10 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战三、多场站配比估算方法四、配比典型结果与验证五、结论与展望 浙江大学电气工程学院 COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY 2.1构网-跟网设备配比问题 配比问题：新能源场站均配备构网装备，满足短路比工程需求的占比及其规律是什么？候选装备：构网储能、构网SVG、构网风机和光伏等，模拟同步机电压源特性的装备 i交流电网无穷大母线1场站均配置构网装备以 风电场1提高系统强度 风电场2无穷大母线 i690V35kV220kV 风电场i风电场j 跟网设备 勾网设备容量690V35kV S风电场总容量构网设备风电场j 12 2.2低压构网装备配置方案 方案1：在220kV母线上额外加装构网装备，如构网型储能和构网型SVG； 方案2：在35kV母线上额外加装构网装备，如构网型储能和构网型SVG； 方案3：风/光机组部分改造为构网控制，如采用风电控制成电压源虚拟机。 +8 !690V35kV220kV690V35kV690V35kV 跟网设备 6+90V35kV 跟网设备 自自 + 690V 跟网设备 690V 构网设备风电场j构网设备风电场j构网设备风电场j 在220kV母线加装构网设备在35kV母线加装构网设备改造部分风机为构网控制 13 2.3配比问题挑战 挑战1：设备-电网间交互作用复杂，跟网设备和构网装备强异构，系统强度难以解析 挑战2：构网-跟网设备配比和系统强度关系难以解析，求解系统稳定裕度的配比困难 耦合加剧 挑战1：系统强度难以解析 ①装备间交互作用复杂，指标难找 ②设备具有强异构性，指标临界值多变 挑战2：配比值和系统强度关系难以解析 ①稳定裕度约束的配比估算问题难求解 强异构基于特殊案例的结果难以指导实践 14 目录 一、研究背景 二、多场站配比问题及挑战三、多场站配比估算方法四、配比典型结果与验证五、结论与展望 浙江大学电气工程学院 COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY 3.1多场站配比估算思路 步骤1：系统强度与短路比的解析。设备特性和电网特性共同决定系统强度，反映稳定性的特征方程由设备和网络传递函数矩阵构成 步骤2：短路比与容量配比的解析。配比影响对地等值阻抗和强度，解析联系找答案 设备侧(区域A)电网侧（区域B）建模 分析 β(s) +)AB) G.(s) S=( -α(s)B(sG 网络传递函数知阵设备传递函数矩阵 ΛB,i(y)=;×SB;×const改变系统强度 构网配比(1，.….，n)构网装备等值导纳矩阵提升系统稳定性 对角矩阵，与配比成比例 16 3.2基于广义短路比的系统强度量化方法 强度量化基础：1）新能源多场站系统可近似分解为多个单馈入子系统；2）基于最容易 失稳的等效子系统，定义出电网厂义短路比gSCR和装备临界短路比：3）计算电网厂 义短路比和装备临界短路比，形成基于广义短路比的量化方法和稳定判据 多场站可解耦规律广义短路比方法系统强度量化方法 江年片区广义短路比（网络和装备容量相关）装备 gSCR(SB,B)=min(S=B) 装备耐受度电网 SCRo计算分离 电网强度 gSCR计算 STEH 模态解耦稳定性等价 =mino(S=1/2BS-=1/2 装备临界短路比（与装备参数相关） 系统强度/稳定裕度量化 最弱子系统 SCR 控制参数 强度/稳定判据 广义短路比SCR2E.‘交流电网 YiBr(s) SCR(Kpr) SCR(Ymr(s) 3.2基于广义短路比的系统强度量化方法 电网广义短路比物理意义：多端口交流电网的电压/电流（或电压/无功）最大灵敏度 反映装备群中心到等效电网中心的电气距离 SgAa(s) AU1,(s) 开环电网侧 物理意义 AU4(s)电压向量综合长度 网步机 gSCR 0max VSsAU++...+SsnAUtl VSs++..+SnA+ AU SmA(s)AUsx(s) 6 AU6w(s) 烫荷电流向量综合长度 多维电压对电流扰动的宽频最大放大倍数 gSCR越大,网络电压/电流灵敏度越小，网络接越强 周璃涵,辛焕海,翰平.基于广义短路比的多馈入系统强度量化原理与方法：回顾、探讨与展望[J].中国电机工程学报,2023,43(10):3794-3811. 18 3.2基于广义短路比的系统强度量化方法 装备临界短路比物理意义：单装备/场站所需要的电网最小短路比，跟网型装备对低短 路比电网的耐受能力（电网灵敏度太大，失稳），典型值1.2～2.5，工程上CSCR~1.5 单机并网装备测试 过电压约束小扰动稳定约束潮流解存在性约束 小干扰失稳/ 1.5 （仿真法、实验法）空昔分岔 0.0 新能源.0静态电压稳定/ Z电网转结点分盆 YY .2 PCC点 .21.92.0