CN113852120A - 一种新能源发电最大并网容量的确定方法及系统 - Google Patents

一种新能源发电最大并网容量的确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新能源发电最大并网容量的确定方法及系统，包括：获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元参数及各新能源场站接入容量的初始条件；基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。本发明基于静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法确定的新能源最大并网容量，可有效提高新能源并网系统运行的稳定性，还可准确指导高比例新能源并网系统的容量规划。

Description

一种新能源发电最大并网容量的确定方法及系统
技术领域
本发明涉及新能源发电并网系统分析领域，具体涉及一种新能源发电最大并网容量的确定方法及系统。
背景技术
在现有的发展趋势下，针对实际电网系统，通过研究表明新能源发电功率流过大的并网阻抗(感性为主)产生大的电压降落，可能导致电压失稳；在电力系统的电压稳定性分析中，静态电压稳定一般被看作电力系统的“稳态生存能力”问题，即系统“平衡点”的存在性问题。静态(潮流)分析可以有效地确定系统的“稳定极限”，即将系统的潮流极限作为静态电压稳定的临界点。但在新能源发电并网系统的静态电压稳定分析中，一般忽略新能源发电的控制和动态过程，将其建模为恒定功率源。通过不断增大新能源输出功率，得出达到系统潮流极限条件时的新能源输出功率，即认为是在静态电压稳定约束下的新能源发电最大并网容量，忽略了新能源发电的宽频带控制与电网特性之间相互作用下可能引发的包括特定运行点上的宽频带振荡现象的动态稳定性的问题。
发明内容
针对现有技术中考虑静态电压稳定确定的新能源最大并网容量容易产生的动态稳定性问题，本发明提供一种新能源最大并网容量的确定方法，包括：
获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元参数及各新能源场站接入容量的初始条件；
基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。
优选的，所述基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量，包括：
S1基于各新能源场站的应用需求，从所述发电单元的功率因数范围中确定多个功率因数；
S2将所述接入容量的初始条件作为接入容量的条件；
S3基于每个功率因数为当前新能源场站增加设定数量的发电单元；
S4基于所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件得到当前发电单元数量下的接入容量的条件及各发电单元的输出工况信息；
S5利用静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法确定是否终止迭代，当终止迭代时，将上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下所述新能源场站的最大并网容量；否则，将当前发电单元数量下的接入容量的条件作为接入容量的条件返回S3。
优选的，所述利用静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法确定是否终止迭代，包括：
利用静态电压分析方法确定当前功率因数取值下新能源并网系统的静态电压是否稳定：
若所述静态电压不稳定，则终止迭代；
否则，利用宽频带动态稳定性分析方法确定新能源并网系统是否满足宽频带动态稳定性：若所述新能源并网系统不满足宽频带动态稳定性，则终止迭代；否则继续迭代。
优选的，所述利用宽频带动态稳定性分析方法分析新能源并网系统是否满足宽频带动态稳定性，包括：
基于新能源并网系统的结构和参数、新能源发电的阻抗和导纳模型，以新能源并网系统的端口节点数量作为矩阵的维度，以对角线元素为所述节点的自导纳，以非主对角线元素为所述节点的互导纳构建新能源并网系统的频域导纳矩阵；
利用新能源并网系统的频域导纳矩阵的非零根作为新能源并网系统的振荡模式，若所述非零根的实部小于零，则所述新能源并网系统满足宽频带动态稳定性，否则，所述新能源并网系统不满足宽频带动态稳定性；
其中，所述新能源发电的阻抗和导纳模型基于新能源并网系统发电的运行工况信息，利用各发电单元的并联阻抗和导纳构建；
所述新能源并网系统发电的运行工况信息有新能源并网系统在静态电压稳定情况下运行工况的潮流数据，利用所有接入的发电单元的端口节点电压和输出电流相量确定。
优选的，所述各新能源场站的最大并网容量，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000031
式中，
Figure BDA0003229827170000032
为第i个新能源场站的最大并网容量，
Figure BDA0003229827170000033
为在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量，PU为发电单元的容量。
优选的，所述在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量
Figure BDA0003229827170000034
按下式计算：
Figure BDA0003229827170000035
式中，
Figure BDA0003229827170000036
为第i个新能源场站初始接入发电单元的数量，ΔNU,REi为第i个新能源场站每次迭代增加发电单元的设定数量，t为当前迭代次数。
优选的，所述静态电压分析方法，包括：潮流极限分析方法、V-Q灵敏度分析方法或Q-V模态分析方法。
优选的，在基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量后还包括：
根据在各功率因数取值下各新能源场站的最大并网容量对应的新能源并网系统的参数，利用等效多馈入短路比计算方法计算在各功率因数取值下各新能源场站接入新能源并网系统的等效多馈入短路比；
利用各功率因数取值下各新能源场站的等效多馈入短路比对在各功率因数下各新能源场站的接入容量为最大接入容量时新能源并网系统的强度进行评估。
优选的，所述基于各新能源场站，从所述新能源场站中设定的功率因数范围中确定多个功率因数，包括：
根据各新能源场站发电单元的功率因数控制能力或新能源场站的使用需求，在所述新能源场站中设定的功率因数范围内为各新能源场站设置多个不同或相同的功率因数取值。
基于同一发明构思，本发明提供一种新能源发电最大并网容量的确定系统，包括：
获取模块，用于获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元装置参数及各新能源场站接入容量的条件；
最大并网容量确定模块，用于基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。
优选的，所述最大并网容量确定模块，包括：
功率因数确定子模块，用于基于各新能源场站接入发电单元参数中的功率因数范围为所述新能源场站设定多个功率因数；
迭代计算子模块，用于基于每个功率因数为当前新能源场站增加设定数量的发电单元，并基于所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件得到当前发电单元数量下的接入容量的条件及各发电单元的输出工况信息；
容量计算子模块，用于利用静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法确定是否终止迭代，当终止迭代时，将上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下所述新能源场站的最大并网容量；否则将当前发电单元数量下的接入容量的条件作为接入容量的条件，根据迭代计算子模块继续迭代。
优选的，所述容量计算子模块，包括：
静态电压稳定性分析单元，用于利用静态电压分析方法确定当前功率因数取值下新能源并网系统的静态电压是否稳定：若所述静态电压不稳定，则终止迭代；
宽频带动态稳定性分析单元，用于利用宽频带动态稳定性分析方法确定新能源并网系统是否满足宽频带动态稳定性：若所述新能源并网系统不满足宽频带动态稳定性，则终止迭代；否则继续迭代。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种新能源发电最大并网容量的确定方法及系统，包括：获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元参数及各新能源场站接入容量的初始条件；基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。本发明基于静态电压稳定性和宽频带动态稳定性确定的新能源最大并网容量，可有效提高新能源并网系统运行的稳定性，还可准确指导高比例新能源并网系统的容量规划。
附图说明
图1为本发明一种新能源发电最大并网容量的确定方法的示意图；
图2为本发明实施例中典型多新能源场站并网系统结构图；
图3为本发明实施例中单个新能源发电并网系统示意图；
图4为本发明实施例中等效小信号电路模型示意图；
图5为本发明实施例中新能源发电并网系统小信号传递函数模型示意图；
图6为本发明实施例中新能源并网系统阻抗网络模型结构图；
图7为本发明一种新能源发电最大并网容量的确定系统的结构图；
图8为本发明实施例中两新能源场站并网系统结构图。
具体实施方式
实施例1
针对现有技术中存在的通过考虑静态电压稳定确定新能源发电最大并网容量导致新能源并网系统运行的稳定性较低的问题，本发明提供一种新能源最大并网容量的确定方法，如图1所示，包括：
步骤1，获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元装置参数及各新能源场站接入容量的条件；
步骤2，基于为各新能源场站设定的功率因数范围和新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。
在步骤1中，获取新能源并网系统的结构和参数，包括：新能源并网系统的拓扑结构、电压等级；构成新能源并网系统的交流线路、变压器的技术参数；以及等值无穷大电源内电势和等值阻抗在内的等值电网的技术参数；
其中，新能源并网系统中还包括并联电抗器。
获取各个新能源场站接入的发电单元装置参数，包括：接入的发电单元单体容量，额定电压；接入的光伏逆变器的交流滤波电感、交流滤波电容、直流母线电容及锁相环、电流环、直流母线电压环；接入的风电机组的感应电机或直驱电机的定、转子漏抗、交流滤波电感、交流滤波电容，直流母线电容及锁相环、电流环、直流母线电压环；
在本实施例中，将各新能源场站内接入的发电单元设置为相同类型。若某个新能源场站内接入不同类型的发电单元，也可建模为不同的场站；其中，默认为各新能源场站内的发电单元是相同类型的，如果具有类型不相同的发电单元，可以建模为不同的新能源场站，例如：场站A具有两种类型的发电单元，则可以建模为场站A1和场站A2。
获取各个新能源场站接入容量的初始条件，包括，各个新能源场站初始接入的发电单元数量，初始接入的额定容量，升压变压器容量，无功补偿容量等；
其中，无功补偿容量即为无功补偿装置的容量。
在本实施例中，采用的新能源场站内部结构如图2所示的典型的多新能源发电并网系统为例；该典型的多新能源发电并网系统中含有NRE个新能源场站，经升压变压器和输电线路汇集至公共接入点，然后升压接入大电网，“#”表示系统内的节点编号，多新能源场站的新能源并网系统共NGrid＝(3×NRE+2)个节点；将场站1内部汇集线路和升压变压器等值为两级升压变压器，发电单元(1、2…NU,RE1)在0.4kV或0.69kV的低压侧汇集经升压变压器T1和T2两级升压接入110kV或220kV或330kV的并网点；无功补偿装置接入10/35kV中压侧；新能源场站的升压变压器容量和无功补偿装置容量的选取一般与新能源发电容量有关。因此，设置升压变压器容量为新能源发电容量的1.0倍，无功补偿装置的容量为新能源发电容量的20％；同时还可根据实际情况和经验确定新能源场站内部结构的详细程度，以及升压变压器容量和无功补偿容量；
各新能源场站升压变压器容量，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000061
式中，
Figure BDA0003229827170000062
为第i个新能源场站初始接入的额定容量，
Figure BDA0003229827170000063
为第i个新能源场站第一级升压变压器容量；
其中，所述第i个新能源场站初始接入的额定容量
Figure BDA0003229827170000071
按下式计算：
Figure BDA0003229827170000072
式中，PU,REi第i个新能源场站接入的发电单元单体容量，
Figure BDA0003229827170000073
为第i个新能源场站初始接入的发电单元数量；
各新能源场站初始接入的无功补偿容量，按下式确定：
Figure BDA0003229827170000074
式中，
Figure BDA0003229827170000075
为第i个新能源场站初始接入的无功补偿容量。
本质上新能源并网系统在上述初始条件下，系统静态电压稳定性和宽频带动态稳定性均满足；若在初始条件下新能源并网系统不满足系统静态电压稳定和宽频带动态稳定，说明初始条件的新能源容量等参数设置不合理，应为新能源并网系统重设初始条件。
在步骤2中，基于为各新能源场站设定的功率因数范围和新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。
基于各新能源场站，从新能源场站中设定的功率因数范围中确定多个功率因数；其中，多个功率因数是根据各新能源场站发电单元的功率因数控制能力或新能源场站的使用需求，在新能源场站中设定的功率因数范围内为各新能源场站设置多个不同或相同的功率因数取值；即单个新能源场站对应的是一个功率因数范围，可以根据业务需求为每个新能源场站在该范围内设定多个功率因数，各新能源场站之间可以设置相同的功率因数，也可以设置不同的功率因数。
在本实施例中，设置所有新能源发电单元的有功输出为满功率，在目前的风电机组、光伏逆变器等新能源发电装置均具备+0.95(超前)～－0.95(滞后)的功率因数控制能力下，将功率因数的取值范围设置为：{1+0.99-0.99+0.98-0.98+0.97-0.97+0.96-0.96+0.95,-0.95}。
根据功率因数取值范围，采用迭代方法在各功率因数取值下按设定的数量为各新能源场站迭代增加发电单元；
基于新能源并网系统的结构及参数和初始接入容量条件确定在每次迭代后各个新能源场站接入容量的条件各发电单元的输出工况信息；
其中，每次迭代后各个新能源张展的接入容量条件包括：各新能源场站在每次迭代后接入的发电单元的总数量、总额定容量、升压变压器容量及无功补偿容量；
各新能源场站迭代后接入的发电单元的总数量，按下式确定：
Figure BDA0003229827170000081
式中，NU,REi为第i个新能源场站在第t次迭代后接入的发电单元的总数量，
Figure BDA0003229827170000082
为第i个新能源场站初始接入发电单元的数量，ΔNU,REi为第i个新能源场站每次迭代增加发电单元的设定数量，t为当前迭代次数；
各新能源场站迭代后的总额定容量，按下式确定：
PN,REi＝NU,REi·PU,REi (5)
式中，PN,REi为第i个新能源场站在第t次迭代后的总额定容量，PU,REi为第i个新能源场站接入的发电单元的单体容量；
按照设定的升压变压器容量为新能源场站发电容量的1.0倍，无功补偿容量为新能源场站发电容量的20％分别代入到升压变压器容量计算式及无功补偿容量计算式中，得到新能源场站的总升压变压器容量及无功补偿容量；
升压变压器容量计算式，如下式所示：
ST1,REi＝ST2,REi＝1.0×PN,REi (6)
式中，ST1,REi为第i个新能源场站的第一级升压变压器容量，ST2,REi第i个新能源场站的第二级升压变压器容量；
无功补偿容量计算式，如下式所示：
SQC,REi＝0.2×PN,REi (7)
式中，SQC,REi为第i个新能源场站的无功补偿装置容量。
根据新能源场站内各个发电单元的有功功率和无功功率输出相等原则，利用当前接入发电单元数量下各新能源场站接入容量条件中的总额定容量作为各新能源场站内各发电单元的有功功率，并利用无功功率计算式计算得到各发电单元的无功功率输出工况；
各发电单元的有功功率，按下式确定：
pREi＝PN,REi (8)
式中，pREi为第i个新能源场站内各发电单元的有功功率；
各发电单元的无功功率，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000091
式中，qREi为第i个新能源场站内各发电单元的无功功率。
静态电压稳定性分析：
基于新能源并网系统的结构和参数、新能源场站接入容量的条件、新能源场站发电功率输出工况，及新能源并网系统内其它元件运行工况等信息，先利用静态电压稳定性分析方法对新能源并网系统的静态电压稳定性进行分析；
在本实施例中，可采用的静态电压稳定性分析方法包括：
潮流极限分析，通过建立新能源并网系统的潮流计算模型，利用牛顿-拉夫逊等方法求解新能源并网系统潮流，若潮流收敛，则系统静态电压稳定，反之，则不稳定；
V-Q灵敏度分析，通过建立新能源并网系统功率、电压线性化方程，计算新能源并网系统的V-Q雅可比矩阵，矩阵对角线元素即表示各节点的V-Q灵敏度，灵敏度为正，则系统静态电压稳定，反之，则不稳定；
Q-V模态分析方法及其他可对新能源并网系统进行静态电压稳定性分析的分析方法。
利用上述列举的静态电压分析方法确定当前功率因数取值下新能源并网系统的静态电压是否稳定；若所述静态电压不稳定，则终止迭代；并计算上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下所述新能源场站的最大并网容量；
若新能源并网系统在经过静态电压稳定性分析后的结果为静态电压稳定，那么继续利用宽频带动态稳定性分析方法对新能源并网系统进行分析。
宽频带动态稳定性分析：
采用的频域阻抗方法对新能源并网系统的宽频带动态稳定性进行分析；
在现有技术中，由于风电、光伏等新能源发电一般通过电力电子变流器实现并网，变流器的锁相环、电流环、电压环等多回路控制的带宽范围从数Hz到数百Hz，由此带来了新能源发电与电网之间的宽频带交互作用，在特定运行工况点上可能引发不稳定问题，表现为宽频带振荡。
阻抗方法的基本思路是将新能源发电装置的宽频带动态特性描述为以端口小信号电压扰动和电流响应为输入输出的频域传递函数模型，定义为装置的小信号频域阻抗(或导纳)模型；
小信号频域阻抗模型，如下式所示：
Figure BDA0003229827170000101
式中，
Figure BDA0003229827170000102
为节点端口小信号电压扰动(或响应)，
Figure BDA0003229827170000103
为节点端口小信号电流响应(或扰动)，Zp(s)为装置的小信号频域阻抗模型，s为复变量；
Figure BDA0003229827170000104
式中，Yp(s)为装置的小信号频域的导纳模型。
作为一种小信号模型，新能源发电装置的阻抗与其稳态运行工况有关，即在不同稳态运行工况下，推导或测量得到的阻抗或导纳不同，可以表示为
Figure BDA0003229827170000105
或
Figure BDA0003229827170000106
其中，
Figure BDA0003229827170000107
表示新能源发电装置端口的稳态电压相量，
Figure BDA0003229827170000108
为新能源发电输出的稳态电流相量，
Figure BDA0003229827170000109
和
Figure BDA00032298271700001010
即表示了该新能源发电装置的稳态运行工况。
基于阻抗模型，可以将新能源发电并网系统建模为由新能源发电装置阻抗和电网阻抗组成的等效电路模型，如图3所示，电网阻抗Zg(s)通常由变压器、输电线路以及其它并网装置的阻抗构成。
由图4所示的等效小信号电路模型，可以将系统的小信号模型描述为以电网阻抗与装置阻抗之比Zg(s)/Zp(s)为开环增益的单输入单输出闭环系统，如图5所示。因此，系统的稳定性可由经典控制理论中的奈奎斯特判据进行判定。此外，系统的稳定性可通过等效电路模型的谐振分析进行判定。
对于一个阻抗电路(或网络)，其频域导纳矩阵行列式的非零根一定是系统的特征值，从而可通过系统特征值在复平面的分布判定系统稳定性。对于实际电力系统，新能源发电通常从多个并网点接入系统，因此，基于阻抗网络频域导纳矩阵的稳定性分析方法更易于实际系统的分析应用。
基于新能源并网系统稳定运行工况的潮流数据获取各新能源场站发电单元的端口节点电压和输出电流相量，形成新能源并网系统内所有新能源场站中的发电单元及接入节点的运行工况信息，如下式所示：
Figure BDA0003229827170000111
式中，ORE为新能源并网系统内所有新能源场站中的发电单元及接入节点的运行工况信息，
Figure BDA0003229827170000112
为第i新能源场站内发电单元接入节点的电压相量，
Figure BDA0003229827170000113
为第i个新能源场站内的发电单元输出的总电流相量。
基于各新能源场站内发电单元参数及电路参数，代入新能源并网系统内所有新能源场站中的发电单元及接入节点的运行工况信息ORE后得到新能源并网系统的阻抗或导纳模型；
新能源并网系统的阻抗模型，如下式所示：
Figure BDA0003229827170000114
式中，ZRE(s,ORE)为新能源并网系统的阻抗模型，
Figure BDA0003229827170000115
为第i个新能源场站内所有发电单元的并联阻抗；
新能源并网系统的导纳模型，如下式所示：
Figure BDA0003229827170000116
式中，YRE(s,ORE)为系能源并网系统的导纳模型，
Figure BDA0003229827170000117
第i个新能源场站内所有发电单元的导纳。
基于电网结构和参数，以及获取的新能源发电阻抗和导纳模型，建立新能源并网系统的阻抗网络模型，如图6所示。
根据新能源并网系统的阻抗网络模型建立新能源并网系统的频域导纳矩阵YN(s)，系统节点数为NGrid，YN(s)为NGrid×NGrid维矩阵；YN(s)的结构和构建是利用对角线元素为节点的自导纳，非主对角线元素为节点之间的互导纳构建的。
求解系统频域导纳矩阵行列式的非零根，即求解非零根，如下式所示：
det[YN(s)]＝0 (15)
式中，YN(s)为新能源并网系统的频域导纳矩阵；
由式(15)计算得到的所有非零根即为新能源系统的振荡模式，则新能源并网系统的振荡模式如下式所示：
Figure BDA0003229827170000121
式中，ss为新能源并网系统的振荡模式的集合，Ns为新能源并网系统振荡模式的数量；
若对于任意一个振荡模式si＝σi+jωi，i＝1,2,…,Ns，均有σi＜0，则系统宽频带动态稳定，反之，则不稳定；其中，σi为振荡模式的实部，jωi为振荡模式的虚部。
根据上述过程对新能源并网系统进行宽频带动态稳定性分析后，若系统稳定，则继续基于每个功率因数为当前新能源场站迭代增加设定数量的发电单元并进行后续分析；若系统不稳定，则直接将上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下新能源场站的最大并网容量；
新能源并网系统在静态电压不稳定和静态电压稳定但宽频带动态不稳定下将上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下新能源场站的最大并网容量；
各新能源场站的最大并网容量，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000122
式中，
Figure BDA0003229827170000123
为第i个新能源场站的最大并网容量，
Figure BDA0003229827170000124
为在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量，PU为发电单元的容量；
其中，在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量
Figure BDA0003229827170000125
按下式计算：
Figure BDA0003229827170000126
式中，
Figure BDA0003229827170000127
为第i个新能源场站初始接入发电单元的数量，ΔNU,REi为第i个新能源场站每次迭代增加发电单元的设定数量。
针对现有技术中存在的新能源规划和运行一般仅考虑静态电压稳定来确定新能源最大并网容量和短路比的问题，本发明提出的一种新能源发电最大并网容量的确定方法可以通过给定的实际系统的网架结构及参数，确定在满足上述静态电压稳定和宽频带动态稳定两种稳定下新能源发电能够满功率运行的最大接入容量。
实施例2
基于本发明一种新能源最大并网容量的确定方法，本发明还包括根据在各功率因数取值下各新能源场站的最大并网容量对应的新能源并网系统的结构参数，利用等效多馈入短路比计算方法计算在各功率因数取值下各新能源场站接入新能源并网系统的等效多馈入短路比；
利用各功率因数取值下各新能源场站的等效多馈入短路比对在各功率因数下各新能源场站的接入容量为最大接入容量时新能源并网系统的强度进行评估。
在本实施例中，电力系统中短路比的概念来源于静态电压稳定分析，用于评估恒定电压源通过输电线路等元件对负荷的供应能力。短路比在用新能源并网领域的应用主要体现在用于评估新能源接入交流电网的强弱；
通常情况下，新能源场站的短路比，按下式确定：
Figure BDA0003229827170000131
式中，SCRRE为新能源场站的短路比，SSC为新能源发电并网点的短路容量，PN,RE为新能源发电的额定容量；
设并网点额定电压为VN，则新能源场站的短路比还可按下式计算：
Figure BDA0003229827170000132
式中，ZN,RE为新能源发电的额定阻抗，ZGrid为新能源并网点与系统无穷大电源之间的电网等效阻抗，Zpu,Grid为以新能源额定阻抗为基准值的电网等效阻抗的标幺值。
因此，短路比越小，表示电网等效阻抗相对新能源发电额定阻抗越大，新能源接入点的电网强度相对越弱。研究表明，短路比越小，电网强度弱，是新能源并网多种稳定性问题产生的重要原因。
对于新能源发电多点接入的实际电力系统，将传统针对多馈入直流系统的多馈入等效短路比概念应用到新能源并网领域，则新能源发电的等效短路比按下式计算：
Figure BDA0003229827170000141
式中，ESCRRE,i为接入节点i的新能源发电的等效短路比，SSC,i为节点i的短路容量，PRE,i为接入节点i的新能源发电容量，PRE,j为接入节点j的新能源发电容量，zji为节点j对节点i的互阻抗，zii为节点i的自阻抗，m为系统节点数量；
其中，若节点k无新能源发电接入，则PRE,k＝0。若节点i接入的新能源发电容量PRE,i增大，则其等效短路比ESCRRE,i减小，同时，也通过互阻抗系数使得其它节点j＝1,…,m,j≠i接入的新能源发电等效短路比ESCRRE,j降低。
利用上述新能源发电的并网强度的评估方法接入容量为最大容量下的新能源并网系统；可以选择计算新能源发电单元并网点的短路容量，用于计算新能源发电单元机端短路比，也可以选择计算新能源发电场站并网点的短路容量，用于计算新能源发电场站短路比；两种短路比计算过程没有差别。
如图2所示，接入新能源并网系统的发电单元的节点，如下式所示：
wRE＝[3,6,...,(3×NRE)]
式中，wRE为接入新能源并网系统的各新能源场站中发电单元的节点集合，NRE为发电单元的数量；
根据上接入新能源并网系统的发电单元的所有节点wRE，计算在各个节点的三相短路电流，再根据该节点的额定电压确定短路容量；
新能源并网系统中发电单元接入节点的短路容量，按下式确定：
Figure BDA0003229827170000142
式中，SCRE为新能源并网系统中所有新能源场站的发电单元接入节点的短路容量的集合，
Figure BDA0003229827170000151
为第NRE个新能源场站的发电单元接入节点的短路容量；
根据式(12)和式(13)确定的节点和短路容量确定新能源并网系统中各新能源场站的发电单元接入节点的等效多馈入短路比；
新能源并网系统中各新能源场站的发电单元接入节点的等效多馈入短路比，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000152
式中，
Figure BDA0003229827170000153
为第i个新能源场站的发电单元接入节点的等效多馈入短路比，SCRE,i为第i个新能源场站的发电单元接入节点的短路容量，ZN(wREj,wREi)为第i个新能源场站与第j个新能源场站的发电单元接入节点间的互阻抗，ZN(wREi,wREi)为第i个新能源场站发电单元接入节点间的自阻抗，
Figure BDA0003229827170000154
为第j个新能源场站的最大并网容量；
因此，多馈入等效短路比通过引入不同节点之间的互阻抗，来描述系统内多个新能源发电之间的相互影响，具有作为评估电网对新能源接纳能力指标的可行性，可更准确的分析各个新能源发电的并网强度。
实施例3
基于同一发明构思，本发明还提供一种新能源发电最大并网容量及短路比确定方法及系统，如图7所示，包括：
获取模块，用于获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元装置参数及各新能源场站接入容量的条件；
最大并网容量确定模块，用于基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，确定各新能源场站的最大并网容量。
获取模块，包括：系统的结构和参数获取子模块、发电单元装置参数获取子模块和新能源场站接入容量的初始条件获取子模块；
系统的结构和参数获取子模块，用于获取网络的拓扑结构、电压等级、交流线路、变压器、并联电抗器、等值无穷大电源内电势和等值阻抗；
发电单元装置参数获取子模块，用于获取接入的发电单元单体容量，额定电压；接入的光伏逆变器的交流滤波电感、交流滤波电容、直流母线电容及锁相环、电流环、直流母线电压环；接入的风电机组的感应电机或直驱电机的定、转子漏抗、交流滤波电感、交流滤波电容，直流母线电容及锁相环、电流环、直流母线电压环；
新能源场站接入容量的初始条件获取子模块，用于获取各个新能源场站初始接入的发电单元数量，初始接入的额定容量以及设置升压变压器容量及无功补偿容量；
各新能源场站升压变压器容量，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000161
式中，
Figure BDA0003229827170000162
为第i个新能源场站初始接入的额定容量，
Figure BDA0003229827170000163
为第i个新能源场站第一级升压变压器容量；
其中，所述第i个新能源场站初始接入的额定容量
Figure BDA0003229827170000164
按下式计算：
Figure BDA0003229827170000165
式中，PU,REi第i个新能源场站接入的发电单元单体容量，
Figure BDA0003229827170000166
为第i个新能源场站初始接入的发电单元的数量；
各新能源场站初始接入的无功补偿容量，按下式确定：
Figure BDA0003229827170000167
式中，
Figure BDA0003229827170000168
为第i个新能源场站初始接入的无功补偿容量。
最大并网容量确定模块，包括：功率因数确定子模块、迭代计算子模块和容量计算子模块。
功率因数确定子模块，用于基于各新能源场站接入发电单元参数中的功率因数范围为所述新能源场站设定多个功率因数；
迭代计算子模块，用于基于每个功率因数为当前新能源场站增加设定数量的发电单元，并基于所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件得到当前发电单元数量下的接入容量的条件及各发电单元的输出工况信息；
各新能源场站迭代后接入的发电单元的总数量，按下式确定：
Figure BDA0003229827170000171
式中，NU,REi为第i个新能源场站在第t次迭代后接入的发电单元的总数量，
Figure BDA0003229827170000172
为第i个新能源场站初始接入发电单元的数量，ΔNU,REi为第i个新能源场站每次迭代增加发电单元的设定数量，t为当前迭代次数；
各新能源场站迭代后的总额定容量，按下式确定：
PN,REi＝NU,REi·PU,REi (5)
式中，PN,REi为第i个新能源场站在第t次迭代后的总额定容量，PU,REi为第i个新能源场站接入的发电单元的单体容量；
迭代后的升压变压器容量，按下式计算：
ST1,REi＝ST2,REi＝1.0×PN,REi (6)
式中，ST1,REi为第i个新能源场站的第一级升压变压器容量，ST2,REi第i个新能源场站的第二级升压变压器容量；
迭代后的无功补偿容量，按下式计算：
SQC,REi＝0.2×PN,REi (7)
式中，SQC,REi为第i个新能源场站的无功补偿装置容量。
各发电单元的有功功率，按下式确定：
pREi＝PN,REi (8)
式中，pREi为第i个新能源场站内各发电单元的有功功率；
各发电单元的无功功率，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000173
式中，qREi为第i个新能源场站内各发电单元的无功功率。
容量计算子模块，包括：静态电压稳定性分析单元、宽频带动态稳定性分析单元及并网容量计算单元；
静态电压稳定性分析单元，用于基于新能源并网系统的结构和参数、新能源场站接入容量的条件、新能源场站发电功率输出工况，及新能源并网系统内其它元件运行工况等信息，通过包括潮流极限分析、V-Q灵敏度分析及Q-V模态分析方法等的静态电压稳定性分析方法对新能源并网系统的静态电压稳定性进行分析，若所述静态电压不稳定，则终止迭代，并直接计算当前功率因数取值下所述新能源场站的最大并网容量；若稳定则将新能源并网系统的结构和参数、新能源场站接入容量的条件、新能源场站发电功率输出工况，及新能源并网系统内其它元件运行工况等信息传输至宽频带动态稳定性分析单元。
宽频带动态稳定性分析单元，用于基于新能源并网系统的结构和参数、新能源场站接入容量的条件、新能源场站发电功率输出工况，及新能源并网系统内其它元件运行工况等信息获取各新能源场站发电单元的端口节点电压和输出电流相量构建新能源并网系统内所有新能源场站中的发电单元及接入节点的运行工况信息集合；
基于新能源并网系统内所有新能源场站中的发电单元及接入节点的运行工况信息，获取新能源并网系统的阻抗或导纳模型建立新能源并网系统的阻抗网络模型；
根据新能源并网系统的阻抗网络模型，求解其频域导纳矩阵行列式的非零根，也就是系统的特征值，从而可通过系统特征值在复平面的分布判定新能源并网系统的宽频带动态稳定性。
新能源并网系统内所有新能源场站中的发电单元及接入节点的运行工况信息，如下式所示：
Figure BDA0003229827170000181
式中，ORE为新能源并网系统内所有新能源场站中的发电单元及接入节点的运行工况信息，
Figure BDA0003229827170000182
为第i新能源场站内发电单元接入节点的电压相量，
Figure BDA0003229827170000183
为第i个新能源场站内的发电单元输出的总电流相量。
新能源并网系统的阻抗模型，如下式所示：
Figure BDA0003229827170000184
式中，ZRE(s,ORE)为新能源并网系统的阻抗模型，
Figure BDA0003229827170000185
为第i个新能源场站内所有发电单元的并联阻抗；
新能源并网系统的导纳模型，如下式所示：
Figure BDA0003229827170000191
式中，YRE(s,ORE)为系能源并网系统的导纳模型，
Figure BDA0003229827170000192
第i个新能源场站内所有发电单元的导纳。
根据新能源并网系统的阻抗网络模型建立新能源并网系统的频域导纳矩阵YN(s)，系统节点数为NGrid，YN(s)为NGrid×NGrid维矩阵；YN(s)的结构和构建是利用对角线元素为节点的自导纳，非主对角线元素为节点之间的互导纳构建的。
求解系统频域导纳矩阵行列式的非零根，即求解非零根，如下式所示：
det[YN(s)]＝0 (13)
式中，YN(s)为新能源并网系统的频域导纳矩阵；
由式(15)计算得到的所有非零根即为新能源系统的振荡模式，则新能源并网系统的振荡模式如下式所示：
Figure BDA0003229827170000193
式中，ss为新能源并网系统的振荡模式的集合，Ns为新能源并网系统振荡模式的数量；
若对于任意一个振荡模式si＝σi+jωi，i＝1,2,…,Ns，均有σi＜0，则系统宽频带动态稳定，反之，则不稳定；其中，σi为振荡模式的实部，jωi为振荡模式的虚部。
根据上述过程对新能源并网系统进行宽频带动态稳定性分析后，若系统稳定，则继续基于每个功率因数为当前新能源场站迭代增加设定数量的发电单元并进行后续分析；若系统不稳定，则利用当前功率因数取值下新能源场站的最大并网容量。
并网容量计算单元，用于计算新能源并网系统在静态电压不稳定和静态电压稳定但宽频带动态不稳定下将上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下新能源场站的最大并网容量；
各新能源场站的最大并网容量，按下式计算：
Figure BDA0003229827170000201
式中，
Figure BDA0003229827170000202
为第i个新能源场站的最大并网容量，
Figure BDA0003229827170000203
为在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量，PU为发电单元的容量；
其中，在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量
Figure BDA0003229827170000204
按下式计算：
Figure BDA0003229827170000205
式中，
Figure BDA0003229827170000206
为第i个新能源场站初始接入发电单元的数量，ΔNU,REi为第i个新能源场站每次迭代增加发电单元的设定数量。
实施例4
根据本发明提供的一种新能源发电最大并网容量确定方法，以两场站新能源并网系统为例，对两场站新能源并网系统的最大并网容量进行分析计算，如图8所示；
获取两场站新能源并网系统的参数，包括：两个场站的光伏发电单元数量，发电单元单体容量为1MW，即PU,RE1＝PU,RE2＝1MW，两个场站初始接入的单元数量均为1000台，即
Figure BDA0003229827170000207
场站1经50km并网线路并入电网，即线路L1长度为50km，场站2经30km并网线路并网，即线路L2长度为30km。
设定每轮迭代两个新能源场站增加的单元数量为1台，即ΔNU,RE1＝ΔNU,RE2＝1，两个场站运行功率因数均为1；分别通过静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法在每次迭代增加发电单元后进行分析并计算每个功率因数取值下各新能源场站的最大并网容量；
根据每个功率因数取值下各新能源场站的最大并网容量确定各新能源场站的等效多馈入短路比，如表1所示；考虑静态电压稳定性和宽频带动态稳定性得到的最大并网容量小于仅考虑静态电压稳定约束得到的最大并网容量，同时考虑两种稳定约束得到的多馈入短路比大于仅考虑静态电压稳定约束得到的多馈入短路比。
表1
Figure BDA0003229827170000208
Figure BDA0003229827170000211
本发明针对目前已有方法仅考虑静态电压稳定确定新能源发电最大并网容量导致的新能源并网的系统不稳定的问题，提出了更为有效稳定的确定新能源最大并网容量的方法，能够更有效、准确的指导未来高比例新能源发电的容量规划和运行。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种新能源发电最大并网容量的确定方法，其特征在于，包括：
获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元参数及各新能源场站接入容量的初始条件；
基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量，包括：
S1基于各新能源场站的应用需求，从所述发电单元的功率因数范围中确定多个功率因数；
S2将所述接入容量的初始条件作为接入容量的条件；
S3基于每个功率因数为当前新能源场站增加设定数量的发电单元；
S4基于所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件得到当前发电单元数量下的接入容量的条件及各发电单元的输出工况信息；
S5利用静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法确定是否终止迭代，当终止迭代时，将上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下所述新能源场站的最大并网容量；否则，将当前发电单元数量下的接入容量的条件作为接入容量的条件返回S3。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述利用静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法确定是否终止迭代，包括：
利用静态电压分析方法确定当前功率因数取值下新能源并网系统的静态电压是否稳定：
若所述静态电压不稳定，则终止迭代；
否则，利用宽频带动态稳定性分析方法确定新能源并网系统是否满足宽频带动态稳定性：若所述新能源并网系统不满足宽频带动态稳定性，则终止迭代；否则继续迭代。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述利用宽频带动态稳定性分析方法分析新能源并网系统是否满足宽频带动态稳定性，包括：
基于新能源并网系统的结构和参数、新能源发电的阻抗和导纳模型，以新能源并网系统的端口节点数量作为矩阵的维度，以对角线元素为所述节点的自导纳，以非主对角线元素为所述节点的互导纳构建新能源并网系统的频域导纳矩阵；
利用新能源并网系统的频域导纳矩阵的非零根作为新能源并网系统的振荡模式，若所述非零根的实部小于零，则所述新能源并网系统满足宽频带动态稳定性，否则，所述新能源并网系统不满足宽频带动态稳定性；
其中，所述新能源发电的阻抗和导纳模型基于新能源并网系统发电的运行工况信息，利用各发电单元的并联阻抗和导纳构建；
所述新能源并网系统发电的运行工况信息有新能源并网系统在静态电压稳定情况下运行工况的潮流数据，利用所有接入的发电单元的端口节点电压和输出电流相量确定。
5.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述各新能源场站的最大并网容量，按下式计算：
Figure FDA0003229827160000021
式中，
Figure FDA0003229827160000022
为第i个新能源场站的最大并网容量，
Figure FDA0003229827160000023
为在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量，PU为发电单元的容量。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述在第m个功率因数下第i新能源场站接入的所有发电单元的数量
Figure FDA0003229827160000024
按下式计算：
Figure FDA0003229827160000025
式中，
Figure FDA0003229827160000026
为第i个新能源场站初始接入发电单元的数量，ΔNU,REi为第i个新能源场站每次迭代增加发电单元的设定数量，t为当前迭代次数。
7.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述静态电压分析方法，包括：潮流极限分析方法、V-Q灵敏度分析方法或Q-V模态分析方法。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量后还包括：
根据在各功率因数取值下各新能源场站的最大并网容量对应的新能源并网系统的参数，利用等效多馈入短路比计算方法计算在各功率因数取值下各新能源场站接入新能源并网系统的等效多馈入短路比；
利用各功率因数取值下各新能源场站的等效多馈入短路比对在各功率因数下各新能源场站的接入容量为最大接入容量时新能源并网系统的强度进行评估。
9.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述基于各新能源场站，从所述新能源场站中设定的功率因数范围中确定多个功率因数，包括：
根据各新能源场站发电单元的功率因数控制能力或新能源场站的使用需求，在所述新能源场站中设定的功率因数范围内为各新能源场站设置多个不同或相同的功率因数取值。
10.一种新能源发电最大并网容量的确定系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取新能源并网系统的结构及参数、各新能源场站接入发电单元装置参数及各新能源场站接入容量的条件；
最大并网容量确定模块，用于基于为各新能源场站设定的功率因数范围和所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的初始条件，采用迭代增加各新能源场站的发电单元接入数量的方式，在满足静态电压稳定性和宽频带动态稳定性的条件下，结合所述各新能源场站接入发电单元参数确定各新能源场站的最大并网容量。
11.根据权利要求10所述系统，其特征在于，所述最大并网容量确定模块，包括：
功率因数确定子模块，用于基于各新能源场站接入发电单元参数中的功率因数范围为所述新能源场站设定多个功率因数；
迭代计算子模块，用于基于每个功率因数为当前新能源场站增加设定数量的发电单元，并基于所述新能源并网系统的结构及参数、接入容量的条件得到当前发电单元数量下的接入容量的条件及各发电单元的输出工况信息；
容量计算子模块，用于利用静态电压稳定性分析方法及宽频带动态稳定性分析方法确定是否终止迭代，当终止迭代时，将上一次迭代的接入容量作为当前功率因数取值下所述新能源场站的最大并网容量；否则将当前发电单元数量下的接入容量的条件作为接入容量的条件，根据迭代计算子模块继续迭代。
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