CN115561668A - 一种新能源发电单元极限短路比的测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新能源发电单元极限短路比的测试方法及系统，包括：在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比；本发明提出的极限短路比的测试方法，能够充分反映新能源发电单元的控制作用，明确体现短路比与系统稳定的内在联系和规律，使短路比指标能够真正应用于评估实际电网系统对新能源接入容量的接纳极限，为新能源发电的可持续发展和有效消纳提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电领域，具体涉及一种新能源发电单元极限短路比的测试方法及系统。
背景技术
近年来，在一次能源压力日益增大、环境问题日趋严重的背景下，新能源发电以其清洁、无污染等优质特性在世界范围内得到了较为快速的发展。但随着大量光伏、风能等新能源发电接入电力系统而来的系统稳定性问题也已成为制约可再生能源发电装机容量和消纳水平进一步提升的重要因素。如何确定新能源接入电网系统的极限运行状态已成为电网规划和系统运行中必须面对和亟待解决的问题。
短路比的概念近年来被广泛应用于新能源并网领域，用来评价新能源系统接入交流电网能力的强弱，以分析低短路比条件下系统的稳定性。然而，对于实际电网系统，目前提出的多种短路比计算与评估方法，大多简化或忽略新能源发电单元控制作用，短路比与系统稳定的内在联系和规律尚不清晰，短路比指标难以真正应用于评估实际电网系统对新能源接入容量的接纳极限。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种新能源发电单元极限短路比的测试方法，包括：
在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；
以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比。
优选的，在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动下的极限短路比，包括：
在所述控制在环电磁暂态仿真平台中，保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，在预设的线路电阻和电抗初值下，在有功功率调节范围内从有功功率的最小值开始增加新能源发电单元的有功功率，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
若在所述有功功率调节范围内，所述新能源发电单元仍能稳定运行时，则保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，从预设的线路电阻和电抗初值开始不断增加线路电阻和电抗，并在每次增加后的线路电阻和电抗下，在有功功率调节范围内从有功功率的最小值开始增加新能源发电单元的有功功率，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
根据新能源发电单元运行不再具有稳定性时的线路电阻和电抗，计算有功扰动下的极限短路比。
优选的，在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时无功扰动下的极限短路比，包括：
在所述控制在环电磁暂态仿真平台中，保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，将新能源发电单元的有功功率增加至额定功率后，在无功扰动的预设范围内逐步增加无功扰动，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
若在所述无功扰动的预设范围内，所述新能源发电单元仍能稳定运行时，则保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，从预设的线路电阻和电抗初值开始不断增加线路电阻和电抗，并在每次增加后的线路电阻和电抗下，从初始值开始在预设范围内逐步增加无功扰动，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
根据新能源发电单元运行不再具有稳定性时的线路电阻和电抗，计算无功扰动下的极限短路比。
优选的，所述无功扰动的预设范围的获取方式，包括：基于有功扰动仿真时运行不再具有稳定性时有功功率的值乘以预设的范围系数，得到无功扰动的范围。
优选的，所述预设的范围系数为5％到10％。
优选的，新能源发电单元在有功扰动或无功扰动下的极限短路比，按下式计算：
式中，SCR为新能源发电单元有功扰动或无功扰动下的极限短路比，UNOM为新能源发电单元所在并网系统的额定电压，PNOM为新能源发电单元所在并网系统的额定功率，X为新能源发电单元运行不再具有稳定性时所在线路的线路电抗，R为新能源发电单元运行不再具有稳定性时所在线路的线路电阻，且X/R的值为预设值。
优选的，所述新能源发电单元所在线路的源端电压为1.1pu。
优选的，所述新能源发电单元所在线路的阻抗比为10。
优选的，所述控制在环电磁暂态仿真平台，是依托新能源机组厂商提供的和现场运行同型号的控制器、实时仿真器和相应的控制硬件在环模型进行搭建的。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种新能源发电单元极限短路比的测试系统，包括：计算模块和对比模块；
所述计算模块，用于在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；
所述对比模块，用于以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提供了一种新能源发电单元极限短路比的测试方法及系统，包括：在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比；本发明提出的极限短路比的测试方法，能够充分反映新能源发电单元的控制作用，明确体现短路比与系统稳定的内在联系和规律。
利用本发明，能够使短路比指标能够真正应用于评估实际电网系统对新能源接入容量的接纳极限，为新能源发电的可持续发展和有效消纳提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明提供的一种新能源发电单元极限短路比的测试方法流程示意图；
图2为单机新能源机组并网极限短路比测试系统-有功扰动拓扑简化模型示意图；
图3为单机新能源机组并网极限短路比测试系统-无功扰动拓扑简化模型示意图；
图4为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR1时电压的波形图；
图5为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR1时功率的波形图；
图6为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR2时电压的波形图；
图7为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR2时功率的波形图；
图8为本发明提供的一种新能源发电单元极限短路比的测试系统基本结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明提供的一种新能源发电单元极限短路比的测试方法流程示意图如图1所示，包括：
步骤1：在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；
步骤2：以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比。
本发明拟提出一种适用于新能源发电单元极限短路比控制在环仿真测试方法及系统，利用该方法完全基于现场可再生能源发电单元的控制作用，可以准确判断新能源发电单元极限短路比，为新能源发电的持续开发和有效消纳提供技术支撑。控制在环电磁暂态实时仿真是一种重要的新能源机组电磁暂态仿真手段，下面以新能源机组控制在环的仿真结果为例具体阐述本方法的实现过程。本实施例中，新能源发电单元亦可简称为新能源机组或机组。
依托新能源机组厂商提供的和现场运行同型号的控制器、实时仿真器和相应的控制硬件在环模型，搭建控制硬件在环电磁暂态仿真平台。弱电网，即低短路比下，新能源并网稳定极限主要受两方面的约束：有功扰动和无功扰动，因此本发明从这两个方面入手并对比单机新能源机组在不同扰动情况下并网极限短路比的测试结果。
步骤1具体包括：
有功扰动：在保持源端电压1.1pu，线路阻抗X/R＝10的条件下，从有功功率初值起，不断增加新能源机组的有功功率出力水平直到有功功率达到设定值，如果机组运行能力变差，不再具有稳定性，则此时的短路比为机组的极限短路比；如果机组能稳定运行，则在保持X/R＝10的条件下增加线路阻抗，并在每次增加线路阻抗后，重新从有功功率初值起，增加有功功率出力水平，以降低短路比，直到机组运行不再具有稳定性，并求出此时机组的极限短路比。图2为单机新能源机组并网极限短路比测试系统-有功扰动拓扑简化模型。
机组的极限短路比计算公式为：
式中，SCR为新能源发电单元有功扰动或无功扰动下的极限短路比，UNOM为新能源发电单元所在并网系统的额定电压，PNOM为新能源发电单元所在并网系统的额定功率，X为新能源发电单元运行不再具有稳定性时所在线路的线路电抗，R为新能源发电单元运行不再具有稳定性时所在线路的线路电阻，且X/R＝10。
无功扰动：保持源端电压1.1pu，线路阻抗X/R＝10的条件下，不断增加新能源机组的有功功率出力水平，使机组达到额定功率正常运行；然后投入初值为5％Sn的无功小扰动，并逐步增加投入的无功扰动大小，如果机组运行能力变差，不再具有稳定性，则此时的短路比为机组的极限短路比；如果机组能稳定运行，则在保持X/R＝10的条件下增加线路阻抗，并在每次增加线路阻抗后，重新从5％Sn的无功小扰动起，开始逐步增加投入的无功扰动，以降低短路比，直到机组运行能力变差，不再具有稳定性，并求出此时机组的极限短路比。图3为单机新能源机组并网极限短路比测试系统-无功扰动拓扑简化模型示意图，图中，投入C即为投入无功扰动。
所述无功扰动的预设范围的获取方式，包括：基于有功扰动仿真时运行不再具有稳定性时有功功率的值乘以预设的范围系数，得到无功扰动的范围；所述预设的范围系数为5％到10％。
无功扰动下的极限短路比计算公式仍参考公式(1)，在投入无功小扰动之前应先找到有功扰动的临界工作点，否则不易计算出此时无功小扰动投入的具体值，从而导致系统崩溃，淹没真实情况的极限短路比。有功扰动的临界工作点，即新能源发电单元的运行状态刚好从稳定转化为不稳定时的(新能源发电单元运行能力变差，不再具有稳定性时的)有功功率。找到临界工作点后，利用此时的有功功率计算投入的无功小扰动的值。由于临界工作点可以用系统总容量Sn表示，投入的无功扰动的值也可以用系统总容量表示，即5％Sn的无功小扰动。
在计算极限短路比的过程中，除上述在保持线路阻抗X/R＝10的条件下进行实验外，还曾多次改变X/R的比值，进行极限短路比实验。经过在多次不同的X/R的比值下的实验，发现不同X/R的比值对单机新能源机组并网极限短路比的影响是不一样的，总的来说两者的比值越小，机组能运行的极限短路比越小，也就是说该机组能在更弱的电网条件下稳定运行；同样可以发现在不同的扰动方式下单机新能源机组并网极限短路比是不一样的，两者之间的差异主要取决于新能源机组本身的控制特性和运行特性。
以下为新能源发电单元极限短路比的测试结果：图4为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR1时电压的波形图，图5为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR1时功率的波形图。由图可知，通过逐步增大光伏逆变器机组的有功出力，在有功刚达到1.0pu的时候，并网系统便发生不可逆转的增幅震荡，大约在25s的时候，光伏逆变器机组故障脱网。
图6为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR2时电压的波形图，图7为根据本发明提出的方法得到的某型号光伏逆变器机组极限短路比为SCR2时功率的波形图。由图可知，在光伏逆变器机组达到额定有功出力水平之后，刚投入5％Sn的无功小扰动，并网系统便发生不可逆转的增幅震荡，随后大约在12s的时候，该光伏逆变器机组发生故障脱网。
比较有功扰动下极限短路比测试结果与无功扰动下极限短路比测试结果可以发现，无功扰动下光伏逆变器机组极限短路比要比有功扰动下光伏逆变器机组极限短路比大，在保证机组正常运行的情况下应该同时满足有功扰动和无功扰动不脱网连续运行，因此该型号的光伏逆变器机组极限短路比应以无功扰动下的极限短路比测试结果为准。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种新能源发电单元极限短路比的测试系统，该系统的基本结构示意图如图8所示。
该系统包括：
计算模块和对比模块；
其中，计算模块，用于在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；
对比模块，用于以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新能源发电单元极限短路比的测试方法，其特征在于，包括：
在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；
以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动下的极限短路比，包括：
在所述控制在环电磁暂态仿真平台中，保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，在预设的线路电阻和电抗初值下，在有功功率调节范围内从有功功率的最小值开始增加新能源发电单元的有功功率，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
若在所述有功功率调节范围内，所述新能源发电单元仍能稳定运行时，则保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，从预设的线路电阻和电抗初值开始不断增加线路电阻和电抗，并在每次增加后的线路电阻和电抗下，在有功功率调节范围内从有功功率的最小值开始增加新能源发电单元的有功功率，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
根据新能源发电单元运行不再具有稳定性时的线路电阻和电抗，计算有功扰动下的极限短路比。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时无功扰动下的极限短路比，包括：
在所述控制在环电磁暂态仿真平台中，保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，将新能源发电单元的有功功率增加至额定功率后，在无功扰动的预设范围内逐步增加无功扰动，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
若在所述无功扰动的预设范围内，所述新能源发电单元仍能稳定运行时，则保持新能源发电单元所在线路的源端电压和线路阻抗比恒定，从预设的线路电阻和电抗初值开始不断增加线路电阻和电抗，并在每次增加后的线路电阻和电抗下，从初始值开始在预设范围内逐步增加无功扰动，直到新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性；
根据新能源发电单元运行不再具有稳定性时的线路电阻和电抗，计算无功扰动下的极限短路比。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述无功扰动的预设范围的获取方式，包括：基于有功扰动仿真时运行不再具有稳定性时有功功率的值乘以预设的范围系数，得到无功扰动的范围。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设的范围系数为5％到10％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，新能源发电单元在有功扰动或无功扰动下的极限短路比，按下式计算：
式中，SCR为新能源发电单元有功扰动或无功扰动下的极限短路比，UNOM为新能源发电单元所在并网系统的额定电压，PNOM为新能源发电单元所在并网系统的额定功率，X为新能源发电单元运行不再具有稳定性时所在线路的线路电抗，R为新能源发电单元运行不再具有稳定性时所在线路的线路电阻，且X/R的值为预设值。
7.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述新能源发电单元所在线路的源端电压为1.1pu。
8.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述新能源发电单元所在线路的阻抗比为10。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制在环电磁暂态仿真平台，是依托新能源机组厂商提供的和现场运行同型号的控制器、实时仿真器和相应的控制硬件在环模型进行搭建的。
10.一种新能源发电单元极限短路比的测试系统，包括：计算模块和对比模块；
所述计算模块，用于在控制在环电磁暂态仿真平台中，通过增加有功功率或施加无功扰动使新能源发电单元的运行能力变差，不再具有稳定性，并计算新能源发电单元运行不再具有稳定性时有功扰动和无功扰动下的极限短路比；
所述对比模块，用于以所述有功扰动下的极限短路比和无功扰动下的极限短路比中的最大值，作为新能源发电单元最终的极限短路比。
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