面向暂态功角稳定提升的水光互补发电系统紧急切机控制_陈韦韬.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0658-11 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 面向暂态功角稳定提升的水光互补发电系统紧急切机控制陈韦韬1，吴翔宇1，许寅1，王小君1，唐晓骏2，张鑫2（1北京交通大学电气工程学院，北京市 海淀区 100044；2电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京市 海淀区 100192）Emergency Generator Tripping Control of Integrated Systems With Photovoltaic and Hydropower Generation for Improving Transient Power Angle Stability CHEN Weitao1,WU Xiangyu1,XU Yin1,WANG Xiaojun1,TANG Xiaojun2,ZHANG Xin2(1.School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Haidian District,Beijing 100044,China;2.State Key Laboratory of Power Grid Safety and Energy Conservation(China Electric Power Research Institute),Haidian District,Beijing 100192,China)ABSTRACT:In southwest China,there are superior conditions of power generation.Making good use of the complementary characteristics of hydropower and photovoltaic power there is one of effective ways to achieve the dual carbon goal and promote the consumption of renewable energy.However,as the hydropower resources are generally distributed in the remote areas,long-distance power transmissions may increase a rather weak connection with the main network with a hidden dangerous of transient power angle stability.Besides,the high proportion of photovoltaic power generation also increases the complexity of the transient stability of the system.At present,there is not a clear mechanism to explain photovoltaic power generations influence on the transient stability of complementary systems,and not an effective system emergency control methods based on quantitative calculations.To this end,this paper proposes an emergency generator tripping control method for improving transient power angle stability.Firstly,the equivalent power angle curve of the integrated system is established,analyzing the changes of the acceleration/deceleration areas in the integrated system before and after the photovoltaic connection.Subsequently,based on the equal area criterion,three emergency generator tripping control schemes for hydropower and photovoltaic coordination are proposed,and the optimal scheme is selected according to the comprehensive evaluation indexes.Finally,the effectiveness of the proposed method is verified based on the single hydropower generation and single photovoltaic generation-infinity system and the integrated system of Sichuan 基金项目：国家重点研发计划项目(2018YFB0905200)。Project Supported by National Key Research&Development Program of China(2018YFB0905200).province.KEY WORDS:integrated system with photovoltaic and hydropower generation;transient power stability;negative impedance model;equal area criterion;hydropower and photovoltaic coordinated generator tripping control;comprehensive evaluation index 摘要：我国西南地区水电和光伏资源丰富，利用水光资源的互补特性，促进清洁能源的高效消纳，是实现“双碳”目标的有效途径之一。水电资源一般集中于偏远地区，长距离输电导致其与主网连接较弱，暂态功角稳定问题较为突出，水光互补系统中高比例光伏发电的接入进一步增加了系统暂态稳定问题的复杂性。然而当前光伏发电对互补系统暂态稳定影响机理尚不明晰，且缺乏基于定量计算的紧急切机控制方法。为此，首先建立了水光互补系统的等效功角曲线，详细分析了光伏接入前后系统的加减速面积变化情况。在此基础上，基于等面积法则提出水光协调的 3 种紧急切机控制方法，并根据综合评价指标选取优化切机方案。最后，基于单水单光无穷大系统及四川省某县水光互补系统验证了所提方法的有效性。研究结果有助于推动解决新能源电力系统中新能源机组和同步机的切机量定量计算缺乏数学理论指导这一难题，能够提升水电和光伏的消纳与送出能力。关键词：水光互补系统；暂态功角稳定；负阻抗模型；等面积法则；水光协调切机控制；综合评价指标 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2359 0 引言 2020 年，我国提出 2030 年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的“双碳”目标。为实现该目标，优化能源结构、促进新能源消纳是重要途径之一。第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 659 在我国水电是装机容量最大的可再生能源，尤其在西南地区水电资源丰富。在水电资源流域内，光照资源充足，水光联合发电条件优越，可利用水电与光伏发电的天然互补特性，形成水光互补发电系统。水光互补发电系统利用水电站的送出线路通道和其快速的调节能力，将光伏发电和水电联合打捆送出。水光互补发电对于实现多时间尺度多能互补、提升系统总体可调度能力、降低水光波动性对电网影响、充分消纳可再生能源、减少弃水弃光等方面具有重要的现实价值和深远的战略意义1。然而，我国水电资源一般集中于西南偏远地区，长距离输电导致其与主网连接较弱，在形成水光互补发电系统后，系统暂态稳定性受到光伏接入容量、水电接入容量、光伏动态无功支撑能力等因素共同影响，光伏接入增加了系统暂态稳定的复杂性。此外，光伏出力的强间歇性与波动性使得互补系统外送线路功率超过暂态稳定极限的风险可能大为增加2，威胁互补系统的安全稳定运行。为此，需要对水光互补发电系统的暂态稳定机理与紧急控制策略进行深入研究。暂态稳定分析是制定紧急控制策略的基础。目前对于含常规同步发电机的电力系统，暂态稳定分析方法主要包括时域仿真法3和能量函数法4，其中等面积法则为能量函数法的特殊应用。随着光伏、风电等电力电子接口的非同步电源接入5-10，电力系统的同步稳定特性呈现出广义同步稳定性5。文献11分析了非同步电源渗透率对系统大扰动稳定性的影响；文献12建立了风电机组简化模型，利用等面积法则研究风机故障特性对系统暂态稳定性的影响；文献13分析了双馈型风电直接接入后系统暂态功角稳定性的变化情况。然而，已有研究对于光伏发电接入电网后如何影响水电机组的功角曲线和加减速面积，以及光伏出力变化和不同控制方式如何影响系统暂态稳定性等方面的研究较为有限，这方面研究的不足制约了后续基于定量计算的水光互补系统紧急控制策略研究。在已有的电力系统紧急控制策略研究方面，目前，电网故障后主要的紧急控制手段之一为切除发电机组14。文献15通过考虑过载线路发热严重程度，提出紧急控制中考虑过载线路有功功率的切机措施；文献16提出了系统故障下传统离散切机和水电机组出力快速调节的协调控制策略；文献17基于随机森林算法提出了电力系统暂态稳定评估及切机/切负荷紧急控制策略；文献18通过优化系统初始运行状态及配合切机/切负荷手段可实现预防-紧急协调控制策略。然而，光伏等新能源的随机性与波动性及其通过电力电子变流器接入系统的特点使得系统暂稳特性复杂多变，切机方案制定面临严峻挑战。当前，对于含新能源机组和同步发电机的电力系统切机控制研究主要基于数值仿真分析，例如文献19通过时域仿真法评估筛选风火打捆外送系统的最优紧急切机控制方案。总体来看，目前新能源电力系统缺乏基于数学理论的定量的切机量计算方法以及新能源-同步机协调的切机方法研究，导致工程实践中对于新能源电力系统的切机量计算缺乏理论指导，且单纯依赖时域仿真的切机方案的制定效率有待提升。为解决已有研究存在的问题，本文针对水光互补发电系统，首先进行了详细的暂态功角稳定分析，并在此基础上提出了系统紧急切机控制策略，可有效提升系统的暂态稳定性，提高水电和光伏的消纳与送出能力，最后通过单水单光-无穷大系统及四川省某县水光互补发电系统验证了所提方法的有效性。本文的具体贡献如下：1）基于光伏负阻抗模型建立了水光互补发电系统的等效功角曲线及加减速面积分析模型，揭示了光伏出力变化及不同控制方式对系统暂态稳定性的影响机理。2）基于等面积法则提出了水光协调的紧急切机控制方法，有助于推动解决新能源电力系统中新能源机组和同步发电机的切机量难以定量计算的难题。具体而言，本文所提紧急切机控制方法的优势和特点如下：1）能够基于数学理论计算，定量给出只切水电、只切光伏以及水光联切情况下的切机量，为调度人员提供丰富选择。2）通过构建切机方案综合评价指标，统筹考虑控制效果(安全性)和控制代价(经济性)，能够给出优化的切机方案，为切机量如何在水电和光伏之间分配提供趋优指导。3）可与时域仿真法相结合使用，所提方法不仅可为时域仿真法的切机量搜索提供理论指导，还可将所提方法计算得到的切机量作为时域仿真法搜索切机量的初始值，从而提升切机方案制定效率。1 水光互补发电系统等效功角特性 光伏为电力电子接口电源，与传统同步发电机电气特性不同。为研究水光互补发电系统的暂态稳定性并制定紧急切机控制策略，本节首先建立光伏660 陈韦韬等：面向暂态功角稳定提升的水光互补发电系统紧急切机控制 Vol.47 No.2 接入系统后同步机的等效功角曲线。本文所针对的研究对象为水电站与光伏电站互补发电并网系统，由于本文分析大扰动事件下互补发电系统的暂态稳定性，水电机组等效为经典二阶同步机模型14。系统示意图如图 1 所示。1dTxxx2L12xx 图 1 水光互补发电并网系统拓扑 Fig.1 Topology diagram of integrated systems with PV and hydropower generation 图中 E,PPV,QPV,dx,xT,xL,U1,U 分别为水电 同步机内电势、光伏电站发出的有功功率和无功功率、水电同步机暂态电抗、变压器电抗、线路电抗、光伏并网电压以及无穷大母线电压。1.1 光伏负阻抗模型等值原理 光伏在稳态工况下采用最大功率追踪控制，可以发出恒定有功功率。为使光伏发出最大有功功率，功率因数一般设置为 1，发出无功功率为 0，因此稳态时光伏可以视为负电阻模型。故障期间，若考虑光伏可以发出一定的无功功率，具有动态无功支撑能力，可以将其等效为负电抗模型。故障清除后，光伏继续发出最大有功功率，可以视为负电阻模型11。综上，光伏可以表示为负阻抗zPV模型8，即 21PVPVPV()jUzPQ(1)式中 zPV为光伏接入系统等效阻抗。1.2 水光互补发电系统等效功角特性 为建立光伏接入水电系统后互补系统的等效功角特性，考虑光伏电站于母线1处接入水电系统，水光互补系统等效电路如图 2 所示。1dTxxx2L12xx 图 2 水光互补系统等效电路 Fig.2 Equivalent circuit of integrated systems with PV and hydropower generation 经过推导可得，光伏接入后，水电同步机功角特性为 2111121112sinsin()|EEUPZZ(2)式中 z11和 z12分别为水电同步机自阻抗和互阻抗；11和12分别为水电同步机自阻抗和互阻抗对应的余角；为 E与 U 之间的角度。z11,z12,11和12的具体表达式参见附录 A。2 水光互补系统加减速面积变化分析 根据所推导的水光互补发电系统等效功角特性，本节进一步分析光伏发电对水光互补系统加减速面积的影响，从而分析水光互补发电系统的暂态稳定性。2.1 光伏接入前后故障期间系统加速面积变化分析 首先，对故障前的稳态工况进行分析。水电系统未接入光伏时，水电机组单机并网系统见附录 B。水电同步机功角特性为 112sinE UPxx(3)考虑光伏于母线 1 处接入水电系统，互补系统等效电路如图 3 所示。2L12xx1dTxxx 图 3 水光互补系统稳态时等效电路 Fig.3 Equivalent circuit of integrated systems with PV and hydropower generation in steady state 稳态时，光伏的负电阻模型为 21PVPV()UrP(4)光伏接入后，根据式(2)，同步机的功角特性变化为 2111121112sinsin()|EE UPZZ(5)式中11Z，12Z，11 和12 的具体表达式参见附录 A。对比光伏接入前后水电同步机功角特性式(3)和式(5)分析可得，光伏接入后水电机组功角曲线随光伏接入功率增加而向右下移动，如图 4 所示，具体分析说明见附录 B。图 4 中，P1为未接入光伏下稳态时水电同步机功角特性曲线；1P为接入光伏后稳态时水电同步机功角特性曲线；Pm为水电同步机机械功率。其次，分析系统在故障期间的特性。考虑故障发生在线路首端，如图 5 所示，水光互补系统中双回联络线中一回近同步机侧母线1发生三相金属性接地故障，该故障情况为系统发生的最严重故障。故障期间，母线 1 电压为 0，水电机组向外传输电 第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 661 功角未接入光伏(稳态时)等效电磁功率/puP1Pm1P接入光伏(稳态时)图 4 光伏接入前后稳态时同步机功角特性 Fig.4 Power angle curve of synchronous machines before and after PV connection in steady state 1dTxxx2L12xx 图 5 水光互补系统故障点位置示意图 Fig.5 Schematic diagram of the location of the fault point of integrated systems with PV and hydropower generation 磁功率为 0。光伏接入前后系统加速面积分析如图 6 所示。图中：P2,0,c,A1分别为未接入光伏下故障期间水电同步机功角特性曲线、故障开始时刻功角、故障清除时刻功角以及故障期间加速面积；2P,0,c,1A为接入光伏后故障期间水电同步机功角特性曲线、故障开始时刻功角、故障清除时刻功角以及故障期间加速面积。功角未接入光伏等效电磁功率/pu接入光伏(故障期间)接入光伏(稳态时)P11PA11A00P22PccPm 图 6 光伏接入前后系统加速面积分析 Fig.6 Acceleration area of synchronous machines before and after PV connection during fault 由前述分析可知220PP，由此，光伏接入前后故障期间系统加速面积 A1和1A可表示为 1mc01mc0()()APAP(6)根据附录 B 中的推导可得，c0c0 ，由此可得11AA。因此可知，当线路首端发生三相 金属性接地故障时，光伏接入前后故障期间系统加速面积不变。若考虑故障发生在线路中间位置时，根据光伏的低电压穿越控制要求20，故障期间光伏向系统中注入无功功率，此时的系统加速面积变化分析结果见附录 C。2.2 光伏接入前后故障后系统减速面积变化分析 假设故障持续t(单位 s)后单回联络线路断开，故障清除。若光伏未接入，水电系统等效电路见附录 B。水电机组的功角特性为 31L=sinE UPxx(7)下面的分析中假设故障切除后光伏机组有功功率能够迅速恢复至初始功率，考虑光伏机组有功按照一定速率恢复到初始功率的情况参见附录 D。光伏接入后，故障清除后水光互补系统等效电路如图 7 所示，光伏等效为负电阻模型。1dTxxx 图 7 水光互补系统故障切除后等效电路 Fig.7 Equivalent circuit of integrated systems with PV and hydropower generation after fault 故障清除后，同步机等效功角特性为 2311121112sinsin()|EE UPZZ(8)式中11Z,12Z,11 和12 的具体表达式参见附录 A。根据式(7)和式(8)，可得光伏接入前后故障清除后同步机功角特性曲线对比如图 8 所示。功角未接入光伏(故障清除后)P3A22APm3Pccss接入光伏(故障清除后)图 8 光伏接入前后故障清除后同步机功角特性及减速面积 Fig.8 Deceleration area of synchronous machines before and after PV connection after fault 图 8 中：P3,s,A2分别为未接入光伏下故障清除后水电同步机功角特性曲线、不稳定平衡点功角以及故障清除后减速面积；3P,s,2A 为接入光伏下故障清除后水电同步机功角特性曲线、不稳定平662 陈韦韬等：面向暂态功角稳定提升的水光互补发电系统紧急切机控制 Vol.47 No.2 衡点功角以及故障清除后减速面积。类似于 2.1 节中对图 4 的分析，在光伏为负电 阻模型的情况下，故障清除后3P同 P3相比，水电 同步机功角曲线向右下移动。由图 8 中可以看出，系统减速面积减小，即22AA。综合本节中对系统加减速面积的变化结果分析可知，当考虑线路首端发生三相金属性接地故障时，光伏接入前后故障期间系统加速面积不变，减速面积减少，且光伏接入功率越大，减速面积减少越多，光伏的接入对系统暂态稳定性起恶化作用。若考虑线路中间发生故障，则光伏接入后对系统暂稳影响的判定结果需要根据加速面积改变量与减速面积改变量的具体大小共同决定，具体详细分析参见附录 C。3 基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制策略 本节在第2节水光互补系统加减速面积变化分析的基础上，进一步提出水光协调的互补系统紧急切机控制方法。在制定紧急切机控制策略时，考虑的故障工况同第 2 节中的正文部分一致，即考虑系统发生最严重的故障情况：双回联络线中一回近同步机侧母线 1 发生三相金属性接地故障。3.1 基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法 3.1.1 光伏接入后互补系统加减速面积的定量计算 综合考虑第2节中对光伏接入前后系统加减速面积变化的分析及图 6 和图 8，可得光伏接入前后系统加减速面积的整体变化情况，如图 9 所示。功角未接入光伏等效电磁功率/puP11PP3A23P2APm1AA100P22Pccss接入光伏(故障后)接入光伏(故障期间)接入光伏(稳态时)图 9 光伏接入前后系统加减速面积变化 Fig.9 Acceleration and deceleration area of the system before and after PV connection 根据 2.1 节分析可得，光伏接入前后，故障期 间加速面积不变，如式(6)所示，加速面积为1A mc0()P。下面计算考虑光伏接入情况下系统减速面积 2A 的大小。考虑故障持续t 后，故障线路切除，根据图 9 可得，系统减速面积2A 为 sc23m()dAPP(9)将式(8)中3P的表达式代入到式(9)，做积分运 算后可得 2211msc11c12s1212(sin)()|cos()cos()|EAPZE UZ(10)为计算加速面积1A和减速面积2A，需要计算故障切除时刻发电机转子功角c以及不稳定平衡点功角s的大小。c为故障持续t 后对应的发电机功角，利用高阶泰勒级数法并忽略高次项，c21 可表示为 022c021 d2 dt ttt(11)式中0为故障开始 t0时刻的发电机功角，可基于式(5)，令稳态时水电机组电磁功率1P 与机械功率 Pm相等后求解得到，结果为 2120m111211|arcsin(sin)|ZEPE UZ(12)故障期间水电机组转子运动方程为 2m22ddMPPt(13)由式(13)可得 002m22ddt tt tPPMt(14)由于考虑线路首端故障，故障期间水电机组电 磁功率无法向外输出，20P，将式(14)代入式(11)，可得c表达式为 2mc02PtM(15)进一步，基于式(8)，令故障清除后同步机电磁 功率3P和机械功率 Pm相等后求解，可计算得s为 212sm111211|arcsin(sin)|ZEPE UZ(16)最后，将计算得到的c,s以及附录式(A3)中11Z,12Z,11 和12 的表达式代入到式(10)中，可最终得到光伏接入情况下系统减速面积2A 的计 算结果。水光互补系统发生故障后，当加速面积大于减速面积时，系统存在失稳风险，为提高系统暂态稳定性，可采取措施增加减速面积。首先，切除部分水电机组以降低机械功率可以使系统减速面积增加。此外，基于第 2 节的分析结果可推得，切除部分光伏电站可使得水电功角曲线向左上移动，也可第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 663 以增加减速面积。基于这 2 种措施，下文提出 3 种紧急切机控制方案。3.1.2 紧急切除部分水电机组控制方案 该方案通过切除部分水电机组降低机械功率进而增加减速面积，使系统恢复稳定运行(简称紧急切水控制)，原理如图 10 所示。3P2AmP1A02Pcs 图 10 紧急切除部分水电机组控制加减速面积 Fig.10 Acceleration and deceleration area after emergency tripping control of part hydropower stations 图中：1A为系统加速面积；2A 为未采取紧急 控制时系统减速面积；采取紧急切除部分水电机组控制后增加的减速面积部分为 Ah。水电机组的临界功率切除量 Ph的计算公式如下 hsch12()PAAA(17)由式(17)可得 12hscAAP(18)式中1A，2A，c和s由 3.1.1 节中计算得到。当 水电机组功率切除量大于 Ph时，减速面积大于加速面积，系统在故障后可恢复稳定运行。3.1.3 紧急切除部分光伏发电控制方案 紧急切除部分光伏发电控制(简称紧急切光控制)采取将光伏送电馈线上的开关跳开从而切除光伏发电的方案，PPV为光伏电站的原始接入功率。基于等面积法则的紧急切光控制方案加减速面积如图 11 所示。功角未采取紧急控制3P2A2APm3P1A02Pcss采取紧急切光控制 图 11 紧急切光控制方案加减速面积 Fig.11 Acceleration and deceleration area after emergency tripping control of PV stations 由于切除部分光伏发电后，水电机组等效功角曲线向左上移动，减速面积增加，因此可利用搜索方法，不断增加光伏发电的切除量，根据式(10)计 算系统减速面积，直到增加后的减速面积2A等于加速面积1A，此时剩余的光伏电站接入功率为PVP，则光伏发电的临界切除量PPV为 PVPVPVPPP(19)当光伏发电切除量大于PPV时，减速面积大于加速面积，系统在故障后可恢复稳定运行。3.1.4 水光协调紧急切机控制方案 水光协调紧急切机控制采取联合切除光伏发电及水电机组的方案。首先切除指定的光伏发电功率PVP之后，根据式(8)构建剩余光伏发电功率PVPV)PP下系统等效功角曲线3P，令3P与机械功率 Pm相等时，根据式(16)计算得不稳定平衡功角s，代入式(10)可计算得到切除PVP后系统的减速面积为2A。已知系统的加速面积为1A，若加速面积仍比减速面积大，则需要进一步切除部分水电机组，降低机械功率以进一步增加减速面积。基于 3.1.2 节中的方法，水 电功率的临界切除量hP的计算公式为 hsch12()PAAA(20)12hscAAP (21)式中s 为切除指定的光伏发电功率后系统等效功 角曲线的不稳定平衡点功角。综上，该方案中光伏和水电的临界切除量分别 为PVP和hP。基于等面积法则的水光协调紧急控 制方案中的加速面积、减速面积如图 12 所示。功角采取紧急切光控制等效电磁功率/pu3P2A2AhAPmmP1A02Pcss未采取紧急控制采取紧急切水控制3P 图 12 水光协调紧急切机控制加减速面积 Fig.12 Acceleration and deceleration area after emergency tripping control of PV and hydropower stations 3.2 基于综合评价指标的切机方案优化选取 上述3种备选切机方案均能使系统恢复到稳定运行状态，为获得优化的切机方案，首先需要对备选切机方案的控制效果和控制代价进行综合评估，664 陈韦韬等：面向暂态功角稳定提升的水光互补发电系统紧急切机控制 Vol.47 No.2 为此，定义综合评价指标 J 为 1122Jw Mw M(22)式中 M1为评价系统综合暂态响应特性的指标，用于评价控制效果；M2为评价总的水电光伏功率切除量大小的指标，用于评价控制代价；w1和 w2是相应的权重因子，服从 w1+w21。控制效果评价指标 M1考虑联络线近发电机侧测量的电气量功角超调量1及恢复时间2，频率超调量3及恢复时间4，电压超调量5及恢复时间6。i(i1.6)越小，表示切机控制后系统暂态响应特性越好，即受到冲击越小且恢复越快，紧急切机控制方案越优。由于各i的量纲不同，因此需要对其进行归一化处理到标量0,1之间，具体公式如下 01()01e,1.6iiiiiixi (23)式中 xi(i1.6)为对i进行归一化后的结果，参数0i和分别确定函数的定义域和变化速度，如图13 所示。由式(23)可得，i的定义域与其约束范围一致，确保在可行域范围内进行定义。由图 13 可见，指标i越低，归一化值 xi越高，表示在这一评价指标维度上，紧急控制切机方案越优。图 13 指标归一化函数 Fig.13 Normalization function 图 13 曲线上的预先指定点(s,0.95)用于确定式(23)中参数为 s0ln0.05(24)将i归一化后，控制效果评价指标 M1可表示为 11 12233445566Mh xh xh xh xh xh x (25)式中 hi(i1.6)为相应的次权重因子，服从61ihi=1。M1可用于评价采取切机控制后系统的综合暂态响应特性。控制代价评价指标 M2评价总的水电光伏功率切除量P的大小，P越小表示系统损失功率越低，则紧急控制切机方案越优。同理，可将P归一化，则有：P0_ PP1()2P0_ P1e,M (26)由于综合评价指标 J 可综合描述切机方案的控制效果与控制代价，J 越高则方案越优。为此，可将使得综合评价指标 J 最大的方案作为优化切机方案。在下文算例验证中计算综合评价指标 J 时用到的0i,s等参数值及权重因子1，2和hi(i1.6)的大小，选取原则参见附录 E。4 算例验证 本节首先在不同运行工况与光伏接入水平下验证水光互补系统暂态稳定分析的准确性。之后分别在单水单光无穷大系统及四川省某县水光互补发电系统算例中通过时域仿真验证紧急切机控制方案的有效性。4.1 暂态稳定分析结果算例验证 单水单光无穷大算例系统如图 1 所示，水电机组容量为 310MW，光伏电站容量为 300MW，母线 1 上负荷为 91.3+j54.78MW。假设系统发生最严重故障，即双回线中一回近同步机侧发生三相金属性接地故障。故障历时 0.12s，故障线路切除后，联络线单回运行。故障期间，水电机组向外传输电磁功率为 0MW，故障点位置如图 5 所示。为验证第 2 节中水光互补系统暂态稳定性分析结果的有效性及准确性，在不同光伏有功功率及不同水电机组有功功率的场景下，当加速面积等于减速面积时，基于式(10)及附录 B 中式(B1)(B3)计算临界切除时间(critical clearing time，CCT)，将理论计算结果和基于时域仿真法所得结果对比如表 1 所示。表 1 不同运行工况与光伏接入水平下的暂态稳定程度 Table 1 Transient stability degree in different operation scenario and PV penetration level 组号 水电/MW 光伏/MW CCT/s 计算值 仿真值 1 100 0 0.36 0.37 100 50 0.34 0.36 100 100 0.31 0.32 100 150 0.27 0.28 100 200 0.19 0.20 2 150 0 0.21 0.22 150 50 0.18 0.20 150 100 0.15 0.17 3 200 0 0.13 0.15 200 50 0.09 0.10 由表 1 可知，CCT 的理论计算值与仿真值误差在 5%以内，验证了本文考虑光伏后水光互补系统加减速面积计算及暂稳分析方法的准确性。表 1 中，由同组号中的结果对比表明，在所考虑的这种最严重故障情况下，当水电机组有功出力不变时，随着光伏接入功率的增加，系统 CCT 持第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 665 续下降，即水光互补系统中水电同步机暂态功角稳定性随着光伏接入功率的增加而逐步恶化。在不同组号之间的对比结果表明，水电机组有功出力对系统 CCT 有较大影响，随着水电机组有功出力的增加，CCT 降低明显，即水电机组的暂态功角稳定性随其出力的增加而降低。4.2 紧急切机控制算例验证：单水单光-无穷大系统 本节使用的算例系统、运行工况、故障设置等同 4.1 节算例。未采取紧急控制前，由式(6)计算得系统的加速面积为 1.2937，由式(10)计算得减速面积为 1.0650，由于加速面积大于减速面积，系统功角失稳如图 14所示。01234时间/s0100200300400水电机组功角/()图 14 采取紧急控制前功角曲线 Fig.14 Power angle curve before emergency control 基于本文提出的紧急切机控制策略形成4种紧急切机方案。4.2.1 方案 1：紧急切除水电机组部分功率 通过切除水电机组部分功率可降低水电机组机械功率，进而增大减速面积以提升系统暂态稳定性。由式(18)可得切除水电机组功率 29MW 时，水电机组机械功率下降为 281MW，减速面积增加为1.2939，加速面积不变为 1.2937，减速面积增加后足以抵消加速面积，系统可以恢复稳定运行，同步机功角曲线如图 15 所示。051015时间/s2060100140水电机组功角/()图 15 采取紧急切除水电机组部分功率后功角曲线 Fig.15 Power angle curve after emergency tripping control of part hydropower stations 4.2.2 方案 2：紧急切除部分光伏发电 采取紧急切除部分光伏发电控制方案时，基于3.1.2 节的方法搜索计算光伏切机量，当搜索计算切除光伏量为 42MW 时，系统中加速面积为 1.2937，减速面积增加至 1.2940，减速面积大于加速面积，系统可恢复稳定运行。相应的水电机组功角特性如图 16 所示。由于方案 1 和方案 2 得到的切机量均为临界切机控制量，系统都处在临界稳定状态，因而 2 种紧急切机控制方案实施后，图 15 和图 16 的功角特性曲线较为相似。051015时间/s2060100140水电机组功角/()图 16 采取紧急切除部分光伏发电的功角曲线 Fig.16 Power angle curve after emergency tripping control of part PV stations 4.2.3 方案 3：水光协调紧急切机控制方案 A 在采取水光协调紧急切机控制方案下，若光伏切机量指定为 10MW，由式(20)与式(21)计算得，当水电机组切机量为 22MW 时，系统加速面积不变，为 1.2937，减速面积增加至 1.2955，减速面积大于加速面积。因此，切除光伏 10MW 与水电 22MW 后，系统可恢复稳定，此为水光协调紧急切机控制方案 A。为节省篇幅，具体仿真结果不再给出。4.2.4 方案 4：水光协调紧急切机控制方案 B 在采取水光协调紧急切机控制方案下，若光伏切机量指定为 20MW，由式(20)(21)计算可得，水电机组切机量为 15MW 时，系统加速面积不变为1.2937，减速面积增加至 1.2969，减速面积大于加速面积。因此，切除光伏 20MW 与水电 15MW 后，系统可恢复稳定，此为水光协调紧急切机控制方案B。为节省篇幅，具体仿真结果不再给出。表 2 总结了 4 种水光互补系统紧急切机控制方案中水电、光伏的功率切除量。表 2 不同切机方案 Table 2 Different control schemes 方案 水电/MW 光伏/MW 1 29 0 2 0 42 3 22 10 4 15 20 考虑在系统发生大扰动事件的情况下，系统安全性重要程度