构网型储能对新能源多场站短路比的影响分析.pdf

宁夏电力 年第 期新能源构网型储能对新能源多场站短路比的影响分析郑如强高保皓(国网宁夏电力有限公司经济技术研究院宁夏 银川)摘 要:新能源多场站短路比()是衡量电力系统支撑强度的重要指标构网型储能对提升 具有重大意义 首先介绍构网型储能的基本结构对构网型储能的功率与频率电压的关系进行分析通过理论推导和仿真结果验证了构网型储能具有虚拟同步发电机特性可等效为传统电源向交流系统提供短路容量然后基于等值阻抗矩阵揭示了构网型储能对 的影响机理最后结合算例验证了构网型储能对 的提升作用关键词:构网型储能新能源多场站短路比同步发电机等值阻抗矩阵中图分类号:文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):().:./.引 言高比例新能源电力系统是未来发展的趋势 新能源通常采用电流源逆变器并网运行需要电网提供足够的电压支撑 随着大规模新能源不断并网运行给电网的运行特性带来了新的变化尤其是电压稳定的问题逐渐凸显 新能源中功率变换器的电流耐受力不高无法在新能源场站故障时提供足够的故障电流大规模新能源并网运行将会降低新能源多场站短路比宁夏电力 年第 期()因此 是衡量电力系统支撑强度的重要指标 通过评估电力系统的 与临界短路比指标可衡量系统电压支撑强度和运行状态目前研究热点集中于提高 以提升系统支撑强度 文献针对电网电压跌落故障时通过控制策略使直流输电实现纯无功输出提升系统临界短路比但对系统短路容量影响很小文献采用分布式小型调相机接入系统节点可有效提供短路容量但对于新能源用户而言调相机价格昂贵性价比不高 随着新能源、储能技术的发展为提供足够的电压源支撑变流器构网控制技术将会是未来发展趋势 构网型技术可在扰动前、中、后各阶段构建稳定运行的自同步电源通过维持电势角度、惯量及调频的特性可参与有功不平衡的控制通过电压闭环控制特性可发挥调相机的作用 由于构网型技术需要稳定电源作为支撑将构网型技术应用到储能具有先天优势基于以上背景首先给出构网型储能系统结构通过分析构网型储能收发无功、有功对系统频率和电压的影响采用理论公式推导和仿真的方法验证构网型储能等效于传统电源可向系统提供短路容量然后利用多端口戴维南方法分析构网型储能提升 的机理最后通过算例验证了构网型储能有利于提升 提高系统稳定性 构网型储能.构网型储能基本结构构网型储能系统由蓄电池、电力电子变换器、控制器、滤波电路组成 蓄电池经前级变换器和网侧变换器升压逆变为交流电把化学能转换为电能其中前级变换器为双向 变换器网侧变换器为 变换器电容起到稳压作用再经滤波电路平滑波形后并网发电 反之电网经滤波电路和电力电子变换器整流为直流电向蓄电池充电 构网型储能系统结构如图 所示图 构网型储能系统结构 ()式中:、分别表示蓄电池有功功率、经前级变换器逆变的有功功率、并网有功功率、分别表示前级变换器功率因数、网侧变换器功率因数、分别表示稳压电容、滤波电感表示并网点交流等值阻抗由式()和电力电子变换器的基本原理可知通过控制器实时采集输出信号闭环反馈控制开关元件的开关频率能够实时控制构网型储能系统并网输出的有功功率和无功功率 通过有功功率控制向网端注入或吸收有功功率对系统频率进行动态调节通过无功功率控制向网端注入或吸收无功功率减小系统电压偏差.构网型储能的功率与频率电压的关系同步发电机的频率和电压控制机理在本质上表现为通过控制有功功率和无功功率来动态调节系统频率和电压称为有功频率特性和无功电压特性 以下分析构网型储能的功率与频率、电压的关系如图 所示、分别表示电网电压、储能并网电压、电网侧视在功率、储能侧视在功率、电流、等效阻抗 假设 为零相位基准电压则有 储能并网电压可表示为 为功角电流可表示为 为功率因数角图 构网型储能系统并网等值电路郑如强等:构网型储能对新能源多场站短路比的影响分析储能侧视在功率 可表示为 ()()式中:、分别表示储能侧有功功率和无功功率 为 的共轭复数向储能系统充电的有功功率和无功功率可以表示为 /()/()/()假设 其中、为电阻和电抗则有功功率和无功功率又可以表示为式()经过简化得到:()对于电网输电线路电阻可忽略不计功角 很小有 、则式()可进一步简化为 ()功角与频率存在直接关系由式()可知构网型储能系统可以通过控制有功功率实现功角的动态调节从而调节频率通过控制无功功率实现电压的动态调节搭建仿真模型验证构网型储能的有功无功调节特性仿真的主要技术参数包括:额定电压、额定频率 、线路电阻 .、线路电感.、滤波电容.、滤波电感 .构网型储能系统容量为.有功功率控制仿真分析在.通过减少 的三相负荷来模拟负荷突变后系统有功功率需求降低 如图()所示储能系统不工作的情况下频率由 上升至.频率偏差约为.如图()、图()所示储能系统投运的情况下储能系统吸收的有功功率约为 由于储能提供转动惯量的作用实现虚拟一次调频减缓频率的变化频率由 上升至.频率偏差由.减小到.()储能系统不工作()储能系统投运()储能系统吸收有功功率图 减少有功负荷的频率变化同理可得在.通过增加 的三相负荷来模拟负荷突变后系统有功功率需求增加储能的投运为负荷提供 左右的有功功率有效减缓了频率的变化如图 所示()储能系统不工作宁夏电力 年第 期()储能系统投运()储能系统提供有功功率图 增加有功负荷的频率变化.无功功率控制仿真分析在.通过减少 的三相负荷来模拟负荷突变后系统无功功率需求降低 如图()所示储能系统不工作的情况下电压由 上升至 左右电压偏差约为 如图()、图()所示储能系统投运的情况下储能系统吸收的无功功率约为 电压由 上升至 左右电压偏差由 减小到 ()储能系统不工作()储能系统投运()储能系统吸收无功图 减少无功负荷的电压变化同理可得在.通过增加 的三相负荷来模拟负荷突变后系统无功功率需求增加储能的投运为负荷提供 左右的无功功率有效减小电压偏差如图 所示()储能系统不工作()储能系统投运()储能系统提供无功功率图 增加无功负荷的电压变化仿真结果表明系统有功负荷和无功负荷变化引起的频率、电压偏差经过储能系统的有功功率和无功功率控制能够有效减小频率、电压偏差提升了系统的稳定性和安全性 构网型储能提升 的分析.构网型储能提供短路容量的分析由于构网型储能的有功无功调节特性并网运行后的构网型储能整体可等效为一个传统电源向电网提供短路容量 定义交流电网中的短路容量:()式中:代表额定电压代表多端口戴维南等值阻抗定义短路电流有效值为 则在频率为 工频情况下系统发生短路后经过约.(半个周期)短路电流的周期分量和直流分量将达到最郑如强等:构网型储能对新能源多场站短路比的影响分析大值称为短路冲击电流 本文取两者的关系为.短路容量的公式如下:.()若已知短路冲击电流 可求得系统节点短路容量 根据图 搭建仿真模型模型主要由直流电源模块、直流斩波电路、逆变电路、滤波电路等部分构成 主要参数包括额定电压 、额定容量 、基准容量 、基准电压 、并网点交流等值阻抗.电阻忽略不计 在储能并网点设置三相短路故障故障发生时间为 持续时间为.如图 所示构网型储能并网点的三相短路电流在.左右达到峰值短路冲击电流.由式()可得短路容量仿真值为 由式()可得储能并网点短路容量理论值为 仿真值与理论值基本一致从而有效证明了构网型储能可向交流系统提供短路容量图 构网型储能的三相短路电流.的定义高比例新能源电力系统通常出现多个新能源场站同时接入的情况文献利用多端口戴维南方法简化交流系统模型得出第 个新能源场站节点的 数学表达式定义为/()式中:、分别代表节点 的短路容量、运行电压、标称电压、注入电网系统电流代表其他新能源场站反馈后节点 的等值视在功率代表注入节点 的新能源视在功率、分别代表电网侧等值阻抗矩阵 中相应节点的自阻抗、互阻抗通常电抗大于电阻则式()可化简为/()式中:代表注入节点 的新能源有功功率以 作为基准电压以节点 的额定容量作为基准功率则式()可化简为()式中:、分别代表、的标幺值由简化后的表达式可知随着大规模新能源不断并网运行对电网系统的影响越大 越小电网系统的支撑能力越弱使用新能源机端多场站短路比评估新能源场站的稳定区间 如表 所示表 新能源场站的稳定区间 范围系统强弱程度.强.构网型储能提升 的机理由式()和式()可知构网型储能可等效为传统电源一方面向电网系统提供短路容量从而影响短路比另一方面也会改变系统的等值阻抗矩阵 本节利用多端口戴维南方法详细分析构网型储能影响 的机理多端口戴维南方法可有效简化电力网络如图 所示系统等效模型由储能侧、新能源发电侧、电网侧构成 储能接入后可等效为在节点 并联对地支路 储能接入节点 后等值阻抗矩阵 变为等效节点阻抗矩阵 其表达式为 ()宁夏电力 年第 期式中:为 的转置为等值阻抗矩阵 的第 行向量为构网型储能等效阻抗图 构网型储能接入后系统等效模型将 展开后其任意元素的公式如下:()储能接入系统后等值阻抗矩阵 中所有元素将会降低而节点 的自阻抗 降低的最多假设 新能源场站之间的电压相角相等则式()可表示为 ()将 代入式()后表示储能接入节点第 个新能源场站节点的 的变比为 ()由上式可知储能接入系统后 大于 综上所述构网型储能接入可有效提升各节点 尤其是对储能接入的节点 有显著提升作用 算例验证以宁夏某风电场为例使用国家电网规划仿真计算分析平台搭建仿真模型 目前缺少构网型储能的建模研究仿真平台尚无构网型储能模型暂利用调相机模型替代构网型储能模型进一步验证构网型储能对 的影响该风电场总装机容量为 由 个均为 的电源点 和 组成分别经过/.和/两个电压等级升压汇集以 回 线路接入某 升压站 母线侧如图 所示图 某风电场电气接线 升压站接入的新能源大多为风电新能源装机容量将近 属于典型的新能源汇集站呈现高比例电力电子化的电力系统特性如图 所示在新能源大发方式下(光伏发电同时率 风电同时率)周边电网通过特高压直流输电将大规模新能源外送实现清洁能源向受端输电图 某风电场电气接线郑如强等:构网型储能对新能源多场站短路比的影响分析如表 所示新能源大发方式下电源点 和 注入功率均为 短路容量分别为.、.分 别 为.、.短路比严重低于.表明该局部系统电压支撑强度属于极弱等级系统存在安全隐患表 某风电场新能源机端短路比电源点基准电压/短路容量/注入功率/.目前储能接入形式主要分为两类:)用户侧储能指的是新能源用户侧配置小容量储能的“新能源 储能”应用形式一般安装在新能源场站或者新能源机端并网点)电网侧储能指的是集中式储能接入交流系统向电网提供调峰调频、备用、黑启动、需求响应等多种服务促进地区性电网削峰填谷缓解电网供电压力 本文主要讨论构网型储能对新能源多场站短路比的影响因此以用户侧储能作为研究对象风电场构网型储能安装位置如图 所示其中构网型储能 和构网型储能 容量均为/储能 安装在风电场的 汇集母线上储能 安装在 升压站主变压器低压侧图 风电场构网型储能安装位置 构网型储能对 的提升作用如表 所示表 加装构网型储能对新能源机端短路比的影响电源点类型短路容量/增量加装构网型储能.加装构网型储能.加装构网型储能.加装构网型储能.构网型储能 投运后向电源点提供了短路容量电源点 的短路容量由.提升至.电源点 的短路容量由.提升至.对电源点 的 具有显著的提升作用电源点 的 由.提升至.增量为.对电源点 的 提升作用较小增量为.构网型储能 投运后向电源点 和 提供的短路容量较小对 的提升作用不大从仿真结果可以看出构网型储能安装在不同的位置对各电源点 的提升作用不同储能 安装在电源点 的 汇集母线上对电源点 的短路容量和 影响最大电源点 距离储能 较远提升效果低 储能 距离各电源点远并且距离相近因此对 的提升效果低均为.仿真结果与理论分析一致进一步验证了构网型储能对 的影响作用 结 论基于等值阻抗矩阵分析构网型储能对的影响机理通过理论分析和国家电网规划仿真计算分析平台加以验证 得出以下结论:)构网型储能具有有功无功调节特性可等效为传统电源对系统进行调节)构网型储能可有效提升系统各节点的并且安装位置对系统各节点的 影响作用不同其中安装在新能源节点上对该节点的 提升效果最好距离越近效果越显著宁夏电力 年第 期参考文献 国家发展和改革委员会能源研究所.中国 高比例可再生能源发展情景暨途径研究.周孝信鲁宗相刘应梅等.中国未来电网的发展模式和关键技术.中国电机工程学报():.康重庆姚良忠.高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架.电力系统自动化():.马进赵大伟钱敏慧等.大规模新能源接入弱同步支撑直流送端电网的运行控制技术综述.电网技术():.:.():.():.国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会.电力系统安全稳定计算规范:/.北京:中国标准出版社.全国电网运行与控制标准化技术委员会.电力系统安全稳定导则电力系统技术导则条文释义与学习辅导.北京:中国电力出版社.于琳孙华东徐式蕴等.电力电子设备接入电压支撑强度量化评估指标综述.中国电机工程学报():.():./.:.余果吴军夏热等.构网型变流器技术的发展现状与趋势研究.综合智慧能源():.罗宏健.虚拟同步发电机特性的能量型储能系统控制策略研究.成都:电子科技大学.林晓冬雷勇等.基于 型三电平变流器的超导磁储能系统及其能量成型控制策略.电网技术():.李武华王金华杨贺雅等.虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略.中国电机工程学报():.田雨青郑天文陈来军等.基于自适应调节的虚拟同步发电机频率控制.南方电网技术():.王博杨德友蔡国伟.高比例新能源接入下电力系统惯量相关问题研究综述.电网技术():.孙华东徐式蕴许涛等.新能源多场站短路比定义及指标.中国电机工程学报():.收稿日期:修回日期:作者简介:郑如强()男工学硕士工程师主要从事电网规划与发展方面的研究工作(:.)