【浙江大学电气工程学院】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_39页_17mb

新能源场站构网/跟网变流器容量配比估算总结

核心内容

本研究聚焦于低短路比场景下新能源场站构网型与跟网型变流器的容量配比估算，旨在提升系统稳定性与电网强度，以应对高比例新能源接入带来的电网安全问题。

主要观点

• 新能源接入系统的稳定性挑战：随着新能源占比上升，系统强度下降，导致电网面临振荡、过电压等稳定风险，如新疆哈密次同步振荡、南澳大停电等事故表明，系统强度不足是制约新能源消纳的关键瓶颈。
• 短路比（SCR）是系统强度的核心指标：SCR定义为短路容量与设备容量的比值，用于衡量电网对并网设备的电压支撑能力。工程上通常要求SCR ≥ 1.5以满足小扰动稳定性，SCR ≥ 1.0以保证潮流解存在性。
• 构网型设备优势与缺陷：构网型设备具备电压源特性，能有效提升系统强度，但在大扰动下易失稳，需关注其暂态支撑能力。其典型临界短路比CSCR约为1.5。
• 广义短路比（gSCR）的提出：为解决多场站系统强度量化问题，提出广义短路比概念，基于宽频灵敏度矩阵，反映多端口电网的电压/电流最大灵敏度。gSCR ≥ 1.5为工程需求的典型值。
• 构网设备容量配比估算方法：通过解析系统特征方程与SCR的显式关系，提出构网设备配比公式，支持三种配置方案：加装构网设备、改造构网风机、混合配置。配比计算基于电网初始gSCR与目标gSCR的差异，结合设备容量与等值阻抗进行估算。
• 典型配比结果与仿真验证：在不同配置方案下，通过仿真验证了配比对系统稳定性的提升效果。例如：
  • 改造构网风机：配比约≤8%（1.5 gSCR）或≤15%（2.0 gSCR），可有效提升系统稳定性。
  • 加装低压构网设备：配比约≤10%（1.5 gSCR）或≤20%（2.0 gSCR），但需注意其支撑能力较弱，需研发高压直挂设备。
  • 集中安装构网设备：配比可进一步降低，具有更好的经济性与工程可行性。

关键信息

系统强度与稳定性要求

构网设备配比方案

1. 改造构网风机

   • 配比范围：≤6.6%~8.5%（1.5 gSCR）；≤12.9%~16.3%（2.0 gSCR）
   • 优势：利用现有风机，无需额外投资，提升效率
   • 挑战：需改造控制策略，增加复杂度

2. 加装低压构网设备

   • 配比范围：≤8.0%~11.1%（1.5 gSCR）；≤16.8%~23.3%（2.0 gSCR）
   • 优势：直接提升系统强度
   • 挑战：低压设备接入高压网，支撑能力有限，需研发高压设备

3. 混合配置方案

   • 通过改造与加装结合，进一步优化配比比例，提高系统稳定性

配比估算公式

• 加装构网设备配比公式：
  $$
  \gamma_{\text{加装}} = \frac{f(gSCR_0) - f(gSCR_1)}{1 / (Z_{gf m} + Z_{T 1})}
  $$
• 改造构网设备配比公式：
  $$
  \gamma_{\text{改造}} = \frac{f(gSCR_0) - f(gSCR_1)}{1 / (Z_{gf m} + Z_{T 1}) - 1 / Z_{T 2} - f(gSCR_1)}
  $$

仿真验证结果

配比估算流程

1. 输入系统信息（网络参数、设备容量等）
2. 计算初始gSCR
3. 根据系统需求确定目标gSCR
4. 确定场站配置方案及变压器电抗
5. 计算容量配比

结论与展望

• 结论：在低短路比场景下，合理配置构网型设备可显著提升系统稳定性，典型配比为≤10%（1.5 gSCR）或≤20%（2.0 gSCR），具体方案需根据电网结构与设备类型进行选择。
• 展望：
  • 需进一步研究集中式配置构网设备的经济性与成本收益分摊问题。
  • 关注构网设备的“暂态容量”与过载能力，以提升其在大扰动下的支撑能力。
  • 推动基于广义短路比的系统强度评估与实时稳定控制技术的发展。

参考文献

[1] 电力电子多馈入电力系统的广义短路比. 中国电机工程学报, 2016.
[2] 多馈入直流系统广义短路比: 定义与理论分析. 中国电机工程学报, 2016.
[3] 基于广义短路比的电力电子多馈入系统小干扰概率稳定评估，电力系统自动化, 2018.
[4] Critical Short Circuit Ratio Analysis on DFIG Wind Farm with Vector Power Control and Synchronized Control. J ELECTR ENG TECHNOL, 2016.
[5] Small signal stability analysis of multi-Infeed power electronic systems based on grid strength assessment. IEEE Trans. Power Syst., 2019.
[6] Assessing strength of multi-Infeed LCC-HVDC systems using generalized short-circuit ratio. IEEE Trans. Power Syst., 2019.
[7] 基于广义短路比的光伏多馈入系统容量优化方法. 电力系统自动化, 2019.
[8] Identification of generalized short-circuit ratio for online stability monitoring of wind farms, IEEE Trans. Power Syst., 2019.
[9] Placing grid-forming converters to enhance small signal stability of PLL-Integrated power systems, IEEE Trans. Power Syst., 2021.
[10] Impacts of grid structure on PLL-Synchronization stability of converter-Integrated power systems, https://arxiv.org/abs/1903.05489.
[11] 电力电子并网装备的同步稳定分析与统一同步控制结构，电力自动化设备，2020.
[12] 多馈入电力系统广义短路比：多样化新能源场景. 中国电机工程学报，2020.
[13] gSCR for grid strength assessment in inhomogeneous multi-infeed LCC-HVDC systems, IEEE Trans. Power Syst., 2020.
[14] H∞-control of grid-connected converters: Design, objectives and decentralized stability certificates, IEEE Transactions on Smart Grid, 2020.
[15] 含SVG的新能源多馈入系统振荡分析和广义短路比计算，电力系统自动化，2021.
[16] 基于广义短路比的多馈入直流系统受端电网结构优化方法，电力系统自动化，2021.
[17] Small-signal Stability Assessment of Heterogeneous Grid-following Converter Power Systems based on Grid Strength Analysis, IEEE Trans. Power Syst., 2022.
[18] Assessing Maximal Capacity of Grid-following CIGs with Grid Strength Constraints, IEEE Trans. on Sustainable Energy, 2022.
[19] 电网强度视角下的新能源电力系统鲁棒稳定分析. 中国电机工程学报, 2022.
[20] gOSCR for grid strength assessment in renewable power systems under non-rated operating conditions, IEEE Trans. Power Syst., 2023.
[21] Assessing Grid Strength of 100% Inverter-Based Power Systems, TechRxiv, 2023.
[22] Generalized short-circuit ratio based distributed real-time stability assessment of renewable power systems. IEEE Trans. on Power Syst., 2023.
[23] 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.
[24] 提升新能源电力系统稳定性的构网型变流器选址定容方法. 电力系统自动化, 2023.
[25] 新能源基地柔性直流送出系统小扰动电压支撑强度评估，电工技术学报, 2023.
[26] 低短路比场景下新能源场站构网型与跟网型变流器容量配比估算. 中国电机工程学报, 2023.