1、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 Con
2、trol 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 Ke
3、y 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 p
4、ower 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 h
5、idden 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 stabil
6、ity 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 integrate
7、d 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 ar
8、e 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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