余荣华 柳勇 国雪健 赵唯粟
（国网国际发展有限公司 北京 100031）
摘 要：近年来，随着新能源发电得到世界各国的广泛关注和迅猛发展，新能源大规模接入对电力系统运行控制产生的影响日益显著。为保障新能源并网后电网的安全稳定运行，有必要对电网新能源消纳能力进行研究。本文以菲律宾国家输电网为例，采用基于无功电压稳定裕度约束的新能源穿透率分析模型，以及新能源布局分析模型，对菲律宾电网接纳新能源能力进行深入研究，通过分析以风电和光伏为代表的新能源接入对系统的影响及其穿透率，为制定区域新能源与其它电源及电网的协调发展规划提供参考依据。
关键词：静态电压稳定裕度、布局分析、新能源穿透率、暂态校验
一、概述
目前，风电和太阳能作为商业化程度很高的新能源在很多国家发展极为迅猛，在新能源装机持续增长的同时，部分国家和地区的弃风弃光现象也愈加严重，因此准确评估地区风电穿透功率极限，由此制定合理的风电发展规划和外送通道建设规划对保持新能源持续健康发展具有重要意义。
在新能源发展政策推动下，近年来菲律宾新能源发展迅速。截至2019年底，菲律宾风电装机总容量达到49.4万千瓦，太阳能装机132.8万千瓦。然而，风能和太阳能固有的随机性、易变性和波动性使得大规模接入对电力系统的运行和控制产生显著的影响。而且新能源发电的并网减小了系统惯量，会导致在系统发生故障后如传统机组掉闸等，系统频率下降增大，系统稳定性易受到破坏。为避免系统大面积停电等恶性事故的发生，有必要研究并网新能源发电在系统事故情况下对电网的影响，在最恶劣条件下确定电网安全稳定运行的裕度，确定新能源发电的最大穿透率，为新能源发电的发展以及开发布局提供依据。
本文根据菲律宾电网已建及规划新能源电站概况、电源和电网现状及发展规划数据，开展分析。通过建立的基于电压稳定裕度分析的网架约束模型，对比分析给出菲律宾电网新能源功率穿透极限以及布局建议。主要内容包括：（1）从稳态以及暂态等方面分析影响菲律宾新能源穿透率的影响因素，建立基于电压稳定裕度分析的新能源穿透率分析模型；（2）分析菲律宾电网新能源接入后的系统无功电压特性，对菲律宾电网中大规模新能源接入后的系统潮流进行计算，分析新能源并网运行对节点电压水平的影响，通过电压稳定裕度实现对新能源穿透极限的确定以及规划新能源各地区接入容量的分配。
二、基于静态电压稳定裕度的穿透率分析
新能源穿透率受到电网安全稳定约束的限制，包括电压稳定约束与断面传输约束。本文采用的电压稳定约束方法不同于传统定义里因电压稳定或电压安全所限制的风电出力，而是系统中某个节点或区域受其自身网架约束的最大风电接纳能力，包括电压稳定、电压安全的约束、风电场送出线路的容量约束、变压器容量约束等，其特点在于直接确定该区域风电的极限并网容量（或允许最大出力）。
1.无功电压稳定裕度
在现代大型电力系统中电压崩溃问题已成为威胁电力系统安全运行的重要问题之一。为了防止电压崩溃事故，运行人员最关心的问题是当前电力系统运行点离电压崩溃点还有多远。要回答这个问题，就应该给运行人员提供一些确定电压稳定程度的指标。常用的电压稳定指标可分为状态指标和裕度指标，两类指标都能够给出系统当前运行点离电压崩溃点距离的某种量度。状态指标只取用当前运行状态的信息，计算比较简单，但存在非线性；裕度指标的计算涉及到过渡过程的模拟和临界点的求取问题,蕴含的信息量较大。相对于状态指标而言，裕度指标具有以下优点：
(1)能够给运行人员提供一个较直观的表示系统当前运行点到电压崩溃点距离的量度；
(2)系统运行点到电压崩溃点的距离与裕度指标的大小呈线性关系；
(3)可以比较方便地计及过渡过程中各种因素如约束条件、发电机有功分配、负荷增长方式等的影响。
因此,电压稳定裕度指标分析方法受到了广泛的重视。随着新能源的发展，可以通过对电压稳定裕度分析确定新能源并网对系统电压稳定的影响程度。
2.方法介绍
本文采用基于静态电压稳定储备系数的区域电网风电布局分析方法，通过分析电网中随着风电出力变化各风电场接入系统母线电压变化情况，利用P-V曲线得到该母线的临界电压，再根据系统的静态电压稳定储备系数折算出该母线能够达到的电压最低值即母线的正常电压，最后得到对应正常电压时接入该母线的风电容量。
静态电压稳定性计算一般采用实用算法，计算的结果通常表现为P-V曲线的形式。P-V曲线是静态电压稳定分析的工具之一，它通过建立母线电压和一个地区负荷或输电断面潮流之间的关系曲线，从而给出地区负荷或断面功率水平导致系统接近静态电压崩溃的程度。在常规电力系统应用P-V曲线分析电压稳定性问题时，P通常表示某区域的总负荷，也可代表系统传输断面或者是区域联络线上的传输功率，V则代表关键母线的电压，也可同时画出多个母线的电压曲线。
当把P-V曲线方法应用于风电场接入电网的静态电压稳定性分析时，由于需要考虑的是风电注入电网对电压稳定性的影响，P则代表了整个风电场发出的有功功率，V既可以是机端电压也可以是并网点的电压。对于应用P-V曲线对风电场接入电网的静态电压稳定性的分析，实际上是研究风速变化导致的风电场出力变化对电网电压的影响，采用简化的办法将小扰动电压稳定计算处理成为连续时间断面上每一个离散点的静态潮流计算，用于研究风电的注入功率引起的电压稳定性的变化及运行点距离电压崩溃点的距离，反映风电所接入的电网的电压稳定裕度。该方法计算流程图如下所示。
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图1：系统电压稳定条件下新能源消纳能力计算方法
三、菲律宾电网新能源穿透率确定
1.菲律宾电网介绍
菲律宾电网属于垄断经营、受严格监管企业，私有化前由国家输电公司（TransCo）负责运营。2009 年1月，菲律宾国家电网公司（NGCP）获得菲律宾国家输电网25 年特许经营权。按照特许经营权法案，菲政府拥有输电资产所有权，NGCP 负责管理并运营菲律宾全国的输电资产，负责全国高压输电设施（包括联网）的规划、建设、调度、运行和维护。
菲律宾输电网由吕宋、维萨亚、棉兰老三大区域电网组成，其中，吕宋电网与维萨亚电网间通过±350千伏莱特—吕宋直流输电工程互联，棉兰老电网目前暂为孤网运行。受地理条件限制，除首都马尼拉地区电网有环网外，大部分地区电网结构呈放射状，部分主要岛屿之间由交、直流海缆相联。菲律宾输电网电压等级主要有：500千伏、230千伏、138/115千伏、69千伏；直流±350千伏。截至2018年，NGCP拥有输电线路约21390公里。
2.新能源穿透率确定
下面以吕宋电网为例对菲律宾电网新能源消纳能力进行分析，并确定新能源穿透率。根据菲律宾可再生能源计划，风电和光伏发电将被连接到吕宋电网的四个地区，1区西北部（Laoag变电站），2区东北部（Magapit、Sta Ana、Lucban变电站），3区中部（Labrador、Subic变电站），4区南部（Kalayaan EHV、Malaya、Gumaca、Labo、Makban变电站）。通过对菲律宾电网中大规模新能源接入后的系统潮流进行计算，分析新能源并网运行对节点电压水平和系统无功的影响，通过电压稳定裕度确定新能源穿透极限，并据此规划新能源各地区接入容量的分配。
（1）区域1风电穿透率分析
假设其他地区的风电和太阳能发电的容量为零，即不考虑风电和太阳能发电在其他地区输出变化的影响。连接到Laoag变电站的风电场的PV和VQ曲线如图1所示。随着风电场有功功率的增加，Laoag变电站的电压将先增加后减小。这表明当风电出力较低时，可以满足局部负荷需求的一部分，提高当地的电压水平。随着风电出力的不断增加，风电满足本地全部负荷需求，额外的输出功率将导致局部电压下降。
根据图1（上）所示的正常运行方式下PV曲线，当风电功率达到106MW时，Laoag变电站将会发生电压崩溃。相应的VQ曲线是图1（下）中所示的红色曲线。右侧红色VQ曲线过零点表明，可以从电网向Laoag变电站注入少量的无功功率，这也表明当风力发电达到106MW时，将会导致局部电压不稳定。根据静态稳定要求，电力系统应具有额定电压10％-15％的电压静态稳定裕度，本文取10％。如图2所示，非高峰负荷情景下Laoag变电站的崩溃电压为0.93pu。因此，Laoag变电站的电压下限应为1.02pu，相应的风电出力为92MW，这意味着1区风电场的总有功功率输出应控制在0-92MW的非高峰负荷范围。
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图2：laoag变电站风电场PV/VQ曲线
为确保接入风电的电力系统安全稳定，需要监测主输电线路输送风电的有功潮流和负荷。如图4所示，风电出力增加到18MW左右时，输电线路有功潮流方向将逆转，风电出力从0增加到90MW时，负荷总是在50％以下。
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图4：1区负荷传输曲线
（2）区域2风电穿透率分析
假设其他三个地区的风能和太阳能发电能力为零，即不考虑其他地区的风能和太阳能发电量变化的影响。接入Magapit变电站的风电场的PV和VQ曲线如图5所示。当风电场处于低功率输出运行，输出功率小于本地负荷需求时，局部电压会上升，因为部分负荷可以通过风电满足，导致无功功率损失较小。随着风电出力的不断增加，风电出力将充分满足负荷需求，额外输出功率将导致无功损耗的增加和局地电压的降低。
根据图5（上）所示的PV曲线，当风电出力达到83MW时，Magapit变电站的电压将会崩溃，相应的VQ曲线如图5（下）红色曲线所示。红色VQ曲线的最低点意味着无需从电力系统向Magapit变电站注入更多的无功功率。这种情况下Magapit变电站的崩溃电压为0.99pu。因此，考虑到10％的电压静态稳定裕度，Magapit变电站的电压下限应该是1.1pu，在非高峰负荷情况下，相应的风电出力上限为80MW。
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图5: Magapit变电站风电场PV/VQ曲线
如图6所示，输电线路的有功潮流方向将在风电输出增加到20MW左右时反转。风电出力可控制在0?79MW范围内，不会造成输电线路超载。
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图6：2区负荷传输曲线
（3）区域3新能源穿透率分析
假设其他三个地区的风能和太阳能发电能力为零，即不考虑其他地区的风能和太阳能发电量变化的影响。连接到Labrador变电站的风电场和连接到Subic变电站的太阳能电站的PV和VQ曲线如图7所示。 Labrador和Subic变电站的电压将随着风电场有功功率的增加而下降。当风能和太阳能总发电量达到1239MW时，Labrador和Subic变电站的电压将会崩溃，相应的VQ曲线如图7（下）所示的红色曲线。红色VQ曲线中的最低点表示不再有无功功率可以从电力系统注入Labrador和Subic变电站。如图7（下）所示，Labrador变电站在非高峰负荷情景下的崩溃电压为0.93pu。因此，考虑10％的电压静态稳定裕度，Labrador变电站的电压下限应为1.036pu，在非高峰负荷情景下，相应的风光互补输出上限为464MW。
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图7: Labrador和Subic变电站PV/VQ曲线
如图8所示，当风电和太阳能总发电出力增加到200MW左右时，线路的有功潮流方向将逆转，若风能和太阳能总功率输出可以控制在0到464MW之间，则输电线路总负荷始终低于30％。
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图8: 3区线路负荷
（4）区域4新能源穿透率
假设其他三个地区的风能和太阳能发电能力为零，即不考虑其他地区的风能和太阳能发电量变化的影响。与Kalayaan EHV，Malaya，Gumaca和Labo变电站相连接的风电场以及与Makban变电站相连的太阳能电站的PV和VQ曲线如图9所示。大多数风电场将连接到Kalayaan EHV和Labo变电站，所以KalayaanEHV和Labo变电站的电压监测如图9（上）所示。随着风电场有功出力的增加，Kalayaan EHV和Labo变电站电压先增加后减小，当风电出力达到971MW时，电压崩溃，相应的VQ曲线如图9（下）中的红色曲线所示。红色VQ曲线的最低点表明，不能再有更多的无功功率从电网注入Kalayaan EHV变电站和Labrador变电站。如图9所示，在这种情况下，Kalayaan EHV高压变电站的崩溃电压为0.90pu。 因此，考虑到10％的电压静态稳定裕度，Labrador变电站电压下限应为0.99pu，非高峰负荷情况下相应的风光互补输出上限为486MW。
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图9: Kalyn EHV和Labo变电站PV/VQ曲线
如图10所示，当风电和太阳能总发电量增加到360MW左右时，线路有功潮流方向将逆转，若风电和太阳能发电总输出功率可控制在0?486MW，则负荷总是低于25％。
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图10：4区线路负荷
上述结果是在对吕宋电网单区分析的基础上给出的。但是，不同地区的风电和太阳能并网运行彼此间会产生很大的影响，各地区风电和太阳能最大规划容量的最终结论应根据对所有连接吕宋电网的风电场和太阳能电站的分析得出。考虑到10％的电压静态裕度，可以根据上述方法给出非高峰负荷情景下四个区域的风电和太阳能总发电量上限。
四、结论
风电及光伏发电具有波动性和随机性的特点，大规模集中并网时会对电网的安全稳定运行带来影响。本文采用了基于电压稳定裕度确定新能源穿透率的分析方法，并结合案例进行了分析。通过建立新能源电站无功特性分析模型，评估菲律宾电网接入新能源后的电压特性，对菲律宾电网新能源接入后的系统潮流进行计算，分析新能源并网运行对节点电压水平的影响，根据电压稳定裕度确定穿透率，最后通过暂态分析实现对菲律宾新能源穿透率的校验。
新能源网架的强弱成为决定风电和光伏并网后系统能否稳定运行的决定性条件，合理的布局能够最大限度的消纳新能源。本文采用的方法分析研究了网架结构对风电装机布局的影响，以确定各区域电网的穿透功率极限。通过分析电网中新能源出力变化，得到母线电压相对于其初始电压的变化率，再根据电压变化率计算出区域电网中各母线可接入风电的容量增幅。利用该容量的增幅评价新能源电站接入点的网架强弱，并据此确定系统内各个新能源电站并网点可接入新能源比例，从而给出新能源开发容量的穿透率及布局建议，据此实现新能源穿透功率极限的评估。
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