特高壓聯(lián)絡(luò)線峰值功率分析范文
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《高電壓技術(shù)雜志》2015年第十一期
摘要：
為了尋找仿真分析中影響特高壓聯(lián)絡(luò)線峰值功率轉(zhuǎn)移比的關(guān)鍵因素，從負(fù)荷模型的角度研究了仿真分析和實(shí)際系統(tǒng)中特高壓聯(lián)絡(luò)線峰值功率轉(zhuǎn)移比的差異。在不同負(fù)荷模型產(chǎn)生不同阻尼比的基礎(chǔ)上，從靜態(tài)負(fù)荷模型的表達(dá)式出發(fā)，首先對(duì)比了恒阻抗、恒電流、恒功率3種負(fù)荷模型的電壓特性，并分析了電壓特性對(duì)峰值功率轉(zhuǎn)移的抑制作用，進(jìn)一步研究了轉(zhuǎn)移比的差異對(duì)直流閉鎖安全控制策略中切負(fù)荷量的影響，即轉(zhuǎn)移比較大時(shí)所需的切負(fù)荷量較大，反之切負(fù)荷量較小。不同負(fù)荷模型計(jì)算所得轉(zhuǎn)移比有48%的差異，充分說(shuō)明負(fù)荷模型是仿真分析中影響轉(zhuǎn)移比的關(guān)鍵因素之一。因此負(fù)荷模型對(duì)轉(zhuǎn)移比仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，建議全網(wǎng)開展負(fù)荷模型校核工作。
關(guān)鍵詞：
負(fù)荷模型；負(fù)荷；電壓特性；特高壓；聯(lián)絡(luò)線；峰值功率轉(zhuǎn)移比；控制策略
長(zhǎng)治—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程及其擴(kuò)建工程建成投運(yùn)以來(lái)，當(dāng)華北或華中產(chǎn)生功率缺額時(shí)，特高壓交流聯(lián)絡(luò)線上會(huì)產(chǎn)生較大的功率波動(dòng)[1-4]。隨著哈密南—鄭州(哈鄭)、溪洛渡—浙江(溪浙)等大容量直流的相繼投運(yùn)，直流的單極或雙極閉鎖故障產(chǎn)生的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)有可能破壞特高壓交流的靜態(tài)穩(wěn)定極限，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-8]。以往的仿真分析中，計(jì)算所得聯(lián)絡(luò)線峰值功率轉(zhuǎn)移比與實(shí)際轉(zhuǎn)移比存在一定差異，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式的安排，安全穩(wěn)定控制策略的制定及整個(gè)安控系統(tǒng)的實(shí)施帶來(lái)了較大困難，從而增加了電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。隨著跨大區(qū)大容量直流或交流工程的建成投產(chǎn)，尋找影響仿真計(jì)算中交流聯(lián)絡(luò)線峰值功率轉(zhuǎn)移比的關(guān)鍵因素已成必然。文獻(xiàn)[9]中提到，系統(tǒng)的慣性常數(shù)比、互聯(lián)系統(tǒng)區(qū)域振蕩模式阻尼比是決定特高壓峰值功率轉(zhuǎn)移比的關(guān)鍵因素。本文首先從負(fù)荷模型的角度對(duì)比分析了不同靜態(tài)負(fù)荷模型下區(qū)域振蕩模式阻尼比。并在此基礎(chǔ)上，從靜態(tài)負(fù)荷模型的表達(dá)式出發(fā)，對(duì)比分析了恒阻抗、恒電流、恒功率負(fù)荷的電壓特性，利用負(fù)荷電壓特性進(jìn)一步說(shuō)明了仿真分析中負(fù)荷模型對(duì)聯(lián)絡(luò)線峰值功率轉(zhuǎn)移比和直流閉鎖安全控制策略的影響，指出負(fù)荷模型是影響功率轉(zhuǎn)移比分析的關(guān)鍵因素之一，建議改善現(xiàn)有負(fù)荷模型的準(zhǔn)確性，以期為特高壓大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。
1功率分配過(guò)程和負(fù)荷模型簡(jiǎn)介
1.1電力系統(tǒng)受擾后功率分配過(guò)程電力系統(tǒng)受到功率擾動(dòng)后的功率分配分為3個(gè)階段[9-10]：第1階段為擾動(dòng)瞬間，發(fā)電機(jī)輸出功率的變化按照發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)與擾動(dòng)點(diǎn)之間的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)來(lái)分配，與擾動(dòng)點(diǎn)的電氣距離越近，該發(fā)電機(jī)對(duì)擾動(dòng)功率的分擔(dān)就越大[11]。第2階段為發(fā)生功率擾動(dòng)到發(fā)電機(jī)調(diào)速器大幅度動(dòng)作之前，發(fā)電機(jī)按其慣性常數(shù)來(lái)分擔(dān)變化的負(fù)荷量。第3階段為系統(tǒng)頻率趨穩(wěn)，發(fā)電機(jī)調(diào)速器將通過(guò)動(dòng)作來(lái)改變輸出功率，擾動(dòng)功率按調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)分配到各發(fā)電機(jī)。
1.2電力系統(tǒng)負(fù)荷模型負(fù)荷模型是負(fù)荷的功率(有功和無(wú)功)或電流隨變電站(母線)電壓和頻率的變化而變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。一般分為靜態(tài)負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。靜態(tài)負(fù)荷模型反映母線負(fù)荷功率(有功、無(wú)功)隨模型電壓和頻率的變化而變化的規(guī)律，其中負(fù)荷隨電壓變化的特性稱為負(fù)荷電壓特性，負(fù)荷隨頻率變化的特性稱為負(fù)荷頻率特性，2者一般可用代數(shù)方程表示。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型反映母線負(fù)荷功率(有功、無(wú)功)隨母線電壓、頻率和時(shí)間的變化而變化的規(guī)律，一般可用微分方程或差分方程表示，由于動(dòng)態(tài)負(fù)荷的主要成分是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因此常用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型表示動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。一般用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型并聯(lián)有關(guān)靜態(tài)負(fù)荷模型來(lái)描述綜合負(fù)荷的動(dòng)態(tài)行為[12-18]。我國(guó)各電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行部門中，華北、華中、東北和西北電網(wǎng)在進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算分析時(shí)，采用恒定阻抗+感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，其中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占總負(fù)荷比例為40%~60%。華東和南方電網(wǎng)在進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算分析中，采用靜態(tài)負(fù)荷模型，其中，華東電網(wǎng)采用恒定阻抗+恒定功率模型、不考慮負(fù)荷的頻率特性，南方電網(wǎng)采用恒定電流+恒定功率+恒定阻抗模型、考慮負(fù)荷的頻率特性。
2負(fù)荷模型對(duì)聯(lián)絡(luò)線峰值功率轉(zhuǎn)移比的影響
2.1負(fù)荷電壓特性假如負(fù)荷模型的靜態(tài)部分全部為恒阻抗模型或恒電流模型或恒功率模型。由靜態(tài)負(fù)荷模型多項(xiàng)式表達(dá)式可知，恒阻抗負(fù)荷模型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷量與電壓的平方成正比；恒電流負(fù)荷模型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷量與電壓成正比；恒功率負(fù)荷模型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷量與電壓關(guān)系不大。當(dāng)電壓降低時(shí)，3種模型下負(fù)荷的減少量大小關(guān)系為：恒阻抗>恒電流>恒功率；反之，當(dāng)電壓升高時(shí)，3種模型下負(fù)荷的增加量大小關(guān)系為：恒阻抗>恒電流>恒功率。
2.2負(fù)荷模型對(duì)峰值功率轉(zhuǎn)移比的影響參考式(1)的表述，一方面負(fù)荷模型會(huì)影響區(qū)域振蕩模式的阻尼比，另一方面負(fù)荷模型的電壓特性會(huì)影響增減的負(fù)荷量，負(fù)荷模型幾乎對(duì)系統(tǒng)的慣性常數(shù)沒有影響。利用華北華中特高壓聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明負(fù)荷模型對(duì)功率轉(zhuǎn)移比的影響，首先分析負(fù)荷模型對(duì)區(qū)域振蕩模式阻尼比的影響，負(fù)荷模型若有變化，小干擾計(jì)算中的線性化矩陣將發(fā)生改變，計(jì)算所得的振蕩模式隨之改變，最終導(dǎo)致阻尼比發(fā)生變化；其次分析負(fù)荷電壓特性對(duì)負(fù)荷增減量的影響，進(jìn)一步影響功率轉(zhuǎn)移比。采用中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)的PSD–BPA仿真計(jì)算軟件，仿真計(jì)算中，華北負(fù)荷模型為60%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+40%恒阻抗，華中負(fù)荷模型為50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+50%恒阻抗，下面以此模型為原始模型分析負(fù)荷模型對(duì)轉(zhuǎn)移比的影響。方式及模型1，特高壓交流華北送華中5000MW方式，華北與華中總慣量常數(shù)比約為1.2，三峽電廠掉1機(jī)760MW，同時(shí)修改華北、華中負(fù)荷模型的靜態(tài)部分，詳見表1。方式及模型2，特高壓交流華北送華中5000MW方式，華北與華中總慣量常數(shù)比約為1.2，三峽近區(qū)電廠掉1機(jī)760MW，華北負(fù)荷模型不變，修改華中負(fù)荷模型的靜態(tài)部分，詳見表1。2種方式及模型下，仿真計(jì)算功率峰值和表達(dá)式計(jì)算功率峰值如表1所示。從表1計(jì)算結(jié)果可知，方式及模型1中，華北華中負(fù)荷模型靜態(tài)部分同為恒阻抗、恒電流、恒功率下區(qū)域振蕩模式阻尼比分別為17.4%、10.8%、3.64%，根據(jù)式(1)計(jì)算可得，轉(zhuǎn)移比分別為85.8%、93.3%、103.2%，聯(lián)絡(luò)線功率峰值分別為5652、5709、5784MW，仿真計(jì)算的聯(lián)絡(luò)線功率峰值分別為5575、5651、5764MW，公式計(jì)算的聯(lián)絡(luò)線功率峰值與仿真計(jì)算的聯(lián)絡(luò)線功率峰值分別相差77、58、20MW。由此可知，仿真計(jì)算中，負(fù)荷模型是影響功率峰值的因素之一。為了進(jìn)一步說(shuō)明負(fù)荷模型對(duì)功率峰值的影響，考慮了方式及模型2，從表1計(jì)算結(jié)果可知，華中50%恒阻抗、恒電流、恒功率靜態(tài)負(fù)荷模型下區(qū)域振蕩模式阻尼比分別為17.4%、12.9%、7.7%，根據(jù)式(1)計(jì)算可得，轉(zhuǎn)移比分別為85.8%、90.7%、97.3%，聯(lián)絡(luò)線功率峰值分別為5652、5690、5739MW，仿真計(jì)算的聯(lián)絡(luò)線功率峰值分別為5575、5710、5940MW，公式計(jì)算的聯(lián)絡(luò)線功率峰值與仿真計(jì)算的聯(lián)絡(luò)線功率峰值分別相差77、−20、−201MW。由此可知，特高壓聯(lián)絡(luò)線兩端系統(tǒng)的負(fù)荷模型對(duì)功率峰值產(chǎn)生了更大的影響。具體分析如下：華中產(chǎn)生功率缺額后，華北通過(guò)特高壓聯(lián)絡(luò)線支援華中功率缺額，當(dāng)華中采用恒阻抗負(fù)荷模型時(shí)，一方面區(qū)域振蕩模式的阻尼比最大，系統(tǒng)的超調(diào)量最小，另一方面華中負(fù)荷減少量最大，如圖1、2所示，華中總的功率缺額最小，負(fù)荷的電壓特性對(duì)聯(lián)絡(luò)線上的功率增加起到的抑制作用最大，綜合以上2方面的作用可得，在此模型下，功率峰值最小，轉(zhuǎn)移比約為75.7%，如圖3所示；當(dāng)華中采用恒功率負(fù)荷模型時(shí)，一方面區(qū)域振蕩模式的阻尼比最小，系統(tǒng)的超調(diào)量最大，另一方面華中負(fù)荷減少量最小，華中總的功率缺額最大，負(fù)荷的電壓特性對(duì)聯(lián)絡(luò)線上的功率增加起到的抑制作用最小，綜合以上2方面的作用可得，此模型下，功率峰值最大，轉(zhuǎn)移比約123.6%；華中采用恒電流負(fù)荷模型時(shí)的轉(zhuǎn)移比則介于前2者之間。綜合以上分析結(jié)果可知，當(dāng)采用不同負(fù)荷模型時(shí)，不僅功率峰值的仿真計(jì)算值與公式計(jì)算值相差較大，且仿真計(jì)算中，不同負(fù)荷模型下仿真計(jì)算所得功率峰值相差較大，如華北負(fù)荷模型不變，華中恒功率模型下功率峰值與恒阻抗模型下功率峰值相差近365MW，占功率缺額760MW的48%，而公式計(jì)算結(jié)果可得2個(gè)峰值相差近87MW，占功率缺額760MW的11.5%，該差異會(huì)影響對(duì)特高壓聯(lián)絡(luò)線靜穩(wěn)裕度的估算，給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。
2.3負(fù)荷模型及電壓特性對(duì)安全控制策略的影響負(fù)荷電壓特性對(duì)特高壓聯(lián)絡(luò)線峰值功率轉(zhuǎn)移比的影響會(huì)進(jìn)一步影響安全控制策略的制定。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，特高壓交流華北送華中5000MW，哈密—鄭州直流雙極西北送華中8000MW的方式，發(fā)生直流單極閉鎖(受端系統(tǒng)產(chǎn)生功率缺額)，華北通過(guò)特高壓聯(lián)絡(luò)線支援華中功率缺額，當(dāng)華中(受端系統(tǒng))采用恒阻抗負(fù)荷模型時(shí)，特高壓峰值功率轉(zhuǎn)移比最小，所需安全控制策略的切負(fù)荷量最小(特高壓交流聯(lián)絡(luò)線的功率支援量受靜穩(wěn)極限的約束較為定量且有限)；當(dāng)華中采用恒功率負(fù)荷模型時(shí)，特高壓峰值功率轉(zhuǎn)移比最大，所需安全控制策略的切負(fù)荷量最大；華中采用恒電流負(fù)荷模型時(shí)的所需安全控制量則介乎前2者之間。3種負(fù)荷模型下直流單極閉鎖采取相應(yīng)切負(fù)荷措施后的特高壓交流聯(lián)絡(luò)線功率和長(zhǎng)治站電壓如圖4、5所示，其中，電壓用標(biāo)幺值表示，基準(zhǔn)值為額定電壓1050kV。由表2計(jì)算結(jié)果可知，恒阻抗模型下所需切負(fù)荷量與恒功率模型下所需切負(fù)荷量相差近750MW，占直流單極功率4000MW的18.9%，這將對(duì)安全控制策略的制定和整個(gè)安全控制系統(tǒng)的實(shí)施帶來(lái)較大困難，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。
3結(jié)論
1）不同的負(fù)荷模型，不僅峰值功率轉(zhuǎn)移比的仿真計(jì)算值與公式計(jì)算值存在較大差異，且仿真計(jì)算值之間同樣存在較大差異，如文中提到的48%的差異。究其原因，負(fù)荷模型一方面影響了系統(tǒng)阻尼，另一方面負(fù)荷的電壓特性影響了負(fù)荷的增減量，進(jìn)一步影響了峰值功率轉(zhuǎn)移比。2）直流閉鎖故障所需切負(fù)荷量的結(jié)果表明，不同負(fù)荷模型在引起較大峰值功率轉(zhuǎn)移比差異的同時(shí)，間接對(duì)安全控制策略產(chǎn)生了較大影響，如18.9%的切負(fù)荷量差異。3）不同負(fù)荷模型之間，計(jì)算所得轉(zhuǎn)移比和安全控制策略差異之大，充分說(shuō)明負(fù)荷模型是影響轉(zhuǎn)移比的關(guān)鍵因素之一，建議改善系統(tǒng)現(xiàn)有負(fù)荷模型的準(zhǔn)確性。
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作者：任大偉 趙兵 張健 王建明 卜廣全 單位：中國(guó)電力科學(xué)研究院