基于潮流貢獻(xiàn)度方法的

1、基于潮流貢獻(xiàn)度方法的大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)接入系統(tǒng)N-1熱穩(wěn)定分析何超軍東北電力科學(xué)研究院，遼寧省沈陽市和平區(qū)四平街39號(hào) 郵編：110006N-1 ANALYSIS OF THERMAL STABILITY OF LARGE-SCALE WINDFARM SYSTEM CONNECTED TO POWER GRID BASED ON CONTRIBUTION DEGREE METHOD OF POWER FLOWHe Chao-junNEPRI No.39, SiPing Street, HePing District, ShenYang City, LiaoNing Province 110006AB

2、STRACT: Aiming at n-1 analysis of thermal stability，put forward a method of adjusting the targetd generation of windfarm on basis of contribution degree method of power flow with the consideration of limit of n-1 thermal stability, taking advantage of psasp, business software of power system. Analyz

3、e thermal stability of typical operation modes of years of 2008 and 2010 of ChiFeng grid, when the wind resources is very rich, by using this method and find out the weak point of thermal stability of ChiFeng grid, also figure out the overall capcity and the respective capcity of windfarm to limit w

4、hen transmission lines are overloaded according to n-1 thermal stability in this area. The results show that this method is fast and accurate and applicable to large-scale wind power grid connection system.KEY WORD: wind power；contribution degree of power flow；thermal stability；n-1；transmission limi

5、t摘要：針對(duì)N-1熱穩(wěn)定問題，應(yīng)用電力系統(tǒng)商業(yè)軟件PSASP，提出了一種基于潮流貢獻(xiàn)度方法并考慮N-1斷面熱穩(wěn)定約束極限的調(diào)整風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力的方法。應(yīng)用該方法對(duì)赤峰電網(wǎng)2008年和2010年典型風(fēng)電大發(fā)運(yùn)行方式的熱穩(wěn)定問題進(jìn)行了分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了赤峰電網(wǎng)的熱穩(wěn)定薄弱環(huán)節(jié)，并確定了該地區(qū)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)在線路發(fā)生N-1熱穩(wěn)定過載時(shí)需要拉限總?cè)萘考案鱾€(gè)風(fēng)場(chǎng)所需要拉限的容量。分析結(jié)果表明，該方法快速、準(zhǔn)確，適用于大規(guī)模風(fēng)電接入的電網(wǎng)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；潮流貢獻(xiàn)度；熱穩(wěn)定；N-1原則；輸電極限1 引言靜態(tài)安全分析，指的是在發(fā)生預(yù)想事故后，判斷系統(tǒng)是否過載或者電壓越限的行為。電網(wǎng)中的靜態(tài)安全分析是基于N-1準(zhǔn)則

6、對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件進(jìn)行故障掃描和預(yù)處理，形成元件的故障集合，按照故障集合分別開斷系統(tǒng)中的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)元件，對(duì)開斷后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算，獲得系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)、支路及網(wǎng)絡(luò)元件的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)的越限情況來檢驗(yàn)電網(wǎng)是否會(huì)在事故預(yù)想情況下發(fā)生線路過負(fù)荷或電壓不正常情況，并以此來檢驗(yàn)電網(wǎng)在發(fā)生故障之后是否能夠安全供電的能力1。本文在赤峰電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，研究在考慮斷面熱穩(wěn)定問題的前提下，系統(tǒng)在接納大規(guī)模風(fēng)電的同時(shí)，存在哪些薄弱環(huán)節(jié)。2 赤峰電網(wǎng)簡介赤峰市目前以220kV電網(wǎng)為主干網(wǎng)架，形成了縱貫?zāi)媳钡?20kV輻射狀電網(wǎng)，通過500kV元董兩回線和220kV寧建線與遼寧西部電網(wǎng)相連。截至2010年底，赤峰電網(wǎng)500

7、kV網(wǎng)架將形成，巴林、青山兩座500kV變電站將投入運(yùn)行。巴林變電站地處赤峰北部，將成為新建的白音華電廠和大板電廠的系統(tǒng)接入點(diǎn)。青山變電站位于赤峰中南部地區(qū)，用于連接巴林500kV變電站和遼寧省北寧500kV變電站。原元董線“”接入青山500kV變電站。赤峰市受西伯利亞及蒙古冷高壓和蒙古高原氣旋等天氣系統(tǒng)的影響，風(fēng)能資源非常豐富。風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)對(duì)于充分利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展都是十分必要的。2008年赤峰地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到870MW；2010年累計(jì)達(dá)到1620MW。赤峰電網(wǎng)屬于電源外送型電網(wǎng)，大規(guī)模風(fēng)電接入加重了電網(wǎng)的外送潮流，并且可能降低其靜態(tài)安全水平。3 基于N-1原則的

8、大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)的熱穩(wěn)定分析方法及其實(shí)現(xiàn)3.1 斷面潮流約束的數(shù)學(xué)模型由N-1原則確定的斷面潮流約束應(yīng)滿足：在給定斷面潮流約束（一般為總有功限值）下，斷開斷面中任何一條線路，其余線路潮流均不過載；潮流約束值為斷面正常運(yùn)行方式下的最大允許潮流2。設(shè)研究的輸電斷面由條線路組成，分別為，設(shè)所研究電網(wǎng)中共有個(gè)節(jié)點(diǎn)，臺(tái)變壓器，臺(tái)發(fā)電機(jī)。正常網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行條件下線路輸送的視在功率為，斷開其中一條線路時(shí)的潮流方程為4 (1)其中為狀態(tài)向量，為節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率向量，為節(jié)點(diǎn)發(fā)電功率向量。為線路斷開時(shí)的網(wǎng)絡(luò)方程。應(yīng)滿足約束條件： (2)為線路斷開時(shí)變壓器的實(shí)際容量，為線路斷開時(shí)線路的實(shí)際電流。而和則分別是變壓器和線路的最

9、大熱穩(wěn)限值，一般以線路流過的有功功率的形式進(jìn)行考察。因此將式(3)改寫為 (3)另外，還應(yīng)該考慮系統(tǒng)的有功出力平衡約束、機(jī)組容量界限約束，分別為 (4) (5)式中：、和分別是機(jī)組的最小、最大和實(shí)際有功出力；是機(jī)組的有功出力調(diào)整量。那么，在線路斷開時(shí)，該斷面輸電極限的目標(biāo)函數(shù)為： (6)其中，是線路斷開時(shí)斷面集合中第條線路上流過的有功功率。3.2 基于潮流貢獻(xiàn)度方法的風(fēng)電場(chǎng)目標(biāo)出力調(diào)整方法在熱穩(wěn)定約束下的斷面輸電極限的求取方法就是通過不斷調(diào)整斷面送入和送出端的發(fā)電和負(fù)荷得到斷面上的線路和變壓器在N-1方式下不存在過載時(shí)的輸電極限。在不含風(fēng)電場(chǎng)等分布式電源的情況下，一般優(yōu)先采用發(fā)電機(jī)有功出力調(diào)整

10、的方式3。在本研究中，負(fù)荷采用的是最大典型負(fù)荷，不進(jìn)行負(fù)荷的調(diào)整。一般來說，發(fā)電機(jī)的調(diào)整是由運(yùn)行人員事先設(shè)定好發(fā)電機(jī)調(diào)整順序，但是該方法要求運(yùn)行人員具有足夠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在考慮斷面輸電極限約束的前提下，風(fēng)電場(chǎng)與火電廠出力的調(diào)整應(yīng)該遵循以下原則：（1）瞬時(shí)故障。如線路瞬時(shí)發(fā)生N-1斷開的情況下，出現(xiàn)窩電情況，優(yōu)先切除風(fēng)電。如果切除風(fēng)電后仍存在火電廠窩電現(xiàn)象，這就和不接入風(fēng)電時(shí)的機(jī)組出力調(diào)整方法相似了，需要按照事先設(shè)定的順序調(diào)整發(fā)電機(jī)出力。（2）長期故障，如檢修N-1。在這種情況下，需要綜合考慮風(fēng)電及火電的運(yùn)行成本、經(jīng)濟(jì)性等方面，制定該情況下的新的運(yùn)行方式。本文研究的重點(diǎn)是發(fā)生瞬時(shí)故障情況下，風(fēng)電的

11、大規(guī)模接入對(duì)原本并不存在瞬時(shí)N-1問題的系統(tǒng)的靜態(tài)安全帶來哪些影響，并應(yīng)該如何解決。因此，對(duì)于長期故障下的N-1問題和火電機(jī)組出力調(diào)整的相關(guān)研究不作為本文研究范疇。當(dāng)需要拉限風(fēng)場(chǎng)出力的時(shí)候，可以按照預(yù)先制定好的方法，按照設(shè)定的比例關(guān)系削減各個(gè)風(fēng)場(chǎng)的目標(biāo)出力。如果削減目標(biāo)出力后，斷面未達(dá)到其熱穩(wěn)極限，再分別增加各個(gè)風(fēng)場(chǎng)的目標(biāo)出力。直至最后斷面達(dá)到其熱穩(wěn)極限，就可以按照此時(shí)的目標(biāo)出力對(duì)風(fēng)場(chǎng)實(shí)際出力進(jìn)行控制。本文提出一種基于風(fēng)場(chǎng)出力對(duì)于線路潮流貢獻(xiàn)度的計(jì)算各風(fēng)場(chǎng)調(diào)整出力比例關(guān)系的方法，方法如下：假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有風(fēng)場(chǎng)座，為第座風(fēng)場(chǎng)；斷面內(nèi)線路共有條，為斷面中的第條線路。當(dāng)所有風(fēng)場(chǎng)均不發(fā)電的時(shí)候，上流過的

12、有功功率為，為基礎(chǔ)潮流。當(dāng)只有第座風(fēng)場(chǎng)出力增加時(shí)，線路上的有功功率為，其增量=。定義第座風(fēng)場(chǎng)對(duì)第條線路的潮流貢獻(xiàn)度為潮流貢獻(xiàn)度是事先通過潮流計(jì)算得到的。當(dāng)斷面中的線路存在過載的時(shí)候，必然存在一條負(fù)載率最高的線路。我們將各風(fēng)場(chǎng)對(duì)線路的潮流貢獻(xiàn)度的比值作為各風(fēng)場(chǎng)削減其目標(biāo)出力的比例，使得風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力變化值，調(diào)整風(fēng)場(chǎng)的目標(biāo)出力直至斷面剛好達(dá)到其熱穩(wěn)極限，即線路的負(fù)載率在100%。同時(shí)，潮流貢獻(xiàn)度的概念也可以作為拉限風(fēng)場(chǎng)出力先后順序的判定依據(jù)。對(duì)于某條過載線路潮流貢獻(xiàn)度大的風(fēng)場(chǎng)，可以考慮優(yōu)先拉限其出力。按照潮流貢獻(xiàn)度的不同，可以設(shè)定拉限風(fēng)場(chǎng)出力的具體順序。3.3 考慮風(fēng)電接入的熱穩(wěn)定約束下斷面輸電極限

13、分析流程假定在風(fēng)電小發(fā)或者不發(fā)的前提下，該系統(tǒng)是不存在熱穩(wěn)或N-1熱穩(wěn)問題的。由于風(fēng)電出力具有突發(fā)性、不可預(yù)見性，風(fēng)電場(chǎng)的出力隨時(shí)都有可能發(fā)生巨大的變化。在該時(shí)刻，負(fù)荷變動(dòng)不大，風(fēng)電的出力將通過斷面輸送到其它區(qū)域，將有可能導(dǎo)致斷面的線路出現(xiàn)N-1斷開情況下的熱穩(wěn)過載，這時(shí)候就需要拉限風(fēng)電場(chǎng)的出力，以保證斷面的靜態(tài)安全。具體的風(fēng)電場(chǎng)出力調(diào)整的流程如圖1所示。該分析流程中，“削減風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力”和“增加風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力”已有說明。其它主要環(huán)節(jié)如下所述：圖1 熱穩(wěn)定約束下斷面輸電極限分析流程1）熱穩(wěn)限值是指線路N-1開斷事故限值，規(guī)定為環(huán)境溫度40C時(shí)導(dǎo)線載流量的1.5倍、阻波器額定電流、CT一次電流的1

14、.2倍三者的最小值5。2）“線路過載”環(huán)節(jié)指的是斷面中至少存在一條線路的電流超過熱穩(wěn)限值。3）“熱穩(wěn)極限”環(huán)節(jié)指的是斷面是否達(dá)到其輸電極限，即存在負(fù)載率為100%的線路且任何線路均不過載。4 赤峰電網(wǎng)熱穩(wěn)定問題計(jì)算分析4.1 計(jì)算分析的前提及說明本次計(jì)算采取的網(wǎng)架共有兩個(gè)，一個(gè)是赤峰地區(qū)2008年現(xiàn)狀網(wǎng)架，另一個(gè)是2010年規(guī)劃網(wǎng)架。運(yùn)行方式為均為該時(shí)刻的典型大方式，負(fù)荷依據(jù)赤峰電網(wǎng)“十一五”滾動(dòng)規(guī)劃及近期負(fù)荷情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。風(fēng)場(chǎng)按照同時(shí)達(dá)到滿出力以研究極限情況。2008年網(wǎng)架所研究的斷面包括：南北聯(lián)絡(luò)線和南部環(huán)網(wǎng)。其組成線路的熱穩(wěn)極限功率如下表所示：表1 2008年網(wǎng)架斷面熱穩(wěn)限值支路所屬區(qū)域

15、功率（兆瓦）烏丹-西郊南北聯(lián)絡(luò)線321.99西郊-赤峰變南北聯(lián)絡(luò)線321.99赤峰變-元寶山廠南北聯(lián)絡(luò)線464.88元寶山廠-烏丹南北聯(lián)絡(luò)線266.74元寶山變-中京南部斷面464.88中京-寧城南部斷面464.88寧城-平莊南部斷面304.84平莊-元寶山變南部斷面304.842010年網(wǎng)架所研究的斷面包括：南北聯(lián)絡(luò)線和南部環(huán)網(wǎng)。其組成線路的熱穩(wěn)極限功率如下表所示：表2 2010年網(wǎng)架斷面熱穩(wěn)限值支路所屬區(qū)域功率（兆瓦）烏丹-西郊南北聯(lián)絡(luò)線322西郊-赤峰變南北聯(lián)絡(luò)線322赤峰變-元寶山廠南北聯(lián)絡(luò)線464.9元寶山廠-烏丹南北聯(lián)絡(luò)線266.7赤峰變-元寶山變南北聯(lián)絡(luò)線464.9元寶山變-元寶

16、山廠南北聯(lián)絡(luò)線每回533.5青山220-西郊西南部斷面571西郊-錦山西南部斷面322錦山-青山220西南部斷面571青山220-中京南部斷面464.9中京-元寶山變南部斷面464.9青山220-平莊南部斷面304.8平莊-寧城南部斷面304.8寧城-中京南部斷面464.9由于風(fēng)場(chǎng)對(duì)于斷面線路的潮流貢獻(xiàn)度數(shù)據(jù)較多，限于篇幅，在此就不羅列了。4.2 2008年靜態(tài)N-1熱穩(wěn)分析下表列出了開斷支路及過載支路，并列出了發(fā)生過載后，該地區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力的削減情況。篇幅所限，我們只列出當(dāng)烏丹-西郊線路開斷時(shí)，基于潮流貢獻(xiàn)度的每個(gè)風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力削減的具體情況。表3 2008年網(wǎng)架地區(qū)風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力削減開斷支路

17、過載支路風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力調(diào)整（兆瓦）烏丹-西郊平莊-元寶山變380西郊-赤峰變平莊-元寶山變370赤峰變-元寶山廠平莊-元寶山變370元寶山廠-烏丹平莊-元寶山變370元寶山變-中京平莊-元寶山變870且切負(fù)荷中京-寧城平莊-元寶山變820表4 風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力的削減情況（單位：兆瓦）查干哈達(dá)達(dá)里西場(chǎng)煤窯山烏套海13.0426.6628.9327.7928.36孫家營東山億合公大黑山賽罕壩90.7590.7514.7527.2231.76對(duì)于南部斷面來說，無論是其它斷面還是自身斷面發(fā)生線路N-1開斷，過載線路均為平莊-元寶山變，也就是說該線路存在的問題最為嚴(yán)重，是赤峰電網(wǎng)中熱穩(wěn)定較薄弱的環(huán)節(jié)。實(shí)際上，

18、2008年網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，元寶山變-中京這條線路是新修建的，線徑很粗，但是負(fù)荷相對(duì)較小。當(dāng)元寶山變-中京斷開后，平莊-元寶山變上潮流的熱穩(wěn)問題就更加的嚴(yán)重。當(dāng)平莊-元寶山變斷開后，潮流轉(zhuǎn)而由元寶山變-中京輸送，反而可以良好的利用該線路上的輸送能力。4.3 2010年靜態(tài)N-1熱穩(wěn)分析下表列出了開斷支路及過載支路，并列出了發(fā)生過載后，該地區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力的削減情況。鑒于篇幅所限，我們這里就不列出每個(gè)風(fēng)場(chǎng)單獨(dú)目標(biāo)出力的削減情況了。表5 2010年網(wǎng)架風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力削減開斷支路過載支路風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)出力削減（兆瓦）烏丹-西郊元寶山廠-烏丹100青山220-西郊西郊-赤峰變210青山220-中京平莊-寧城400中京-元寶山變平莊-寧城230寧城-中京平莊-寧城1000在2010年網(wǎng)架下，在風(fēng)電大發(fā)的情況下，線路N-1的熱穩(wěn)問題仍然沒有完全解決。雖然赤峰地區(qū)的風(fēng)電最大出力達(dá)到1570MW，但是由于該地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，其風(fēng)電外送能力還是相應(yīng)地增加了。外送能力的瓶頸依然是赤峰南部環(huán)網(wǎng)，而平莊-寧城線則尤為明顯。平寧線是各個(gè)支路退出運(yùn)行后最容易過載的線路。5 結(jié)語赤峰電