影響特高壓大電源輸送能力敏感因素探討

覃波，李興源，胡楠，李寬

(四川大學電氣信息學院，成都市 610065)

影響特高壓大電源輸送能力敏感因素探討

覃波，李興源，胡楠，李寬

(四川大學電氣信息學院，成都市 610065)

對于傳輸距離較長的特高壓輸電系統，系統的輸電能力主要受小擾動穩定的限制。大電源特高壓外送系統具有傳輸距離長、送電功率大等特點，其輸送能力的問題一直備受關注。基于送端機組特性并將受端系統等效為負荷的單機系統，對系統的等效阻尼系數進行了詳細的理論推導，從發電機組以及系統網絡這2個方面出發，具體討論了機、網側各參數對系統阻尼系數的影響方式。通過在PSASP仿真軟件上搭建的實際特高壓大電源外送系統的仿真表明：機、網側參數均能在一定程度上影響阻尼系數，從而對特高壓系統輸送能力產生影響，驗證了理論推導的正確性，為提高特高壓輸電系統的輸送能力提供了理論依據和策略，該結論具有一定的工程應用價值。

特高壓輸電系統；輸送能力；小干擾穩定；機、網側參數；等效阻尼系數

0 引 言

我國能源資源和負荷的分布呈現逆向趨勢，能源產地和能源消費地之間的輸送距離越來越遠，能源輸送的規模越來越大。這種負荷和能源分布不均的現象決定了需要實施以電力為重點的能源大范圍配置，能源資源必然要進行大規模、遠距離的輸送[1-3]。因此，在未來的幾十年里，在我國能源資源豐富的西北和西南地區將出現大量的大能源外送電站，國家電網也將建成以交流1 000 kV為骨干網架的交流特高壓電網以滿足這種大電源系統的外送，這也標志著我國電網進入了一個新的發展階段[4-6]。

采用特高壓輸電技術可提高電網的安全性以及經濟性[7-9]，同時也可提升單位輸送通道的輸送效率和輸電能力[10]，而特高壓輸電系統輸電能力受功率穩定、電壓穩定以及熱穩定的限制[11-12]。功率穩定和電壓穩定通常分為靜穩定和暫態穩定。已有研究表明，對于1 000 kV輸電系統，輸電距離較小時，其輸電能力主要受電壓穩定和熱穩定限制；而當輸電距離較大時，輸電能力受靜穩定限制。已有文獻對特高壓系統的輸電能力進行了相應的研究，文獻[13] 研究特高壓系統的穩定性及輸電能力，給出輸電極限及提高穩定的措施；文獻[14]對影響特高壓輸電能力的各種因素進行分析，探討1 000 kV輸電系統保持靜穩定的最大輸電能力技術。但是這些文獻均通過仿真來對特高壓系統輸電能力進行研究，所得到的結論均缺乏理論依據。本文以考慮送端機組特性并將受端系統等效為負荷的單機系統為例[15-17]，對該系統的等效阻尼系數進行詳細的理論推導，所得到的等效阻尼系數中包含了機側和網側的各個參數；討論機、網側各參數對系統阻尼系數的影響方式；最后通過在PSASP仿真軟件上搭建的特高壓外送系統模型進行仿真分析，以驗證理論推導的正確性。本文結論具有一定的工程實用價值，希望能為特高壓輸電系統輸送能力的改善提供一定的理論依據和控制策略。

1 單機系統等效阻尼系數的推導

圖1給出了單機系統的等價模型，該模型考慮了發電機詳細參數以及線路的特性，同時將受端系統等效為一個負荷的形式，并在此基礎上對特高壓大電源直接外送系統的等效阻尼特性進行理論推導。

圖1 單機系統等價模型

對發電機組定子繞組內部電路進行研究可得dq坐標系下定子電流和回路電壓方程分別為

(1)

(2)

為了簡化計算，不考慮線路損耗，根據圖1中的單機系統等價模型可得到發電機機端的d-q軸的電流為

(3)

式中：X為線路與變壓器的總的電抗；VL為受端母線電壓幅值；δ為發電機機端電壓相角；θ為受端母線電壓相角。

將式(3)代入式(2)可得：

(4)

再將式(4)代入式(1)，整理后可得：

(5)

由式(4)和式(5)可分別得到它們的相應的增量表達式：

(6)

(7)

勵磁系統的傳遞函數可以表示為

(8)

為了利于系統分析，發電機模型采用考慮了勵磁特性的三階簡化模型，表達式為

(9)

對式(9)中的發電機三階簡化模型進行線性化處理，可得：

(10)

式中D為機組阻尼系數。

式(10)中的機組電磁功率Pe以及機組交軸電勢Eq可分別表示為

(11)

(12)

然后分別對式(8)、(11)、(12)進行線性化處理得：

(13)

(14)

(15)

同時將式(6)、(7)中的相應增量關系式代入到ΔEq、ΔPe和ΔV的表達式中有：

(16)

(17)

(18)

式中：

(19)

從式(19)中的方程表達式可以得到與之對應的Philips-Heffron模型，詳細模型可參考文獻[18]。并可得到簡化后的考慮勵磁系統反饋作用的機組在振蕩模態角頻率ωa處的阻尼轉矩增量，如式(20)所示。

(20)

式中ΔMa為阻尼轉矩增量。

在分析影響阻尼的因素時，由于參數較多，不易于分析主次影響因素，可以對表達式進行適當的簡化和變形處理，同時將參數K1～K6的表達式代入后可得等效阻尼系數的表達式為

(21)

分析等效阻尼系數表達式可知，表達式中分別包含了發電機組以及系統網絡的相應參數。其中發電機組參數主要包括直軸暫態時間常數Td0′、勵磁放大倍數Ke以及發電機軸電抗Xd等；網側參數主要含有δ-θ的角度差值以及線路的電抗X等。由此可知，系統的等效阻尼系數同時受發電機組和系統網絡參數的影響。可以分別從這2個方面對系統的等效阻尼系數進行討論。

綜上可知，系統的等效阻尼系數在一定程度上同時受到系統發電機參數以及網絡參數的影響，因此可以通過對機、網側參數進行控制，來提升系統的阻尼特性而提高系統靜態穩定性，最終達到提高大容量、遠距離特高壓輸電系統傳輸能力的目的。

2 仿真分析驗證

2.1 測試算例

根據內蒙古錫盟大電源特高壓外送系統實際參數，在PSASP仿真軟件中進行仿真模型的搭建。錫盟特高壓外送系統的電壓等級為1 000 kV，送端網絡具有相對集中、送電功率大的特點，10臺發電機組一共分為4個區域，且每臺發電機組都安裝有電力系統穩定器(power system stabilizer，PSS)；送端的功率在錫盟通過2條并聯1 000 kV交流特高壓線路向北京和濟南兩電網輸電，兩電網分別用等值系統1和等值系統2表示，2條特高壓線路總的輸送功率達到7 020 MW。該系統符合本文理論推導的假設，錫盟大電源特高壓外送系統的接線示意見圖2。

圖2 錫盟大電源特高壓外送系統的接線示意

2.2 仿真驗證

2.2.1 發電機組參數對系統阻尼特性的影響

該系統發電機組參數共有2組，一組為額定容量為600 MW的發電機組參數，另一組為額定容量為1 000 MW的發電機組參數。表1給出了2組發電機組的一些主要參數。

為了論證理論推導的正確性，在系統網絡參數不變的情況下，改變發電機組參數對系統進行分析，同時研究系統的阻尼特性以及系統輸送能力，將實際仿真結論與理論推導進行比較論證。

改變2組發電機的直軸暫態時間常數Td0′的大小，系統傳輸功率為7 020 MW，發電機的其他參數不變。在查干至錫盟的傳輸線路首端施加單相短路接地故障，故障起始時間為第10 s，持續0.1 s。圖3給出了系統阻尼特性與Td0′之間的關系示意，同時表2給出了相應的Td0′下系統的最大輸送能力。

表1 發電機組主要參數

注：Td0′為直軸暫態時間常數，Ke為勵磁放大倍數，Xd為發電機軸電抗。

圖3 直軸暫態時間常數Td0 ′變化對系統阻尼的影響

表2 直軸暫態時間常數Td0 ′變化對系統阻尼及其輸送能力的影響

從圖3可以看出，系統正常運行以及N-1運行時，隨著時間常數Td0′的降低，系統的阻尼會增大，系統的輸送能力也相應地增大，但是當Td0′降低到正常值的0.3倍以下時，隨著Td0′繼續降低，系統的阻尼比以及輸送能力也會相應減弱。圖中2種運行狀態下系統的阻尼特性與時間常數Td0′的關系曲線均類似于開口向下的近似拋物線，所得結論論證了理論推導的正確性。

改變兩發電機組的勵磁放大倍數Ke的大小，系統傳輸功率仍為7 020 MW，發電機的其他參數不變，同樣的故障情況下，系統的阻尼特性以及系統的輸送能力與Ke的關系曲線如圖4所示，相應的Ke對應的系統的最大輸送能力以及阻尼相應的參數見表3。

從圖4可知，不論系統正常運行還是N-1運行方式下，系統的勵磁放大倍數Ke與阻尼特性均呈現開口向上的近似拋物線形式。但是當系統正常運行時，系統的最小阻尼特性(系統的輸送能力最小的情況)出現在Ke為200的時候，而當系統N-1運行時，Ke值接近300。這主要是因為系統N-1運行方式改變了系統的網架結構。由此可知，對于系統的不同運行方式，系統的輸送能力受Ke的影響程度也不同，但總體的變化趨勢沒有改變。

圖4 勵磁放大倍數Ke變化對系統阻尼的影響

表3 勵磁放大倍數Ke變化對系統阻尼及其輸送能力的影響

改變兩組發電機軸電抗Xd的大小，發電機的其他參數不變，系統聯絡線總的傳輸功率為7 020 MW，相同故障情況下，系統的阻尼特性與Xd的關系示意如圖5所示，相應的Xd對應的系統的最大輸送能力以及阻尼參數見表4。

從圖5可以看出，無論系統正常運行還是N-1運行，隨著發電機軸電抗Xd的增大，系統的阻尼也會相應增大，從而系統的最大輸送能力也會隨之升高，且基本呈現線性關系，這驗證了理論推導的正確性。但是從阻尼比的改變量來看，發電機軸電抗Xd對系統阻尼的影響相比于勵磁放大倍數Ke以及直軸暫態時間常數Td0′的要小。所以總的來說，系統阻尼特性即系統的輸送能力對于Ke以及Td0′的變化更加敏感，可將Ke以及Td0′作為影響特高壓外送系統輸電能力的敏感因素。

圖5 軸電抗Xd變化對系統阻尼的影響

表4 軸電抗Xd變化對系統阻尼及其輸送能力的影響

2.2.2 系統網絡參數對系統阻尼特性的影響

系統相對轉子角的大小與系統聯絡線傳輸功率成正比關系，在系統其他條件不變的情況下，研究相對轉子角的變化對系統阻尼特性的影響，圖6給出了系統正常運行以及N-1運行方式下系統阻尼特性與聯絡線傳輸功率變化的關系。對于單一結構大電源外送系統，系統線路阻抗X與系統的電氣距離成正比關系。在系統其他條件不變的情況下，僅改變電氣距離的大小，系統正常運行以及N-1運行方式下系統阻尼特性與電氣距離的關系如圖7所示。

圖6 系統正常運行以及N-1運行方式下傳輸功率與系統阻尼的關系

圖7 系統正常運行以及N-1運行方式下電氣距離與系統阻尼的關系

從圖6、7中可以看出，隨著系統聯絡線傳輸功率與電氣距離的增大，系統的阻尼均會相應地減弱，并且兩者與系統阻尼比基本成線性關系。而且不論系統正常運行還是斷開1條聯絡線N-1運行時，這一基本關系仍然存在。

綜上所述，對于特高壓外送系統，系統的輸送能力同時受到發電機組參數以及網絡參數變化的影響，只是不同的參數對系統阻尼的影響方式以及影響程度均不相同，Ke以及Td0′為發電機參數中影響特高壓外送系統輸電能力的主要敏感因素。對于實際的特高壓系統，在系統規劃階段，可以通過合理的布局對系統的網絡參數進行協調，以提高系統的阻尼特性，從而提升特高壓系統的輸送能力。而當系統網架結構已定或者不能隨意改變時，應該在保持系統正常運行的情況下，根據系統的不同網架結構和運行方式，在發電機設計、安裝或者調試階段對系統發電機組參數進行適當的調整，以達到提高系統輸送極限的目的。

3 結 論

(1)特高壓大電源外送系統由于傳輸距離長，系統的傳輸能力主要受靜態穩定限制。

(2)本文已考慮了送端機組特性并將受端系統等效為負荷的單機系統對系統的等效阻尼系數進行了詳細推導，推導過程中同時考慮了系統網絡參數以及發電機組參數的影響，所得到的等效阻尼系數表達式同時含有網絡參數以及發電機組參數；根據此表達式推導出等效阻尼系數與機、網側參數的關系。實際系統的仿真驗證了理論推導的正確性。

(3)本文的推導合理反映了特高壓系統阻尼特性與機、網側參數的關系，并確定了影響其輸送能力的主要敏感因素，為提高特高壓大電源外送系統的輸送能力提供控制策略以及理論依據，所得結論具有一定的工程應用價值。

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(編輯：楊大浩)

SensitiveFactorsofTransmissionCapacityofUHVLarge-ScalePowerSupply

QIN Bo, LI Xingyuan, HU Nan, LI Kuan

(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

For the long-distance UHV transmission system, its transmission capacity is mainly restricted by small disturbance stability.UHV transmission system with large-scale power supply has characteristics of long transfer distance and huge transfer power, whose transmission capacity has always been a concern.Based on the characteristics of sending system, the receiving system was equivalent to single machine system of load, and the equivalent damping coefficient of the system was deduced in detail.The influence of parameters of generator, network on the system’s equivalent damping coefficient was discussed, from two aspects of generator and system network.The simulation results of UHV large power transmission system in PSASP indicate that: the parameters of generator or network can influence damping coefficient and thus affect the UHV system transmission capacity.The results also verify the correctness of the theoretical derivation； can provide theoretical basis and policy for the improvement of UHV transmission capacity, which is valuable to engineering application.

UHV transmission system； transmission capacity； small signal stability； parameters of generator and network； equivalent damping coefficient

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2011AA05A119)；國家電網公司大電網重大專項資助項目課題(SGCC-MPLG001(003-027)-2012)。

TM 711

： A

： 1000-7229(2014)07-0063-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.07.011

2014-01-15

：2014-03-02

覃波(1988)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統穩定與控制，E-mail：qinbo880818@126.com；

李興源(1945)，男，教授，博士研究生導師，中國電機工程學會電力系統專委會委員，IEEE 高級會員，從事電力系統穩定與控制、高壓直流輸電、分布式發電等研究工作；

胡楠(1983)，男，博士研究生，主要從事電力系統穩定與控制的研究工作， E-mail：zenco2@gmail.com。