互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動幅值研究

任 華，姚秀萍，王維慶，常喜強(qiáng)，周 專

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.國網(wǎng)巴州供電公司，新疆庫爾勒841000；3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆烏魯木齊830002；4.國網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830016)

互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動幅值研究

任 華1,2，姚秀萍1,3，王維慶1，常喜強(qiáng)3，周 專4

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.國網(wǎng)巴州供電公司，新疆庫爾勒841000；3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆烏魯木齊830002；4.國網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830016)

跨省電網(wǎng)互聯(lián)后，會產(chǎn)生各孤立電網(wǎng)所不具備的新功效。電網(wǎng)互聯(lián)后可提高系統(tǒng)的供電可靠性及旋轉(zhuǎn)備用效益、有利于優(yōu)化發(fā)電結(jié)構(gòu)、降低運行費用等。但是正常運行時跨省級互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線上存在隨機(jī)功率隨機(jī)波動的現(xiàn)象，這種功率波動影響跨省互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的傳輸功率，嚴(yán)重時會威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，研究了隨機(jī)功率波動的機(jī)制，并通過PSASP軟件仿真及EMS系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，對基于系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性，推導(dǎo)的關(guān)于跨省級互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線功率波動的公式進(jìn)行了驗證，分析了影響聯(lián)絡(luò)線功率波動在理論計算與實測數(shù)據(jù)中產(chǎn)生誤差的原因，為制定抑制聯(lián)絡(luò)線功率波動的措施提供依據(jù)。

互聯(lián)電力系統(tǒng)；聯(lián)絡(luò)線；PSASP；EMS；隨機(jī)功率波動

由于我國能源分布與電力消費之間地區(qū)分布不平衡的矛盾決定了未來我國需要建設(shè)一些大容量、長距離的輸電線路將西部、北部地區(qū)的電力送往中部、東部和南部地區(qū)。以輸送電力為主要目的的大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)將促成全國互聯(lián)電網(wǎng)的形成。因此，電網(wǎng)互聯(lián)將是我國電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。新疆電網(wǎng)以750 kV電壓等級線路接入西北主網(wǎng)后，實現(xiàn)了新疆電網(wǎng)與西北電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，對促進(jìn)新疆能源資源開發(fā)、實現(xiàn)“疆電外送”具有重要意義。跨省電網(wǎng)互聯(lián)后，會產(chǎn)生各孤立電網(wǎng)所不具備的新功效：(1)更合理、更經(jīng)濟(jì)地開發(fā)一次能源，實現(xiàn)水火資源優(yōu)勢互補；(2)降低系統(tǒng)總的負(fù)荷峰值，減少總的裝機(jī)容量；(3)減少備用容量；(4)提高供電可靠性；(5)提高電能質(zhì)量[1-4]。

但是在正常運行過程中可以觀察到聯(lián)絡(luò)線上存在有功功率波動的情況。聯(lián)絡(luò)線功率較大時，功率波動可能造成聯(lián)絡(luò)線輸送功率超過靜態(tài)穩(wěn)定極限，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[5-7]。除此之外，聯(lián)絡(luò)線功率波動會引起兩端電網(wǎng)的電壓波動，該波動隨著輸送潮流的增大而增大，若缺乏無功控制手段則可能威脅電網(wǎng)和設(shè)備的安全運行，同時有功功率波動限制了聯(lián)絡(luò)線的輸電能力。通過對跨省級互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線上功率波動的推導(dǎo)公式的驗證，分析了影響聯(lián)絡(luò)線上功率波動在理論計算與實測數(shù)據(jù)中產(chǎn)生誤差的原因，有助于掌握跨省級互聯(lián)電力系統(tǒng)的隨機(jī)功率特性，為互聯(lián)電力系統(tǒng)的運行方式安排和控制措施的確定提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)[8-10]。

1 跨省互連系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的機(jī)制

1.1 系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性1.1.1負(fù)荷頻率靜態(tài)特性

系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)中有功負(fù)荷隨頻率的變化特性稱為負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性。當(dāng)頻率偏離額定值不大時，通常采用線性關(guān)系來描述負(fù)荷對頻率的變化關(guān)系為：

1.1.2 發(fā)電機(jī)組頻率靜態(tài)特性

當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時，發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)將自動改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量或水輪機(jī)的進(jìn)水量，從而調(diào)整發(fā)電機(jī)組的出力。發(fā)電機(jī)組出力對頻率變化的調(diào)節(jié)效應(yīng)可表示為：

1.1.3 系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性

電力系統(tǒng)的頻率靜態(tài)特性是指系統(tǒng)功率不平衡時頻率的變化特性，是負(fù)荷頻率特性和發(fā)電機(jī)頻率特性影響的綜合結(jié)果，表示為：

1.2 兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動

考慮如圖1所示的兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)A和B通過聯(lián)絡(luò)線組成互聯(lián)系統(tǒng)和分別為兩系統(tǒng)的負(fù)荷變化量和分別為兩系統(tǒng)二次調(diào)頻機(jī)組的發(fā)電功率變化量和分別為兩系統(tǒng)的系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性系數(shù)，為聯(lián)絡(luò)線功率波動量(以由A至B為正方向)。

圖1 跨省互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

對于系統(tǒng)A和系統(tǒng)B，分別有：

聯(lián)解式(4)和式(5)，可得：

式(7)為跨省互聯(lián)聯(lián)絡(luò)線功率波動，聯(lián)絡(luò)線上功率波動較大時可能造成聯(lián)絡(luò)線輸送功率超過靜態(tài)穩(wěn)定極限。除此之外，聯(lián)絡(luò)線功率波動會引起兩端電網(wǎng)的電壓波動，波動幅值過大時可能引起系統(tǒng)穩(wěn)定及電壓問題，影響互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，研究聯(lián)絡(luò)線的功率波動十分重要，是跨省互聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。

2 驗證分析

為了驗證兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的推導(dǎo)公式在計算聯(lián)絡(luò)線上的波動功率與實際結(jié)果有無差別，通過PSASP仿真軟件分別對新疆電網(wǎng)切300 MW機(jī)組、西北電網(wǎng)切300 MW機(jī)組的情況進(jìn)行了聯(lián)絡(luò)線功率波動仿真，并將其仿真結(jié)果與新疆電網(wǎng)300 MW機(jī)組跳閘時EMS系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

(1)新疆電網(wǎng)切300 MW機(jī)組

(2)西北電網(wǎng)切300 MW機(jī)組

表1 理論計算與EMS系統(tǒng)實測結(jié)果

由表1可知兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的理論推導(dǎo)公式的理論計算結(jié)果與EMS系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)很接近，但還是存在一定的誤差，誤差為2.4%。此誤差等級不影響兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的理論推導(dǎo)公式在實際功率波動問題中的應(yīng)用。

3 原因分析

根據(jù)互連系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的機(jī)制，造成兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的理論推導(dǎo)公式的計算結(jié)果與EMS系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)存在誤差的原因是實際電網(wǎng)系統(tǒng)中各種類型負(fù)荷比例與發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，因此對上述兩種影響因素進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同負(fù)荷類型的頻率波動曲線示意圖

大型跨區(qū)域互聯(lián)的電力系統(tǒng)、電源和負(fù)荷的種類與分布情況比較復(fù)雜，實際電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)荷頻率靜態(tài)特性與發(fā)電機(jī)組頻率靜態(tài)特性對互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的功率波動影響很大，同時影響理論與實際的聯(lián)絡(luò)線上功率的計算。由圖2、3可知在不同負(fù)荷類型下互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的頻率波動與功率波動是不同的。由圖4、5可知有無發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)參與下互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的頻率波動與功率波動是不同的。復(fù)雜的電源和負(fù)荷的種類與分布的情況使互聯(lián)系統(tǒng)中的負(fù)荷頻率靜態(tài)特性與發(fā)電機(jī)組頻率靜態(tài)特性變得復(fù)雜，因此，聯(lián)絡(luò)線上的功率波動在理論與實際的計算中會產(chǎn)生一定的誤差。

圖3 不同負(fù)荷類型的功率波動曲線示意圖

圖4 有無發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的頻率波動曲線示意圖

圖5 有無發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率波動曲線示意圖

4 結(jié)論

本文在互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的機(jī)制的基礎(chǔ)上通過對新疆與西北兩區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動仿真分析與EMS的實測數(shù)據(jù)對兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的理論推導(dǎo)公式進(jìn)行了驗證，可知兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的理論推導(dǎo)公式在理論與實際中存在一定的誤差，此誤差等級不影響兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動的理論推導(dǎo)公式在實際功率波動問題的應(yīng)用。存在誤差的原因是實際電網(wǎng)系統(tǒng)中各種類型負(fù)荷比例與發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，為了進(jìn)一步減小聯(lián)絡(luò)線上的功率波動以及縮小其在理論與實際中的誤差，建議如下：(1)合理選擇系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組的開機(jī)方式以及機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)的模型，特別是承擔(dān)著系統(tǒng)中二次調(diào)頻的機(jī)組；(2)合理調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷類型的比例。

[1]李剛，劉曉瑞，張廷營，等.西北-新疆聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定特性分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38(17):64-69．

[2]王佳明，劉文穎，牛拴保.新疆-西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)前后阻尼特性研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與制，2010,38(16):93-98．

[3]房喜，印永華，楊萬開，等.750 kV輸變電示范工程系統(tǒng)小擾動試驗分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006,30(24):40-43．

[4]湯涌，朱方，張東霞，等.華北-東北聯(lián)網(wǎng)工程系統(tǒng)調(diào)整試驗[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001,25(11):46-54.

[5]朱方，湯涌，張東霞，等.我國交流互聯(lián)電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性問題的研究及解決策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004,28(15):1-5．

[6]趙珊珊，周子冠，張東霞，等.大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險評估指標(biāo)及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009,33(2):68-72．

[7]孫景強(qiáng)，陳志剛，曹華珍，等.南方電網(wǎng)2010年低頻振蕩問題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007,31(S2):93-97．

[8]湯涌，孫華東，易俊，等.兩大區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線功率波動機(jī)制與峰值計算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(19):1-6．

[9]湯涌，何劍，孫華東，等.兩大區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動機(jī)制與峰值計算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2012,32(19):30-35．

[10]奚江惠，胡濟(jì)洲，凌衛(wèi)家.華中電力系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性分析[J].華中電力，2002,15(4):1-2,7．

AC tie-line stochastic power fluctuation amplitude estimation for interconnection system

After the interconnection provincially,new effect which the each isolated power grid did not own could be produced.The efficiency of the system of power supply reliability and spinning reserve could be improved after the interconnection.It was helpful to optimize the power structure,reduce the operation cost,etc.But during normal operation,the phenomenon of random fluctuations was existed on random power when using AC Tie-line for the Cross-regional interconnection system. And cross-regional interconnection system link transmission power was influenced.What's more,the safe and stable operation of power grid would be seriously threatened.The random power fluctuation mechanism was studied.Through the PSASP software simulation and the measurements data of the EMS system, for static frequency characteristic of the system, the derivation of AC Tie-line for the Cross-regional interconnection system that existed on the formula of Stochastic Power Fluctuation was verified.The causes of errors in which the influence of tie line power fluctuations in the theoretical calculation and the measured data were analyzed.The evidence for measure to restrain the tie line power fluctuations was provided.

interconnected power system;tie-line;PSASP;EMS;power fluctuation

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2257-02

2015-03-21

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊項目(IRT1285)；國家自然科學(xué)基金項目(51267017)

任華(1984—)，男，山西省人，碩士生，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。