寧夏電網(wǎng)負(fù)荷模型對(duì)穩(wěn)定性的影響分析

項(xiàng) 麗，丁茂生，聞丹銀，余一平，王 耀，陳 謙

（1.寧夏電力公司，寧夏 銀川 750001；2.河海大學(xué) 可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 南京 210098）

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析是調(diào)度運(yùn)行部門制定運(yùn)行方式的基礎(chǔ)，也是調(diào)度運(yùn)行部門決策的重要依據(jù)［1－4］.電力系統(tǒng)的主要元件有發(fā)電機(jī)、電力網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷等，數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確程度直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析的結(jié)果［5－10］.電力負(fù)荷模型對(duì)潮流計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及電壓穩(wěn)定等方面有較大影響，所以提高負(fù)荷模型的準(zhǔn)確程度十分必要［11－12］.

寧夏電網(wǎng)中存在電解鋁、硅、鐵等眾多特殊負(fù)荷［13－14］.在對(duì)寧夏電網(wǎng)負(fù)荷情況進(jìn)行調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，對(duì)寧夏電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分類研究，并根據(jù)分類結(jié)果和WAMS實(shí)際擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)，建立適應(yīng)現(xiàn)階段寧夏電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算分析的負(fù)荷模型.筆者依據(jù)實(shí)測(cè)辨識(shí)得到的負(fù)荷模型，對(duì)寧夏－甘肅輸電斷面的極限切除時(shí)間、不同負(fù)荷水平下的暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行分析，并與基于傳統(tǒng)負(fù)荷模型下的電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行比較，最后，采用新負(fù)荷模型對(duì)寧夏電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行仿真分析.

1 寧夏電網(wǎng)的新老負(fù)荷模型

寧夏電網(wǎng)現(xiàn)有仿真計(jì)算負(fù)荷模型采用傳統(tǒng)綜合負(fù)荷模型（CLM），其中：①銀北、中衛(wèi)等鐵合金類高載能負(fù)荷，按90%恒阻抗、10%電動(dòng)機(jī)考慮；②電解鋁類高載能負(fù)荷，按90%恒電流、10%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)考慮；③普通工業(yè)和民用負(fù)荷，按70%恒阻抗、30%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)考慮；④發(fā)電廠廠用負(fù)荷，按40%恒阻抗、60%電動(dòng)機(jī)考慮.

寧夏電網(wǎng)現(xiàn)有負(fù)荷模型的電動(dòng)機(jī)比例較小，且選用的CLM模型間接地將配電網(wǎng)絡(luò)的等值阻抗并入感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子阻抗，不能模擬配電網(wǎng)絡(luò)阻抗對(duì)靜態(tài)負(fù)荷的影響以及配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的影響.

中國(guó)電科院提出了考慮配電網(wǎng)支路的綜合負(fù)荷模型（SLM），直接考慮了配電網(wǎng)絡(luò)支路，可以較完整地模擬負(fù)荷和配電系統(tǒng)［15－16］，是目前正在大力推廣使用的負(fù)荷模型，故筆者采用該負(fù)荷模型.

寧夏電網(wǎng)負(fù)荷主要由高耗能（主要是鐵合金）、電解鋁等特殊負(fù)荷以及普通工業(yè)、各種民用和商用負(fù)荷等一般負(fù)荷構(gòu)成［17］.根據(jù)各類負(fù)荷的典型日負(fù)荷曲線分析所得到的負(fù)荷分類結(jié)果如表1所示［18］.

表1 單獨(dú)考慮特殊負(fù)荷的分類結(jié)果Table 1 Classification results with independent regarding of the special loads

一般負(fù)荷采用SLM模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.負(fù)荷建模中，電解鋁類特殊負(fù)荷采用恒電流加感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，即I＋M型SLM模型.鐵合金類負(fù)荷模型采用恒阻抗加感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，即Z＋M型SLM模型.

圖1 SLM模型的等值電路Figure 1 Equivalent circuit of synthesis load model

根據(jù)各典型站點(diǎn)實(shí)際擾動(dòng)下PMU實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)寧夏電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，獲得各類負(fù)荷的重點(diǎn)辨識(shí)參數(shù)，如表2所示.對(duì)于其他非辨識(shí)參數(shù)采用中國(guó)電科院推薦值，如表3所示.

表2 SLM辨識(shí)參數(shù)推薦值Table 2 Recommended parameter values of SLM

表3 SLM其他參數(shù)推薦值Table 3 Other recommended parameter values of SLM

2 負(fù)荷模型對(duì)寧夏電網(wǎng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響

以寧夏電網(wǎng)2012年運(yùn)行方式為例，對(duì)比分析負(fù)荷原參數(shù)模型與辨識(shí)獲得參數(shù)模型對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響［19］.寧夏電網(wǎng)和甘肅電網(wǎng)輸電斷面如圖2所示.

圖2 寧夏－甘肅輸電斷面Figure 2 Ningxia Power Grid and Gansu Power Grid

選擇2種較嚴(yán)重的故障方式，通過(guò)計(jì)算極限切除時(shí)間來(lái)對(duì)比負(fù)荷模型對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響.故障1為黃河到白銀的750kV線路故障，故障2為寧安到白銀的330kV線路故障，故障類型都是三相短路接地.分別采用寧夏現(xiàn)有負(fù)荷模型和新辨識(shí)SLM負(fù)荷模型，計(jì)算2種故障下的極限切除時(shí)間，如表4所示.可見(jiàn)，由于寧夏電網(wǎng)在西北電網(wǎng)中相對(duì)較小，其負(fù)荷模型不同對(duì)全網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響不大.

表4 暫態(tài)穩(wěn)定極限切除時(shí)間Table 4 Critical clearing time of transient stability

3 負(fù)荷模型對(duì)寧夏電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響

以寧夏2012年運(yùn)行方式為例，分別針對(duì)各地區(qū)電網(wǎng)初始負(fù)荷水平以及增加50%負(fù)荷的不同情況，進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析.

3.1 初始負(fù)荷水平

寧夏電網(wǎng)各地區(qū)的初始負(fù)荷水平如表5所示，選取的故障方式為石嘴山二電廠和正誼變之間220 kV交流線在0～0.18s發(fā)生三相短路故障，選取觀測(cè)母線為正誼變母線.分別針對(duì)采用寧夏原始負(fù)荷模型參數(shù)和辨識(shí)出的SLM負(fù)荷模型參數(shù)的仿真算例，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到相應(yīng)母線暫態(tài)電壓變化曲線，如圖3所示.

表5 負(fù)荷極限分析結(jié)果Table 5 Load limit analysis results

圖3 正誼220kV母線電壓變化曲線Figure 3 Voltage curves of Zhengyi 220kV bus

采用2種模型的仿真結(jié)果之間的差別主要集中在故障清除后的暫態(tài)中壓變化.SLM模型的電壓恢復(fù)速度比原始模型慢.經(jīng)分析，主要原因?yàn)棰賁LM模型相對(duì)于原始模型，更切合實(shí)際地考慮了配電網(wǎng)絡(luò)的影響，模型用配網(wǎng)等值阻抗來(lái)模擬配電網(wǎng)絡(luò)的影響；②SLM模型較原始模型的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例有所增大，當(dāng)次暫態(tài)過(guò)程消失后，由于電壓較低，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需要從電網(wǎng)吸收更多的無(wú)功功率.

3.2 負(fù)荷增長(zhǎng)50%

將各地區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷增長(zhǎng)50%，得到新的負(fù)荷水平，選取的故障方式不變，不同負(fù)荷模型情況下的暫態(tài)電壓變化曲線如圖4所示.當(dāng)各地區(qū)負(fù)荷增加時(shí)，較容易發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)問(wèn)題，在故障時(shí)間達(dá)到0.18s時(shí)已出現(xiàn)暫態(tài)電壓失穩(wěn).這表明寧夏電網(wǎng)原負(fù)荷模型較實(shí)測(cè)SLM模型偏冒進(jìn).

圖4 正誼220kV母線電壓變化曲線Figure 4 Voltage curves of Zhengyi 220kV Bus

4 負(fù)荷模型對(duì)寧夏電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響

筆者根據(jù)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的基本理論和分析方法，采用新負(fù)荷模型，對(duì)寧夏電網(wǎng)2012年運(yùn)行方式進(jìn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析，主要計(jì)算寧夏電網(wǎng)負(fù)荷功率極限，并確定電壓穩(wěn)定薄弱的節(jié)點(diǎn).

4.1 負(fù)荷功率極限分析

先進(jìn)行負(fù)荷極限分析，計(jì)算采用的傳輸模式為各地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷均勻增長(zhǎng)，需要的功率由甘肅地區(qū)發(fā)電機(jī)和離該地區(qū)較遠(yuǎn)的發(fā)電機(jī)出力平衡.考慮該發(fā)電出力增長(zhǎng)方式的目的，研究寧夏電網(wǎng)目前的發(fā)電能力下（不新開(kāi)機(jī)組）系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定功率極限，所得結(jié)果如表5所示.

4.2 電壓穩(wěn)定薄弱點(diǎn)分析

在功率極限臨界點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)特征值分析計(jì)算各母線的相對(duì)參與因子，識(shí)別系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定薄弱節(jié)點(diǎn).不同區(qū)域負(fù)荷增長(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定薄弱點(diǎn)如表6所示.

表6 電壓穩(wěn)定薄弱點(diǎn)分析結(jié)果Table 6 Analysis results on voltage stability weak points

從分析可知，采用新負(fù)荷模型后，寧夏電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題：①2012年方式情況下，寧夏電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定負(fù)荷極限可以達(dá)到12 495MW，超過(guò)了目前出現(xiàn)過(guò)的以及未來(lái)時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)的負(fù)荷最大值，電網(wǎng)整體能夠保持電壓穩(wěn)定性；②2012年方式情況下，寧夏電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的薄弱區(qū)域主要存在于石嘴山地區(qū)和中衛(wèi)地區(qū)，日常運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)注意.

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)寧夏電網(wǎng)特殊負(fù)荷比例較高的特點(diǎn)，通過(guò)典型節(jié)點(diǎn)的PMU實(shí)測(cè)擾動(dòng)數(shù)據(jù)辨識(shí)負(fù)荷模型參數(shù)，建立考慮配電網(wǎng)絡(luò)影響的SLM模型.采用辨識(shí)得到的新負(fù)荷模型對(duì)寧夏電網(wǎng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定和靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題分別進(jìn)行了仿真分析.通過(guò)新負(fù)荷模型與寧夏電網(wǎng)現(xiàn)有仿真計(jì)算用的負(fù)荷模型的仿真結(jié)果對(duì)比表明，辨識(shí)得到的SLM模型更接近實(shí)際電網(wǎng)的負(fù)荷特性，可以較好反映出寧夏電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題.

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