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

任 華，姚秀萍，王維慶，常喜強(qiáng)，周 專(zhuān)

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.國(guó)網(wǎng)巴州供電公司，新疆庫(kù)爾勒841000；3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆烏魯木齊830002；4.國(guó)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(dòng)幅值研究

任 華1,2，姚秀萍1,3，王維慶1，常喜強(qiáng)3，周 專(zhuān)4

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.國(guó)網(wǎng)巴州供電公司，新疆庫(kù)爾勒841000；3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆烏魯木齊830002；4.國(guó)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(huì)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(yùn)行費(fèi)用等。但是正常運(yùn)行時(shí)跨省級(jí)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(dòng)的現(xiàn)象，這種功率波動(dòng)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(shí)會(huì)威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，研究了隨機(jī)功率波動(dòng)的機(jī)制，并通過(guò)PSASP軟件仿真及EMS系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)基于系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性，推導(dǎo)的關(guān)于跨省級(jí)互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的公式進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了影響聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)在理論計(jì)算與實(shí)測(cè)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(dòng)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(dòng)

由于我國(guó)能源分布與電力消費(fèi)之間地區(qū)分布不平衡的矛盾決定了未來(lái)我國(guó)需要建設(shè)一些大容量、長(zhǎng)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(guó)互聯(lián)電網(wǎng)的形成。因此，電網(wǎng)互聯(lián)將是我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。新疆電網(wǎng)以750 kV電壓等級(jí)線路接入西北主網(wǎng)后，實(shí)現(xiàn)了新疆電網(wǎng)與西北電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，對(duì)促進(jìn)新疆能源資源開(kāi)發(fā)、實(shí)現(xiàn)“疆電外送”具有重要意義。跨省電網(wǎng)互聯(lián)后，會(huì)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(kāi)發(fā)一次能源，實(shí)現(xiàn)水火資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；(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(yùn)行過(guò)程中可以觀察到聯(lián)絡(luò)線上存在有功功率波動(dòng)的情況。聯(lián)絡(luò)線功率較大時(shí)，功率波動(dòng)可能造成聯(lián)絡(luò)線輸送功率超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-7]。除此之外，聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)會(huì)引起兩端電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，該波動(dòng)隨著輸送潮流的增大而增大，若缺乏無(wú)功控制手段則可能威脅電網(wǎng)和設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)有功功率波動(dòng)限制了聯(lián)絡(luò)線的輸電能力。通過(guò)對(duì)跨省級(jí)互聯(lián)系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線上功率波動(dòng)的推導(dǎo)公式的驗(yàn)證，分析了影響聯(lián)絡(luò)線上功率波動(dòng)在理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生誤差的原因，有助于掌握跨省級(jí)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(yùn)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(dòng)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(yùn)行時(shí)，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(shí)，通常采用線性關(guān)系來(lái)描述負(fù)荷對(duì)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(shí)，發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)將自動(dòng)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(duì)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(shí)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(dòng)

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(guò)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(dòng)量(以由A至B為正方向)。

圖1 跨省互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

對(duì)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(dòng)，聯(lián)絡(luò)線上功率波動(dòng)較大時(shí)可能造成聯(lián)絡(luò)線輸送功率超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限。除此之外，聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)會(huì)引起兩端電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，波動(dòng)幅值過(guò)大時(shí)可能引起系統(tǒng)穩(wěn)定及電壓?jiǎn)栴}，影響互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究聯(lián)絡(luò)線的功率波動(dòng)十分重要，是跨省互聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動(dòng)的推導(dǎo)公式在計(jì)算聯(lián)絡(luò)線上的波動(dòng)功率與實(shí)際結(jié)果有無(wú)差別，通過(guò)PSASP仿真軟件分別對(duì)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(dòng)仿真，并將其仿真結(jié)果與新疆電網(wǎng)300 MW機(jī)組跳閘時(shí)EMS系統(tǒng)的實(shí)測(cè)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(jì)算與EMS系統(tǒng)實(shí)測(cè)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(dòng)的理論推導(dǎo)公式的理論計(jì)算結(jié)果與EMS系統(tǒng)的實(shí)測(cè)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(jí)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(dòng)的理論推導(dǎo)公式在實(shí)際功率波動(dòng)問(wèn)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(dòng)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(dòng)的理論推導(dǎo)公式的計(jì)算結(jié)果與EMS系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差的原因是實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)中各種類(lèi)型負(fù)荷比例與發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，因此對(duì)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(lèi)型的頻率波動(dòng)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(lèi)與分布情況比較復(fù)雜，實(shí)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(duì)互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的功率波動(dòng)影響很大，同時(shí)影響理論與實(shí)際的聯(lián)絡(luò)線上功率的計(jì)算。由圖2、3可知在不同負(fù)荷類(lèi)型下互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的頻率波動(dòng)與功率波動(dòng)是不同的。由圖4、5可知有無(wú)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(dòng)與功率波動(dòng)是不同的。復(fù)雜的電源和負(fù)荷的種類(lèi)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(dòng)在理論與實(shí)際的計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

圖3 不同負(fù)荷類(lèi)型的功率波動(dòng)曲線示意圖

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

圖5 有無(wú)發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率波動(dòng)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(dòng)的機(jī)制的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)新疆與西北兩區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)仿真分析與EMS的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線隨機(jī)功率波動(dòng)的理論推導(dǎo)公式進(jìn)行了驗(yàn)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(dòng)的理論推導(dǎo)公式在理論與實(shí)際中存在一定的誤差，此誤差等級(jí)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(dòng)的理論推導(dǎo)公式在實(shí)際功率波動(dòng)問(wèn)題的應(yīng)用。存在誤差的原因是實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)中各種類(lèi)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(dòng)以及縮小其在理論與實(shí)際中的誤差，建議如下：(1)合理選擇系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組的開(kāi)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(lèi)型的比例。

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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(duì)項(xiàng)目(IRT1285)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267017)

任華(1984—)，男，山西省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制。