基于潮流貢獻度方法的

1、基于潮流貢獻度方法的大規(guī)模風場接入系統N-1熱穩(wěn)定分析何超軍東北電力科學研究院，遼寧省沈陽市和平區(qū)四平街39號 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N-1熱穩(wěn)定問題，應用電力系統商業(yè)軟件PSASP，提出了一種基于潮流貢獻度方法并考慮N-1斷面熱穩(wěn)定約束極限的調整風場目標出力的方法。應用該方法對赤峰電網2008年和2010年典型風電大發(fā)運行方式的熱穩(wěn)定問題進行了分析計算，發(fā)現了赤峰電網的熱穩(wěn)定薄弱環(huán)節(jié)，并確定了該地區(qū)內風電場在線路發(fā)生N-1熱穩(wěn)定過載時需要拉限總容量及各個風場所需要拉限的容量。分析結果表明，該方法快速、準確，適用于大規(guī)模風電接入的電網系統。關鍵詞：風力發(fā)電；潮流貢獻度；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)生預想事故后，判斷系統是否過載或者電壓越限的行為。電網中的靜態(tài)安全分析是基于N-1準則

6、對網絡元件進行故障掃描和預處理，形成元件的故障集合，按照故障集合分別開斷系統中的相關網絡元件，對開斷后的網絡進行潮流計算，獲得系統各節(jié)點、支路及網絡元件的運行狀態(tài)指標，根據這些指標的越限情況來檢驗電網是否會在事故預想情況下發(fā)生線路過負荷或電壓不正常情況，并以此來檢驗電網在發(fā)生故障之后是否能夠安全供電的能力1。本文在赤峰電網的基礎上，研究在考慮斷面熱穩(wěn)定問題的前提下，系統在接納大規(guī)模風電的同時，存在哪些薄弱環(huán)節(jié)。2 赤峰電網簡介赤峰市目前以220kV電網為主干網架，形成了縱貫南北的220kV輻射狀電網，通過500kV元董兩回線和220kV寧建線與遼寧西部電網相連。截至2010年底，赤峰電網500

7、kV網架將形成，巴林、青山兩座500kV變電站將投入運行。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接入點。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的影響，風能資源非常豐富。風電場的建設對于充分利用當地風能資源、促進經濟的快速發(fā)展都是十分必要的。2008年赤峰地區(qū)風電場裝機容量累計達到870MW；2010年累計達到1620MW。赤峰電網屬于電源外送型電網，大規(guī)模風電接入加重了電網的外送潮流，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)模風電接入系統的熱穩(wěn)定分析方法及其實現3.1 斷面潮流約束的數學模型由N-1原則確定的斷面潮流約束應滿足：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行方式下的最大允許潮流2。設研究的輸電斷面由條線路組成，分別為，設所研究電網中共有個節(jié)點，臺變壓器，臺發(fā)電機。正常網絡運行條件下線路輸送的視在功率為，斷開其中一條線路時的潮流方程為4 (1)其中為狀態(tài)向量，為節(jié)點負荷功率向量，為節(jié)點發(fā)電功率向量。為線路斷開時的網絡方程。應滿足約束條件： (2)為線路斷開時變壓器的實際容量，為線路斷開時線路的實際電流。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行考察。因此將式(3)改寫為 (3)另外，還應該考慮系統的有功出力平衡約束、機組容量界限約束，分別為 (4) (5)式中：、和分別是機組的最小、最大和實際有功出力；是機組的有功出力調整量。那么，在線路斷開時，該斷面輸電極限的目標函數為： (6)其中，是線路斷開時斷面集合中第條線路上流過的有功功率。3.2 基于潮流貢獻度方法的風電場目標出力調整方法在熱穩(wěn)定約束下的斷面輸電極限的求取方法就是通過不斷調整斷面送入和送出端的發(fā)電和負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的輸電極限。在不含風電場等分布式電源的情況下，一般優(yōu)先采用發(fā)電機有功出力調整

10、的方式3。在本研究中，負荷采用的是最大典型負荷，不進行負荷的調整。一般來說，發(fā)電機的調整是由運行人員事先設定好發(fā)電機調整順序，但是該方法要求運行人員具有足夠的運行經驗。在考慮斷面輸電極限約束的前提下，風電場與火電廠出力的調整應該遵循以下原則：（1）瞬時故障。如線路瞬時發(fā)生N-1斷開的情況下，出現窩電情況，優(yōu)先切除風電。如果切除風電后仍存在火電廠窩電現象，這就和不接入風電時的機組出力調整方法相似了，需要按照事先設定的順序調整發(fā)電機出力。（2）長期故障，如檢修N-1。在這種情況下，需要綜合考慮風電及火電的運行成本、經濟性等方面，制定該情況下的新的運行方式。本文研究的重點是發(fā)生瞬時故障情況下，風電的

11、大規(guī)模接入對原本并不存在瞬時N-1問題的系統的靜態(tài)安全帶來哪些影響，并應該如何解決。因此，對于長期故障下的N-1問題和火電機組出力調整的相關研究不作為本文研究范疇。當需要拉限風場出力的時候，可以按照預先制定好的方法，按照設定的比例關系削減各個風場的目標出力。如果削減目標出力后，斷面未達到其熱穩(wěn)極限，再分別增加各個風場的目標出力。直至最后斷面達到其熱穩(wěn)極限，就可以按照此時的目標出力對風場實際出力進行控制。本文提出一種基于風場出力對于線路潮流貢獻度的計算各風場調整出力比例關系的方法，方法如下：假設區(qū)域內共有風場座，為第座風場；斷面內線路共有條，為斷面中的第條線路。當所有風場均不發(fā)電的時候，上流過的

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

13、分析流程假定在風電小發(fā)或者不發(fā)的前提下，該系統是不存在熱穩(wěn)或N-1熱穩(wěn)問題的。由于風電出力具有突發(fā)性、不可預見性，風電場的出力隨時都有可能發(fā)生巨大的變化。在該時刻，負荷變動不大，風電的出力將通過斷面輸送到其它區(qū)域，將有可能導致斷面的線路出現N-1斷開情況下的熱穩(wěn)過載，這時候就需要拉限風電場的出力，以保證斷面的靜態(tài)安全。具體的風電場出力調整的流程如圖1所示。該分析流程中，“削減風場目標出力”和“增加風場目標出力”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時導線載流量的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)指的是斷面是否達到其輸電極限，即存在負載率為100%的線路且任何線路均不過載。4 赤峰電網熱穩(wěn)定問題計算分析4.1 計算分析的前提及說明本次計算采取的網架共有兩個，一個是赤峰地區(qū)2008年現狀網架，另一個是2010年規(guī)劃網架。運行方式為均為該時刻的典型大方式，負荷依據赤峰電網“十一五”滾動規(guī)劃及近期負荷情況進行預測。風場按照同時達到滿出力以研究極限情況。2008年網架所研究的斷面包括：南北聯絡線和南部環(huán)網。其組成線路的熱穩(wěn)極限功率如下表所示：表1 2008年網架斷面熱穩(wěn)限值支路所屬區(qū)域

15、功率（兆瓦）烏丹-西郊南北聯絡線321.99西郊-赤峰變南北聯絡線321.99赤峰變-元寶山廠南北聯絡線464.88元寶山廠-烏丹南北聯絡線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年網架所研究的斷面包括：南北聯絡線和南部環(huán)網。其組成線路的熱穩(wěn)極限功率如下表所示：表2 2010年網架斷面熱穩(wěn)限值支路所屬區(qū)域功率（兆瓦）烏丹-西郊南北聯絡線322西郊-赤峰變南北聯絡線322赤峰變-元寶山廠南北聯絡線464.9元寶山廠-烏丹南北聯絡線266.7赤峰變-元寶山變南北聯絡線464.9元寶山變-元寶

16、山廠南北聯絡線每回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由于風場對于斷面線路的潮流貢獻度數據較多，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)內風場目標出力的削減情況。篇幅所限，我們只列出當烏丹-西郊線路開斷時，基于潮流貢獻度的每個風場目標出力削減的具體情況。表3 2008年網架地區(qū)風場目標出力削減開斷支路

17、過載支路風場目標出力調整（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且切負荷中京-寧城平莊-元寶山變820表4 風場目標出力的削減情況（單位：兆瓦）查干哈達達里西場煤窯山烏套海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重，是赤峰電網中熱穩(wěn)定較薄弱的環(huán)節(jié)。實際上，

18、2008年網架結構中，元寶山變-中京這條線路是新修建的，線徑很粗，但是負荷相對較小。當元寶山變-中京斷開后，平莊-元寶山變上潮流的熱穩(wěn)問題就更加的嚴重。當平莊-元寶山變斷開后，潮流轉而由元寶山變-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)內風場目標出力的削減情況。鑒于篇幅所限，我們這里就不列出每個風場單獨目標出力的削減情況了。表5 2010年網架風場目標出力削減開斷支路過載支路風場目標出力削減（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年網架下，在風電大發(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)的風電最大出力達到1570MW，但是由于該地區(qū)的電網結構的加強，其風電外送能力還是相應地增加了。外送能力的瓶頸依然是赤峰南部環(huán)網，而平莊-寧城線則尤為明顯。平寧線是各個支路退出運行后最容易過載的線路。5 結語赤峰電