特高压联络线峰值功率分析范文

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《高电压技术杂志》2015年第十一期

摘要：

为了寻找仿真分析中影响特高压联络线峰值功率转移比的关键因素，从负荷模型的角度研究了仿真分析和实际系统中特高压联络线峰值功率转移比的差异。在不同负荷模型产生不同阻尼比的基础上，从静态负荷模型的表达式出发，首先对比了恒阻抗、恒电流、恒功率3种负荷模型的电压特性，并分析了电压特性对峰值功率转移的抑制作用，进一步研究了转移比的差异对直流闭锁安全控制策略中切负荷量的影响，即转移比较大时所需的切负荷量较大，反之切负荷量较小。不同负荷模型计算所得转移比有48%的差异，充分说明负荷模型是仿真分析中影响转移比的关键因素之一。因此负荷模型对转移比仿真结果的准确性至关重要，建议全网开展负荷模型校核工作。

关键词：

负荷模型；负荷；电压特性；特高压；联络线；峰值功率转移比；控制策略

长治—南阳—荆门特高压交流试验示范工程及其扩建工程建成投运以来，当华北或华中产生功率缺额时，特高压交流联络线上会产生较大的功率波动[1-4]。随着哈密南—郑州(哈郑)、溪洛渡—浙江(溪浙)等大容量直流的相继投运，直流的单极或双极闭锁故障产生的联络线功率波动有可能破坏特高压交流的静态稳定极限，影响电网的安全稳定运行[5-8]。以往的仿真分析中，计算所得联络线峰值功率转移比与实际转移比存在一定差异，对电网运行方式的安排，安全稳定控制策略的制定及整个安控系统的实施带来了较大困难，从而增加了电网运行的风险。随着跨大区大容量直流或交流工程的建成投产，寻找影响仿真计算中交流联络线峰值功率转移比的关键因素已成必然。文献[9]中提到，系统的惯性常数比、互联系统区域振荡模式阻尼比是决定特高压峰值功率转移比的关键因素。本文首先从负荷模型的角度对比分析了不同静态负荷模型下区域振荡模式阻尼比。并在此基础上，从静态负荷模型的表达式出发，对比分析了恒阻抗、恒电流、恒功率负荷的电压特性，利用负荷电压特性进一步说明了仿真分析中负荷模型对联络线峰值功率转移比和直流闭锁安全控制策略的影响，指出负荷模型是影响功率转移比分析的关键因素之一，建议改善现有负荷模型的准确性，以期为特高压大电网的安全稳定运行提供技术支撑。

1功率分配过程和负荷模型简介

1.1电力系统受扰后功率分配过程电力系统受到功率扰动后的功率分配分为3个阶段[9-10]：第1阶段为扰动瞬间，发电机输出功率的变化按照发电机节点与扰动点之间的同步转矩系数来分配，与扰动点的电气距离越近，该发电机对扰动功率的分担就越大[11]。第2阶段为发生功率扰动到发电机调速器大幅度动作之前，发电机按其惯性常数来分担变化的负荷量。第3阶段为系统频率趋稳，发电机调速器将通过动作来改变输出功率，扰动功率按调速器的调差系数分配到各发电机。

1.2电力系统负荷模型负荷模型是负荷的功率(有功和无功)或电流随变电站(母线)电压和频率的变化而变化的数学表达式。一般分为静态负荷模型和动态负荷模型。静态负荷模型反映母线负荷功率(有功、无功)随模型电压和频率的变化而变化的规律，其中负荷随电压变化的特性称为负荷电压特性，负荷随频率变化的特性称为负荷频率特性，2者一般可用代数方程表示。动态负荷模型反映母线负荷功率(有功、无功)随母线电压、频率和时间的变化而变化的规律，一般可用微分方程或差分方程表示，由于动态负荷的主要成分是感应电动机，因此常用感应电动机模型表示动态负荷模型。一般用感应电动机模型并联有关静态负荷模型来描述综合负荷的动态行为[12-18]。我国各电网调度运行部门中，华北、华中、东北和西北电网在进行电力系统计算分析时，采用恒定阻抗+感应电动机的动态负荷模型，其中感应电动机负荷占总负荷比例为40%~60%。华东和南方电网在进行电力系统计算分析中，采用静态负荷模型，其中，华东电网采用恒定阻抗+恒定功率模型、不考虑负荷的频率特性，南方电网采用恒定电流+恒定功率+恒定阻抗模型、考虑负荷的频率特性。

2负荷模型对联络线峰值功率转移比的影响

2.1负荷电压特性假如负荷模型的静态部分全部为恒阻抗模型或恒电流模型或恒功率模型。由静态负荷模型多项式表达式可知，恒阻抗负荷模型对应的负荷量与电压的平方成正比；恒电流负荷模型对应的负荷量与电压成正比；恒功率负荷模型对应的负荷量与电压关系不大。当电压降低时，3种模型下负荷的减少量大小关系为：恒阻抗>恒电流>恒功率；反之，当电压升高时，3种模型下负荷的增加量大小关系为：恒阻抗>恒电流>恒功率。

2.2负荷模型对峰值功率转移比的影响参考式(1)的表述，一方面负荷模型会影响区域振荡模式的阻尼比，另一方面负荷模型的电压特性会影响增减的负荷量，负荷模型几乎对系统的惯性常数没有影响。利用华北华中特高压联网系统来说明负荷模型对功率转移比的影响，首先分析负荷模型对区域振荡模式阻尼比的影响，负荷模型若有变化，小干扰计算中的线性化矩阵将发生改变，计算所得的振荡模式随之改变，最终导致阻尼比发生变化；其次分析负荷电压特性对负荷增减量的影响，进一步影响功率转移比。采用中国电力科学研究院开发的PSD–BPA仿真计算软件，仿真计算中，华北负荷模型为60%感应电动机+40%恒阻抗，华中负荷模型为50%感应电动机+50%恒阻抗，下面以此模型为原始模型分析负荷模型对转移比的影响。方式及模型1，特高压交流华北送华中5000MW方式，华北与华中总惯量常数比约为1.2，三峡电厂掉1机760MW，同时修改华北、华中负荷模型的静态部分，详见表1。方式及模型2，特高压交流华北送华中5000MW方式，华北与华中总惯量常数比约为1.2，三峡近区电厂掉1机760MW，华北负荷模型不变，修改华中负荷模型的静态部分，详见表1。2种方式及模型下，仿真计算功率峰值和表达式计算功率峰值如表1所示。从表1计算结果可知，方式及模型1中，华北华中负荷模型静态部分同为恒阻抗、恒电流、恒功率下区域振荡模式阻尼比分别为17.4%、10.8%、3.64%，根据式(1)计算可得，转移比分别为85.8%、93.3%、103.2%，联络线功率峰值分别为5652、5709、5784MW，仿真计算的联络线功率峰值分别为5575、5651、5764MW，公式计算的联络线功率峰值与仿真计算的联络线功率峰值分别相差77、58、20MW。由此可知，仿真计算中，负荷模型是影响功率峰值的因素之一。为了进一步说明负荷模型对功率峰值的影响，考虑了方式及模型2，从表1计算结果可知，华中50%恒阻抗、恒电流、恒功率静态负荷模型下区域振荡模式阻尼比分别为17.4%、12.9%、7.7%，根据式(1)计算可得，转移比分别为85.8%、90.7%、97.3%，联络线功率峰值分别为5652、5690、5739MW，仿真计算的联络线功率峰值分别为5575、5710、5940MW，公式计算的联络线功率峰值与仿真计算的联络线功率峰值分别相差77、−20、−201MW。由此可知，特高压联络线两端系统的负荷模型对功率峰值产生了更大的影响。具体分析如下：华中产生功率缺额后，华北通过特高压联络线支援华中功率缺额，当华中采用恒阻抗负荷模型时，一方面区域振荡模式的阻尼比最大，系统的超调量最小，另一方面华中负荷减少量最大，如图1、2所示，华中总的功率缺额最小，负荷的电压特性对联络线上的功率增加起到的抑制作用最大，综合以上2方面的作用可得，在此模型下，功率峰值最小，转移比约为75.7%，如图3所示；当华中采用恒功率负荷模型时，一方面区域振荡模式的阻尼比最小，系统的超调量最大，另一方面华中负荷减少量最小，华中总的功率缺额最大，负荷的电压特性对联络线上的功率增加起到的抑制作用最小，综合以上2方面的作用可得，此模型下，功率峰值最大，转移比约123.6%；华中采用恒电流负荷模型时的转移比则介于前2者之间。综合以上分析结果可知，当采用不同负荷模型时，不仅功率峰值的仿真计算值与公式计算值相差较大，且仿真计算中，不同负荷模型下仿真计算所得功率峰值相差较大，如华北负荷模型不变，华中恒功率模型下功率峰值与恒阻抗模型下功率峰值相差近365MW，占功率缺额760MW的48%，而公式计算结果可得2个峰值相差近87MW，占功率缺额760MW的11.5%，该差异会影响对特高压联络线静稳裕度的估算，给实际生产带来较大风险。

2.3负荷模型及电压特性对安全控制策略的影响负荷电压特性对特高压联络线峰值功率转移比的影响会进一步影响安全控制策略的制定。对实际系统进行仿真分析，特高压交流华北送华中5000MW，哈密—郑州直流双极西北送华中8000MW的方式，发生直流单极闭锁(受端系统产生功率缺额)，华北通过特高压联络线支援华中功率缺额，当华中(受端系统)采用恒阻抗负荷模型时，特高压峰值功率转移比最小，所需安全控制策略的切负荷量最小(特高压交流联络线的功率支援量受静稳极限的约束较为定量且有限)；当华中采用恒功率负荷模型时，特高压峰值功率转移比最大，所需安全控制策略的切负荷量最大；华中采用恒电流负荷模型时的所需安全控制量则介乎前2者之间。3种负荷模型下直流单极闭锁采取相应切负荷措施后的特高压交流联络线功率和长治站电压如图4、5所示，其中，电压用标幺值表示，基准值为额定电压1050kV。由表2计算结果可知，恒阻抗模型下所需切负荷量与恒功率模型下所需切负荷量相差近750MW，占直流单极功率4000MW的18.9%，这将对安全控制策略的制定和整个安全控制系统的实施带来较大困难，对生产运行带来潜在的风险。

3结论

1）不同的负荷模型，不仅峰值功率转移比的仿真计算值与公式计算值存在较大差异，且仿真计算值之间同样存在较大差异，如文中提到的48%的差异。究其原因，负荷模型一方面影响了系统阻尼，另一方面负荷的电压特性影响了负荷的增减量，进一步影响了峰值功率转移比。2）直流闭锁故障所需切负荷量的结果表明，不同负荷模型在引起较大峰值功率转移比差异的同时，间接对安全控制策略产生了较大影响，如18.9%的切负荷量差异。3）不同负荷模型之间，计算所得转移比和安全控制策略差异之大，充分说明负荷模型是影响转移比的关键因素之一，建议改善系统现有负荷模型的准确性。

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作者：任大伟 赵兵 张健 王建明 卜广全 单位：中国电力科学研究院