宋軍英，李欣然

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙410007;2. 湖南大學(xué)，湖南 長沙410082)

電網(wǎng)穩(wěn)定計算分析是調(diào)度運行過程中安排運行方式的主要手段，是調(diào)度運行決策的重要依據(jù)。穩(wěn)定計算中采用不同的負荷模型，其暫態(tài)穩(wěn)定分析的結(jié)果也不盡相同。但負荷具有分布廣、時變性強的特點，建立準確反映電網(wǎng)實際的負荷模型一直是電力系統(tǒng)的一大難點。湖南河流密布，水力資源豐富。湘、資、沅、澧四水流域干流或支流中有許多水電站。至2012 年底，湖南省總裝機容量31 170.366 MW，其中110 kV 及以下并網(wǎng)電源裝機總?cè)萘? 037.866 MW，占全省總裝機容量的29%，110 kV 及以下并網(wǎng)電源中大部分為小水電〔1-3〕。這些分散接入的小水電作為電力系統(tǒng)綜合負荷的重要組成部分，直接影響到電網(wǎng)的綜合負荷特性，進一步增加了綜合負荷建模的難度與復(fù)雜度。因此，有必要考慮分布式小水電的綜合負荷特性及其對湖南電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定影響研究。

1 湖南電網(wǎng)負荷模型使用現(xiàn)狀

湖南電網(wǎng)仿真計算其負荷模型為220 kV 變電站的110 kV 或220 kV 母線的綜合負荷模型，它是110 kV 及以下網(wǎng)絡(luò)的等效綜合負荷。即綜合負荷模型為65%感應(yīng)電動機加35%恒定阻抗綜合負荷模型(稱為傳統(tǒng)負荷模型)。若等值負荷向220 kV變電站送入有功，則該等值負荷為負值，否則為正值。無論等值負荷為正值還是為負值，其負荷模型均為綜合負荷模型，但對于等值負荷為負值的負荷模型，電力系統(tǒng)綜合分析程序在進行暫態(tài)穩(wěn)定計算時，在計算過程中自動將其轉(zhuǎn)換為恒阻抗負荷模型參與計算。

2 考慮分布式小水電的負荷模型

110 kV 及以下網(wǎng)絡(luò)中接入了較大容量的小水電，使得負荷模型結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，為有效等值考慮分布式小水電的影響，考慮分布式小水電的負荷模型由3 部分組成(研究負荷模型):等值小水電、等值負荷、等值阻抗，其中等值小水電是對網(wǎng)內(nèi)所有小水電機組的一個總體等值，見圖1。

圖1 虛線部分中等值元件參數(shù)確定原則如下:

1)等值負荷:為等值區(qū)域的用電負荷，其負荷模型為傳統(tǒng)負荷模型，即65% 感應(yīng)電動機加35%恒定阻抗綜合負荷模型。

2)等效阻抗:為110 kV 及以下網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)等值阻抗，可根據(jù)原始網(wǎng)絡(luò)潮流計算的結(jié)果，通過總的網(wǎng)絡(luò)損耗折算得到。

3)等值小水電:110 kV 及以下網(wǎng)絡(luò)分布式小水電以一等值小水電的形式等值。等值小水電機組參數(shù)采用加權(quán)聚合的方法確定，即按式(1)得到。

式中 G 為接入110 kV 及以下電網(wǎng)發(fā)電機組的基荷;i 為接入110 kV 及以下電網(wǎng)全部分布式發(fā)電機組的臺數(shù);Ri，Si分別為第i 臺分布式小水電機組的參數(shù)和容量;RG為等值小水電的機組的參數(shù)。

等值小水電的同步機模型采用凸極同步發(fā)電機模型且忽略阻尼繞組動態(tài)特性，用3 階微分方程等效;不考慮勵磁系統(tǒng)、PSS 及調(diào)速系統(tǒng)的作用。

3 對湖南電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定影響

3.1 仿真計算條件

3.1.1 計算數(shù)據(jù)及計算負荷水平

計算數(shù)據(jù)以2011 年底湖南電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，包含了由華中電力調(diào)控分中心提供的2011年度華中五省一市電網(wǎng)數(shù)據(jù)。在夏小方式湘南地區(qū)負荷水平分別按1 650 MW，2 550 MW，2 950 MW，4 000 MW 計算，冬大方式湘南地區(qū)負荷水平按2 550 MW，2 950 MW，4 000 MW 計算湖南主網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進行仿真分析計算。

3.1.2 仿真計算工具

文中所采用的仿真計算程序為某科研院編制的電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP 6.282 版(Windows版)。其中潮流計算采用牛頓·拉夫遜法，穩(wěn)定計算采用PSASP 6.282 內(nèi)定的經(jīng)典隱式梯形積分法，積分步長為0.01 s，積分時段一般為40 s。

3.1.3 暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)

判定系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的基本原則:系統(tǒng)內(nèi)主力機組之間最大相對角＜180°且為減幅振蕩;系統(tǒng)內(nèi)主要中樞點電壓在1 s 內(nèi)恢復(fù)至0.75 pμ 以上;聯(lián)絡(luò)線功率振蕩屬衰減趨勢。

3.1.4 發(fā)電機模型

計算中220 kV 及以上并網(wǎng)機組數(shù)學(xué)模型為:100 MW 及以上機組采用交軸次暫態(tài)電勢Eq″ 變化的5 階模型且計及自動勵磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的影響，其它發(fā)電機組則采用交軸次暫態(tài)電勢Eq″恒定的2 階模型〔7-10〕。

3.1.5 仿真計算負荷模型

1)模型1:為傳統(tǒng)負荷模型。

2)模型2:對110 kV 及以下電網(wǎng)中接入了小水電的220 kV 變電站，其負荷模型采用上述考慮分布式小水電的負荷模型;110 kV 及以下電網(wǎng)中未接入小水電的220 kV 變電站，其負荷模型采用傳統(tǒng)負荷模型。

3.2 對鄂湘聯(lián)絡(luò)線暫態(tài)功率極限的影響

鄂湘聯(lián)絡(luò)線由500 kV 葛崗線、江復(fù)Ⅰ，Ⅱ線組成，由于江復(fù)Ⅰ，Ⅱ線為同桿并架線路，因此，鄂湘聯(lián)絡(luò)線南送功率輸送極限按夏小方式江復(fù)Ⅰ，Ⅱ線雙回同時跳閘來考核。

通過使用模型1 和模型2 分別對鄂湘聯(lián)絡(luò)線南送功率極限進行穩(wěn)定計算，結(jié)果表明使用模型1 和模型2 計算出鄂湘聯(lián)絡(luò)線暫態(tài)功率極限完全相同。

3.3 對湘中地區(qū)暫態(tài)穩(wěn)定水平影響

在夏小方式下，湘中及湘南地區(qū)保持最小開機方式時，分別用模型1 和模型2 對湘中地區(qū)500 kV變壓器中壓側(cè)、500 kV 變電站220 kV 出線進行三相故障校核，計算結(jié)果表明，使用模型1 和模型2對湘中地區(qū)各輸變電設(shè)備均能通過三相故障校核。

3.4 對牌長艷宗Ⅱ線輸送功率極限的影響

3.4.1 牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ輸送功率極限計算方法

懷化和湘西地區(qū)是湖南電網(wǎng)電源集中地，預(yù)計2013 年底，懷化和湘西地區(qū)需通過220 kV 及以上網(wǎng)絡(luò)送出大約5 000 MW 電力。這些電源主要外送通道有500 kV 牌樓主變、牌長Ⅰ，Ⅱ線及艷宗Ⅱ線、220 kV 黔平線、平陽線、田上線及田群等輸變電設(shè)備。

若懷化和湘西地區(qū)開機方式較大，湘中和湘南機組未保持一定開機方式時，湘南地區(qū)由于缺乏電源支撐，存在暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題，嚴重情況還將出現(xiàn)懷化和湘西地區(qū)電源暫態(tài)功角穩(wěn)定問題，豐水期小負荷方式下，該問題更為突出。為確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，需要計算牌長Ⅰ，Ⅱ線與艷宗Ⅱ線斷面輸送功率極限。

牌長Ⅰ，Ⅱ線及艷宗Ⅱ線輸送功率極限的確定方法是采用豐水期夏小負荷方式，懷化和湘西電網(wǎng)中部分220 kV 變電站110 kV 母線有功上送，長株潭及衡郴永220 kV 并網(wǎng)機組保持最小開機臺數(shù)，加大懷化和湘西電網(wǎng)機組開機數(shù)，減小其他地區(qū)機組開機數(shù)。若艾鶴線鶴側(cè)能通過三相故障校核，則繼續(xù)加大懷化和湘西地區(qū)并網(wǎng)機組出力，減少其他常德、益陽或張家界地區(qū)機組出力，若艾鶴線鶴側(cè)等相關(guān)輸變電設(shè)備能通過三相故障校核，繼續(xù)加大牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線的輸送功率，艾鶴線鶴側(cè)等相關(guān)輸變電設(shè)備不能通過三相故障校核，此時牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線外送的功率之和為其暫態(tài)功率極限。

計算牌長Ⅰ，Ⅱ線及艷宗Ⅱ線輸送功率極限的方式為，湖南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負荷為15 000 MW，懷化和湘西地區(qū)部分220 kV 變電站上網(wǎng)總負荷為550 MW，同時該地區(qū)220 kV 并網(wǎng)機組全開滿發(fā)，懷化和湘西500 kV 并網(wǎng)部分機組出力，長株潭和衡郴永等地區(qū)220 kV 并網(wǎng)機組保持最小開機方式。

3.4.2 基于模型1 的計算結(jié)果

使用上述計算方式，牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線輸送功率為1 950 MW 時，湖南電網(wǎng)內(nèi)500 kV 線路均能通過三相故障校核。若繼續(xù)加大牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線的輸送功率至2 000 MW，艾鶴線鶴側(cè)不能通過三相故障校核，湘南電網(wǎng)出現(xiàn)了暫態(tài)電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此，牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線的暫態(tài)輸送功率極限為1 950 MW。在此方式下，220 kV 黔平及平陽線斷面輸送功率、田群及田上線斷面輸送功率均在控制功率范圍內(nèi)。因此，基于模型1 的牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線的輸送功率極限為1 950 MW。

3.4.3 基于模型2 的計算結(jié)果

使用上述計算方式，當(dāng)牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線輸送功率為1 950 MW 時，湖南電網(wǎng)內(nèi)500 kV 線路均能通過三相故障校核。若繼續(xù)加大牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線的輸送功率至2 100 MW，湖南電網(wǎng)內(nèi)500 kV 線路均能通過三相故障校核。一直使用加大懷化和湘西電源機組開機方式，減小常德、益陽等地區(qū)機組開機方式的方法，不斷加大牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線輸送功率，當(dāng)其功率為2 850 MW 時，艾鶴線鶴側(cè)不能通過三相故障校核，湘南電網(wǎng)出現(xiàn)了暫態(tài)電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此，牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線的暫態(tài)輸送功率極限為2 800 MW。在此方式下，220 kV 黔平及平陽線斷面輸送功率、田群及田上線斷面輸送功率均超過控制功率。為確保各斷面潮流在控制功率范圍內(nèi)，減小懷化和湘西地區(qū)機組出力，加大其他地區(qū)電源出力，減小牌長Ⅰ，Ⅱ及艷宗Ⅱ線的輸送功率為2 250 MW 時，220 kV 黔平及平陽線斷面、田群及田上線斷面輸送功率均在控制功率范圍內(nèi)。

3.5 對湘南地區(qū)最小開機影響

衡郴永電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平與該地區(qū)電源開機方式、負荷水平密切相關(guān)。衡郴永電網(wǎng)地區(qū)、永州南部地區(qū)負荷水平越高、衡郴永地區(qū)的開機方式越小，衡郴永地區(qū)的暫態(tài)電壓失穩(wěn)的問題越突出。該地區(qū)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題主要體現(xiàn)在衡郴永和長株潭地區(qū)電源未保持一定開機方式，艾鶴線鶴側(cè)故障發(fā)生三相永久性短路故障，正常切除，衡郴永電網(wǎng)部分變電站暫態(tài)電壓失穩(wěn)。若采取加大耒陽及東江電廠開機方式的措施，提高對衡郴永電網(wǎng)的電壓支撐作用，可有效提高該電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平。

湘南地區(qū)最小開機的計算方法是在夏小方式下，衡郴永負荷分別為1 700 MW，2 600 MW，3 000 MW時，加大懷化和湘西地區(qū)開機方式，減小耒陽和東江電廠機組開機方式，若各輸變電設(shè)備均能通過3 項故障校核，則耒陽和東江電廠的開機方式為最小開機方式。

按上述計算方法可得到基于模型1 和模型2 的最小開機方式，結(jié)果見表1 所示。從表1 中可看出，在衡郴永負荷小于1 700 MW 時，使用模型2對東江電廠無開機要求，而使用模型1 計算要求東江電廠至少要開1 臺機組，降低了對東江電廠開機方式的要求。同樣，在衡郴永負荷分別為2 600 MW，3 000 MW 及以上時，相比模型1 而言，使用模型2 對耒陽和東江電廠的開機方式均有所降低。

表1 東江和耒陽電廠開機方式 臺

4 結(jié)論

1)湖南電網(wǎng)110 kV 及以下網(wǎng)絡(luò)中含較大容量的小水電，考慮分布式小水電的負荷建模對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析結(jié)果有較大的影響，建立考慮分布式小水電的負荷模型有重要意義。

2)與使用傳統(tǒng)的負荷模型相比，湖南電網(wǎng)使用考慮分布式小水電的負荷模型對鄂湘聯(lián)絡(luò)線的輸送功率極限、湘中地區(qū)暫態(tài)穩(wěn)定水平無明顯不同。

3)湖南電網(wǎng)使用考慮分布式小水電的負荷模型對牌長艷宗Ⅰ，Ⅱ線與艷宗Ⅱ線輸送功率極限有一定提高，同時對耒陽及東江電廠開機要求也可以降低。

〔1〕國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會. DL 755—2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則〔S〕. 北京:中國電力出版社，2001.

〔2〕湖南省電力公司. 湖南電網(wǎng)2012 年度穩(wěn)定計算報告〔R〕.2012.

〔3〕湖南省電力公司. 湖南電網(wǎng)2012 年度電網(wǎng)運行方式〔R〕.2012.

〔4〕湖南省電力公司. 風(fēng)電和光伏電源等分布式發(fā)電對湖南電網(wǎng)安全高效運行的影響及其調(diào)度對策研究〔R〕. 2011.

〔5〕張元勝，李欣然，肖圓圓，等. 含小水電配網(wǎng)負荷模型實用化方法〔J〕. 電工電能新技術(shù)，2012，31 (4):83-87.

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