基于潮流贡献度方法的

1、基于潮流贡献度方法的大规模风场接入系统N-1热稳定分析何超军东北电力科学研究院，辽宁省沈阳市和平区四平街39号 邮编：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：针对N-1热稳定问题，应用电力系统商业软件PSASP，提出了一种基于潮流贡献度方法并考虑N-1断面热稳定约束极限的调整风场目标出力的方法。应用该方法对赤峰电网2008年和2010年典型风电大发运行方式的热稳定问题进行了分析计算，发现了赤峰电网的热稳定薄弱环节，并确定了该地区内风电场在线路发生N-1热稳定过载时需要拉限总容量及各个风场所需要拉限的容量。分析结果表明，该方法快速、准确，适用于大规模风电接入的电网系统。关键词：风力发电；潮流贡献度；热稳定；N-1原则；输电极限1 引言静态安全分析，指的是在发生预想事故后，判断系统是否过载或者电压越限的行为。电网中的静态安全分析是基于N-1准则

6、对网络元件进行故障扫描和预处理，形成元件的故障集合，按照故障集合分别开断系统中的相关网络元件，对开断后的网络进行潮流计算，获得系统各节点、支路及网络元件的运行状态指标，根据这些指标的越限情况来检验电网是否会在事故预想情况下发生线路过负荷或电压不正常情况，并以此来检验电网在发生故障之后是否能够安全供电的能力1。本文在赤峰电网的基础上，研究在考虑断面热稳定问题的前提下，系统在接纳大规模风电的同时，存在哪些薄弱环节。2 赤峰电网简介赤峰市目前以220kV电网为主干网架，形成了纵贯南北的220kV辐射状电网，通过500kV元董两回线和220kV宁建线与辽宁西部电网相连。截至2010年底，赤峰电网500

7、kV网架将形成，巴林、青山两座500kV变电站将投入运行。巴林变电站地处赤峰北部，将成为新建的白音华电厂和大板电厂的系统接入点。青山变电站位于赤峰中南部地区，用于连接巴林500kV变电站和辽宁省北宁500kV变电站。原元董线“”接入青山500kV变电站。赤峰市受西伯利亚及蒙古冷高压和蒙古高原气旋等天气系统的影响，风能资源非常丰富。风电场的建设对于充分利用当地风能资源、促进经济的快速发展都是十分必要的。2008年赤峰地区风电场装机容量累计达到870MW；2010年累计达到1620MW。赤峰电网属于电源外送型电网，大规模风电接入加重了电网的外送潮流，并且可能降低其静态安全水平。3 基于N-1原则的

8、大规模风电接入系统的热稳定分析方法及其实现3.1 断面潮流约束的数学模型由N-1原则确定的断面潮流约束应满足：在给定断面潮流约束（一般为总有功限值）下，断开断面中任何一条线路，其余线路潮流均不过载；潮流约束值为断面正常运行方式下的最大允许潮流2。设研究的输电断面由条线路组成，分别为，设所研究电网中共有个节点，台变压器，台发电机。正常网络运行条件下线路输送的视在功率为，断开其中一条线路时的潮流方程为4 (1)其中为状态向量，为节点负荷功率向量，为节点发电功率向量。为线路断开时的网络方程。应满足约束条件： (2)为线路断开时变压器的实际容量，为线路断开时线路的实际电流。而和则分别是变压器和线路的最

9、大热稳限值，一般以线路流过的有功功率的形式进行考察。因此将式(3)改写为 (3)另外，还应该考虑系统的有功出力平衡约束、机组容量界限约束，分别为 (4) (5)式中：、和分别是机组的最小、最大和实际有功出力；是机组的有功出力调整量。那么，在线路断开时，该断面输电极限的目标函数为： (6)其中，是线路断开时断面集合中第条线路上流过的有功功率。3.2 基于潮流贡献度方法的风电场目标出力调整方法在热稳定约束下的断面输电极限的求取方法就是通过不断调整断面送入和送出端的发电和负荷得到断面上的线路和变压器在N-1方式下不存在过载时的输电极限。在不含风电场等分布式电源的情况下，一般优先采用发电机有功出力调整

10、的方式3。在本研究中，负荷采用的是最大典型负荷，不进行负荷的调整。一般来说，发电机的调整是由运行人员事先设定好发电机调整顺序，但是该方法要求运行人员具有足够的运行经验。在考虑断面输电极限约束的前提下，风电场与火电厂出力的调整应该遵循以下原则：（1）瞬时故障。如线路瞬时发生N-1断开的情况下，出现窝电情况，优先切除风电。如果切除风电后仍存在火电厂窝电现象，这就和不接入风电时的机组出力调整方法相似了，需要按照事先设定的顺序调整发电机出力。（2）长期故障，如检修N-1。在这种情况下，需要综合考虑风电及火电的运行成本、经济性等方面，制定该情况下的新的运行方式。本文研究的重点是发生瞬时故障情况下，风电的

11、大规模接入对原本并不存在瞬时N-1问题的系统的静态安全带来哪些影响，并应该如何解决。因此，对于长期故障下的N-1问题和火电机组出力调整的相关研究不作为本文研究范畴。当需要拉限风场出力的时候，可以按照预先制定好的方法，按照设定的比例关系削减各个风场的目标出力。如果削减目标出力后，断面未达到其热稳极限，再分别增加各个风场的目标出力。直至最后断面达到其热稳极限，就可以按照此时的目标出力对风场实际出力进行控制。本文提出一种基于风场出力对于线路潮流贡献度的计算各风场调整出力比例关系的方法，方法如下：假设区域内共有风场座，为第座风场；断面内线路共有条，为断面中的第条线路。当所有风场均不发电的时候，上流过的

12、有功功率为，为基础潮流。当只有第座风场出力增加时，线路上的有功功率为，其增量=。定义第座风场对第条线路的潮流贡献度为潮流贡献度是事先通过潮流计算得到的。当断面中的线路存在过载的时候，必然存在一条负载率最高的线路。我们将各风场对线路的潮流贡献度的比值作为各风场削减其目标出力的比例，使得风场目标出力变化值，调整风场的目标出力直至断面刚好达到其热稳极限，即线路的负载率在100%。同时，潮流贡献度的概念也可以作为拉限风场出力先后顺序的判定依据。对于某条过载线路潮流贡献度大的风场，可以考虑优先拉限其出力。按照潮流贡献度的不同，可以设定拉限风场出力的具体顺序。3.3 考虑风电接入的热稳定约束下断面输电极限

13、分析流程假定在风电小发或者不发的前提下，该系统是不存在热稳或N-1热稳问题的。由于风电出力具有突发性、不可预见性，风电场的出力随时都有可能发生巨大的变化。在该时刻，负荷变动不大，风电的出力将通过断面输送到其它区域，将有可能导致断面的线路出现N-1断开情况下的热稳过载，这时候就需要拉限风电场的出力，以保证断面的静态安全。具体的风电场出力调整的流程如图1所示。该分析流程中，“削减风场目标出力”和“增加风场目标出力”已有说明。其它主要环节如下所述：图1 热稳定约束下断面输电极限分析流程1）热稳限值是指线路N-1开断事故限值，规定为环境温度40C时导线载流量的1.5倍、阻波器额定电流、CT一次电流的1

14、.2倍三者的最小值5。2）“线路过载”环节指的是断面中至少存在一条线路的电流超过热稳限值。3）“热稳极限”环节指的是断面是否达到其输电极限，即存在负载率为100%的线路且任何线路均不过载。4 赤峰电网热稳定问题计算分析4.1 计算分析的前提及说明本次计算采取的网架共有两个，一个是赤峰地区2008年现状网架，另一个是2010年规划网架。运行方式为均为该时刻的典型大方式，负荷依据赤峰电网“十一五”滚动规划及近期负荷情况进行预测。风场按照同时达到满出力以研究极限情况。2008年网架所研究的断面包括：南北联络线和南部环网。其组成线路的热稳极限功率如下表所示：表1 2008年网架断面热稳限值支路所属区域

15、功率（兆瓦）乌丹-西郊南北联络线321.99西郊-赤峰变南北联络线321.99赤峰变-元宝山厂南北联络线464.88元宝山厂-乌丹南北联络线266.74元宝山变-中京南部断面464.88中京-宁城南部断面464.88宁城-平庄南部断面304.84平庄-元宝山变南部断面304.842010年网架所研究的断面包括：南北联络线和南部环网。其组成线路的热稳极限功率如下表所示：表2 2010年网架断面热稳限值支路所属区域功率（兆瓦）乌丹-西郊南北联络线322西郊-赤峰变南北联络线322赤峰变-元宝山厂南北联络线464.9元宝山厂-乌丹南北联络线266.7赤峰变-元宝山变南北联络线464.9元宝山变-元宝

16、山厂南北联络线每回533.5青山220-西郊西南部断面571西郊-锦山西南部断面322锦山-青山220西南部断面571青山220-中京南部断面464.9中京-元宝山变南部断面464.9青山220-平庄南部断面304.8平庄-宁城南部断面304.8宁城-中京南部断面464.9由于风场对于断面线路的潮流贡献度数据较多，限于篇幅，在此就不罗列了。4.2 2008年静态N-1热稳分析下表列出了开断支路及过载支路，并列出了发生过载后，该地区内风场目标出力的削减情况。篇幅所限，我们只列出当乌丹-西郊线路开断时，基于潮流贡献度的每个风场目标出力削减的具体情况。表3 2008年网架地区风场目标出力削减开断支路

17、过载支路风场目标出力调整（兆瓦）乌丹-西郊平庄-元宝山变380西郊-赤峰变平庄-元宝山变370赤峰变-元宝山厂平庄-元宝山变370元宝山厂-乌丹平庄-元宝山变370元宝山变-中京平庄-元宝山变870且切负荷中京-宁城平庄-元宝山变820表4 风场目标出力的削减情况（单位：兆瓦）查干哈达达里西场煤窑山乌套海13.0426.6628.9327.7928.36孙家营东山亿合公大黑山赛罕坝90.7590.7514.7527.2231.76对于南部断面来说，无论是其它断面还是自身断面发生线路N-1开断，过载线路均为平庄-元宝山变，也就是说该线路存在的问题最为严重，是赤峰电网中热稳定较薄弱的环节。实际上，

18、2008年网架结构中，元宝山变-中京这条线路是新修建的，线径很粗，但是负荷相对较小。当元宝山变-中京断开后，平庄-元宝山变上潮流的热稳问题就更加的严重。当平庄-元宝山变断开后，潮流转而由元宝山变-中京输送，反而可以良好的利用该线路上的输送能力。4.3 2010年静态N-1热稳分析下表列出了开断支路及过载支路，并列出了发生过载后，该地区内风场目标出力的削减情况。鉴于篇幅所限，我们这里就不列出每个风场单独目标出力的削减情况了。表5 2010年网架风场目标出力削减开断支路过载支路风场目标出力削减（兆瓦）乌丹-西郊元宝山厂-乌丹100青山220-西郊西郊-赤峰变210青山220-中京平庄-宁城400中京-元宝山变平庄-宁城230宁城-中京平庄-宁城1000在2010年网架下，在风电大发的情况下，线路N-1的热稳问题仍然没有完全解决。虽然赤峰地区的风电最大出力达到1570MW，但是由于该地区的电网结构的加强，其风电外送能力还是相应地增加了。外送能力的瓶颈依然是赤峰南部环网，而平庄-宁城线则尤为明显。平宁线是各个支路退出运行后最容易过载的线路。5 结语赤峰电