基于断面交换容量–电压变化比的电压灵敏度分析

基于断面交换容量–电压变化比的电压灵敏度分析

0静态电压稳定分析方法“25”是中国特高压电网发展的重要步骤。特高压电网系统具有传输能力大、趋势变化大、运营初期无事故的特点。与通道附近500kv的特高压线相连的线路通常是连接到重要大型单元和流量站的节点，不能在特高压线的运行中受到很大影响。高压交流线路本身失败后，受影响的电网可能会失去电压，这对该通道附近永集点的电压变化有很大影响，并导致连通性误差。同时，如果特高压直线每级或双级锁定，由于特高压直流站流量变化设备的特殊性质，送、避、报、针、区两侧的无功能率都会爆炸，从而影响电压的稳定。因此,在不同的运行方式下,特高压交流输电线路仅仅以线路的设计容量或热稳定极限来限制线路上传输容量显然是不合理的。对于特高压互联电网电压静态稳定性的研究以及以维持电压静态稳定性为前提条件对大区间交换容量范围进行限制具有十分重要的意义。静态电压稳定分析常用于评估系统在当前运行状态下是否能够保持电压稳定。静态电压稳定分析方法中灵敏度法以其物理概念简单明确,灵敏度判据严格,计算速度快等优势被广泛使用。灵敏度方法是利用系统中相关变量的相对变化关系来进行稳定分析,文献[10-11]对静态电压稳定的各种灵敏度判据进行分类,并进一步探讨灵敏度使用简化计算的可行性。传统的灵敏度分析方法大部分是建立在静态潮流计算基础上,当系统接近临界状态时,存在潮流方程收敛困难的问题,同时对于区间交换容量极限的计算与分析缺乏适应性方法。因此本文提出基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度分析方法,重点研究大区电网区间交流容量递增情况下区间输电通道上1000kV节点及500kV近区落点的静态电压响应及灵敏度变化趋势与规律,进而分析在静态电压稳定限制下大区间交流传输断面容量交换能力,确定在不同运行方式下大区电网区间交换容量的限制。1基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度分析方法本文研究的前提是大区电网区间容量交换断面、通道、落点及其近区500kV节点对大区间交换容量变化的响应及电压支撑特性,在考虑大区间容量交换以有功功率为主、无功容量就地平衡的前提下,电压变化及其稳定特性主要与有功功率变化相关。同时,采用节点暂态电压偏差最大值进行电压灵敏度分析,计算结果虽偏于保守,但可反映电压灵敏度的变化趋势。在大区电网容量交换断面存在多通道情况下,必然存在通道间的横向比较,而其中对于交换容量的电压特性更为敏感的薄弱通道及其敏感节点必然成为决定容量交换极限的制约因素。以EPRI-36节点8机系统为例,传统的P-V曲线主要是针对变电站的母线节点,示意图如图1所示,不能同时比较各重要母线节点的电压灵敏程度,因此提出基于断面交换容量的P-V曲线的分析方法如图2所示,以此寻找特高压断面上的薄弱通道和敏感节点。虽然基于断面交换容量的P-V曲线的分析方法可纵向比较各重要节点母线间的关系,但该方法无法判断电压变化的拐点–电压临界失稳点。在P-V曲线分析的基础上,提出对系统进行基于静态计算的灵敏度分析,即基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度分析方法,如图3所示。由于静态计算求取的灵敏度曲线步长较长,得出的曲线不平滑且误差较大,因此本文采用基于微增扰动的灵敏度分析方法,对基于静态计算的灵敏度分析方法进行修正。在交换容量递增方式连续调节基础上,在送端叠加微增量扰动,此时基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度曲线组见图4。由图4可知,随着交换容量的增加,各节点基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度不断变大,到达系统电压稳定边界时,交换容量的有功功率增加很少,而系统的电压急剧跌落。2在大范围内，提高电压灵敏度的电网之间的容量交换能力的评估是基于对大范围内电网之间的容量交换能力的改进2.1点内电压灵敏度分析基于断面交换容量–电压变化比灵敏度分析的大区电网间容量交换能力评估方法流程如图5所示,具体步骤如下。1)在递增交换容量的运行方式情况下,对各节点进行断面交换容量–电压变化比灵敏度分析,确定电压最敏感节点。2)对电压最敏感节点的电压变化比灵敏度随交换容量的变化趋势进行样条插值,对样条插值所得的离散值进行非齐次指数函数拟合后求导,得出电压灵敏度的变化率函数。3)根据电压失稳临界点的判别条件寻找电压灵敏度变化的拐点,计算交换容量极限。4)计算拐点的电压稳定裕度,根据电压临界失稳时电压稳定裕度的判定值,分析系统的电压稳定情况,对拐点的正确性和交换容量的评估结果进行校核。2.2交换容量–电压变化比的灵敏度拟合基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度分析与常规灵敏度方法的区别为:基于传输容量对各重要节点的灵敏度分析,而非针对单独节点的灵敏度分析,通过对这些灵敏度的横向比较,找出所关注的通道中的电压薄弱通道,并通过对确定薄弱通道的特高压节点的灵敏度曲线分析,依据灵敏度曲线的变化趋势计算交换容量极限。用基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度函数描述传输容量的变化与该传输通道相关的落点及近区落点电压变化之间的关系,通过传输容量–电压灵敏度得出整个系统全网的各潮流断面传输通道的传输容量,交换容量为各传输容量之和,即通过传输容量–电压灵敏度得到受端电网的交换容量的变化与电压变化之间的关系。传输容量–电压灵敏度函数(degreeofsensitivity,DS):灵敏度函数描述交换容量改变与电压变化之间的关系。当交换容量的改变对电压改变影响较小时,即灵敏度指标较小,系统稳定;反之亦然。在计算出如图4所示的基于微增扰动的交换容量–电压变化比灵敏度曲线后,对最敏感节点曲线进行插值和拟合如图6所示。拟合灵敏度随交换容量变化的曲线后对曲线求导得到曲线切线斜率,取介于0到无穷大之间的设定斜率T值指标进行判断,当斜率大于T值时,灵敏度由“渐变”转为“突变”,即可判断节点电压处于临界失稳状态。本文依据工程经验及稳定要求,取T值为50%。2.3静态电压稳定性评估本文用于评估区间容量交换能力的静态电压稳定性指标,是在递增区间交换容量的运行方式潮流计算基础上,叠加微增扰动后进行暂态稳定计算,以节点暂态电压偏差最大值对应系统交换容量的增加建立有功–电压灵敏度函数,灵敏度值一方面用于横向比较各节点的电压对断面交换容量改变响应的灵敏程度,用于确定薄弱通道及敏感节点,另一方面用于评估敏感节点本身对交换容量改变的敏感程度,灵敏度值越高,则代表该节点在相对更小的有功功率传输变化情况下电压下降相对更快,灵敏度值无穷大则说明有功交换容量改变趋近于0时,电压即会发生崩溃。通过静态电压稳定性的灵敏度分析得出系统的电压敏感节点,对基于渐变的交换容量最敏感节点的电压灵敏度随交换容量变化的趋势进行样条插值,然后对样条插值所得的离散值进行非齐次指数函数拟合后求导,得出电压灵敏度的变化率函数,当曲线斜率T为50%时的电压稳定临界点对应交换容量极限,并以电压稳定裕度指标进行校验。其中,定义交换容量–电压稳定裕度函数:电压稳定裕度函数UDS%表征电力系统电压稳定到电压失稳边界的临界裕度,为电力系统稳定运行提供安全指标。该方法用于评估使用有功–电压灵敏度指标计算出极限交换容量运行方式下系统敏感节点的电压稳定状态及稳定程度。电压稳定裕度越大,则运行状态点电压距离静态失稳电压越远,系统电压静态稳定程度越高,反之则越低。依据工程经验及稳定导则要求,取节点静态电压稳定下限为0.85倍标幺值,一般要求裕度大于10%。3计算与分析3.1研究对象的确定应用本文方法在“三华”电网2012年规划模型上进行计算,其主干网架如图7所示。华北和华中、华北和华东之间有1000kV特高压交流联系,华中、华东间有uf0b1500kV及uf0b1800kV直流联系,无交流联系,即交流潮流断面有2个。固定华北、华东间交换容量不变,将华北与华中间的容量交换断面作为研究对象,其中,将华北作为送端系统,华中作为受端系统。以初始方式华中受电5000MW,华东受电5000MW为基础,依次增加华北出力300MW,华中减出力300MW,至华中交流受电8000MW左右。特高压输电通道在华中的直接落点豫南阳,间接落点鄂荆门,与豫南阳、鄂荆门特高压站点直接相连的500kV超高压站点和近区500kV超高压站点。2012年方式下,华中电网为受端的大区电网间交换容量对系统静态电压稳定性研究的研究对象为:特高压落点,即晋长治—豫南阳特高压传输线路上的交换容量和豫南阳特高压母线电压和鄂荆门特高压母线电压;特高压近落点近区的超高压节点,即豫南阳51、豫香山50、豫白河、鄂荆门52、鄂地换51、鄂江陵50、鄂斗笠50、鄂龙泉50超高压母线电压。3.2在静态电压稳定分析的基础上，大范围内的电网容量交换能力的评估基于静态电压稳定分析3.2.1压变化比的灵敏度在递增区间交换容量的运行方式潮流计算基础上,在华北进行切发电机的小扰动,基于断面交换容量–电压变化比的灵敏度如表1所示,其灵敏度曲线组见图8。由图8静态电压灵敏度分析结果可知,灵敏度从高到低依次为:豫南阳特高压、晋长治特高压、鄂荆门特高压、豫南阳51、豫白河50.、豫香山50、鄂荆门52、鄂斗笠52、鄂地换52、鄂龙泉52和鄂江陵52,电压薄弱通道为晋长治—豫南阳。3.2.2灵敏度变化率函数由静态电压灵敏度分析得出,系统的敏感节点是豫南阳特高压母线,最薄弱的通道是晋长治—豫南阳特高压线路,即以该母线到达电压临界失稳点,对应系统到达电压临界失稳边界。对豫南阳特高压母线电压灵敏度随交换容量变化的计算结果如表2所示。对豫南阳特高压母线的电压灵敏度随交换容量变化的趋势进行样条插值,然后对样条插值所得的离散值进行非齐次指数函数拟合后求导,得出电压灵敏度的变化率函数,如图9所示。图9中圈表示灵敏度曲线变化趋势的切线斜率T=0.5,此时灵敏度急剧增加,系统到达电压稳定临界点,对应求交换容量极限为7479MW,且电压稳定裕度为10.57%,验证此时电压处于临界稳定状态。同时,基于改进电压灵敏度分析的大区电网间容量交换能力评估方法计算得到的交换容量极限与文献中基于频率响应特性约束的交换容量极限7897MW接近,该方法及其计算得到的交换容量极限数值已在实际工程项目中进行验证