提高特高压电网输电能力研究

论文摘要

我国经济发展与能源资源分布的不平衡性,决定了我国应建设更高电压等级电网以实现能源资源在全国范围内的优化配置,也决定了西北、西南等大型能源基地电力大规模、远距离外送是我国电网未来一段时期发展的重要任务。随着我国能源基地和特高压电网的建设,将形成华东、东北、华中、粤闽琼和京津冀鲁五大受端电网。保证大受端电网安全稳定运行是一项非常具有挑战性的任务,需要从系统规划建设、运行方式分析、调度管理和实时控制等多个方面进行深入研究。其中,互联系统输电能力的确定在电力系统安全运行中起着重要作用,过于保守的计算结果将限制电网资源充分发挥效益;反之,过于冒进的计算结果可能导致系统控制措施不当,在预想事故发生后失去稳定。深入分析影响输电能力计算结果的各种因素及其影响规律,准确地确定互联系统的最大输电能力,并从电网运行与受端电压控制等角度出发研究提高输电能力的各种措施,是迫切需要解决的问题,具有重要的理论价值和实际意义。在广泛阅读、分析和总结相关文献资料基础上,本文从电力系统数值仿真有效性、特高压/超高压电磁环网对安全稳定性的影响以及静止同步无功补偿作用等方面,运用数值分析、人工智能和自定义建模等理论和技术,密切结合我国电网实际和发展规划,对如何提高特高压电网输电能力进行了深入研究,主要研究工作和取得的创新性成果如下所述。针对输电能力仿真评估中数值仿真有效性问题,基于各层面评估需求,提出了五个仿真有效性量化评价指标,初步建立了电力系统数值仿真有效性评价体系,并应用于实际电网仿真分析。五个仿真偏差评价指标包括:（1）基于轨迹的稳定性仿真偏差评价指标,利用机组间最大功角差来从宏观层面评估仿真偏差大小和趋势;（2）基于扩展等面积准则的稳定性仿真偏差评价指标,利用EEAC提供的暂态功角稳定裕度指标从宏观层面评估仿真偏差大小和趋势;（3）仿真偏差极值评价指标,利用所有同类型物理量在整个仿真时间窗内仿真偏差的最大值反映仿真偏差的大小;（4）仿真偏差均值评价指标,利用所有同类型物理量在整个仿真时间窗内仿真偏差在时间轴上的平均值来反映仿真偏差的大小;（5）仿真时效比指标,利用模型等因素造成的仿真耗时变化和仿真偏差的比值来评价由于模型、数值方法及参数因素对仿真计算代价（在此指仿真计算耗时）的影响。结合福建电网实际数据,利用上述指标详细研究了发电机模型、负荷模型以及积分步长对仿真有效性的影响。分析计算中发现,模型因素可能导致单一变量的仿真偏差很大,但如果系统中所有该同类变量的偏差变化趋势一致,则可能对系统宏观属性（如暂态稳定性）的影响相对很小。指出对于电力系统而言,仅仅孤立地通过不同场景下单一变量的仿真偏差来评估仿真有效性是不充分、不恰当的,需要从系统层面评估模型等因素对仿真有效性的影响。实际电网的仿真计算结果表明,所建立的评价指标能够从不同侧面来量化评估数值仿真有效性,所建立的仿真有效性评价体系有效、实用。发电机模型、负荷模型和积分步长等仿真计算因素会影响暂态稳定计算结果,从而也必然影响考虑暂态稳定约束时最大输电能力的计算。分别针对单机系统、山东电网和华北—华中—华东特高压同步互联电网,详细计算分析了发电机模型、负荷模型和积分步长等因素对输电能力计算结果的影响。计算分析表明,发电机模型对输电能力计算结果的影响明显,不同系统下发电机模型对输电能力计算结果的影响程度不等;在绝大多数情况下,详细模型得到的计算结果偏小,二阶模型下计算结果偏大;相同系统在不同故障约束下,发电机模型对输电能力计算结果的影响程度也不同;从实例仿真计算结果来看,发电机模型导致的最大偏差超过18%,不容忽视。负荷模型的选取对电网输电能力计算结果影响也较大,通常恒阻抗负荷模型更有利于系统稳定,计算得到的输电能力更大,但对于单机系统影响趋势却相反;实际电网计算中,不同负荷模型下输电能力计算结果相差最大超过25%。相对发电机、负荷模型而言,积分步长对输电能力计算结果的影响较小,且与发电机模型等其他因素密切相关,通常次暂态模型下积分步长的影响较大;大积分步长下计算结果往往偏小;对于实际系统,积分步长对输电能力的影响都较小,计算偏差通常小于1.5%,实际计算中可忽略不计。总之,模型等因素对输电能力计算结果的影响较大,在输电能力计算、方式校核、控制策略制定等工作中,采用更加符合实际情况的模型非常重要。在实际输电能力仿真评估中,应做好模型调研工作,尽可能采用符合实际的模型和可靠的计算方法,以保证计算结果的有效性。高低压电磁环网运行方式可以在稳态情况下输送更多的功率,但也存在严重的安全隐患。是否开环运行,需要正确分析不同方案对电网安全性、稳定性和运行经济性等方面的影响,以综合利弊。基于特高压-超高压电磁环网的特点,提出了一种1000kV/500kV电磁环网模糊综合评价方法,基于层次分析法建立了开环方案模糊综合评价模型,建立了由目标层、准则层和指标层构成的评价指标体系。准则层由静态安全性、暂态稳定性和运行经济性三个层面构成,每个层面又各包含两个行为指标:（1）静态安全性层面,以线路/变压器过载和节点电压越限两个行为指标来反映系统静态安全水平;（2）暂态稳定性层面,以机组间最大功角差和断面输送极限两个行为指标来反映系统暂态稳定性水平;（3）运行经济性层面,以短路电流（决定了开关设备投资）和系统网损两个行为指标来反映系统运行经济性。确定了隶属度函数以及评语集,基于模糊综合评价方法对上述指标进行了模糊评价和综合。首先对所有候选开环方案的静态安全性、暂态稳定性和运行经济性进行计算与分析,然后对各方案得到的数据进行分析评价,主要进行评价指标权重计算、模糊评价指标计算与模糊化、模糊综合评价和评价结果的输出等。在Windows环境下编制了电磁环网开环方案模糊综合评价程序。该程序与电力系统分析综合程序（PSASP）相配合,可自动读取PSASP计算结果并依据所定义指标对运行方案进行模糊综合评价。提出的模糊综合评价方法综合考虑了电网的静态安全性、暂态稳定性和运行经济性,可对电磁环网开环方案作出定量、全面、综合的评价。该方法不仅可以包含专家经验和知识,而且将定性分析与定量计算相结合,能为规划人员提供科学决策依据。针对华北—华中—华东特高压交流同步电网中的1000kV-500kV电磁环网进行了深入分析,计算了各种行为指标以及运行方式优先度指标,所得电磁环网开环方案的模糊综合评价结果与规划人员的实际分析和判断相一致,表明所提出的高低压电磁环网开环方案的模糊综合评价方法是可行的,具有实际应用价值。静止同步补偿器具有无功调节范围宽、调节速度快的特点,可用于提高受端电网电压支撑能力和电压稳定性,从而间接提高特高压电网的输电能力。在深入分析和总结STATCOM稳态和动态数学特性基础上,建立了基于功率注入法的STATCOM稳态模型和基于受控电流源的STATCOM动态模型,并在PSASP环境下通过用户自定义功能实现了这些模型。实例计算中发现,STATCOM模型参数中放大倍数K的取值会影响潮流计算的收敛特性,K过大或过小都会导致迭代次数增加。以山东电网为例对STATCOM动、稳态调压特性进行了详细分析,仿真结果表明建立的模型实用有效,STATCOM可以起到较好的动态电压支撑、强补无功和抑制电压跌落的综合效果。结合特高压接入山东电网运行的实际需要,从提高受端电压支撑能力角度研究了STATCOM对输电能力的影响,采用基于功率传输路径的电压稳定性评估方法,分析了STATCOM的作用。仿真结果表明,STATCOM能有效提高系统的动态稳定性,提高电压稳定性的效果明显。基于根据功率传输路径理论定义的局部稳定指标,确定了基本负荷水平下电网中电压稳定薄弱节点,分析了山东电网电压稳定薄弱区域,优选了STATCOM安装地点。结合电源和电网建设,可优先考虑在崂山站装设STATCOM,以便提高山东电网东送通道的功率极限和山东电网的受电能力,从而有利于提高特高压系统对山东电网的电力输送。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 我国能源布局及发展战略
• 1.1.1 经济发展预期与电力需求
• 1.1.2 能源布局概况
• 1.1.3 能源发展战略
• 1.2 特高压电网发展规划
• 1.2.1 我国电源基地规划
• 1.2.2 国家电网受端系统构成
• 1.2.3 国家电网特高压电网规划
• 1.3 影响特高压电网输电能力的主要因素
• 1.3.1 最大输电能力评估计算
• 1.3.2 电磁环网及其对输电能力的影响
• 1.3.3 无功补偿在提高输电能力中的应用
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 输电能力仿真评估有效性分析
• 2.1 电力系统数值仿真有效性
• 2.2 电力系统数值仿真有效性量化评估指标
• 2.2.1 基于轨迹的稳定性仿真偏差评价指标
• 2.2.2 基于EEAC的稳定性仿真偏差评价指标
• 2.2.3 仿真偏差极值评价指标
• 2.2.4 仿真偏差均值评价指标
• 2.2.5 仿真时效比指标
• 2.3 模型因素对仿真有效性的影响
• 2.3.1 发电机模型对仿真有效性的影响
• 2.3.2 负荷模型对仿真有效性的影响
• 2.3.3 积分步长对仿真有效性的影响
• 2.4 模型因素对输电能力仿真评估的影响
• 2.4.1 发电机模型对输电能力仿真评估的影响
• 2.4.2 负荷模型对输电能力仿真评估的影响
• 2.4.3 积分步长对输电能力仿真评估的影响
• 2.5 小结
• 第3章 提高输电能力的电磁环网运行方案决策
• 3.1 影响高低压电磁环网开环的因素分析
• 3.1.1 安全稳定性因素
• 3.1.2 运行经济性因素
• 3.1.3 短路电流水平因素
• 3.2 模糊综合评价方法
• 3.2.1 层次分析法
• 3.2.2 两级模糊综合评价
• 3.3 电磁环网开环方案的模糊综合评价模型
• 3.3.1 评价指标体系
• 3.3.2 行为指标
• 3.3.3 隶属度函数
• 3.3.4 模糊综合评价
• 3.4 电磁环网开环方案模糊综合评价程序实现
• 3.5 特高压同步电网电磁环网开环评价
• 3.5.1 系统分析与计算
• 3.5.2 模糊综合评价
• 3.6 小结
• 第4章 受端电网静止同步无功补偿作用分析
• 4.1 并联无功补偿概述
• 4.1.1 并联无功补偿的作用和分类
• 4.1.2 STATCOM的工作原理
• 4.2 STATCOM自定义建模实现
• 4.2.1 自定义建模简介
• 4.2.2 STATCOM的计算模型
• 4.2.3 STATCOM自定义建模实现
• 4.3 STATCOM动稳态调压分析
• 4.3.1 稳态调压分析
• 4.3.2 动态调压分析
• 4.4 STATCOM提高电网输送能力分析
• 4.4.1 分析方法和准则
• 4.4.2 电压稳定性分析
• 4.4.3 提高电压稳定性措施
• 4.5 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士阶段发表文章和科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表
• 附件