影响特高压大电源输送能力敏感因素探讨

覃波，李兴源，胡楠，李宽

(四川大学电气信息学院，成都市 610065)

影响特高压大电源输送能力敏感因素探讨

覃波，李兴源，胡楠，李宽

(四川大学电气信息学院，成都市 610065)

对于传输距离较长的特高压输电系统，系统的输电能力主要受小扰动稳定的限制。大电源特高压外送系统具有传输距离长、送电功率大等特点，其输送能力的问题一直备受关注。基于送端机组特性并将受端系统等效为负荷的单机系统，对系统的等效阻尼系数进行了详细的理论推导，从发电机组以及系统网络这2个方面出发，具体讨论了机、网侧各参数对系统阻尼系数的影响方式。通过在PSASP仿真软件上搭建的实际特高压大电源外送系统的仿真表明：机、网侧参数均能在一定程度上影响阻尼系数，从而对特高压系统输送能力产生影响，验证了理论推导的正确性，为提高特高压输电系统的输送能力提供了理论依据和策略，该结论具有一定的工程应用价值。

特高压输电系统；输送能力；小干扰稳定；机、网侧参数；等效阻尼系数

0 引 言

我国能源资源和负荷的分布呈现逆向趋势，能源产地和能源消费地之间的输送距离越来越远，能源输送的规模越来越大。这种负荷和能源分布不均的现象决定了需要实施以电力为重点的能源大范围配置，能源资源必然要进行大规模、远距离的输送[1-3]。因此，在未来的几十年里，在我国能源资源丰富的西北和西南地区将出现大量的大能源外送电站，国家电网也将建成以交流1 000 kV为骨干网架的交流特高压电网以满足这种大电源系统的外送，这也标志着我国电网进入了一个新的发展阶段[4-6]。

采用特高压输电技术可提高电网的安全性以及经济性[7-9]，同时也可提升单位输送通道的输送效率和输电能力[10]，而特高压输电系统输电能力受功率稳定、电压稳定以及热稳定的限制[11-12]。功率稳定和电压稳定通常分为静稳定和暂态稳定。已有研究表明，对于1 000 kV输电系统，输电距离较小时，其输电能力主要受电压稳定和热稳定限制；而当输电距离较大时，输电能力受静稳定限制。已有文献对特高压系统的输电能力进行了相应的研究，文献[13] 研究特高压系统的稳定性及输电能力，给出输电极限及提高稳定的措施；文献[14]对影响特高压输电能力的各种因素进行分析，探讨1 000 kV输电系统保持静稳定的最大输电能力技术。但是这些文献均通过仿真来对特高压系统输电能力进行研究，所得到的结论均缺乏理论依据。本文以考虑送端机组特性并将受端系统等效为负荷的单机系统为例[15-17]，对该系统的等效阻尼系数进行详细的理论推导，所得到的等效阻尼系数中包含了机侧和网侧的各个参数；讨论机、网侧各参数对系统阻尼系数的影响方式；最后通过在PSASP仿真软件上搭建的特高压外送系统模型进行仿真分析，以验证理论推导的正确性。本文结论具有一定的工程实用价值，希望能为特高压输电系统输送能力的改善提供一定的理论依据和控制策略。

1 单机系统等效阻尼系数的推导

图1给出了单机系统的等价模型，该模型考虑了发电机详细参数以及线路的特性，同时将受端系统等效为一个负荷的形式，并在此基础上对特高压大电源直接外送系统的等效阻尼特性进行理论推导。

图1 单机系统等价模型

对发电机组定子绕组内部电路进行研究可得dq坐标系下定子电流和回路电压方程分别为

(1)

(2)

为了简化计算，不考虑线路损耗，根据图1中的单机系统等价模型可得到发电机机端的d-q轴的电流为

(3)

式中：X为线路与变压器的总的电抗；VL为受端母线电压幅值；δ为发电机机端电压相角；θ为受端母线电压相角。

将式(3)代入式(2)可得：

(4)

再将式(4)代入式(1)，整理后可得：

(5)

由式(4)和式(5)可分别得到它们的相应的增量表达式：

(6)

(7)

励磁系统的传递函数可以表示为

(8)

为了利于系统分析，发电机模型采用考虑了励磁特性的三阶简化模型，表达式为

(9)

对式(9)中的发电机三阶简化模型进行线性化处理，可得：

(10)

式中D为机组阻尼系数。

式(10)中的机组电磁功率Pe以及机组交轴电势Eq可分别表示为

(11)

(12)

然后分别对式(8)、(11)、(12)进行线性化处理得：

(13)

(14)

(15)

同时将式(6)、(7)中的相应增量关系式代入到ΔEq、ΔPe和ΔV的表达式中有：

(16)

(17)

(18)

式中：

(19)

从式(19)中的方程表达式可以得到与之对应的Philips-Heffron模型，详细模型可参考文献[18]。并可得到简化后的考虑励磁系统反馈作用的机组在振荡模态角频率ωa处的阻尼转矩增量，如式(20)所示。

(20)

式中ΔMa为阻尼转矩增量。

在分析影响阻尼的因素时，由于参数较多，不易于分析主次影响因素，可以对表达式进行适当的简化和变形处理，同时将参数K1～K6的表达式代入后可得等效阻尼系数的表达式为

(21)

分析等效阻尼系数表达式可知，表达式中分别包含了发电机组以及系统网络的相应参数。其中发电机组参数主要包括直轴暂态时间常数Td0′、励磁放大倍数Ke以及发电机轴电抗Xd等；网侧参数主要含有δ-θ的角度差值以及线路的电抗X等。由此可知，系统的等效阻尼系数同时受发电机组和系统网络参数的影响。可以分别从这2个方面对系统的等效阻尼系数进行讨论。

综上可知，系统的等效阻尼系数在一定程度上同时受到系统发电机参数以及网络参数的影响，因此可以通过对机、网侧参数进行控制，来提升系统的阻尼特性而提高系统静态稳定性，最终达到提高大容量、远距离特高压输电系统传输能力的目的。

2 仿真分析验证

2.1 测试算例

根据内蒙古锡盟大电源特高压外送系统实际参数，在PSASP仿真软件中进行仿真模型的搭建。锡盟特高压外送系统的电压等级为1 000 kV，送端网络具有相对集中、送电功率大的特点，10台发电机组一共分为4个区域，且每台发电机组都安装有电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)；送端的功率在锡盟通过2条并联1 000 kV交流特高压线路向北京和济南两电网输电，两电网分别用等值系统1和等值系统2表示，2条特高压线路总的输送功率达到7 020 MW。该系统符合本文理论推导的假设，锡盟大电源特高压外送系统的接线示意见图2。

图2 锡盟大电源特高压外送系统的接线示意

2.2 仿真验证

2.2.1 发电机组参数对系统阻尼特性的影响

该系统发电机组参数共有2组，一组为额定容量为600 MW的发电机组参数，另一组为额定容量为1 000 MW的发电机组参数。表1给出了2组发电机组的一些主要参数。

为了论证理论推导的正确性，在系统网络参数不变的情况下，改变发电机组参数对系统进行分析，同时研究系统的阻尼特性以及系统输送能力，将实际仿真结论与理论推导进行比较论证。

改变2组发电机的直轴暂态时间常数Td0′的大小，系统传输功率为7 020 MW，发电机的其他参数不变。在查干至锡盟的传输线路首端施加单相短路接地故障，故障起始时间为第10 s，持续0.1 s。图3给出了系统阻尼特性与Td0′之间的关系示意，同时表2给出了相应的Td0′下系统的最大输送能力。

表1 发电机组主要参数

注：Td0′为直轴暂态时间常数，Ke为励磁放大倍数，Xd为发电机轴电抗。

图3 直轴暂态时间常数Td0 ′变化对系统阻尼的影响

表2 直轴暂态时间常数Td0 ′变化对系统阻尼及其输送能力的影响

从图3可以看出，系统正常运行以及N-1运行时，随着时间常数Td0′的降低，系统的阻尼会增大，系统的输送能力也相应地增大，但是当Td0′降低到正常值的0.3倍以下时，随着Td0′继续降低，系统的阻尼比以及输送能力也会相应减弱。图中2种运行状态下系统的阻尼特性与时间常数Td0′的关系曲线均类似于开口向下的近似抛物线，所得结论论证了理论推导的正确性。

改变两发电机组的励磁放大倍数Ke的大小，系统传输功率仍为7 020 MW，发电机的其他参数不变，同样的故障情况下，系统的阻尼特性以及系统的输送能力与Ke的关系曲线如图4所示，相应的Ke对应的系统的最大输送能力以及阻尼相应的参数见表3。

从图4可知，不论系统正常运行还是N-1运行方式下，系统的励磁放大倍数Ke与阻尼特性均呈现开口向上的近似抛物线形式。但是当系统正常运行时，系统的最小阻尼特性(系统的输送能力最小的情况)出现在Ke为200的时候，而当系统N-1运行时，Ke值接近300。这主要是因为系统N-1运行方式改变了系统的网架结构。由此可知，对于系统的不同运行方式，系统的输送能力受Ke的影响程度也不同，但总体的变化趋势没有改变。

图4 励磁放大倍数Ke变化对系统阻尼的影响

表3 励磁放大倍数Ke变化对系统阻尼及其输送能力的影响

改变两组发电机轴电抗Xd的大小，发电机的其他参数不变，系统联络线总的传输功率为7 020 MW，相同故障情况下，系统的阻尼特性与Xd的关系示意如图5所示，相应的Xd对应的系统的最大输送能力以及阻尼参数见表4。

从图5可以看出，无论系统正常运行还是N-1运行，随着发电机轴电抗Xd的增大，系统的阻尼也会相应增大，从而系统的最大输送能力也会随之升高，且基本呈现线性关系，这验证了理论推导的正确性。但是从阻尼比的改变量来看，发电机轴电抗Xd对系统阻尼的影响相比于励磁放大倍数Ke以及直轴暂态时间常数Td0′的要小。所以总的来说，系统阻尼特性即系统的输送能力对于Ke以及Td0′的变化更加敏感，可将Ke以及Td0′作为影响特高压外送系统输电能力的敏感因素。

图5 轴电抗Xd变化对系统阻尼的影响

表4 轴电抗Xd变化对系统阻尼及其输送能力的影响

2.2.2 系统网络参数对系统阻尼特性的影响

系统相对转子角的大小与系统联络线传输功率成正比关系，在系统其他条件不变的情况下，研究相对转子角的变化对系统阻尼特性的影响，图6给出了系统正常运行以及N-1运行方式下系统阻尼特性与联络线传输功率变化的关系。对于单一结构大电源外送系统，系统线路阻抗X与系统的电气距离成正比关系。在系统其他条件不变的情况下，仅改变电气距离的大小，系统正常运行以及N-1运行方式下系统阻尼特性与电气距离的关系如图7所示。

图6 系统正常运行以及N-1运行方式下传输功率与系统阻尼的关系

图7 系统正常运行以及N-1运行方式下电气距离与系统阻尼的关系

从图6、7中可以看出，随着系统联络线传输功率与电气距离的增大，系统的阻尼均会相应地减弱，并且两者与系统阻尼比基本成线性关系。而且不论系统正常运行还是断开1条联络线N-1运行时，这一基本关系仍然存在。

综上所述，对于特高压外送系统，系统的输送能力同时受到发电机组参数以及网络参数变化的影响，只是不同的参数对系统阻尼的影响方式以及影响程度均不相同，Ke以及Td0′为发电机参数中影响特高压外送系统输电能力的主要敏感因素。对于实际的特高压系统，在系统规划阶段，可以通过合理的布局对系统的网络参数进行协调，以提高系统的阻尼特性，从而提升特高压系统的输送能力。而当系统网架结构已定或者不能随意改变时，应该在保持系统正常运行的情况下，根据系统的不同网架结构和运行方式，在发电机设计、安装或者调试阶段对系统发电机组参数进行适当的调整，以达到提高系统输送极限的目的。

3 结 论

(1)特高压大电源外送系统由于传输距离长，系统的传输能力主要受静态稳定限制。

(2)本文已考虑了送端机组特性并将受端系统等效为负荷的单机系统对系统的等效阻尼系数进行了详细推导，推导过程中同时考虑了系统网络参数以及发电机组参数的影响，所得到的等效阻尼系数表达式同时含有网络参数以及发电机组参数；根据此表达式推导出等效阻尼系数与机、网侧参数的关系。实际系统的仿真验证了理论推导的正确性。

(3)本文的推导合理反映了特高压系统阻尼特性与机、网侧参数的关系，并确定了影响其输送能力的主要敏感因素，为提高特高压大电源外送系统的输送能力提供控制策略以及理论依据，所得结论具有一定的工程应用价值。

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(编辑：杨大浩)

SensitiveFactorsofTransmissionCapacityofUHVLarge-ScalePowerSupply

QIN Bo, LI Xingyuan, HU Nan, LI Kuan

(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

For the long-distance UHV transmission system, its transmission capacity is mainly restricted by small disturbance stability.UHV transmission system with large-scale power supply has characteristics of long transfer distance and huge transfer power, whose transmission capacity has always been a concern.Based on the characteristics of sending system, the receiving system was equivalent to single machine system of load, and the equivalent damping coefficient of the system was deduced in detail.The influence of parameters of generator, network on the system’s equivalent damping coefficient was discussed, from two aspects of generator and system network.The simulation results of UHV large power transmission system in PSASP indicate that: the parameters of generator or network can influence damping coefficient and thus affect the UHV system transmission capacity.The results also verify the correctness of the theoretical derivation； can provide theoretical basis and policy for the improvement of UHV transmission capacity, which is valuable to engineering application.

UHV transmission system； transmission capacity； small signal stability； parameters of generator and network； equivalent damping coefficient

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2011AA05A119)；国家电网公司大电网重大专项资助项目课题(SGCC-MPLG001(003-027)-2012)。

TM 711

： A

： 1000-7229(2014)07-0063-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.07.011

2014-01-15

：2014-03-02

覃波(1988)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制，E-mail：qinbo880818@126.com；

李兴源(1945)，男，教授，博士研究生导师，中国电机工程学会电力系统专委会委员，IEEE 高级会员，从事电力系统稳定与控制、高压直流输电、分布式发电等研究工作；

胡楠(1983)，男，博士研究生，主要从事电力系统稳定与控制的研究工作， E-mail：zenco2@gmail.com。