PDF《Transient Stability》

A Method for On-Line Analysis of Large Power Grid Transient Stability Yue Li1 , Wenchao Zhang1,2 , Xueping Gu1 , Bing Zhao2 , Yanping Zhang2

1 Electrical Engineering Department, North China Electric Power University, NCEPU, Baoding, China

2 Power System Institute, China Electric Power Research Institute, CEPRI, Beijing, China liyue@epri.

sgcc.com.cn Abstract: This paper introduces static stability limit to the analysis of transient stability and presents a new fast calculation method of transient stability power limits by studying the relationship among tie-line trans- mission power limit under transient stability, power impact in tie-lines from post-fault accelerating power and static stability power limit of post-fault power system. Static stability power limits can be calculated by BPA stability program and power impact also can be obtained by simulating only once, and then transient stability power limits can be calculated fast by above-mentioned relationship. The method overcomes the shortcoming of traditional method needing repetitive simulation to approach transient stability power limits and has the appeal of fast speed and accuracy. Through practical case calculations, the proposed techniques have been proven to be able to fulfill the application requirements on stability, effectiveness and calculation efficiency, and could be widely applied in on-line analysis of power system transient stability. Keywords: transient stability power limits;

static stability power limits;

power impact;

on-line application 大电网在线暂态稳定分析方法 李岳1,张文朝 1,2 ,顾雪平

1 ,赵兵2,张艳萍

2 1 华北电力大学电力工程系,河北保定,中国,071003

2 中国电力科学研究院系统所,北京,中国,100085 [email protected] 摘要:本文通过分析联络线暂稳极限传输功率、 故障引起的联络线冲击功率以及事故后联络线的静稳 极限传输功率之间的关系,将静稳极限引入到对于电力系统暂态稳定的分析中,提出了一种快速求取 联络线暂稳极限传输功率的新方法.静稳极限传输功率通过 BPA 稳定程序可以快速求取,故障冲击功 率只需通过一次时域仿真便可得出,然后基于前面分析的关系便可以迅速得出所要求取的暂稳极限传 输功率.该方法克服了现有计算方法需要通过反复仿真逼近稳定极限的问题,具有操作简单、计算快 速、精度较高的优点.实例计算表明所提出方法能充分满足工程应用中的可靠性、有效性和计算效率, 速度上满足在线应用的需要,可以用于电力系统在线暂态稳定分析. 关键词: 暂稳极限传输功率;

静稳极限传输功率;

故障冲击功率;

在线应用

1 引言 随着电网互联后系统规模的扩大,网络结构的复 杂,运行方式更加灵活多变,因此互联对电力系统的安 全稳定运行提出了严峻的挑战[1] .电力系统的暂态稳定 分析作为电力系统安全分析的重要内容, 长期应用于离 线的计算分析,对制定运行极限、分析系统极端情况和 控制措施起到了不可替代的作用. 但由于离线计算只能 计算假想的或一些典型的断面, 而实际的运行方式具有 不确定性, 故用离线计算结果指导实际运行存在失配问 题, 所以暂态稳定分析在线化具有重要的现实意义和必 要性.对于大电网来说,快速求取区域之间的联络断面 暂稳极限传输功率更为重要. 虽然暂态稳定分析应用于在线系统中仍然处于初 级阶段, 但电子计算机技术与通信技术的迅猛发展必然 为电力系统实时数据信息采集奠定有力的基础. 而暂态 稳定各种计算方法也在不断改进和成熟,为准确分析系 统暂态稳定性提供有力保障, 因此研究可靠快速的暂态 稳定分析方法是发展电力系统在线安全分析的重要环 节[2] .时域仿真法可用于研究复杂数学模型表示的电力 系统,分析结果准确、可靠,但不能定量描述系统的暂 态稳定裕度. 而且对于大电网计算稳定极限时其计算速 度非常慢,难以满足在线应用要求,因此探索快速的时 域仿真法尤其重要. 直接法虽可定量分析系统的一摆稳 定性, 且具有计算速度快的优点, 但因其模型适应性差、 计算结果不准确,所以没有得到推广应用[3-5] .近年来, 混合法逐渐成为电力系统在线暂态稳定分析方法的主 流.其基本思想是将时域仿真法与直接法相结合,充分 利用了时域仿真法模型适应能力强、 结果可靠的优点以 及直接法速度快、能够给出稳定裕度的优点.但直接法 的一些近似和假设同时也影响了混合法计算的准确性 [1] . 断面极限功率可以为运行人员调整断面潮流提供 定量依据, 因此快速的计算联络线暂稳极限传输功率是 暂态稳定分析应用于在线的重要部分. 本文针对上述方 法的不足, 提出了一种快速求取暂稳极限传输功率的新 方法. 该方法通过分析暂稳极限和事故后静稳极限之间 的关系,得出一个表述暂稳极限,事故后静稳极限以及 故障冲击功率之间关系的表达式. 由于静稳极限功率的 实用算法是采用稳定程序的, 所以对于静稳极限功率的 求取较为快速. 虽然故障冲击功率是随断面初始潮流的 变化而变化的, 但经过后面的仿真与分析发现在初始功 率处于非极端的水平下估算得到的结果都在合理范围 内.因此,只需通过一次仿真便可以得到故障冲击功 率.仿真算例对该方法的有效性进行了验证.利用该 方法可有效的提高求取暂稳极限传输功率的效率,速 度上满足在线应用的要求.

2 暂态稳定极限与静态稳定极限之间的关系 图1为两个区域互联电网的简单接线图,两个区 域电网分别用两台等值发电机模拟,则两者之间的交 换功率可表示为: ? ?

1 2 E

12 12 sin U U P a Z ? ? ? (1) 其中

12 12

12 T1 L T2 Z R X Z Z Z ? ? ? ? ? 为两区域电网之 间的等效阻抗,

12 12

12 arctg( / ) a R X ? 为等效阻抗相角, ? 两台等值发电机之间的相位差.

2 U

1 U T1 Z T2 Z L 2Z L 2Z Figure.

1 Electric interconnection chart for two power areas 图1. 区域互联电力系统简单接线图 由式(1)可以得到该系统的最大交换功率,即 静态稳定极限为:

1 2 slimit

12 U U P Z ? (2) slimit P 表征了系统固有的最大输送能力,与系统电压 水平 (

1 U 、

2 U ) 和等效阻抗

12 Z 有关. 当090 ? ? 时, 是稳定与不稳定的分界点,称为静态稳定极限.在简 单系统情况下,静态稳定极限所对应的功角正好与最 大功率或者功率极限的功角一致.也就是发电机的出 力达到最大值,这就是功角静态稳定的极限.但在多 级系统中,功率极限和功角极限却不一致,且这个功 率极限值并不是所有机组都达到最大有功出力值. 而一般关心的是系统承受较大扰动事故冲击的 能力,因此引入电力系统事故后静态稳定极限: '

'

1 2 pslimit '

12 U U P Z ? (3) 其中 '

1 U 和'

2U为事故后系统电压, '

12 Z 为事故后系统 等效阻抗. 如图

2 所示为事故前后发电机功率―功角特性曲 线. slimit P M P pslimit P ? E P

90 ? ? ? Figure.

2 Power system power-angle characteristics 图2电力系统功角功率特性 当在电力系统某些节点发生扰动时,必然产生一 定的功率冲击,导致系统内发电机的机械功率和电磁 功率之间的不平衡,将引起一个暂态过程.在暂态期 间,冲击功率是由各发电机按照不同的准则,如果这 些准则在发电机群之间有着显著的不同,则随着每一 次冲击的发生,各机群间就有振荡的功率摇摆,它反 映从冲击的最初分担到稳态时达到的最终调整这一转 变过程.这些功率摇摆在这些发电机群之间的联络线 上表现为功率振荡,如图

3 所示.

10 8

6 4

2 0 1,200 1,000

800 600

400 200

0 / s ? impact P ? psteady P pslimit P ? margin P ? Figure.

3 Relationships between the power system stability char- acteristic quantities 图3. 电力系统稳定特性各特征量之间的关系 图3给出了图

1 所示互联的两个区域电网之间的 一回联络线发生三相永久性短路故障保护动作后另一 回联络线上功率的振荡摇摆曲线.在图中需要关注几 个比较重要的功率量:事故后稳态功率 psteady P 、故障 后联络线的功率头摆冲击量 impact P ? 和事故后系统的 静态稳定极限功率 pslimit P .为分析方便,本文假定事 故后静态稳定极限功率 pslimit P 基本上保持不变.而实 际上随着时间的推移和联络线功率的增大,发电机内 电抗的逐渐变大和系统电压的降低,事故后静稳极限 pslimit P 也是在随之变小, 即系统的稳定裕度 margin P ? 也 在随之变小.因此 pslimit P 保持不变的假定会使对 margin P ? 的估算偏于乐观. margin pslimit psteady impact ( ) P P P P ? ? ? ? ? (4) 当稳定裕度 margin

0 P ? ? 时, 系统达到临界失稳条 件,对应的联络线功率 psteady P 为暂态稳定极限.这种 结论是基于如图

2 所示的发电机功角达到

90 ? ? ? 时 系统达到临界稳定的假设条件.但在实际电力系统中 系统达到临界稳定的时候发电机功角? 要大于 90? , 因此上述结论对 margin P ? 的估算会偏于保守. 综合上面的分析以及后文的仿真结果可知两种 假设条件对计算结果造成的误差会有一定的抵消作 用. 从公式(4)可导出系统事故后的暂态稳定极限 ptlimit P 为: ptlimit pslimit impact P P P ? ? ? (5) 此时系统的稳定裕度 margin

0 P ? ? .

3 静态稳定极限的求取 3.1 理论分析 前一节引入的事故后静态稳定极限为我们提供了 一种新的分析暂态稳定的方法,它表征了系统能够承 受扰动事故的能力,形象的描述了系统暂态失稳的过 程.在大电网中,送端和受端可以考虑成同步电机, 于是负荷角? 是这两个电机转子的相对位置的度量, 超过最大功率点,送端电机的转矩增加使得? 增加, 但是传输功率会减少.这就造成送端电机加速和受端 电机减速,使得? 进一步增加,两个电机将会失去同 步.这个能传输的最大功率就是静态稳定极限. 系统发生暂态失稳过程可以这样理解:并行的重 负荷线路中有一回线路跳闸,造成送受端间的等效阻 抗增大送受端电压下降,事故后剩余联络线的静态稳 定极限降低,涌到剩余联络线的功率超过静稳极限造 成送端机组相对于受端机组功角失稳.应用事故后静 稳极限于暂态稳定分析中,可以使得暂态失稳过程更 形象更易于理解.电力系统故障消除后,在恢复到正 常运行方式前所出现的短期稳态运行方式是事故后运 行方式. 静态功角稳定实用算法是采用稳定计算程序,逐........