基于轨迹灵敏度的风火打捆系统暂态稳定预防控制

任振宇张 师田超华胡卫国黄 珊

（1. 内蒙古电力集团有限责任公司，呼和浩特 010000 ；2. 东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；3. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）



基于轨迹灵敏度的风火打捆系统暂态稳定预防控制

任振宇1张 师2田超华3胡卫国3黄 珊3

（1. 内蒙古电力集团有限责任公司，呼和浩特 010000 ；2. 东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；3. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

提高风火打捆系统暂态稳定性是亟需研究的课题。本文通过理论分析与算例分析相结合，得出风火打捆系统中领先火电机组有功出力与系统极限切除时间近似呈线性关系，在此基础上给出了火电机组出力重新分配的控制方法。最后通过西北电网酒泉地区对本文方法有效性予以验证，此外，算例分析发现本文的控制方法在提高风火打捆系统暂态稳定性的同时又可以降低网损，提高经济性。

风火打捆；轨迹灵敏度；有功出力；极限切除时间

风火打捆是解决我国风电消纳问题的重要措施，风火打捆系统的特点体现为“大功率，远距离”，火电机组功角运行点较高，静稳裕度低，出现大扰动后失稳风险较高[1-3]。因此，提高风火打捆系统暂态稳定性是一项亟需研究的课题。

目前在风火打捆系统暂态稳定研究方面已经取得了一些成果，文献[4]基于扩展等面积法则（EEAC）分析了风火配比对风火打捆系统暂态稳定性的影响，文献[5]给出了风火打捆系统暂态稳定控制策略，并基于能量函数法给出了切机量的计算方法。文献[6]通过加装电力系统稳定器（PSS）提高风火打捆系统暂态稳定性。文献[7]提出通过直流功率提升提高直流闭锁故障下的风火打捆系统暂态稳定性。

切机控制、加装电力系统稳定器可以有效提高风火打捆系统的暂态稳定性，但都会降低其经济性。本文基于轨迹灵敏度对风火打捆系统发电机有功输出重新分配，可以有效提高风火打捆系统暂态稳定性。相比于之前的控制策略，本文的方法不需要在暂态过程中附加控制策略，也不需要加装PSS，相对更经济。本文首先推导出最严重故障情况下，系统极限切除时间与领先发电机的有功输出近似呈线性关系，在此基础上，通过计算故障后领先发电机功角对各台发电机的灵敏度调整各台发电机的有功出力，以提高风火打捆系统暂态稳定性。最后通过西北地区某系统对本文结论予以验证。

1　轨迹灵敏度模型

电力系统动态过程可以用一组非线性微分方程和一组非线性代数方程表示：

式中，x为状态变量；y为代数变量；η为参数组成的向量。

轨迹灵敏度能反映任意时刻参数变化对系统状态变量的影响程度，它可以通过对式（1）两边求偏导得到：

2　极限切除时间与发电机有功出力的关系

2.1单机系统分析

任何复杂系统受到大扰动时都可以将机群分为临界群和余下群，等值为两机系统，进而等值为单机无穷大系统。本节为便于分析，以单机无穷大系统为例，分析系统极限切除时间与发电机有功输出的关系。

图1为单机无穷大系统[8]示意图，发电机采用经典二阶模型分析。在bus2与bus3间双回线的一条线靠近bus2一侧为故障点。

图1　单机无穷大系统示意图

单机无穷大系统的功角摇摆方程为[9]

式中，P0为机械功率，Pe为电磁功率，Tj为惯性时间常数。假设t=0时刻发生三相短路故障，在t=tc时刻切除故障，则系统的极限切除角可以表示为

式中，δh为不稳定平衡点的功角；PmII为故障过程中发电机功率特性曲线上有功出力的最大值；PmIII为故障清除后发电机功率特性曲线上有功出力的最大值。在不计电阻的情况下，三相短路故障过程中 PmIII近似为0，因此式（4）可以改写为

将式（3）二重积分可得

在t=t0和t=tc时刻功角分别为δ0和δcm，因此有

将式（7）整理可得出临界切除时间：

图2为单机无穷大系统中极限切除时间与发电机有功输出的关系，可以看出，极限切除时间与发电机有功输出近似呈线性关系。

图2　单机无穷大系统极限切除时间与发电机有功输出的关系

将该算例不同工况下发电机有功出力与系统极限切除时间进行线性拟合，如图3所示，标准差为0.00652，可见线性度较高。

图3　极限切除时间与发电机有功出力的线性拟合

基于以上分析可知，单机系统中发电机有功出力与系统极限切除时间可认为是线性关系。

2.2多机系统分析

图4为西北电网酒泉地区系统图，两风电场的额定功率为600MVA和510MVA，有功出力为380MW 和320MW；两火电厂JINTA和JIAJIU的额定功率为2000MVA和 1200MVA，有功出力为 1800MW 和700MW。

图4　西北电网酒泉地区系统图

通过仿真分析得到最严重故障为JINTA与酒泉间靠近酒泉侧发生三相短路故障。JINTA为领先发电机，JINTA的出力与系统极限切除时间的关系如图 5所示。

由图5可以看出，严重故障下领先发电机有功出力在一定范围内与风火打捆系统极限切除时间仍近似呈线性关系。

图5　JINTA有功出力与极限切除时间的关系

3　发电机有功出力再分配计算

根据之前的分析，临界机组至少需要减少的有功出力为

式中，Tccp为系统极限切除时间；k为有功出力与极限切除时间关系曲线的斜率；由于仿真与实际系统存在一定误差，为了使计算出的极限切除时间大于系统实际切除时间，λ取1.1；tact为通过控制后期望的系统极限切除时间。

临界机组减少的有功出力，余下机组增加相应大小的有功出力，以保证发电机总出力相同。

判断临界机组可以通过故障清除时刻领先发电机功角对各台发电机有功灵敏度判断：

式中，iP为第i台发电机有功出力；PS为平衡节点发电机有功出力；δ*为领先发电机的功角。当发电机满足式（10），则认为是临界发电机，根据式（9）减少其有功出力。

4　算例分析

算例分析系统图如图3所示，根据本文的计算方法，调整前后发电机出力见表1。

表1　调整前后发电机出力

从表1可以看出，通过本文计算方法，将JINTA的出力减少，JIAJIU的出力增加了。第一次调整前系统的极限切除时间为0.171s，第二次调整前系统的极限切除时间为0.176s，第二次调整后系统的极限切除时间变为0.177s。

通过算例分析结果可以看出，通过重新调整发电机有功出力，可以增加风火打捆系统暂态稳定性。

此外，第一次调整前系统的总网损为142.73MW，第二次调整后系统的总网损为142.64MW。可以看出，通过重新分配风火打捆系统火电机组出力，可以提高暂态稳定性，又可以降低系统网损，提高经济性。

5　结论

通过理论分析与仿真分析相结合可以看出，风火打捆系统中领先的火电机组出力与极限切除时间近似呈线性关系。基于此，本文给出了火电机组出力重新分配的控制方法，以提高风火打捆系统的暂态稳定性。

通过西北电网酒泉地区风火打捆系统验证了本文结论的有效性，此外，通过算例分析发现，对该地区有功出力重新分配可以提高风火打捆系统暂态稳定性的同时又可以降低风火打捆系统的网损，提高其经济性。本文的工作对提高风火打捆系统暂态稳定性与经济性均有重要意义，具有一定的工程应用价值。

[1] 汪宁渤, 丁坤, 陟晶, 等. 风电火电打捆联合外送是解决风电市场瓶颈的有效途径[J]. 电力技术, 2010, 19(Z2): 1-4, 19.

[2] 汪宁渤. 风电与火电打捆外送相关问题研究[J]. 中国能源, 2010, 32(6): 18-20.

[3] 肖创英, 汪宁渤, 陟晶, 等. 甘肃酒泉风电出力特性分析[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(17): 64-67.

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[7] 谢惠藩, 张尧, 夏成军. 特高压紧急直流功率支援策略研究[J]. 电力自动化设备, 2008, 28(8): 1-7.

[8] Kundur P. Power system stability and control[M]. USA: McGraw-Hill, 1994.

[9] 孙景强, 房大中, 周保荣. 基于轨迹灵敏度的电力系统动态安全预防控制算法研究[J]. 电网技术, 2004, 28(21): 26-30.

Preventive Control of Improving Wind-thermal Bundled System Transient Stability based on Trajectory Sensitivity

Ren Zhenyu1Zhang Shi2Tian Chaohua3Hu Weiguo3Huang Shan3
(1. Inner Mongolia electric power Refco Group Ltd, Hohehot 010000；2. Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 132012；3. Shenzhen Supply Company, Shenzhen, Guangdong 518000)

To improve the transient stability of the wind-thermal bundled system is an urgent research topic. In this paper, an approximate linear relationship between leading thermal generator and critical clearing time of the wind-thermal bundled system is obtained by combining theoretical analysis with case analysis. On the basis of that, the control method of the thermal power unit output redistribution is also given. And then the validity of the proposed method is verified by using the northwest Jiuquan region power grid. Furthermore, the example analysis found that the control method in improving the wind-thermal bundled system transient stability can reduce the network loss, which can improve efficiency of wind-thermal system.

wind-thermal bundled system; trajectory sensitivity; active power; critical clearing time

任振宇（1987-），男，汉族，工程师，2013年毕业于东北电力大学电气工程专业，研究方向为电力系统动态安全分析。

新能源与常规火电交直流混联送端系统稳定控制策略研究（XTB51201204335）