特高压直流故障后有功潮流的分阶段计算方法

特高压直流故障后有功潮流的分阶段计算方法

杨君军汲广军徐伟

（南瑞集团有限公司江苏南京211106）

摘要：特高压直流故障引发的不平衡功率可能导致局部电网超稳定限额运行，严重情况会诱发连锁故障或大停电，为了快速准确地模拟直流故障后系统的潮流分布，本文提出一种将功率缺额分配和潮流计算解耦的故障后有功潮流计算方法，根据系统频率偏移划分不同阶段，确定满足机组出力约束的动态潮流初值，减少潮流计算的迭代次数，通过迭代计算实现特高压直流故障后有功潮流的分阶段准确模拟。

关键词：特高压直流故障；有功潮流；一次调频；二次调频

0引言

特高压直流故障会导致较大的功率缺额并对系统频率产生较大的冲击，系统惯性时间常数减小会导致频率跌落的速度加快，严重情况下可能诱发连锁故障或大范围停电。电源的调频电源能力已逐步逼近极限，调节空间不大，而大范围省际电源功率支撑容易引起联络线超限额运行，因此，需要快速、准确地模拟特高压直流故障发生后输电断面有功的变化情况。常规潮流计算忽略了发电机和负荷的频率静特性，不能准确地反映具有调频能力发电机出力随频率变化情况。基于时域仿真的稳定分析可以模拟故障后电网潮流变化，但计算耗时长，不满足工程需求。

特高压直流故障后有功变化分为3个阶段[1]：阶段1为故障瞬间，直流系统交流侧的节点电压相角突变，导致发电机有功发生突变；阶段2为暂态过程过渡到稳态，一次调频作用改变发电机有功，称为调速器潮流；阶段3为二次调频动作恢复系统频率偏差，由参与二次调频的发电机承担不平衡功率，负荷恢复到故障前有功。阶段3二次调频动作过程中断面有功可能变化较大，称为AGC响应潮流[2]。本文综合发电机的一次调频、旋转备用和爬坡率等参数确定直流故障后各阶段发电机和负荷的有功潮流。

1故障瞬间潮流计算

故障瞬间只有直流系统交流侧节点的电压相角发生突变，根据收缩到发电机内电势的潮流方程计算发电机的有功突变量。发电机输出变化近似地与发电机和功率损失点之间的电气距离成反比。发电机节点的注入功率计算方法如式(1)。

(1)

式中：为交流电网中的发电机个数；和分别为发电机和的内电势；和分别为发电机和间的互导纳的实部和虚部；为直流系统交流侧母线的电压；和分别为发电机和直流系统交流侧母线间的互导纳的实部和虚部。

将直流闭锁故障导致的功率缺额按同步功率系数分摊到各发电机，根据故障瞬间各节点的有功注入进行潮流计算，统计稳定断面的有功潮流。其中，按公式(2)计算各发电机的同步功率系数[4,5]。

(2)

故障后调速器尚未动作阶段，由于机械功率输入和电气功率输出的不平衡而引起发电机减速，需要通过机电暂态仿真来进行分析，本文暂不考虑。

2调速器潮流计算

调速器潮流是在潮流计算的基础上考虑负荷和发电机的频率电压动态特性，准确地模拟调速器对发电机组的作用，调速器潮流计算方法如下：

1）功率缺额的分摊

针对特高压直流所连接的交流电网，确定当前运行方式下针对故障的当值措施，计算出各交流电网因直流故障和当值措施实施所引起的有功不平衡量，发电机和负荷节点的稳态有功潮流计算方法如下：

（1）计算各发电机一次调频限幅对应的频率变化量：

(3)

式中：、、和分别为发电机的最大输出机械功率、故障前有功出力、一次调频负荷限幅和调差系数。

（2）将各发电机按由小到大排序，排序后满足(），置，，。

（3）计算发电机参与一次调频时系统的调频系数：

(4)

式中：为节点负荷的有功静态频率特性系数。

（4）计算频率偏差由变化到对应的有功调整量为

(5)

更新。

（5）如果，则置，返回步骤3；否则，计算系统功率缺额对应的频率偏差。

(6)

（6）计算系统频率偏差为时各发电机和负荷分摊的功率。如果，则发电机分摊的功率为

(7)

否则，发电机分摊的功率为

(8)

负荷分摊的功率为

(9)

对于PQ节点，分别按照初始情况下的无功功率因数确定发电机和负荷的无功功率[13]，确保潮流结果的准确性。

2）常规潮流计算分摊网损变化量

（1）根据分摊功率缺额后的发电机和负荷的功率进行常规潮流计算；

（2）设平衡节点的功率变化量为，分摊的功率为，则平衡节点承担的网损变化量为，如果则结束计算，否则执行步骤（3）。

（3）如果，则重新计算系统频率偏差

(10)

并将功率缺额分摊到各机组和负荷，返回步骤1）；否则，将功率缺额修正为，调用功率分摊模块，返回步骤1）。

3AGC响应潮流计算

为使负荷变动引起的频率偏移保持在允许的范围内，AGC系统会自动地操作调频器使发电机的频率特性平移。AGC响应潮流计算方法如下：

1）功率缺额的分摊

综合考虑负荷的有功静态频率特性系数和发电机旋转备用，计算调速器动作后电网不平衡功率为，AGC动作模拟不平衡功率分摊方法如下：

（1）统计系统的备用容量，如果，则根据系统负荷的调频特性确定系统频率偏差

(11)

（2）根据确定AGC的控制区域，确定机组有功的分摊因子，计算机组的分摊功率；

(12)

（3）如果不存在功率越限的机组，结束计算；否则，将功率越限机组的功率变化量固定为，重新计算

(13)

返回步骤(2)。

2）常规潮流计算分摊网损变化量

（1）根据分摊功率缺额后的发电机和负荷的功率进行常规潮流计算；

（2）设平衡节点的功率变化量为，分摊的功率为，则平衡节点承担的网损变化量为，如果则结束计算，否则执行步骤（3）。

（3）将功率缺额修正为，调用功率缺额分配模块进行功率分配，返回步骤1）。

4算例验证

以某电网方式数据为例，电网当前状态下潮流平衡，某直流闭锁故障后损失有功功率3821.6MW。表1给出故障后故障瞬间、暂态过渡到稳态和二次调频动作后部分机组的有功注入潮流。

表1故障后机组有功潮流

由表1可知，特高压直流故障瞬间机组的有功潮流发生了突变；故障后一次调频和负荷频率特性作用，相对于故障瞬间有功有所降低；二次调频后，负荷恢复到故障前有功，发电机有功过渡到新的平衡。本文方法计算得到的故障后发电机功率变化趋势与故障后实际出力变化基本一致。

5结论

本文实现了一种特高压直流故障后有功潮流的分阶段计算方法，针对直流故障导致的有功不平衡量，按同步功率系数分摊到各发电机，计算故障瞬间的有功潮流；针对直流故障导致的有功不平衡量，根据静态频率特性确定有功潮流；针对恢复到额定频率的二次调频过程，根据发电机的旋转备用和爬坡率确定有功潮流。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

参考文献：

[1]张志强，徐友平，等.大型互联区域电网解列后送端电网频率特性及高频切机方案[J].电网技术，2015，39(1)：288-293.

[2]庄侃沁，武寒，黄志龙，等．龙政直流双极闭锁事故华东电网频率特性分析[J]．电力系统自动化，2006，30(22)：101-104．