架空输电线路输电能力的研究

摘要

随着节能减排政策的提出，能源使用的洁净化迫在眉睫，电源得到了快速的发展，风电作为一种清洁和可再生能源得到了很好的重视，越来越多的风电场直接并入输电系统，风电场输出功率对风速有较大的依赖性，其固有的波动性和不可控性必然对电网的输电能力产生影响，而且随着经济和社会的发展，负荷不断攀升，电网输电能力呈现不足，因此，在现有电网运行条件下，如何准确计算架空输电线路的输电能力，充分挖掘架空输电线路潜在的能力，提高现有电网的使用效率，缓解输电能力不足，已成为学术界和工程界共同关注的焦点。
　　 目前，动态热定值(dynamic thermal rating，DTR)技术已较为成熟，DTR技术通过输电线路上增加各种测量、通信设备，实现对输电线路运行温度、热定值的实时跟踪和计算，有效挖掘了输电线路的输电潜力，输电线路动态热定值和大型风电场并网对架空输电线路输电能力的研究，无论从深度和广度上都提出若干新的问题，如:DTR技术硬件的依赖性及其运行维护的昂贵费用，使其应用难以普及的问题;DTR热定值基础上，综合考虑电压水平和功角静稳等电力系统运行限制的运行条件下输电线路载荷能力定值问题;风速变化是随机的，风速及风功率的准确预测问题;大型风电场并网，风电场输出功率的波动影响电网输电能力的问题等，为此，本文在动态热定值环境下，及风电场并网背景下，对架空输电线路输电能力进行了深入的研究。研究的主要内容和成果如下:
　　 (1)针对DTR技术对硬件的依赖性及其运行维护的昂贵费用，给出了在仅需测量输电线路载流和导线温度的情况下实现DTR功能的方法。首先，对IEEE标准的输电线路热平衡方程各项系数的计算公式及其相关的物理意义进行了描述，在此基础上，将输电线路热平衡方程离散化，将风向、风速、日照、环境温度等综合影响通过输电线路热平衡方程离散参数来进行等效;其次，利用限定记忆广义最小二乘递推估计方法实现热平衡方程离散参数的在线估计，该方法克服了经典最小二乘递推法的增益矩阵随时间推移渐趋于零而导致的修正能力降低问题，获得了热平衡方程离散参数的一致、无偏估计。在采样时间较短的连续采样过程中，通过递推过程实现了热平衡方程时变离散参数的近似连续辨识，达到了对输电线路热平衡方程在线建模的目的;再次，在输电线路热平衡方程离散参数已知的情况下，方便地实现了输电线路长期和短期热载荷能力的实时在线定值;最后，通过算例分析表明基于输电线路热平衡方程离散参数的输电线路载流量在线定值简化了气象条件量测系统，只需测量输电线路载流量和导线温度即可实现输电线路长期和短期最大允许载流量实时在线定值，从而有效挖掘输电线路的输电潜力。
　　 (2)针对运行条件下的输电线路载荷能力除了受热限制外，还受到电压水平和功角静稳等电力系统运行限制，在DTR热定值基础上，建立了运行条件下交流输电线路载流量在线定值模型和算法。首先，通过简化的输电线路送、受端系统等值模型，对线路运行的系统实时状态对线路载荷能力的影响进行了定性分析，其具体体现在分析不同电压等级下，输电线路送受端系统简化等值参数对线路载流量的影响，从而说明了建立实时状态下系统等值模型在线分析输电线路载荷能力的必要性;其次，通过系统节点阻抗矩阵的变换和等值化简，推导出建立考虑系统的整体性，体现并行流对输电线路载荷能力影响的送受端系统双端电源等值模型。该模型推导过程简单，且物理意义明确;最后，基于状态估计，实现在线跟踪双端电源等值参数，并综合考虑热电流、电压和静态稳定限制，实现运行条件下输电线路载荷能力在线定值计算，通过山东电网220kV输电线路载流量在线定值的计算验证了模型和计算方法的有效性。
　　 (3)精确的风速预测，有助于风电场风功率预测的精度提高，有效地减轻或避免风电并网带来的不利影响。首先，在不需要大量的历史数据资料情况下，采用新一代中尺度非静力WRF预报模式进行风速预测，利用WRF模式提供的高分辨率优先级设计，有效定位风电场地理位置，捕获天气系统的特征，利用不同物理方案的选择和先进的资料同化系统，建立多种风速预测模型方案;其次，针对各种不同的方案分别进行预测时效为12小时和24小时的风速预测，最后，与由山东安成风电场SCADA系统获得的风电场实测风速数据相比较，通过误差分析验证基于WRF模式的风速预测是提高预测精度的新的有效方法。本文基于WRF模式风速预测以全方位的展示与设计视角为研究理念，风速预测的研究采用了从全球预报资料GFS的预报输入，到WRF模式的核心处理，直至基于GRADS软件的可视化输出，形成了立体化的风速预测框架基调。
　　 (4)针对风电场风功率进行预测是缓解电力系统调峰压力，提高风电接纳能力的有效手段之一。本文将风速预测法和风功率曲线预测法有机结合，进行风电场风功率预测的研究。首先，采用直接法、比恩法、最大值法和幂函数法分别建立风电场风力发电机组总的功率曲线;其次，把四种方法所建立的风功率曲线与基于WRF模式的风速预测相结合，进行预测时效为12小时和24小时的风功率预测研究;最后，运用平均相对误差法、均方根法、相关系数法和风电功率预报准确率法针对不同方法下得出的预测功率值与山东安成风电场实际风功率输出值进行分析比对，经综合分析和验证，运算简捷的非线性幂函数法不失为提高风功率预测精度的有效方法。
　　 (5)针对大型风电场并网，风电场输出功率的波动必然影响电网输电能力问题，以及在以往输电断面内输电线路载荷能力求解过程中电源节点端电压维持不变（PV节点）的假设，使输电线路输电能力计算偏于乐观等问题，首先，在输电线路热载荷为DTR热定值背景下，建立了基于扩展潮流，考虑大型风电场和同步发电机组发电约束的计算输电断面最大输电能力的潮流模型和方法。扩展潮流打破了PV、PQ和平衡节点的假设，将描述元件动态特性的微分方程加入到潮流计算中，将传统潮流方程与动态元件的状态方程联立求取其稳态解，同时解出系统中各个节点的电压、相角、各种动态元件内部的状态变量，比传统潮流计算得出了更多的信息，更加全面地描述了电力系统的模型;其次，基于扩展潮流模型和方法，分析大型风电场并网位置、风速和风功率变化及同步发电机调速器和励磁系统等动态元件运行限制对电网输电能力的影响;最后，通过算例分析验证了由于扩展潮流模型中考虑了各类电源的发电约束对电网输电能力的影响，计算结果更符合实际，并得出结论，计算最大输电能力的时候必须考虑到未来风速变化产生的影响，特别是要考虑到因为风速过低或过高导致风电机组被切除以后最大输电能力的显著变化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 课题相关研究的回顾与评述

1．2．1 架空输电线路热载流量在线定值

1．2．2 运行条件下输电线路载荷能力在线定值

1．2．3 基于WRF模式的短期风速风功率预测

1．2．4 考虑风力发电机的电网输电能力计算

1．3 存在的问题

1．4 本文的主要工作和成果

第2章 架空输电线路热载流量在线定值

2．1 引言

2．2 输电线路热平衡方程

2．3 热平衡方程离散化参数研究

2．3．1 热平衡方程参数

2．3．2 热平衡方程离散化模型

2．4 限定记忆广义最小二乘递推估计方法

2．5 输电线路热载流量在线定值

2．6 算例分析

2．7 本章小结

第3章 运行条件下输电线路载荷能力在线定值

3．1 引言

3．2 系统等值参数对线路载流量的影响

3．2．1 系统简化等值模型及其限制因素

3．2．2 系统等值参数对线路载流量影响

3．3 系统双端电源等值模型

3．4 系统双端电源等值参数在线估计

3．5 输电线路载荷能力在线定值

3．5．1 输电线路载荷能力在线定值的分析

3．5．2 输电线路载荷能力的限制因素

3．5．3 输电线路载荷能力在线推算

3．6 算例分析

3．7 本章小结

第4章 基于WRF模式的短期风速预测

4．1 引言

4．2 WRF模式

4．2．1 网格方案

4．2．2 质量坐标及通量形式控制方程组

4．2．3 三阶Runge-Kutta时间积分方案

4．3 基于WRF模式的风速预测模型

4．3．1 基于WRF模式的风速预测系统

4．3．2 基于WRF模式的风速预测模型方案

4．3．3 基于WRF模式的风速预测误差分析

4．4 算例分析

4．5 本章小结

第5章 计及风力发电机的输电断面最大输电能力

5．1 引言

5．2 风功率预测

5．2．1 风力发电机组功率曲线

5．2．2 风力发电机组功率曲线建模

5．2．3 算例分析

5．3 计及风力发电机的最大输电能力计算模型

5．3．1 异步风力发电机模型

5．3．2 关于扩展潮流

5．3．3 约束条件

5．3．4 算例分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表与录用的学术论文

攻读博士学位期间参与的课题研究与项目研发