一种提高电源外送型电网输电能力的方法

摘要

一种提高电源外送型电网输电能力的方法，本发明首先建立长距离高压架空输电线的分布参数下的无损模型，然后导出输电线路线路上的有功、无功与线路两端电压、相角之间的关系；再对模型进行改进，在输电线路的送端和受端加入等值电动势，推导出送受端系统等值电势与输电线路电压、送受端短路比的关系，得到系统传输的功率与送受端等值电动势、相角差、送受端短路比、输送距离的关系式；根据静态稳定储备系数的取值范围决定输电线路实际输送的极限功率；对线路进行容性补偿，依据补偿后改变的参数得到补偿后的输电功率的关系式。本发明具有提高交流长距离电能能力、能够确定某地区线路上投入固定串补装置的最优补偿度的显著优点。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统运行技术领域，具体为一种提高电源外送型电网输电能力的方法。

背景技术

对于远距离输电线，输电线电抗成为限制线路输电能力的主要因素，其输电能力主要取决于线路的稳定极限。同步发电机的功角稳定性使输送功率、输电距离距离受到限制，必须对线路采取容性补偿。目前有几种方法可以用来提高输电能力：一、加强电网建设、增加建设线路、改善电网结构。二、在输电线路接入可控串补装置，该方法在一个很大范围内可快速、连续地调节线路的电抗，有效降低输电线路的等效阻抗值，从而提高系统传输的功率。三、在输电线沿途或受电终端并接静止无功发生器或者静止无功补偿器，根据负载需要，动态调节无功，从而有效降低输电线感性电抗的影响，同时保证电网系统的稳定性。以上三种方法理论上在电力系统中都起到补偿电导的作用，但在实际工程中，由于投资巨大，性价比不高，一般不采用。四、投入固定串补装置。该方法能有效降低输电线感性电抗影响，并且投资较低。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种提高电源外送型电网输电能力的方法，通过在输电线路上投入一定补偿度的电容来补偿线路本身的电抗，从而增大线路的传输极限功率。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种提高电源外送型电网输电能力的方法，步骤如下：

步骤一：建立长距离高压架空输电线路的分布参数下的无损模型：

式中，为线路特性阻抗；为线路传播系数；z₁、y₁分别为线路阻抗和导纳；U₁、I₁分别为线路始端电压和电流；U₂、I₂分别为线路末端电压和电流；l为线路起始端到末端的距离；

步骤二：对步骤一中的模型进行简化并建立标幺值下的电压、电流关系：

由于超高压线路的电阻往往远远小于电抗，电导则可以忽略不计，所以设线路中的电阻r₁＝0，电导g₁＝0；对(1)式进行简化，得输到电线路标幺值下的电路电压关系如下：

式中，β＝ω/c，为相位常数，ω为角频率，c为光速；j为虚数单位；u₁、i₁分别为标幺值下为线路始端电压和电流；u₂、i₂分别为标幺值下为线路末端电压和电流；

步骤三：计算输电线路有功功率和无功功率：

根据公式(2)和线路上功率与电压、电流的关系可得：

式中，δ为u₁与u₂的相角差；p₂、q₂分别为标幺值下线路末端有功功率和无功功率；p₁、q₁分别为标幺值下线路始端有功功率和无功功率；

步骤四：在长线路架空线路分布参数模型下引入实际电压源模型，计算有功功率：

式中，分别为送端系统和受端系统的短路容量；e_s，e_r，δ_sr分别为送端系统等值电动势和受端系统等值电动势以及它们两者的相位角差；

步骤五：确定输电线路上能够传输的极限功率；

由于输电线路上的最大传输功率是有系统稳定性决定的，输电系统的稳定性限制通常用静态稳定储备系数来表示；其值可表示为：

因此，当静态储备系数的取值范围确定时，就可以得到输电线路输送的极限功率与输电距离和短路比的关系；

步骤六：对线路进行串联电容补偿，并且确定最优补偿度；

假设补偿度为k_sc，则补偿后线路的输送功率为：

式中，X_C为串联电容器的容抗，X_L为线路电抗，

由此确定补偿度系统输电线路最大输送功率的影响，确定最优串补度。

本发明通过首先建立长距离高压架空输电线路分布参数下的无损模型，根据该模型导出输电线路上的有功、无功与线路两端电压、相角之间的关系；然后对模型进行改进，在输电线路的送端和受端加入等值电动势，并且引入送端系统和受端系统的短路比的概念，推导出送受端系统等值电势与输电线路电压、送受端短路比的关系，进一步可得到系统传输的功率与送受端等值电动势、相角差、送受端短路比、输送距离等的关系式；由于输电线路上输送功率的极限值受到系统稳定性限制，因此，可以根据静态稳定储备系数的取值范围来决定输电线路实际输送的极限功率；根据需要对线路进行容性补偿，补偿后会引起线路参数的改变，依据改变后的参数可以得到补偿后的输电功率的关系式；最终根据系统稳定性、电压等级、输电距离等因素确定最优补偿度。

本发明采取的方法是提高交流长距离电能能力的有效措施。该方法能够确定某地区线路上投入固定串补装置的最优补偿度，并且由于其具有良好的经济性，所以有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图；

图2为长线路下分布参数模型图；

图3为在图2模型中加入实际电压源模型图；

图4为云南怒江电网结构；

图5为福贡—剑川220KV线路加串补前后输送功率变化；

图6为福贡—兰坪220KV线路加串补前后输送功率变化。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述提高电源外送型电网输电能力的方法，具体步骤如下：

步骤一：建立长线路架空线路分布参数模型下的电压、电流关系，对长线路架空线路进行建模，其模型如图2，其输电线路上的电压关系如下：

式(1)中，为线路特性阻抗；为线路传播系数；z₁、y₁分别为线路阻抗和导纳；U₁、I₁分别为线路始端电压和电流；U₂、I₂分别为线路末端电压和电流；l为线路起始端到末端的距离；

步骤二：对步骤一中的模型进行简化并建立标幺值下的电压、电流关系：

由于超高压线路的电阻往往远远小于电抗，电导则可以忽略不计，所以可设线路中的电阻r₁＝0，电导g₁＝0；线路的特性阻抗和传播系数将分别具有下列形式：

式中L₁为线路的电感，C₁为线路的电容；ω为角频率，j为虚数单位；

可对(1)式公式进行简化；分别取线路的额定电压和自然功率作为电压基值和功率基值，即取V_β＝V_rated，可得输电线路标幺值下的电路电压关系如下：

式(2)中，β＝ωc，为相位常数，ω为角频率，c为光速；u₁、i₁分别为标幺值下为线路始端电压和电流；u₂、i₂别为标幺值下为线路末端电压和电流；

步骤三：计算输电线路有功功率和无功功率：

由于线路末端电流、电压与功率具有如下关系：

把(3)式带入(2)式可得：

设δ为u₁与u₂的相角差，取u₂为参考轴，则的u₁也可表达为如下形式：

u₁＝u₁cosδ+j·u₁sinδ>

根据(4)式与(5)式的对应关系可得线路上的有功和无功的基准值如下：

同理可得：

式中，p₂，q₂分别为标幺值下线路末端有功功率和无功功率；p₁，q₁分别为标幺值下线路始端有功功率和无功功率；

步骤四：在长线路架空线路分布参数模型下引入实际电压源模型，计算有功功率：

对图2所示模型加入实际电压源，得到如图3所示模型；

设送端系统和受端系统的短路容量分别为S_scs和S_scr，送端系统和受端系统的短路比分别为：

参照图3，以u₂为参考轴，可以得出送端系统等值电势和相位角分别为：

受端系统等值电势和相位角分别为：

送受端系统的相位差角为：

式中，e_s，δ_s分别为送端等值电势和相位角；e_r，δ_r分别为受端等值电势和相位角；δ_sr为送受端的相位角差；

把(7)式、(9)式代入(10)式、(12)式得：

由于相比u_s较小可以忽略不计，可得：

把(14)式、(17)式、(18)式代入(6)式并进行简化可得输电线路上输送功率公式：

式中，分别为送端系统和受端系统的短路容量；e_s，e_r，δ_sr分别为送端系统等值电动势和受端系统等值电动势以及它们两者的相位角差；

步骤五：确定输电线路上能够传输的极限功率：

由于输电线路上的最大传输功率是有系统稳定性决定的，输电系统的稳定性限制通常用静态稳定储备系数来表示；其值可表示为：

因此，当静态储备系数的取值范围确定时，就可以得到输电线路输送的极限功率与输电距离和短路比的关系；

步骤六：对线路进行串联电容补偿，并且确定最优补偿度：

假设补偿度为k_sc，则补偿后线路的输送功率为：

式中，X_C为串联电容器的容抗，X_L为线路电抗，

由此可以确定补偿度系统输电线路最大输送功率的影响；由于要考虑到串补度过高会导致谐振以及导致发电机外部电抗呈容性时，易发生自励磁现象问题、串补装置的经济性、实际线路电压等级、输电线路长度等因素，可根据各种情况的权值比重确定最优串补度。

由于要考虑到串补度过高会导致谐振以及导致发电机外部电抗呈容性时，易发生自励磁现象问题、串补装置的经济性、实际线路电压等级、输电线路长度等因素，可根据各种情况的权值比重确定最优串补度。

将本发明方法应用于云南怒江电网实际电网结构中，取得了较好的效果。

根据云南怒江电网220KV交流断面外送极限的数据和分析表明，现存的电网结构已不能满足在未来数年输电线路外送功率及将来电网大型电源开机计划的需求。因此需要提高云南怒江电网断面的输送能力。提取现存的数据，经过计算表明云南怒江电网的福贡变以北断面送电极限为360MW；福贡变以南断面送电极限为700MW。

以怒江电网为模型，其模型如图4。

案例1

对220KV福贡～剑川线串联电容补偿提高输电能力进行分析。通过PSD电力系统分析软件进行仿真，分别对该线路上补偿前和补偿后(补偿度为40％)的线路上能够传输的有功功率和无功功率极限进行比较，通过图5可以看出，补偿后的线路能够传输的极限功率为原来的1.4倍。通过下面的表1也可以看出，补偿后的无功损耗也相应的下降原来的1/2，这对线路的电压质量是有好处的。

表1.福贡—剑川220KV线路加串补前后功率

串补前(MW)串补后(MW)有功损耗P₂1.2488.07无功损耗Q₂21.7810.19充电功率Q₃14.38511.944

案例2

对220KV福贡～兰坪线串联电容补偿提高输电能力进行分析。通过PSD电力系统分析软件进行仿真，分别对该线路上补偿前和补偿后(补偿度为50％)的线路上能够传输的有功功率和无功功率极限进行比较，通过图6可以看出，补偿后的线路能够传输的极限功率上升为原来的1.6倍。通过下面的表2也可以看出，补偿后的无功损耗也相应的下降为原来的2/3，这对线路的电压质量是有好处的。

表2福贡—兰坪220KV线路加串补前后功率对比

串补前(MW)串补后(MW)有功损耗P₂’0.8132.26无功损耗Q₂’24.3916.87充电功率Q₃’14.62211.632