分布式小水电对受端电网运行稳定性的影响本科毕业论文.docx
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分布式小水电对受端电网运行稳定性的影响本科毕业论文
本科毕业论文
分布式小水电对受端电网运行稳定性
的影响
BACHELOR'SDEGREETHESIS
OFDONGHUCOLLEGEWUHANUNIVERSITY
Thedistributedsmallhydropowerinfluenceontheoperationstabilityofpowergrid
College：
ElectronicandInformationEngineering
Subject：
CommunicationEngineering
Name：
Directedby：
ZhuQiupinProfessor
May2012
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3）其它
摘要
随着分布式小水电电源容量的不断增大，其对主网安全稳定运行的影响不容忽视。
本文以湘南电网为研究对象，以电力系统综合分析程序（PSASP）为研究工具，研究了分布式小水电对电网暂态稳定性的影响。
首先，运用统计综合原理和加权平均方法，提出了一种小水电集群的集结等效方法和含分布式小水电的配电网综合负荷等效建模方法，并以现场实际调查信息为依据确定了小水电集群集结等效模型的参数；利用PSASP构建了含分布式小水电的仿真系统，经仿真反演验证了上述等效建模方法的有效性和模型的正确性。
其次，采用5种计算模型，就夏季小方式（小水电满发，取系统夏季最小负荷）和冬季大方式（小水电最小出力，取系统冬季最大负荷）进行典型短路故障条件下的暂态稳定计算，比较研究了分布式小水电对受端电网暂态稳定性的影响。
研究结果表明：
考虑小水电动态特性后，湖南主网的暂态稳定性水平、特别夏小方式下主网系统的暂态稳定水平有了较大提高。
但夏小方式下系统的稳定性仍较冬大方式下主网系统的稳定性差，因此，在夏小方式下，应特别重视主力电厂的出力安排并制定有效的稳控措施。
关键词：
电力系统；分布式小水电；综合负荷建模；暂态稳定性
ABSTRACT
Thepowersupplycapacityofsmallhydropowerdistributedisincreasing,whoseinfluencetothesafeandstableoperationofthemainpowergridcannotbeneglected.Basedonthesouthernpowergridastheresearchobject,takingtheelectricpowersystemcomprehensiveanalysisprogram（PSASP）forresearchtools,thepaperstudiedhowthesmallhydropowerdistributedinfluencedthepowergridtransientstability.
Firstofall,usingstatisticalcomprehensiveprincipleandweightedaveragemethod,thepaperputsforwardaequivalentmethodofthesmallhydropowerclusterandthecomprehensiveloadequivalentmodelingmethodsofdistributedsmallhydropowerpowernetwork,andwiththeactualinvestigationinformationasthebasis,thethesisdeterminedthesmallhydropowerclusterrallyequivalentparametersofthemodel;builtdistributedsmallhydropowersimulationsystembyusingPSASP,andthesimulationverifiedtheequivalentinversiontheefficiencyofthemodelingmethodandthevalidityofthemodel.
Second,thefivekindsofcalculationmodelhaveatransientstabilitycalculationinthesummersmallwayandwinterbigwayundertheconditionofatypicalshortcircuit,andcomparativelystudyhowthesmallhydropowerdistributedinfluencepowergridtransientstability.Theresultsshowthat:
consideringthesmallhydropowerdynamiccharacteristics,thetransientstabilitylevelofHunanpowergrid,especiallyinsummersmallway,haveimprovedgreatly.Butinsummersmallwaythestabilityofthesystemisnotbetterthanthesystemunderthewinterbigway.Therefore,insummersmallway,attentionshouldbepaidtothemainpowerplantoutputarrangementandmakeeffectivestabilitycontrolmeasures.
Keywords:
Electricpowersystem;Distributedsmallhydropower;Comprehensiveloadmodeling;Transientstability
目录
摘要IV
ABSTRACTV
第一章引言1
1.1湖南电网概况1
1.2湖南小水电分布式电源发展现状1
1.3湖南小水电分布式电源对主网运行影响概述2
1.4研究意义3
1.5本文的主要工作和章节安排3
1.5.1本文的主要工作3
1.5.2本文的章节安排3
第二章考虑小水电影响的配网综合负荷建模5
2.1小水电分布式电源模型研究综述5
2.1.1研究意义5
2.1.2含小水电分布式电源综合建模研究的必要性5
2.1.3研究动态6
2.2小水电综合等效建模及含小水电的配网综合负荷等效建模6
2.2.1小水电机组特点及其等效建模思路6
2.2.2分布式小水电的综合等效建模8
2.2.3含分布式小水电的配网综合负荷等效建模14
2.3含小水电的综合负荷模型的典型参数及推广应用19
2.3.1典型机组容量的确定19
2.3.2典型机组参数的确定21
2.3.3地区小水电差异性分析21
2.3.4模型适用性的调整21
2.4本章小结24
第三章考虑分布式电源综合负荷模型对电网稳定性影响分析25
3.1前言25
3.2仿真计算条件25
3.2.1计算数据及计算负荷水平25
3.2.2仿真计算工具25
3.2.3暂态稳定判据26
3.2.4发电机模型26
3.2.5负荷模型26
3.2.6具体仿真使用模型26
3.3计算结果及分析29
3.3.1湘西北地区暂态稳定水平分析29
3.3.2湘中地区暂态稳定水平分析29
3.3.3湘西南地区暂态稳定水平分析30
3.3.4湘南地区最小开机分析30
3.3.5总体分析31
3.4本章小结32
第四章总结与展望33
4.1总结33
4.2下一步的研究方向34
参考文献35
致谢37
附录38
附录A电压等级分层等效原则38
附录B湘中与湘西北地区暂态稳定性计算结果图表40
第一章引言
一.1湖南电网概况
截止2010年10月底，湖南电网统调机组214台（不计风力发电机组台数），统调装机容量21504.98MW，容量同比增长4.77%。
按调度关系分，网调调度装机容量5910MW，占统调装机容量的27.48%；省调直调及委托和许可调度装机容量15994.98MW，占统调装机容量的72.52%。
按接入系统电压等级分，接入500kV系统的装机容量8360MW，占统调装机容量的38.87%；接入220kV系统的装机容量2307.48MW，占统调装机容量的10.73%。
按机组类型分，火电装机容量11890MW，占统调装机容量的55.29%，其中600MW级及以上的机组8台；水电装机容量8318.68MW，占统调装机容量的38.68%；抽水蓄能机组装机容量1200MW，占统调装机容量的5.58%；风力发电装机容量36.3MW，占统调装机容量的0.17%；生物质能装机容量60MW，占统调装机容量的0.28%。
截止2010年10月底，500kV变电站16座（含艳山红开关站），500kV变压器24台，容量19000MVA，容量同比增长4.11%。
220kV变电站135座（含黄秧坪和康田开关站），220kV变压器278台，容量33070.08MVA，容量同比增长19.18%，其中用户专用变电站25座，220kV变压器91台，容量6550.08MVA，同比增长27.82%。
截止2010年10月底，500kV线路43条，长度3747千米（含葛岗线在湖南境内的91千米和江复Ⅰ、Ⅱ线在湖南省境内的352千米），长度同比增长9.88%，其中用户专用线路48条，长度616千米，长度同比增长45.28%。
截止2010年湖南电网的年度最大负荷为17162MW，同比增长17.35%，最小负荷6339MW，同比增长31%；平均峰谷差3270MW，同比增长13.21%；用电量781.80亿千瓦时，同比增长18.68%。
一.2湖南小水电分布式电源发展现状
小水电是小型水电站的简称。
其装机容量规模因各国国情而异，如美国的小水电定为装机容量15000kW及以下，日本、挪威为10000kW及以下，土耳其为5000kW及以下。
中国的小水电在现阶段主要是指由地方、集体或个人集资兴办与经营管理的，装机容量25000kW及以下的水电站和配套的地方供电电网。
本课题中的小水电专指通过110kV以下电压等级并网的水电站。
湖南省河流密布，大小河流5341条，水力资源非常丰富。
湘、资、沅、澧四水流域干支流的理论蕴藏量为15320MW。
已查明可开发量达12990MW，其中100MW以下的中小水电可开发量达6830MW。
按地区分布，水能资源理论蕴藏量主要分布在湘南、湘西。
截止2010年底，110kV以下电压等级并网，总装机容量约为6900.8MW，5MW及以上约3567.74MW，占全水电装机容量的51.7%。
湖南小水电站具有分布式的电源特性，生态效益明显，具有多、小、灵活的特点。
由于湖南省小水电绝大部分为径流式或库容较小的水电站，其运行受到季节性河流水量变化的影响。
因此小水电的运行方式可分为两个阶段来观察，即夏季季节性雨水丰富，小水电机组满发的丰水期；冬春季节江河流量减小，小水电机组不发或者少发的枯水期。
根据丰水期、枯水期用电负荷变化的情况，又可以具体分为丰水期大负荷、丰水期小负荷；枯水期大负荷、枯水期小负荷四种情形。
小水电这种来水时集中发电，不来水时大量停发的运行特点，造成系统负荷预测偏差大，导致统调机组的开停计划性不强，影响系统潮流的优化调度，以及发电机组和输电设备检修的合理安排，并且大多数小水电站缺乏相关的稳定装置及控制设备，其可能与主网大机组之间产生低频振荡，影响主网系统的稳定性。
一.3湖南小水电分布式电源对主网运行影响概述
小水电清洁分布式能源的大力发展，有利于促进湖南电网能源结构改善，缓解由于煤炭资源消耗所带来的环境污染压力，推进两型社会的建设。
但是小水电的发电方式受气候影响大，出力具有较强的随机性和波动性，且由于其发电受地理环境因素的制约，呈现出分布广泛、容量小、出力具有较强的不确定性等特点。
随着小水电分布式电源装机容量的不断增大，其对主网安全稳定运行的影响不容忽视。
湖南110kV以下电压等级并网总装机容量约为6900.8MW，而除白云电站等少数电站具有库容外，其余绝大多数小水电为径流式电站，调节能力差，负荷变化大，丰枯差大，给电网统调电厂的方式安排带来了较明显的影响。
小水电站由于自身调节能力的限制，在极端天气条件下（如丰水期出现的短时干旱），其出力的急剧变化会给主网的安全稳定运行带来不利影响。
因此，必须对小水电对主网安全稳定运行影响展开系统研究，在充分发掘分布式电源供电潜能的基础上，制定相应技术措施，抑制其对主网安全运行所产生的不良影响，确保主网的安全稳定运行。
一.4研究意义
研究分布式小水电对主网安全稳定运行影响的基本手段是电网仿真，而电网仿真所需负荷模型一般是主网之220kV变电站的110kV或220kV母线的综合负荷模型，它是包括110kV及以下配电网络在内的综合负荷等效描述。
在小水电分布式电源分散地接入配网侧的情况下，大量分布式电源成为电力系统配网侧综合负荷的重要组成部分，从而使原本就十分复杂的综合负荷特性的复杂程度大大增加。
分布式发电技术的逐步推广而带来的分布式电源容量的不断增大，无疑将使这种影响成为决定配网侧综合负荷特性的重要因素。
因此，如何准确描述分布式电源接入后的配网侧综合负荷特性成为电力系统综合负荷建模面临的新的挑战。
基于上述背景，本项目将深入研究含有大量特性各异、分布广泛、容量比例逐步增加的分布式小水电电源之配网侧综合负荷的建模原理、方法和技术，建立考虑小水电分布式电源影响的“广义综合负荷模型”；深入研究分布式小水电电源接入配网后暂态（功角、电压）稳定性及其规律性。
通过上述研究，为考虑分布式小水电影响的电网仿真计算、受端配电网络规划提供模型以及理论方法与技术支持。
因此，本项目的研究具有重要理论与实际意义，其成果具有广阔的推广应用前景。
一.5本文的主要工作和章节安排
一.5.1本文的主要工作
（1）实际调查了湖南电网及其小水电分布式电源发展现状；
（2）提出了一种小水电集群的集结等效方法；
（3）提出了含分布式小水电的配电网综合负荷等效建模方法；
（4）根据实际调查确定了模型参数，并通过仿真分析验证其有效性和适用性；
（5）采用5种模型（不同符合模型和网络的组合）的对比仿真，系统分析了小水电模型对湖南主网暂态稳定性的影响。
一.5.2本文的章节安排
以下为本文各章节的简要概述：
第一章引言，主要介绍本论文的课题背景，研究的意义和本文所做的工作。
第二章考虑小水电影响的配网综合负荷建模，说明了构建小水电分布式电源模型的研究意义和必要性，介绍了国内外研究现状；以莲塘变配电网为例，提出了一种小水电集群的集结等效方法和含分布式小水电的配电网综合负荷等效建模方法，据实际调查数据确定了小水电集群集结等效模型的参数；经仿真反演验证了上述等效建模方法的有效性和模型的正确性。
第三章考虑分布式电源综合负荷模型对电网暂态稳定性影响分析，在常规主网仿真网络的基础上衍生出含湘南郴州配网、含全网小水电等效模型的仿真网络等五种仿真计算模型，从不同季节运行方式和不同负荷水平，对湖南电网各地区稳定水平进行了全面校核，特别是对湘南地区的稳定水平及最小开机方式进行分析研究；与基于当前正在使用的负荷模型的电网稳定计算分析结果进行比较。
第四章结语，指出本课题研究的成果或观点，对其应用价值加以预测和评价，并指出今后进一步在本研究方向进行研究工作的展望与设想。
第二章考虑小水电影响的配网综合负荷建模
二.1小水电分布式电源模型研究综述
二.1.1研究意义
小水电属于分布式电源，研究分布式小水电对电网安全运行的影响的基本手段是电力系统仿真。
电力系统仿真计算不但是电力系统动态分析与安全控制的基本工具，也是电力生产部门用于指导电网运行的基本依据。
电力系统建模是仿真计算的基础，如果模型不够准确，在临界情况下有可能改变定性结论，或者掩盖一些重要现象。
国际上近年来发生的一系列停电事故，比如美国与加拿大2003年的“8.14”事故、欧盟2006年的“11.4”事故等，事故分析报告中都指出由于所采用的模型缺乏准确性，难以再现事故特性。
著名的案例是WSCC对1996年“8.10”事故的仿真，一开始电力负荷采用静态模型，仿真结果是稳定的，不能再现事故时出现的增幅振荡。
而后通过修改电力系统模型和参数，特别是将电力负荷采用电动机加静态模型，才能够再现事故时的增幅振荡现象。
不恰当的模型会使得计算结果与实际情况不一致，或偏乐观，或偏保守，从而构成系统的潜在危险或造成不必要的投资。
当缺乏准确模型时，人们常常试图采用所谓的“保守”模型，即模型计算出来的安全指标（如输送功率极限）比实际电力系统情况要低。
这种做法对现代大型电力系统往往是不妥的。
因为模型对大规模电力系统的正负影响事先难以确定，在某种情况下是“保守”的但在另一种情况下却是“冒进”的。
我国电力生产部门采用传统的电力系统仿真模型指导电力生产时，已经发现互联电网的稳定水平达不到预期目标，造成电能传输阻塞，通过修改电力系统模型和参数有时能够提高传输功率极限达25%左右。
所以建立合适的电力系统模型，能够提高传输能力，或者消除安全隐患，具有显著的经济和社会效益。
二.1.2含小水电分布式电源综合建模研究的必要性
在研究一个大型区域电网时，由于网络结构复杂，电网电压等级跨度大，节点数众多，若要对所有的网络节点和元件进行详细仿真，其计算量会非常大，因此我们在对主网进行仿真时往往需要将低电压等级的网络和元件进行等效，而电网仿真所需负荷模型一般是主网之220kV变电站的110kV或220kV母线的综合负荷模型，它是包括110kV及以下配电网络在内的综合负荷的等效描述。
而分布式电源通常是通过110kV及以下的网络上网的，为了深入研究低压配电网中广泛接入的分布式电源对电网的影响，有必要在对这些分布式电源的并网运行外特性进行分析的基础上，构建能满足适合主网仿真需要的等值模型。
二.1.3研究动态
一、分布式电源建模方面
小水电建模方面，由于小水电采用的机组绝大多数是同步发电机，电源技术非常成熟，理论研究也对小水电电源特性研究得也比较透彻[1-3]。
二、含分布式电源配网综合负荷建模方面
含分布式小水电配网综合建模方面，由于小水电发展趋于饱和，以往对小水电的重视程度不够，因此对于小水电配网综合建模的具体实用方法提得不多，但以往用于主网机组参数确定和简化的方法可以值得借鉴[4-6]。
在一般性的含分布式电源配网综合负荷建模方面，就模型结构来看，目前已有一些文献就含分布式电源配网综合负荷建模方面进行了相关研究。
文献[7]在简单仿真网络中运用总体测辨的建模方法从参数辨识拟合效果的角度分析了分布式电源接入容量对传统负荷模型适用性的影响。
文献[8-11]分析了在分布式电源接入情况下，不同负荷模型结构各自的优缺点和适用场合。
就综合等效模型参数确定方法来看，最常用的是统计综合法和总体测辨建模法。
在这些研究中并没有就具体的分布式电源的等效特性做出解释和说明，由于分布式电源的特性各异，研究结果的准确性和适用性都有待检验。
因此为评估这些具体的分布式电源并网对系统的影响，构建含小水电的配网侧综合负荷模型并获取相应模型参数成为研究人员亟需解决的重要课题之一。
二.2小水电综合等效建模及含小水电的配网综合负荷等效建模
二.2.1小水电机组特点及其等效建模思路
二.2.1.1小水电机组特点
小水电数目众多，接入方式多种多样，为了更加系统和规范地去研究小水电，在对小水电这种分布式电源建模之前，有必要对小水电的特点做出说明。
以小水电丰富的郴州地区为例，通过对资兴、桂阳两地电网的小水电进行调查，发现小水电具有以下特点：
（1）小水电站采用的机组类型比较集中，小水电站发电机机组采用的绝大多数是凸极同步发电机，少数采用异步发电机。
（2）小水电站装机容量分布比较广，单机容量从几十千瓦到几十兆瓦不等。
（3）小水电站一般为径流式水电站，没有库容，调节能力很弱，在丰水期满发、在枯水期少发或停机不发，出力受季节性影响很大。
二.2.1.2含小水电配网综合等效建模思路
在小水电分散区域，在变电容量允许的情况下，一般直接通过附近的配电网络上网发电，在小水电集中的区域，则是通过专变升压后送入主网。
另外受小水电所在区域地理环境、流域、库容以及电网网架结构的影响，小水电并网发电所接入的配电网络层面会有所不同，上网点的电网电压等级可以从10kV、35kV到110kV不等，其接入的方式如图2.1所示。
图2.1小水电各个电压等级接入示意图
由图2.1可以看出，同一个节点既可能是负荷接入点，又可能是小水电并网点，分布式小水电和负荷是交织在一起的，因此本
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