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1、天津大学硕士学位论文含大型风电场的电力系统最大输电能力计算姓名：孙玮申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：王成山20070101中文摘要随着风力发电在世界范围内的迅速发展，越来越多的兆瓦级以上的大型风电场直接接入输电系统。在传统的风力发电研究中，仅仅限于小型风力机组对配电系统影响的研究，但是随着风力发电技术的飞速发展，特别是海上大型风电平台的建立，世界上总装机容量超过1 0 0 0 0 K W 的大型风电场越来越多。未来几年内，将有越来越多的大型风电场直接连入输电系统，因此有关大型风电场并网的相关研究工作日益得到重视。同时，随着系统互联和电力市场的深入发展，电力系统可用输电能力(
2、A T C)的研究越来越受到人们的关注。最大输电能力(T T C)的计算是整个A T C 分析的基础和关键，也是当前研究的热点。因此，本文针对含有大型风电场的电力系统，对其静态电压稳定约束条件下的1 r C 计算进行研究。本文首先介绍了风能开发和风力发电的历史，并从风力机类型、风力机基本特性、风力机功率调节和风电并网的影响四个方面详细介绍了风力发电技术。针对传统包含风力发电机静态模型潮流算法的不足，本文使用完整的异步发电机万型等值电路进行推导，建立了含异步风电机组的统一迭代潮流计算模型和连续潮流(C P F)计算模型。利用接入风电场的I E E E l l 8 节点系统算例验证了该模型的可行性
3、，并与传统P Q 模型和R X 模型进行比较，证明了该模型在保证计算精度的前提下大大提高了收敛速度。利用本文提出的含异步风电机组的统一迭代C P F 计算模型，针对含有大型风电场的电力系统，对其静态电压稳定约束条件下的最大输电能力展开研究分析，研究了风速、风电穿透功率和机端补偿容量等因素对最大输电能力的影响。算例结果表明：在包含大型风电场的电力系统中，调度员在计算可用输电能力的时候必须考虑到风速的变化、风电穿透功率的增大和机端补偿容量的配置等因素对可用输电能力产生的影响。关键词：风电场；异步发电机；最大输电能力；连续潮流A B S T R A C TW h i l ew i n dp o w
4、e rg e n e r a t i o ni sd e v e l o p i n gr a p i d l ya l lt h r o u g ht h ew o r l d，t h e r ea lem o r ea n dm o r em e g a w a t tw i n df a r m sb e i n gc o n n e c t e dd i r e c t l yi n t op o w e rs y s t e m I nt h et r a d i t i o n a lr e s e a r c h，i ti sa l w a y sf o c u s e do n
5、t h ei n f l u e n c eo fs m a l l s c a l ew i n dt u r b i n e so nd i s t r i b u t i o ns y s t e m B u tw h i l el a r g e-s c a l ew i n dp l a t f o r m sa ts e ai se s t a b l i s h e d，t h e r ea l em o r ea n dm o r el a r g e s c a l ew i n df a r m s w h o s et o t a li n s t a l l e dc
6、a p a c i t yi sm o r et h a n10 M W I no t h e rw o r d s，i nt h en e a rf u t u r e，t h e r ea r em o r ea n dm o r el a r g e-s c a l ew i n df a r m sb e i n gc o n n e c t e dd i r e c t l yi n t op o w e rs y s t e m T h e r e f o r e，t h er e s e a r c ho f t h i sc o n n e c t i o ni sg e t
7、t i n gm o r ea t t e n t i o n M e a n w h i l e，i nan e wc o m p e t i t i v ee n v i r o n m e n t,A v a i l a b l eT r a n s f e rC a p a b i l i t y(A T C)i sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e rf o ri n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o rO s o)a n da l lc o m p a n i e st op a r t
8、 i c i p a t ei np o w e rt r a n s a c t i o na c t i v i t i e s T h ec a l c u l a t i o no fT o t a lT r a n s f e rC a p a b i l i t y(T T C)i st h eg r o u n d w o r ko fA T Cr e s e a r c h T h e r e f o r e，an e wm e t h o d o l o g yt oe v a l u a t eT T Co fp o w e rf a r m s，c o n s i d e
9、 r i n gs t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yt h ef o l l o w i n gw o r ka r ec o m p l e t e d s y s t e m，w h i c hc o n t a i n sl a r g e-s c a l ew i n dc o n s t r a i n t si sd e v e l o p e di nt h i st h e s i sa n dF i r s t l y,t h ee x p l o i t a t i o no fw i n de n e r g ya n dh
10、i s t o r yo fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ni si n t r o d u c e da n dt h ed e t a i lo ft h i st e c h n o l o g yi sp r e s e n t e di nf o u ra s p e c t s：s t y l e so fw i n dt u r b i n e s(W T)，b a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fW T,p o w e rr e g u l a t i o no fW Ta n dt h ei n
11、f l u e n c eo fc o n n e c t i n gp o w e rs y s t e mw i t hW T S e c o n d l y,t oa m e l i o r a t e t h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lp o w e rf l o wa r i t h m e t i cc o n t a i n i n gt h es t a t i cm o d l eo f Zt h eu n i f o r m l yi t e r a t i v ep o w e rf l o wc a l c
12、u l a t i o nm o d e la n dc o n t i n u a t i o np o w e rf l o w(C P F)c a l c u l a t i o nm o d e lo fp o w e rs y s t e mc o n t a i n i n ga s y n c h r o n o u sw i n dp o w e rg e n e r a t o r si se s t a b l i s h e d，b yd e d u c i n gi n t e g r a t e d 万-t y p ee q u i v a l e n tc i r
13、c u i to fa s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s T h ef e a s i b i l i t yo ft h i sn e wm o d e li si l l u s t r a t e db ya na p p l i c a t i o nt oa nI E E ER T S 一118s y s t e mc o n t a i n i n gw i n df a r m s B yc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lP Qm o d e la n dR Xm o d e
14、l，i ti sp r o v e dt h a tt h i sn e wm e t h o de n h a n c e st h es p e e do fc o n s t r i n g e n c yi np r e c o n d i t i o no fg u a l a n t e e i n gt h ep r e c i s i o no fc a l c u l a t i o n T h e n，b a s e do nt h i sp r e s e n t e du n i f o r m l yi t e r a t i v eC P Fc a l c u l
15、a t i o nm o d e lc o n t a i n i n ga s y n c h r o n o u sw i n dp o w e rg e n e r a t o r s，1 _ r Co fp o w e rs y s t e m w h i c hc o n t a i n sw i n df a 咖s，c o n s i d e r i n gs t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yc o n s t r a i n t si sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d M o r e o
16、 v e r,t h ei n f e c t i o no fw i n ds p e e d，w i n dp o w e rp e n e t r a t i o na n dw i n dt u r b i n ec o m p c n s a t i o nc a p a c i t yo nT T Ci si n v e s t i g a t e d I ti si n d i c a t e dt h a t,w h e nc a l c u l a t i n gt h eA T Co fp o w e rs y s t e mc o n t a i n i n gl a r
17、 g e-s c a l ew i n df a r m s，t h eo p e r a t o rs h o u l dc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fd i v e r s i f i c a t i o no ff u t u r ew i n ds p e e d，c o l l o c a t i o no fw i n dt u r b i n ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n dv a r i a t i o no fw i n dp o w e rp e n e t
18、 r a t i o no nA T C K E YW O R D S：W i n dF a r m；A s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r；T o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y；C o n t i n u a t i o np o w e rf l o w独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本
19、研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：孑小参签字日期：。口7 年月z 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：孑，3、；为I签字日期：劬D 7 年，月2 6 同聊签名：鼻舢签字嗍7 年1 月7 日第一章绪论1 1 引言第一章绪论能源是人类发展的动力，随着全球经济急剧增长对能源的需求
20、越来越大，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生资源的储量越来越少，能源危机越来越严重，己经成为阻碍人类进一步发展的桎梏。能源危机的重要表现是能源价格的不断上涨和电力紧张。继2 0 0 1 年美国加州大停电后，我国也出现了前所未有的大面积“拉闸限电刀现象。自2 0 0 1 年夏天以来，福建、浙江等省份就没有停止过“拉闸限电一，2 0 0 2 年全国有1 2 个省限电，2 0 0 3 年先后有2 1 个省级电网出现了不同程度的“拉闸限电一，缺电局面进一步加剧。造成电力供应紧张的原因既有经济快速增长，高耗能产业急速发展的因素，也有能源结构不合理，新能源、可再生能源开发不足方面的因素。由
21、于中国目前的电力供应主要以水力发电和火力发电为主，一旦干旱严重或煤炭供应紧张，电力供应就会受到很大的影响【1】【2 1。据估计，石油还可以维持4 6 年，天然气还可以维持5 6 年，天然铀原料还可以维持6 3 年【剐1 4 1。伴随着能源的大量消耗而来的是地球环境的日益恶化，工业废水、汽车尾气酸雨、沙尘暴、温室效应、水土流失正在蚕食我们原本美丽的地球。2 0 世纪的1 0 0 年中，全球能源消耗规模扩大了约2 0 倍，已经达到了阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。C C h 气体的温室效应引起的全球变暖，是这方面最初的征兆。1 9 9 6 年世界各国“政府间关于气候变化的专fj,J,组一(
22、I P C C)第2 次报告明确指出【5 1，地球变暖并不是地球环境自然的变化，而是由于人类排放的大量C 0 2 等气体引起的温室效应。全球气候的变化对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全1 6 。能源的短缺和环境的恶化已经成为全球性的两大难题。传统的能源结构已不能适应经济、社会和环境可持续发展的需要，必须采取可持续化发展战略，利用科技手段开发可再生能源 7 1。开发利用太阳能、风能等可再生的洁净绿色能源，实现二次能源一电力的绿色化生产、变换，改善能源结构成为人类解决生存问题的战略选择。1 2 风能开发与风力发电的历史在能源短缺和环境污染日益严重的今天，作为可再生绿色能源
23、的风能的开发第一章绪论利用具有十分重要的意义。风能作为一种重要的可再生能源，取之不尽、用之不竭。风是由太阳辐射热引起的一种自然现象。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同而产生温差，引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2 转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球风能总量为2 7 4 0 0 亿千瓦，其中可利用部分约为2 0 0 亿千瓦，比地球上可开发的水能总量大l O 倍，相当于1 0 0 0 1 0 0 0 0 座1 0 0 万瓦量级的原子能发电站。风力发电是风能的主要利用方式，它具有安全可靠、无污染、不需消耗燃料、建设周期短、规模大小灵活以及可并网运行等特点，已
24、成为当今世界可再生能源开发中技术最成熟、最具商业化前景的的绿色能源产业。1 2 1 国外风力发电的现状与趋势在全球范围内，风力发电产业正以年增长3 5 的速度飞快发展，德、美、意等国增长速度高达5 0，全球风力发电年产值已超过5 0 亿美元【8】。美国在1 9 7 4年开始实行联邦风能计划，8 0 年代成功地开发了l O O k W、2 0 0 k W、2 0 0 0 k W、2 5 0 0 k w、6 2 0 0 k W、7 2 0 0 k W6 种风力机组。瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国，也根据各自国家的情况制定了相应的风力发电计划。如瑞典1 9 9 0 年风力机的装机容量
25、己达3 5 0 M W，年发电l O 亿k W h。丹麦在1 9 7 8 年即建成了日德兰风力发电站，装机容量2 0 0 0 k W，三片风叶的扫掠直径为5 4 m。德国1 9 8 0 年就在易北河口建成了一座风力电站，装机容量为3 0 0 0 k W。英国三岛濒临海洋，风能十分丰富，政府对风能开发也十分重视，到1 9 9 0 年风力发电已占英国总发电量的2。首先从装机容量上来看，经过3 0 年的努力，世界风电发展取得了引人注目的成就。2 0 0 3 年全世界风电的电量约8 2 2 亿度，占当年各种电源总电量1 6 7 1 0 4亿度的O 5。自2 0 世纪9 0 年代中期以后，世界风电装机年
26、平均增长率超过3 0，发电量由1 9 9 6 年的1 2 2 亿度增加到了2 0 0 3 年的8 2 2 亿度，风电比重也增加了4倍多。另外，世界风力发电成本下降迅速，从1 9 8 3 年的1 5 3 美分度，下降到1 9 9 9 年的4 9 美分度。表1 1 列出了2 0 0 3 年世界风能开发利用前1 0 个国家风电装机与市场份额p J。根据2 0 0 4 年“风力1 2(W i n dF o r c e1 2)力发表的2 0 0 5-2 0 2 0 年世界风电和电力需求增长的预测报告(表1 2)，按照风电目前的发展趋势，将2 0 0 5 2 0 0 7 年期间的平均当年装机容量增长率设为
27、2 5 是可行的，2 0 0 8 2 0 2 1 2 年期间降为2 0，以后到2 0 1 5 年期间再降为1 5，2 0 1 7 2 0 2 0 年期间再降为1 0。推算的结果2 0 1 0年风电装机1 9 8 亿千瓦，风电电量0 4 3 x 1 0 4 亿度，2 0 2 0 年风电装机1 2 4 5 亿千瓦，风电电量3 0 5 x 1 0 4 亿度，占当时世界总电消费量2 5 5 8 x 1 0 4 亿度的1 1 9。第一章绪论表l-12 0 0 3 年世界累计风电装机最多的l O 个国家(万千瓦)项目德国西班牙美国丹麦印度荷兰意大利日本英国中国当年2 6 71 3 81 6 92 24 2
28、2 31 22 82 01 0累积l4 6 l6 4 26 3 63 0 82 1 39 49 27 67 65 7比例3 6 3 1 5 9 1 5 8 7 6 5 3 2 3 2 3 1 9 1 9 1 4 表1 22 0 0 5-2 0 2 0 年世界风电和电力需求增长的预测风电当年风电年风电累积风电年电量世界电力需求风电占世界年份装机容量装机容量装机容量1 0 4 亿度x 1 0 4 亿度电力的比例增长率，亿千瓦亿千瓦2 0 0 52 5O 1 30 6 40 1 31 7 5 7O 7 62 0 0 72 50 2 01 0 00 2 21 8 5 21 22 0 l O2 50 4
29、 01 9 80 4 32 0 0 42 22 0 1 22 00 5 73 0 30 7 42 1 0 43 52 0 1 51 50 9 55 4 91 3 52 2 6 45 92 0 2 01 01 5 91 2 4 53 0 52 5 5 81 1 9其次，从政策上来看，为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有：投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C 0 2 奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业；美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资
30、助来扶持风力发电事业；印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展【l u J。第三，在技术上，经过不断发展，世界风力发电机组逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。进入2 1 世纪后，随着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展，世界风力发电技术得到了飞速发展，主要体现在：单机容量不断上升；变浆距功率调节方式迅速取代定浆距功率调节方式：变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式；无齿轮箱系统的直驱方式增多。随着各国政策的倾斜和科技的不断进步，世界风力发电发展迅速，表现出了广阔的前景。未来数年世界风力发展的趋势可表现为【l o】【1
31、 1】【1 2 ：第一章绪论1 单机容量将进一步增大。自兆瓦级风力机出现后，风力机的尺寸和发电机组的单机容量增长速度加快。截至2 0 0 3 年，市场风力机风轮直径达到1 2 0 米，单机容量达到4 5 M W。随着各项技术的成熟，更大容量的风力发电机组将从实验室走向工业应用。大型机器更适合滨海风力场，在人口密度较高的国家，随着陆地风力场利用殆尽，滨海风力场在未来的风能开发中将占有越来越重要的份额。2 风电机桨叶的变化。单机容量不断增大，桨叶的长度也不断增长，目前2 M W 风机叶轮扫风直径已达7 2 m。风电界普遍认为，风电机组的风轮直径或扫风面积比额定容量更能反映风电机组的特性。3 塔架高
32、度上升。在中、大型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在地处平坦地带的风机，在5 0 m 高度捕捉的风能要比3 0 m 高处多2 0。4 控制技术的发展。在功率调节方式上，变速恒频技术和变浆距调节技术将得到更多的应用；在发电机类型上，控制灵活的无刷双馈型异步发电机和设计简单的永磁发电机将成为风力发电的新宠；在励磁电源上，随着电力电子技术的发展，新型变换器不断出现，变换器性能得到不断的改善；在控制技术上，计算机分布式控制技术和新的控制理论将进一步得到应用；在驱动方式上，免齿轮箱的直接驱动技术将更加吸引人们的注意。5 海上风力发电。海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海
33、面成为一种趋势。1 2 2 国内风力发电的现状与趋势我国的风能资源储量居世界首位，据中国气象研究中心估计，我国陆地上1 0米高度风能资源总存储量约为3 2 2 6 亿千瓦，其中可供开发利用的风能资源为2 5 3 亿千瓦，5 0 米高度可供开发利用的风能资源达到8 亿千瓦；海上1 0 米高度风能资源总储量为7 5 亿千瓦，有效风力出现时间概率为7 0 左右，风速大于3 5 m s 的全年累计时数在5 0 0 0 7 0 0 0 h(8 J I l3。风能资源丰富和较丰富地区主要分布在三北地区的草原和戈壁以及东南沿海各省份I l 引。我国虽然是在2 0 世纪7 0 年代就开始研制大型并网型风力发电
34、机组，但直到在9 0 年代国家“乘风计划一的支持下，风力发电才真正从科研走向市场。在国家有关部委的支持下，额定功率为2 0 0 k W、2 5 0 k W、3 0 0 k W 和6 0 0 k W 的风力发电机组已研制成功，2 0 0 k W-6 0 0 k W 的大型风力发电机组制造技术己基本掌握，并开始研制兆瓦级风力发电机组。我国自主开发的2 0 0 k W-3 0 0 k W 级风力发电机组的国产化率已超过9 0；中国科学院电工研究所承担的国家“九五”科技攻关项第一章绪论目6 0 0 k W 风力发电机组控制器研制已顺利通过专家组鉴定验收并实现产业化；国家“十五”科技攻关项目7 5 0
35、k W 风力发电机组控制器样机制作已经完成并准备安装；国家“8 6 3”科技攻关项目M W 级变速恒频风力发电机组控制器及变换器目前已经完成实验室调试和样机制造。此外还开发了一批风光、风柴联合发电系统【4】【1 2】。截至2 0 0 4 年底，全国已经有4 3 个风电场在运转，总共有1 2 9 2 台风电机组、7 6 4 M W 的装机容量，1 4 个省份发展了风电场。其中发展较好的前五位分别是：内蒙古(1 3 5M W)、辽宁(1 2 6M W)、新疆(1 1 3M W)、广东(8 6M W)和宁夏(5 5M W)。2 0 0 5 年底，全国装机容量已达1 2 6 0M W。在已建成的风电场
36、中，装机容量居前3 位的风电场依次为新疆达坂城电场(8 2 8M W)、广东南澳风电场(5 6 7 8M W)和内蒙古辉腾锡勒风电场(4 2 7 8 M W)。为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五一规划【1 2】【1 6】，其中包括国家的光明工程和8 6 3 计划一后续能源技术主题等国家重大科技发展项目。我国风力发电指导思想是以市场为导向，选择成熟的、具有市场前景的技术、产品作为产业发展的重点，提出合理的发展目标，制定符合市场发展的产业政策。采取规范市场的措施，进一步推动新能源和可再生能源技术的开发和应用。我国风力发电
37、的计划是重点开发6 0 0 k W 及以上风力发电机组，实现规模化生产；研究开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新型风力发电机组；提高I O k W 以下离网型风力发电机的生产技术水平，推广风光互补、风柴互补和风光柴联合供电系统。我国风力发电的主要目标是：到2 0 1 5 年新能源和可再生能源年开发量达到4 3 0 0 万吨标准煤，占我国当时能源消费总量的2；该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、电子、化工、材料等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将减少3 0 0 0 多万吨的温室气体及2 0 0 多万吨二氧化硫等污染物的排放，提供近5 0 万个就业岗位。可
38、见，有了国家的重视和政策的支持，风力发电必将有广阔的发展前景。1 3 输电能力的基本概念现代电力系统正向着“互联大系统”方向发展。系统互联的目的主要是经济性和安全可靠性。经济性伴随电力市场的发展得到进一步强化，它一方面促进了电力系统向着互联方向发展，另一方面又促使输电线路传送的功率越来越接近其极限值，从而严重影响系统的安全可靠性。在一个市场化的大型互联电力系统中，如何在经济性和安全可靠性之间寻找最佳的系统运行方式，如何计算电力系统区域间的功率传输能力，以便在满足系统安全性与可靠性的约束条件下，最大程度第一章绪论地保证各区域间用电负荷的需求，这已经成为电力系统界亟待解决的研究课题。1 3 1 输
39、电能力的基本概念电力系统输电能力的研究始于2 0 世纪7 0 年代，随着电力市场的推进有了长足的发展，已经从最初的系统运行参考信息发展成重要的调度员调度依据和市场调节信号，指导着电力系统的正常运行。它不仅可以显示电网运行的安全与稳定裕度，还可以为系统运行人员和电力市场参与者提供电网使用状况的详细信息，以指导其市场行为。在电力市场环境下，系统运行的不确定性大大增加，电能交易瞬息万变，再考虑到各种故障对系统造成的影响，高效准确地计算系统的输电能力就显得尤为重要。为了规范市场运作，美国联邦能源委员会(F E R C)于1 9 9 6 年颁布了“要求输电网的所有者计算输电网区域间可用输电能力(A v
40、a i l a b l eT r a n s f e rC a p a b i l i t y，简称A T C)一的8 8 9 号令【l 一。北美电力可靠性委员会N E R C 给出了A T C 的定义：A T C 是指在现有的输电合同基础上，实际物理输电网络中剩余的、可用于商业使用的传输容量【18 1。此定义说明，在电力市场环境下，电力网输电能力问题不再是原先意义下简单的区域功率交换能力，而是基于已有输电合同的，在保证系统安全可靠运行条件下的，区域间或点对点之间可能增加的功率传输量。可用输电能力可由下式描述：4 力C=删一T R M C B M E T C(1 1)其中，T T C(T o
41、t a lT r a n s f eC a p a b i l i t y)是系统在满足一定的安全稳定约束条件下可以传输的最大功率，T T C 的计算是整个A T C 分析的基础和关键，也是当前研究的热点-T R M(T r a n s m i s s i o nR e l i a b i l i t yM a r g i n)是输电可靠裕度，它反映了系统内的不确定性因素对输电能力的影响。E T C(E x i s t i n gT r a n s m i s s i o nC o m m i t m e n t)是现有输电协议所占用的输电容量。C B M(C a p a b i l i t
42、yB e n e f i tM a r g i n)是容量效益裕度，它反映了为保证E T C 中不可撤销输电服务顺利执行时输电网络应当保留的输电能力。1 3 2 输电能力主要计算方法现有的输电能力计算主要包括以下几种方法【1 9 1 1 2 0 1 1 2 1】：线性分布因子法(L D F：L i n e a rD i s t r i b u t i o nF a c t o r)2 2 1，即直流灵敏度系数法，是基于直流潮流分析实际网络响应系数的方法，一般用到多种线性分布因子。它能很方便地考虑N l”静态安全约束和支路过负荷约束。在计算过程中不需迭第一章绪论代，求解速度快，但无法计及电压约束
43、和其它稳定约束，并且由于忽略电压和无功因素，在电网结构不紧密、无功支持不充足的系统中将存在较大误差。重复潮流计算法(R P F R e p e a t e dP o w e rF l o w)2 3 2 4 J，又叫常规潮流法。这种方法基于常规交流潮流，其要点是逐渐增加负荷侧的负荷，同时相应增加发电侧的出力，直到某一安全约束生效为止，此时通过所研究断面的有功潮流之和即为最大输电能力T T C。重复潮流可以计及系统的电压和无功对A T C 的影响，计算结果能较好的反映实际运行状况，但计算时间长，不适合在线应用。连续潮流法(C P F：C o n t i n u a t i o nP o w e
44、rF l o w)【2 5】【冽【2 刀。C P F 可以准确追踪PV 曲线的鞍结分岔点(S N B 点)，因而可以被方便地用来计算静态电压稳定约束下的A T C。C P F 能考虑系统非线性以及无功的影响和静态电压稳定性，可以避免重复潮流方法在电压稳定极限附近的病态问题。但是，C P F 方法计算时间长，无法满足在线计算要求。最优潮流法(O P F：O p t i m a lP o w e rF l o w)2 8 1 2 9】【3 0 ，p J,A T C 最大化为目标函数，将潮流方程作为等式约束，把支路过负载约束、电压约束和各种稳定约束等作为不等式约束，从而把A T C 的计算问题转化为
45、一个纯粹的非线性规划的数学问题，因而可以采用各种优化算法进行求解。同C P F 相比，O P F 对约束条件有更强的处理能力，理论上可以处理暂态稳定和动态稳定约束，还可以进行有功和无功优化。但是O P F 存在下述问题：很难考虑系统稳定性这样的动态约束条件；所获得的最优运行点是一个理想的结果，实际上难以达到；需要的计算时间长，难以满足在线要求；目前尚难应用于超大规模电力系统。灵敏度分析法。基于交流潮流的灵敏度分析法的最大优点是当电力系统中某些运行参数发生变化后，它可以快速计算出其对A T C 的影响，而不需要重新进行潮流计算，从而在系统运行状态改变后，获得特定断面的A T C。该方法从某一运行
46、点下的已知的A T C 值出发，只分析当系统参数在此基础上发生微小变化时对A T C 值的影响。A T C 对某参数变化的灵敏度可以是一阶的，也可以是二阶或高阶的，实际使用中，一阶模型已经足够。显然该方法的快速性是以牺牲一定的准确度为代价的，因为一阶灵敏度系数只能反映各变化因素与A T C 之间的线性关系，不能计及它们之间的非线性关系。1 4 考虑静态电压稳定约束的输电能力研究1 4 1 电压稳定约束的引入所谓电压稳定【3 l】【3 2】，是指系统维持电压的能力。当系统出现扰动、负荷增大第一章绪论或系统结构变更而使电压下降，并且运行人员和控制系统的控制已无法终止这种电压下降时，系统就会进入电压
47、不稳定的状态。这种电压下降可能只有几秒钟，也可能长达几十分钟，甚至更长。如果电压不停地降下去，电压崩溃就会发生。而所谓电压崩溃，就是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降的过程。2 0 0 3 年8 月1 4 日发生的美国东部大停电造成了巨大的经济和社会损失，事故发生后，美国电力研究院(E P R I)的专家经过对记录到的电压电流波形进行分析，认为本次美加大停电事故主要呈现出一种快速电压崩溃现象1 33。在我国，电压失稳和电压崩溃发生的条件同样存在，而且我国的电网结构更加薄弱，并联电容器的使用更多，再加上城市中家用电器设备，尤其是空调机的数量猛增，我国发生电压失稳的可能性更大。
48、目前国内电压稳定问题“暴露的不突出 的原因，一是系统内大多数有载调压变压器分接头并未投入自动状态；二是在一些紧急情况下，电力部门采用切负荷的措施进行处理。随着国内电力市场化的实施，切负荷的措施将受到极大的限制。因此，我国更应该对电压稳定性及其相关问题引起高度重视。随着电力系统规模的不断扩大，电压稳定性问题已经成为电力系统安全运行的严重威胁。大量的电网崩溃事故表明，由于系统中无功容量不足，或由于系统中无功电源分布不合理，而导致的电压稳定性问题是影响和限制电力系统输电能力的重要因素之一。鉴于此，本文将主要就电压稳定约束条件下的最大输电能力进行研究。1 4 2 基于静态电压稳定的输电能力计算根据研究
49、中所采用模型的不同，电压稳定性及其相关问题的研究方法可以分为静态方法和动态方法两大类，二者各有优缺点，适用于不同侧重的研究。静态研究方法只需考虑系统各场景时间框架的静态模型，其模型简单，所需的参数较少，计算速度也相对快捷，因此被广泛应用于电力系统的多个领域，发展出了许多实用方法，为调度规划人员提供了许多有价值的指导信息。但是由于静态方法在模型上的近似处理，有时需要用动态方法进行验证。相比较而言，动态方法的模型更加准确，具有较高的模拟精度，因此计算的准确性也相对较高。此外，在使用动态方法进行分析时可以发现在静态方法中发现不了的失稳机理，还可以对导致电压失稳或崩溃的过程做出清晰的解释，并可以获得校
50、正性动作的信息。但是，动态方法的计算比较耗时，而且由于其对系统模型的精度要求较高，所需动态参数繁多，数据收集工作比较困难。输电能力计算需要在多个时段及多种应用场景下进行，因此对计算速度的要第一章绪论求比较高。从实际应用的角度来看，静态电压稳定约束下的输电能力指标确实能够为运行调度人员提供非常有价值的信息，其计算模型与结果也满足工程应用的精度要求。而且输电能力计算并不需要详细地分析系统电压失稳的机理。考虑到上述情况以及静态与动态电压稳定分析方法的具体特点，本文工作都将以静态电压稳定分析方法为基础进行研究。静态电压稳定分析的模型和假设如下：含单一参数的电力系统微分一代数方程式可用式(1-2)表示：