含風電場的注入空間電壓穩定域局部邊界求解方法

2023-05-30 06:21:56 2

專利名稱：含風電場的注入空間電壓穩定域局部邊界求解方法
技術領域：
屬於電力系統技術領域，涉及一種含風電場的注入空間靜態電壓穩定域(IVSR) 局部邊界求解方法。
背景技術：
風電是當今世界最重要的可再生能源發電形式，近年來得到迅猛發展，風電裝機 容量在電網中所佔比例在逐年增加。但風電場出力具有明顯的間歇性和隨機性，在向電網 輸出有功功率的同時，還往往從電網吸收無功功率，因此會給電網的電壓穩定性帶來嚴重
影響[1]。已有一些方法研究風電引入對電網電壓穩定性的影響基於傳統PV曲線的分析 方法，只能提供指定運行點下或特定參數變化方向下系統的電壓穩定信息，難於給出系統 電壓穩定性的整體測度[2_4]，同時考慮到短期風速難以精確預測，導致風電場出力難以精 確掌握，使得PV曲線的分析方法多只用於規劃方案的研究；概率分析方法[5』6]，計算過程 複雜，無法實現在線監視，同時概率方法基於統計學原理，其結論往往難以指導在線安全監 控。進行在線監控，運行人員更需要對電力系統的全局穩定性有一個全面認識。當我 們僅考慮靜態電壓穩定約束時，電力系統的全部穩定運行點，在注入功率空間將構成注入 空間靜態電壓穩定域(IVSR) [7』8]，在割集功率空間則構成割集功率空間電壓穩定域(CVSR) [9a°]，它們均能為監控人員提供系統電壓穩定性的全局指示並用於指導在線安全監控，因 此，電壓穩定域的研究受到越來越多的關注。但已有電壓穩定域計算方法，尚無法考慮風電 場出力變化的影響，因此，研究實用的可考慮風電場影響的電壓穩定域計算方法，對於電力 系統在線安全監控意義重大。常規電力系統在負荷需求超出電力網絡的功率傳輸極限時，往往由受端系統的重 負荷點開始發生電壓失穩或崩潰。但當大型風電場接入電網(如受端系統)，可能會改變系 統原來的潮流傳輸模式；此外，考慮到風電場在向系統送出有功功率的同時，往往要從系統 吸收大量無功。而電壓穩定性與系統無功存在強相關性，使得大型風電場的接入對電網電 壓穩定性有著不同程度的影響。電壓穩定域為電力系統在線電壓穩定性監控提供了一種具有應用前景的工具 [7_1(1]。含有風電場的靜態電壓穩定域是由所有電壓穩定的運行點構成的集合，為便於描述， 用Sa = 表示注入功率向量，其中，SG = (PGc YQGc)Y(PGw YQJ分別表示傳統發電機和 風電場對應的注入功率向量，= 表示負荷注入功率向量。當給定後，可由如下 方程唯一確定系統的運行狀態X f (x, SGL) = 0(1)g(x，SGL)≤ 0其中f ( )為系統潮流方程，g( )為系統運行約束方程。當x同時還滿足式(2) 時，稱系統是電壓穩定的；若x同時還滿足式(3)時，則稱系統處於電壓穩定臨界狀態。
det (fx) ^ 0(2)det (fx) = 0(3)式中fx為潮流方程的雅可比矩陣。進一步，用xs表示同時滿足式(1)和式(2)的全部穩定運行狀態的集合，用r表 示同時滿足式(1)和式(3)的全部穩定臨界狀態的集合。則功率注入空間的電壓穩定域 (IVSR)及其邊界定義為Qivse = {SGL|x G Xs，f(x, SGL) = 0，g(x, SGL)彡 0}(4)= I X e X\f{x, SOL) = 0, g(x, SaL) < 0}(5)設風電場的有功注入空間如下PGw= Uw-Pj(6)其中，s為系統中的風電場數。當風電場併網後，風速的隨機波動會導致的變 化，進而會對穩定域QIVSK及其邊界如,胃產生影響。已有研究已表明IVSR邊界是一個高維 非線性曲面，而已有的IVSR求解方法[7_11]，都需預先知道每個節點的注入功率。但考慮到 風電場的風速仍難以實現短期精確預測[12]，導致風電場的短期功率輸出無法確切預知，使 得利用傳統方法求解含風電場的IVSR面臨難以克服的困難，因此必須加以改進。相關文獻如下[1]雷亞洲.與風電併網相關的研究課題[J].電力系統自動化，2003，27(8) 84-89.LEI Yazhou. Stdudies on wind farm integration into power system[J]. Automation of ElectricPower Systems,2003,27(8) :84_89.[2]張義斌，王偉勝，戴慧珠.基於P-V曲線的風電場接入系統穩態分析[J].電網 技術，2004，28 (23) :61_65.ZhANG Yibin. WANG ffeisheng. DAI Huizhu. P-V curve based static analysis for integration ofwind farm into power systems[J]. Power System Technology,2004, 28(23) :61-65.[3]李作紅，李建華，李常信等.風電場靜態電壓穩定性研究[J].電網與清潔能 源，2008，24 (3) 49-50.LI Zuohong, LI Jianhua, et al. Study on static voltage stability of wind power [J]. PowerSystem and Clean Energy,2008,24(3) :49_50.[4]宋聯慶，何進武，閆廣新，等，併網風電場穿透功率極限確定方法探討[J]，可 再生能源，2009，27 (3) 36-39.SONG Lianqing，HE Jinwu,YAN Guangxin,Discussion on the penetration limit of the wind farmin grid[J]，Renewable Energy，2009，27(3) :36_39.[5]王海超，戴劍鋒，周雙喜等.含風場電力系統電壓穩定裕度模型[J].清華大學 學報，2006，46(7) 1185-1188.WANG Haichao,DAI Jianfeng,ZhOU shuangxi,et al. Voltage stability margin model for powersystems containing wind energy resources margin[J]. J Tsinghua Univ(Sci&Tech),2006,46(7) : 1185-1188.[6]張義斌，王偉勝.風電場輸出功率的概率分布及其應用[J].電力設備，2004，5(8) 38-40.ZHANG Yibin. WANG Weisheng. Probability distribu-tion of power output for wind power fieldand its application[J]. Electrical Equipment,2005,5 (8) :38_40.[7]韓琪，餘貽鑫，賈宏傑等.電力系統注入空間靜態電壓穩定域邊界的實用表達 式[J].中國電機工程學報，2005，25 (5) 8-13.HAN qi, YU Yixin, JIA Hongjie, et al. A practical boundary expression of static voltagestability region in injeotion space of power systems [J]. Proceedings of the CSEE，2005，25(5) :8_13.[8]王剛，梅生偉，靜態電壓穩定域邊界的切平面分析[J]，電力系統自動化， 2007,31 (11) 6-11.WANG gang, ME I Shengwei,A tangent plane analysis of the static voltage stability regionboundary[J], Automation of Electric Power Systems,2007,31 (11) 6-11.[9]李慧玲，餘貽鑫，韓琪等，割集功率空間上靜態電壓穩定域的實用邊界[J]，電 力系統自動化，2005，29 (4) 18-23.LI Huiling,YU Yixin, HAN Qi,et al,Practical boundary of static voltage stability regionin cut-set power space of power systems[J], Automation of Electric Power Systems,2005,29(4) : 18-23.[10]王剛，張雪敏，梅生偉，基於隨機優化的割集空間電壓穩定域可視化[J]，電 力系統自動化，2008，32 (2) 1-5，39.WANG Gang, ZHANG Xuemei, MEI Shengwei,, Visualization of voltage stability region in cut-setspace based on stochastic programming[J],Automation of Electric Power Systems,2008,32(2) :1_5，39.[11]賈宏傑，穆雲飛，孫建偉等.基於微擾的割集電壓穩定域局部邊界求解方法 [J]，電力系統自動化，2009，33 (18) 1-5.JIA Hongjie, MU Yunfei, SUN Jianwei, et al. An approach to determine the local boundary ofsmall disturbance voltage stability region in a cut-set power space [J]，Automation of ElectricPower Systems,2009,33(18) 1-5.[12]楊秀媛，肖洋，陳樹勇.風電場風速和發電功率預測研究[J]，中國電機工程 學報，2005,25(11) 1-5.YANG Xiuyuan，XIAO Yang，CHEN Shuyong. Wind speed and generated power forecasting in windfarm[J]，Proceedings of CSEE,2005,25(11) :1_5.[13]陳寧，於繼來.基於電氣剖分信息的風電系統有功調度與控制[J]，中國電機 工程學報，2008，28 (16) 51-58.ChEN Ning, YU Jilai. Active power dipatch and regulation of wind power system based onelectrical dissecting information of electric power network [J], Proceedings of CSEE,2008,28 (16) :51_58.[14]YU Xiaodan, JIA Hongjie, ZHAO Jing, et al. Interface control based on power flow tracingand generator re-dispatching [C]. Proc. of 2008 IEEE AsiaPacific Conference on Circuits andSystems(APCCAS' 08),2008. 11. 30-12. 3, Macao, China 1-8.[15]雷亞洲，王偉聖，印永華等.基於機會約束規劃的風電穿透功率極限計算 [J].中國電機工程學報，200222 (5) 32-35.LEI Yazhong, WANG ffeisheng, YIN Yonghua et al. Wind power penetration limit calculation basedon chance constrained programming[J],Proceedings of the CSEE，2002，22(5) :32_35.[16]陳金富，陳海焱，段獻忠.含大型風電場的電力系統多時段動態優化潮流 [J].中國電機工程學報，2006，26 (3) 31-35.CHEN Jinfu, CHEN Haiyan, DUAN Xianzhong. Multi-Period dymamic optimal power flow in windpower integrated system[J]. Proceedings of CSEE,2006,26(3) 31-35.[17]Papadopolos M,Malatestas P,Hatziargyriou N,Simulation and analysis of small and mediumsize power systems containing wind turbine[J],IEEE Trans on Power Systems,1991,6(4) :1453 1458.[18]吉興全，王成山.電力系統並行計算方法比較研究[J].電網技術，2003， 27(4) -.22-26.Ji Xingquan, Wang chengshan. A comparative study on parallel processing applied in powersystem[J]. Power System Technology,2003,27(4) :22_26.

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述不足，依據風電場的特點，提出一種包含風 電場的IVSR局部邊界求解新方法，用於風速和風電場出力無法精確預測情況下的電力系 統電壓穩定分析和在線安全監控。為此，本發明採用如下的技術方案一種含風電場的注入空間電壓穩定域局部邊界求解方法，包括下面的步驟第一步確定風電場分布，並確定風電場的功率變動補償方案(1)定義如下集合系統風電場集合Qws = {Gwa, Gw,2， Gw,s}風電場直接緊密關聯負荷集合QffL = {Lwa, Lw,2， LW,J與緊密關聯電源集合 Qcs= {GCJ1,GCJ2,...GCJU}風電場非直接關聯緊密負荷集合Q。l = IL。,:，k2，. . .，L。,v}風電場非直接緊密關聯電源集合Qqs = {G。a，G。,2，. . . G。,J，設發電機i有功輸出功率i派送給負荷k的派送因子為、1 = PGi_Lk/PG, i，負 荷k有功功率I\,k從發電機i汲取功率的汲取因子為『％ zPtu/Pu，其中為發電 機i和負荷k之間傳輸的有功功率的總和；(2)確定風速變化引起出力調整的補償方案先確定由風電場Qws出力調整引起的和Qm的輸出功率的變化量假設負荷 Q^Qi在一定時期內保持不變，而Qws中第w座風電場受風速影響，其出力變化為AP&，
7則中第i臺發電機送往Qi負荷的輸出功率調整量為..此[(-
i g ，設中第i臺發電機供給Qi負荷比重為L，則供給中負荷的比重為 1-Yi，為此中第i臺發電機為彌補中風電場功率的波動而做出的輸出功率調整量
為
、，其中，[由如下關係求得 再求出由於中發電機出力調整導致中第k個負荷供電不平衡而需要Qm
中第j臺發電機輸出功率調整量為 (3)確定風電場出力隨機微小波動補償方案設定一個固定閾值，在Qes中選擇L大於該固定閾值的機組來跟蹤風電場隨 機功率波動，稱其為自動發電控制AGC機組集合QesA，則QesA中機組i的功率調整量為
中的不平衡功率將由q。s中的平衡機來補償； 第二步利用模態分析法選擇對注入空間靜態電壓穩定域IVSR的邊界有決定性 作用的關鍵發電機節點，設關鍵發電機的有功注入向量為Pk = [Pu，Pk,2，. . .，Pk,J ；
第三步確定每個風電場的風速，進而確定各風電場的出力，形成風電場輸送到電 網中的有功功率Pew及無功功率Qew向量；第四步對有功功率及無功功率向量進行雙向微擾當微擾量為AP時，按如下方式對P^d彡i彡s)實施微擾仏,=&,+A^， = _「，式中上標+和-分別表示正向微擾和負向微擾，微擾所產生的微小功率不平
衡量通過中的機組按照第一步確定的風電場出力隨機微小波動補償方案進行平衡，Qew 的擾動量由Qew和Pew和風速之間的映射關係決定，將對Pew和Qew實施微擾後系統的運行點 記為，以它為初始點，確定系統在Pk注入空間中的電壓穩定臨界點，計為X』。；按上述方式對Pew和Qew中所有的風電場依次實施正向微擾，可得正向微擾對應的 臨界點集:X+Pt，…片’m}洞樣，對Pew和Qew所有風電場依次實施負向微擾，可得負 向微擾對應的臨界點集:X_pt第五步邊界超平面的求解域修正；(1)利用《，通過求解m個線性方程得到IVSR邊界的近似超平面 (2)利用；r可得對應的邊界超平面 (3)採用如下公式加以修正
式中、代表超平面係數，上
標」+」表示利用，通過求解m個線性方程組得到IVSR邊界的近似超平面的邊界係數，上 標「_」表示利用;T可得對應的邊界超平面的係數，￡ = |>丨磑,，y ={P。P。 P。}表示
初始點x對應的臨界點，並得到修正後的邊界超平面HP為=1+0 ■』
第六步判斷是否遇到終止條件，若是則終止計算，否則繼續，終止條件是監控系 統調度員人為設定的監控計算終止條件，或者當所有穩定域局部邊界計算完成後的終止條 件；第七步當風電場風速變化時，首先根據第一步確定的風速變化引起出力調整的 補償方案進行補償，然後轉第三步，繼續。本發明具有如下的技術效果由於風電場短期風速和出力難以準確預測，導致含 有風電場的電力系統難以獲得在線安全監控所需整體穩定測度。本發明提出的基於微擾的 IVSR局部近似邊界獲取方法，可充分利用並行計算技術，快速而準確地獲取系統在各種風 速情況下的IVSR邊界，從而為在線監控提供了 一種實用的分析工具。


圖1風電場功率補償原理圖；圖2風電場能量轉換原理圖；圖3風電場輸出功率與風速關係曲線；圖4New England 39節點系統及風電場；圖5局部IVSR邊界結果圖(a)表示並行計算機PCI完成的當風電場G30出力 為100MW，G34出力75MW，而風電場G36出力在0MW到100MW之間波動，步長為25MW時的 IVSR局部邊界情況，圖(b)表示並行計算機PC2完成的當風電場G30出力為100MW，G34出 力50MW，而風電場G36出力在0MW到100MW之間波動，步長為25MW時的IVSR局部邊界情 況，圖(c)表示並行計算機PC3完成的當風電場G30出力為10(MW，G34出力25麗，而風電場 G36出力在(MW到100麗之間波動，步長為25麗時的IVSR局部邊界情況，圖(d)表示並行 計算機PC4完成的當風電場G30出力為100MW，G34出力0MW，而風電場G36出力在0MW到 100MW之間波動，步長為25MW時的IVSR局部邊界情況。圖6雙饋風力發電機對應的IVSR局部邊界；圖7異步風力發電機對應的IVSR局部邊界；圖8兩種風場IVSR邊界結果對比。
具體實施例方式下面對做詳細說明。第一步確定風電場分布，並確定風電場的功率變動補償方案當大規模風電場接入高壓輸電網時，風電場作為主要電源對負荷供電，其輸出功 率的波動若不加以補償，則會對系統的平穩運行產生不利影響。在雙層調度方案[13]基礎 上，通過潮流追蹤過程[14]來獲得與風電場緊密相關的機組，用以補償風速變化引起的風電 輸出功率的波動。原理如圖1所示為此定義如下集合
^ws = {Gw,1 『 Gw，2, uw,:j(7)
Q = fT 「WL l-^w,1 『 Lw，2,j⑶
^cs = {Gc,1' Gc，2,.. Gc 1j(9)
^0L= {L0,1 『 L0，2,.. j L((10)
Qos= {G0a,G0,2,...G0,J(11)參數說明Qws 系統風電場集合；Q^ 風電場直接緊密關聯負荷集合；Q cs 與Q1緊密關聯電源集合；Qol 風電場非直接關聯緊密負荷集合；Qos 風電場非直接緊密關聯電源集合分別對應圖1中相應節點集合。當風電場Qws由於風速波動引起出力變化時，必 然會對Qi的負荷供應產生影響，此時需要調整與Qi密切相關的發電機的出力來加 以平衡；而出力的調整，同時也會影響到中的負荷供應，這部分影響則需由0 加 以補償。具體方案如下設發電機i有功輸出功率Pu派送給負荷k的派送因子為k^^P^/Pc.i (12)負荷k有功功率Pu從發電機i汲取功率的汲取因子為kLk_Gi = PGi_Lk/PL,k (13)其中f^k為發電機i和負荷k之間傳輸的有功功率的總和，可通過潮流追蹤算
法[14]獲得。1)風速變化引起出力調整的補償方案首先確定由風電場Qws出力調整引起的和Qm的輸出功率的變化量假設 負荷Qp 在一定時期內保持不變，而Qws中第w座風電場受風速影響，其出力變化為 AP&(增加時為正，減小時為負)，則中第i臺發電機送往口1負荷的輸出功率調整量 為= S [(_x kLk_Gi],i e ￡2CS (14)
keQ見we^ws考慮到Qes的功率除供給Qi外還要供給Qa，設Qcs中第i臺發電機供給Qi 負荷比重為L，則供給中負荷的比重為1-L，為此中第i臺發電機為彌補Qws中 風電場功率的波動而做出的輸出功率調整量為APGi=AP' Gi/y j, i G Qcs (15)其中，由如下關係求得r'=e QCS(16)
k⑷WL同理可求出由於中發電機出力調整導致中第k個負荷供電不平衡而需要 中第j臺發電機輸出功率調整量為
^ [(" Z kGi—LklsPGi) x kLk_GJ ]APg. ='.叫-Je￡2os (17)
/ ^Gi-Lk2)風電場出力隨機微小波動補償方案為適應風電場的隨機微小波動，設定一個固定閾值，在Qes中選擇[大於該固 定閾值的機組來跟蹤風電場隨機功率波動，稱其為自動發電控制(AGC)機組集合QesA，則 ^CSA中機組i的功率調整量為
10r0122l APg, = X [(_ Z W APgJx，廣](18)
L 」keQ肌 wei2wsZJ^Lk—Gj
je￡2CSA由於進行微擾計算時，功率波動不是很大，因此中的不平衡功率將由中的 平衡機來補償。風電場系統能量轉換原理如圖2所示，風電場輸送到電網中的功率，QGw(以送 出為正，從系統吸收為負)與風機輪轂處風速間存在如下映射關係PGw = fp(vwind)(19a)QGw = fq(vwind)(19b)fp和fq與風電場風機類型和控制方式有關，圖3給出了一種典型的風電場有功輸 出功率與風速關係曲線[15]，無功與風速關係參見文獻[15]。其中，vin，v。ut分別為切入風 速，切除風速％為額定風速扎為額定輸出功率。當風速在[vin，v。ut]之間變化時，風電場 有功輸出將在
分為 n段，每段區間長度為d:d = (vout-vin) /n(20)對於當前風速Vi (vin < Vi < vout) 其中，vQ = vin, vn = v。ut。風電場的有功和無功出力PCw，QCw(其中，0彡PCw彡Pr) 可由式(19)決定，進而可以確定各風電場注入功率向量Pc^和Q^主要考慮以下兩種風電機組構成的風電場對IVSR的影響，為此採用不同的潮流 計算模型異步風力發電機潮流計算模型根據文獻[16]提出的一種改進的PQ模型方法，由異步風力發電機的簡化等值電 路推導出無功功率與有功功率、機端電壓的關係表達式。在每次潮流中，不斷更新無功功率 值，並修改部分雅可比矩陣元素，該方法計算量小，計算速度快，並且具有較高的準確性。由 於異步風力發電機的機端都裝設有無功補償裝置，因此，本文進一步考慮異步風機的機端 無功補償量Qew,。_，本文將其作為計算初始條件給出，由異步風力發電機的Q-V特性方程 其中Xm為勵磁電抗，x為定、轉子漏抗之和，得到異步風力發電機需要從系統吸收 的無功功率為 給定風速和節點電壓值，由風速功率曲線確定風電機的有功功率，根據上式 (22)，(23)計算，作為PQ節點帶入潮流計算，每次修正電壓後應重新計算發電機的無功功率。雙饋風力發電機潮流計算模型雙饋異步電機採用變頻器調節轉子繞組勵磁電流的頻率、幅值、相位和相序，能夠 對輸出功率進行很好控制，可採用P-Q簡化模型[17]來模擬其運行特性，即在已知有功功率 的前提下，通過設定功率因數來計算得到該機組的無功功率。有了上述風電機組潮流計算模型，對於含有N颱風力發電機的風電場，在忽略其內部線路損耗和變壓器損耗，並假定所有機組機端電壓都等於待求風電場母線電壓V時， 則整個風電場的有功和無功功率可由下式計算PGw=iPGwJ(24)
/=1(25)
/=1由於IVSR邊界理論上是一個高維的非線性曲面，直接進行求解難度極大。而微擾 求解法[11]，可以有效解決上述問題，快速給出所關心的IVSR的局部邊界。將在[11]方法 基礎上，結合含風電場電力系統的特點進行IVSR邊界的求解。為此首先通過模態分析獲得 系統的關鍵發電機集合[7]，用於進行IVSR的可視化降維展示，設關鍵發電機的有功注入向 量可表示為Pk= [PkYPu，...，。」 (26)2)利用模態分析法選擇對IVSR的邊界有決定性作用的關鍵發電機節點[7]，以達 到可視化降維的目的。在實際電力系統中，注入功率按不同的方向變化，系統將達到不同的臨界運行點； 在不同的臨界點處，系統的關鍵發電機節點可能有所不同，進行在線安全監控時，負荷的增 長方式由短期負荷預測結果得到，而發電機增長方式則由預先設定的調度計劃確定，為簡 單起見，中兩者均按等比例方式增長。關鍵發電機節點對於電壓穩定域局部邊界的可視化，由於可視化方法最多只能表達三維圖形信 息，為實現域的可視化，必須對高維發電機注入空間進行降維。由於電壓失穩首先發生在局 部薄弱區域，繼而波及全網造成系統大面積停電，同時結合計算發現，系統中各個發電機節 點對系統電壓穩定性的影響是不同的。在系統中存在一些敏感發電機節點，其有功調度比 例的變化對於穩定域邊界的形狀影響很大，這些發電機稱之為關鍵發電機節點；同時還 有一些非敏感發電機節點，它們對域的邊界影響相對很小，甚至可以忽略，因此能選出系統 的關鍵發電機節點，就可以在域的可視化過程中達到降維的目的。模態分析模態分析為關鍵發電機節點的選擇提供了合理的依據，發電機參與因子是反映發 電機節點對系統電壓穩定影響力的有效指標。發電機k對模態i的參與因子為PFGki = AQgki/AQg fflaxiA0gmax! =其中A Qgki為模態土下的無功變化引起的發電機k的無功出 力的變化；而選擇在最小特徵值下對應的模態i下具有較大發電機參與因子的發電機構成 關鍵發電機節點。3)當每一個風電場的風速都確定後，利用式(19)確定各風電場的出力，形成，
QGw向量；4)對進行雙向微擾，無功的擾動量由式(19b)確定。當微擾量為AP時， 按如下方式對P^id ^i^s)實施微擾(27)PGwJ=PGw,~AP(28)
12
式中上標+和一分別表示正向微擾和負向微擾。式(27)1(28)產生的微小功率不平衡量通過Q．A中的機組進行平衡，由式(18)決定；Q。1中的不平衡功率由Q。中的平衡機來補償。按(27)對P。Yy和Q一實施微擾後系統的運行點記為『．廣以它為初始點，確定系統在P，注入空間中的電壓穩定臨界點，計為x．毛廠按上述方式對PCW和Q。Yy中所有的風電場依次實施正向微擾，可得正向微擾對應的臨界點集
)
(29)
同樣，按式(28)對P。Yy和Q。Yy所有風電場依次實施負向微擾，可得負向微擾對應的臨界點集
) 5)邊界超平面的求解域修正；
首先利用布，通過求解m個線性方程組得到IVSR邊界的近似超平面
同樣，利用布可得對應的邊界超平面
由於擾動量的存在，琊和都通常不包含初始點J，4一真／對應的極限點x．A，J』為此採用如下方法加以修正
式中
(36)
由此可得修正後的邊界超平面HP為
上述修正實際是對聯和都兩平面的係數進行加權平均，並將修正後的超平面比進行平移，以確保其過x．㈠』即
6)判斷是否遇到終止條件，若是則終止計算，否則繼續。
終止條件是監控系統調度員人為設定的監控計算終止條件，或者當所有靜態電壓穩定域局部邊界計算完成後的終止條件。
7)當風電場風速變化時，首先由式(15)1(17)對P．。的變化進行補償，然後轉步驟3)，繼續。
下面是對的算法做進一步的說明
風電場的出力具有明顯的間歇性和隨機性，短期風速(風電場短期出力)的精確預測至今仍是世界性難題」2，，由此造成含接入風電的系統在線安全監控的困難。方法為之提供一種可行的解決途徑
假設系統中存在S座風電場，在進行在線安全監控時，儘管對於任一風電場，其下一時刻的風速難以精確預測，但其風速的分布範圍可以較準確掌握。將每一風電場可能的風速區間都進行n等分，自由組合後，共存在(n+1)』可能情況。對於任意一種風速組合
v乙[v乙一1，v乙一2，…，v乙．。]，rl，2…，(n+1)『(35)
可由式(19)確定對應的風電場出力
兄[乙一1，乙一2，…，毛．。](36a)
Q乙[Q乙一1，Q二一2，…，Q乙．。](36b)
進一步，可利用計算此時系統的IVSR
廳；[(；，(；，…，(二](37)
考慮了每種風速組合後，就可得下一時刻所有可能的IVSR集合
(38)
由於(n+1)』種風速(或出力)組合是互不相干的，在進行IVSR集合的求解時，可利用算例並行技術「「來提高計算效率將(n+1)』種互不相關的風速組合，交M臺計算機並行計算，然後匯總結果後得到系統下一時刻所有可能的IVSR。
當進行在線應用時，當風電場的確切風速(或出力)已知後，則可利用臨近的風速(或出力)組合對應的IVSR進行實時安全監控，滿足了電壓穩定在線安全監控計算速度和精度的需求。由此解決了風電場出力無法確定預測所造成的在線安全監控的困難。
實施例
以NeW England一39節點系統為例對所提方法進行示例和驗證，設發電機G39為平衡機，該系統及所含風電場的分布情況如圖4所示，設G301G341G36為併網風電場，每個風電場額定出力與初始出力如表l所示。風力發電機類型按雙饋式和普通異步發電機兩種情況分別加以考慮。
表l風電場狀態額定輸出功率與初始初始出力
Tablel Rated and initial 。utput p。Wer 。f Wind farm [OT97) 表2風電場補償機組
Table2 The C。mpenSati。n generat。rS 。f Wind farmS
G30G37
G34G33
G36G35
風電場為雙饋風力發電機的情況
採用P—Q簡化模型」』』來模擬雙饋風力發電機的運行特性，本算例設定雙饋式風電機組與電網問不進行無功功率交換，即功率因數C。S O—1．o。為示例方便，算例中我們將下一時刻對風速預測區間的等分，改為對下一時刻風電場有功出力預測區間的等分。設風 速變化引起風電場功率變動的區間步長為d = 25MW，並假設每一個電場下一時刻功率可能 的變動區間均為
，承擔Pew和Qew變化 以及微擾時的功率補償，補償機組的構成情況如表2所示。為便於描述，假設經過預測，風電場G30的風速在下一時刻保持不變，即風電場 G30有功出力仍為100MW，而G34，G36風電場的出力隨機波動，利用節2所述方法，採用4臺 並行計算機(PC1 PC4)，共同承擔20個IVSR局部邊界的計算，結果如圖5所示。圖6給出 了將20個IVSR局部邊界面繪製在一起的結果。可見，當風電場G30出力確定，而G34，G36 的出力均按步長d變動時，IVSR局部邊界按一定規律排列，近似處於一個三維曲面之上。當 G30的有功出力發生變化後，對於G30每一種可能的出力，都對應20個系統局部IVSR邊界。風電場為普通異步發電機採用改進P-Q模型[16]來模擬普通異步風力發電機的運行特性，並用式(22) (23) 確定風電場對應的無功出力。為便於與雙饋風機構成的風場所得到的IVSR局部邊界進行 對比，仍選取發電機G32、G33、G35作為關鍵發電機節點並採用相同的假設條件，可得對應 的部分IVSR局部邊界如圖7所示。為便於比較雙饋風力發電機和異步風力發電機構成風電場對IVSR邊界的影響， 將圖6和圖7結果繪於同一坐標，結果如圖8所示不難看出，對於所研究系統，當G30、G34、 G36是由異步風力發電機構成的風場時，其電壓穩定域的範圍要小於上述電場是雙饋機組 的情況。由此可知，雙饋風力發電機併網運行時，對系統電壓穩定性的影響要優於傳統的異 步風電機。通過上述分析和計算可以發現如下規律1)無論對於由雙饋式發電機還是由普通異步發電機構成的風電場，考慮其全部可 能的風速(或出力)變化後的IVSR邊界，一般可以用一高維非線性曲面加以近似。若利用 傳統的IVSR邊界獲得方法，只能隨機產生大量臨界點，然後通過非線性曲面擬合方法來得 到，其計算量非常巨大，難以用於指導電力系統的在線安全監控。而利用本發明提出的微擾 法，計算各種風電出力組合情況下的IVSR局部邊界一方面，用多個與IVSR邊界近似相切 的局部平面來快速估算其真實邊界，在保證計算精度的前提下，充分利用了超平面易於使 用的便利性；另一方面，算法充分考慮了各風電場出力變化的相對獨立性，可通過算例並行 技術來提升計算效率，以實現電力系統的在線安全監控。2)雙饋風力發電機構成的風電場對系統靜態電壓穩定性的影響要優於普通異步 發電機構成的風電場。
1權利要求
一種含風電場的注入空間電壓穩定域局部邊界求解方法，包括下面的步驟第一步確定風電場分布，並確定風電場的功率變動補償方案(1)定義如下集合系統風電場集合ΩWS＝{Gw，1，Gw，2，...Gw，s}風電場直接緊密關聯負荷集合ΩWL＝{Lw，1，Lw，2，...Lw，t}與ΩWL緊密關聯電源集合ΩCS＝{Gc，1，Gc，2，...Gc，u}風電場非直接關聯緊密負荷集合ΩOL＝{Lo，1，Lo，2，...，Lo，v}風電場非直接緊密關聯電源集合ΩOS＝{Go，1，Go，2，...Go，z}，設發電機i有功輸出功率PG，i派送給負荷k的派送因子為kGi Lk＝PGi Lk/PG，i，負荷k有功功率PL，k從發電機i汲取功率的汲取因子為kLk Gi＝PGi Lk/PL，k，其中PGi Lk為發電機i和負荷k之間傳輸的有功功率的總和；(2)確定風速變化引起出力調整的補償方案先確定由風電場ΩWS出力調整引起的ΩCS和ΩOS的輸出功率的變化量假設負荷ΩWL、ΩOL在一定時期內保持不變，而ΩWS中第w座風電場受風速影響，其出力變化為ΔPGw，則ΩCS中第i臺發電機送往ΩWL負荷的輸出功率調整量為i∈ΩCS，設ΩCS中第i臺發電機供給ΩWL負荷比重為γi，則供給ΩOL中負荷的比重為1 γi，為此ΩCS中第i臺發電機為彌補ΩWS中風電場功率的波動而做出的輸出功率調整量為ΔPGi＝ΔP′Gi/γi，i∈ΩCS，其中，γi由如下關係求得再求出由於ΩCS中發電機出力調整導致ΩOL中第k個負荷供電不平衡而需要ΩOS中第j臺發電機輸出功率調整量為(3)確定風電場出力隨機微小波動補償方案設定一個固定閾值，在ΩCS中選擇γi大於該固定閾值的機組來跟蹤風電場隨機功率波動，稱其為自動發電控制AGC機組集合ΩCSA，則ΩCSA中機組i的功率調整量為ΩOL中的不平衡功率將由ΩOS中的平衡機來補償；第二步利用模態分析法選擇對注入空間靜態電壓穩定域IVSR的邊界有決定性作用的關鍵發電機節點，設關鍵發電機的有功注入向量為Pk＝[Pk，1，Pk，2，...，Pk，m]；第三步確定每個風電場的風速，進而確定各風電場的出力，形成風電場輸送到電網中的有功功率PGw及無功功率QGw向量；第四步對有功功率PGw及無功功率QGw向量PGw進行雙向微擾當微擾量為ΔP時，按如下方式對PGw，i(1≤i≤s)實施微擾式中上標+和 分別表示正向微擾和負向微擾，微擾所產生的微小功率不平衡量通過ΩCSA中的機組按照第一步確定的風電場出力隨機微小波動補償方案進行平衡，QGw的擾動量由QGw和PGw和風速之間的映射關係決定，將對PGw和QGw實施微擾後系統的運行點記為以它為初始點，確定系統在Pk注入空間中的電壓穩定臨界點，計為按上述方式對PGw和QGw中所有的風電場依次實施正向微擾，可得正向微擾對應的臨界點集同樣，對PGw和QGw所有風電場依次實施負向微擾，可得負向微擾對應的臨界點集 X Pk -={ x P k,1 - , x P k,2 - ,..., x P k,m - }; 第五步邊界超平面的求解域修正；(1)利用通過求解m個線性方程得到IVSR邊界的近似超平面(2)利用可得對應的邊界超平面(3)採用如下公式加以修正，式中αi代表超平面係數，上標」+」表示利用通過求解m個線性方程組得到IVSR邊界的近似超平面的邊界係數，上標「 」表示利用可得對應的邊界超平面的係數，表示初始點對應的臨界點，並得到修正後的邊界超平面HP為第六步判斷是否遇到終止條件，若是則終止計算，否則繼續，終止條件是監控系統調度員人為設定的監控計算終止條件，或者當所有穩定域局部邊界計算完成後的終止條件；第七步當風電場風速變化時，首先根據第一步確定的風速變化引起出力調整的補償方案進行補償，然後轉第三步，繼續。FDA0000024218420000011.tif,FDA0000024218420000012.tif,FDA0000024218420000013.tif,FDA0000024218420000014.tif,FDA0000024218420000015.tif,FDA0000024218420000016.tif,FDA0000024218420000017.tif,FDA0000024218420000018.tif,FDA0000024218420000021.tif,FDA0000024218420000023.tif,FDA0000024218420000024.tif,FDA0000024218420000025.tif,FDA0000024218420000026.tif,FDA0000024218420000027.tif,FDA0000024218420000028.tif,FDA0000024218420000029.tif,FDA00000242184200000210.tif,FDA00000242184200000211.tif,FDA00000242184200000212.tif,FDA00000242184200000213.tif,FDA00000242184200000214.tif
全文摘要
本發明屬於電力系統技術領域，提供一種含風電場的注入空間電壓穩定域局部(IVSR)邊界求解方法，用於風速難以準確預測情況下電網電壓穩定性的分析與在線安全監控。該方法首先，利用潮流追蹤與雙層調度模型獲得與風電場緊密關聯的調控機組，用以平衡風速變化所引起的風電場輸出功率的波動；進而，利用模態分析獲得關鍵發電機節點，用於IVSR的有效降維；最後，對可能的風速和風電場輸出功率區間進行分段並行計算，並通過定向微擾來獲得對應風速下的IVSR的局部邊界。本發明可快速獲得不同風速下IVSR的局部邊界，可用於包含風電場的電力系統在線電壓穩定監控，具有很好的工程應用前景。
文檔編號H02J3/38GK101895130SQ201010247868
公開日2010年11月24日 申請日期2010年8月8日 優先權日2010年8月8日
發明者餘曉丹, 穆雲飛, 賈宏傑 申請人:天津大學