CN103973203B - 一种适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明以离线建立的逆变器参数灵敏度矩阵和参考响应曲线集合为基础，通过实测信息在线匹配光伏逆变器的参数灵敏度及系统的参考响应曲线，以逆变器为聚合对象，计算逆变器聚类指标及对逆变器进行聚类分群，在满足安全稳定分析仿真精度前提下，对大型光伏电站按逆变器进行在线动态等值。本发明通过大型光伏电站的在线等值建模，可以提供可靠的光伏电站仿真模型，有助于降低大型光伏电站模型的复杂度，从而有效降低电网安全稳定分析的计算量，提升在线安全稳定分析、预警及控制决策水平。

Description

一种适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说，本发明涉及一种适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法。

背景技术

我国采用“集中开发、高压送出”模式开发的大型光伏电站多集中在西北、华北等日照资源丰富的荒漠/半荒漠地区，这些地区一般地域范围广而本地负荷小，光伏电站的电力需要进行远距离输送。随着光伏电站数量和规模的不断加大，当光伏发电处于场站侧发生诸如云层生消等动态变化和/或电网侧发生故障等非正常运行状态时，光伏电站与电网之间复杂的交互影响关系，给光伏并网的安全稳定分析带来了新的挑战。不同于传统常规电源（其稳态、暂态模型相对固定，可以通过离线建模，在线应用的方式进行系统分析评估），新能源发电更需要及时准确的建模以满足接入电网的安全稳定分析要求。因此，开展适应大型光伏发电并网安全稳定分析的建模方法研究，为光伏电站接入系统规划和并网安全稳定运行分析提供基础理论和方法支持，具有十分重要的意义。

作为光伏电站接入电网运行分析研究的主要手段，数字仿真技术对于分析光伏发电并网后系统的安全稳定特性，解决光伏发电系统并网运行所涉及的理论和技术问题，提供了必要的工具。目前，国内外在光伏发电系统建模方面的研究，主要集中在电池组件模型方面，如在光伏电池的IV特性建模、蓄电池的建模、光伏逆变器的建模、光伏跟踪系统的建模、光伏系统最大功率跟踪技术的建模等等。国内在光伏发电并网模型方面，尚无实质性的成果。现有的对光伏发电系统接入电网问题的研究，大部分都是基于分布式发电系统而开展的。大规模风电、光伏等新能源发电并网对电网安全稳定调度运行控制带来的挑战，核心问题在于如何及时、准确地建立新能源发电并网仿真模型。

并网光伏发电系统的等值建模研究的另外一个重点部分是如何将光伏阵列的输出特性通过逆变器及其控制策略与电力系统分析仿真计算相结合，建立光伏发电并网仿真模型，一是含并网光伏发电系统的电力系统稳态分析，将光伏阵列和逆变器等组件模型结合，采取受控源或者简化等值电路形式来模拟逆变器并网控制，进行整体系统建模；另一是含并网光伏发电系统的电力系统暂态分析，以逆变器为核心，具体体现逆变器的并网波形控制与最大功率跟踪控制，通过对逆变器两侧元件按照拓扑结构的要求简化等值模拟并网光伏发电系统，主要用于发电站侧和电网侧动态扰动下并网系统的安全稳定分析。

大型光伏电站是由多个并网光伏发电系统并联而成，当前对于大型光伏电站的建模的研究与应用较少。光伏发电系统主要由光伏阵列、逆变器和控制器组成。光伏阵列将太阳光照能量转化为电能，经逆变器注入电网，控制器控制光伏阵列的最大功率点跟踪，控制逆变器并网电流的波形，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。通常，最大功率跟踪控制器、并网波形控制器和并网保护控制器等和逆变器集成在一起。目前，对于并网光伏电站的等值建模研究，也大致基于光伏阵列和逆变器这两部分构成并网光伏发电系统模型，再将并网光伏发电系统并联组成光伏电站。

然而，对于大型光伏电站，如果将多个光伏发电系统模型不进行等值处理，分别与接入电网联合建立详细的光伏电站模型，将对光伏电站接入后电网的在线安全稳定分析增加较大的计算量，严重影响在线安全稳定分析的计算效率。

未来大规模、高渗透率新能源发电的间歇性、波动性必将使得传统的、至今仍是工程应用主要方式的“离线计算、在线匹配”的电力系统安全稳定控制方式不再适应，必需实施“在线计算，实时匹配”的在线控制方式：在5-10分钟的时间周期内，基于在线系统模型，即反映计算时刻系统运行状态的电源、电网、负荷等模型，进行快速电网安全稳定分析计算，评估电网安全稳定特性和制定相应的运行调度及控制策略。

目前用于电力系统安全稳定分析的光伏电站建模方面的专利较少。专利《用于电力系统暂/动态分析的光伏电站数学建模方法》（专利号ZL200910019584.6）提出了一种用于电力系统暂/动态分析的光伏电站建模方法，但其利用简化光伏电站数学模型的方式进行建模，用光伏电站的静态输出特性替代动态输出特性，其精确性有待讨论；专利《大规模光伏电站动态等值阻抗的建模方法》（专利号ZL201010223242.9）提出了一种大规模光伏电站动态等值阻抗的建模方法，其主要适用于电力系统的潮流计算和短路计算，用于电力系统的在线安全稳定分析存在局限性；专利申请《一种基于VSC并网光伏、储能电站的机电暂态建模方法》（申请号CN201110328049.6）针对基于电压源逆变器（VSC）并网的光伏、储能电站，结合VSC本身的运行特性，提出一种新能源发电设备的建模方法，该方法主要针对电压源换流器，且对所有的电压源换流器均进行建模，对大型光伏电站的在线等值计算难以适用。专利申请《一种光伏发电系统模型的建模方法》（申请号CN201310044255.3）提出的建模方法是分别建立光伏方阵和并网光伏逆变器模型，对大型光伏电站的在线等值计算难以满足计算速度的要求。

发明内容

本发明的目的是：为了提高光伏电站并网下电力系统安全稳定分析的准确性和快速性，给出一种适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法。该方法根据工程实际情况忽略光伏阵列的差异，以逆变器为聚合对象，对大型光伏电站按逆变器进行在线聚类等值。以安全稳定分析需求为依据，给出了逆变器聚类指标计算方法及逆变器的聚类分群方法，进而实现大型光伏电站的在线等值。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1）获取光伏电站详细模型、元器件参数和以光伏电站注入电网有功功率和并网点电压为特征的光伏电站接入电网的典型工况数据；

2）基于光伏电站详细模型、以光伏电站注入电网有功功率和并网点电压为特征的光伏电站接入电网的典型工况以及反映光伏电站动态响应特性的典型扰动，离线计算形成光伏逆变器的参数灵敏度矩阵和光伏电站并网点有功暂态响应曲线库，将光伏电站并网点有功暂态响应曲线库记为参考响应曲线集合；

3）在线实测光伏电站并网点的有功功率和电压信息；

4）根据实测信息，匹配系统当前工况下光伏逆变器的参数灵敏度和参考响应曲线；

5）以逆变器为基本单元，计算所有光伏机组两两之间的相似度指标；

6）设置相似度指标的评价阈值θ对光伏机组按逆变器进行分群，依据计算机CPU核数进行多个分群方案的并行计算：设计算机CPU核数为T，则设置T个评价阈值θ₁,θ₂,θ₃,...，θ_T，形成T种分群方案；

7）在T种分群方案下对光伏电站分别进行聚类等值建模，形成T种等值方案；

8）分别用步骤7）中形成的T种等值模型替换光伏电站详细模型，并施加典型扰动进行暂态稳定仿真，得到T种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线；

9）将得到的T种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线与系统当前工况下的参考响应曲线进行对比，若存在满足误差要求的暂态响应曲线，进入步骤10），否则减小相似度指标阈值，形成新的相似度指标阈值序列，返回步骤6）；

10）取等值光伏机组数最少的方案作为在线计算的等值方案。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2）中光伏逆变器参数灵敏度矩阵和光伏电站并网点有功暂态响应曲线库，通过以下方法计算：

2-a)将光伏电站并网点的有功注入按单台逆变器平均容量划分为M种情形，将母线电压按考察电压精度在0.9～1.1pu区间内均分为N种情形，其中M为大于等于P_cpmax/P_avr值的最小整数，P_cpmax为光伏电站总容量，P_avr为单台逆变器的平均容量；

2-b)根据光伏电站并网点的有功注入及母线电压两个电气量信息，离线形成M×N个典型工况；

2-c)对所有光伏逆变器进行编号，根据生产厂家提供元器件铭牌参数或现场实测信息，将光伏逆变器的参数写成向量形式V_j＝[K_1j,K_2j,...，K_pj，...，K_qj，L_j]，其中K_1j，K_2j，…，K_pj，…，K_qj为第j个光伏逆变器的控制参数，p∈1～q，q为逆变器控制参数的总个数，j∈1～H，H为光伏电站中逆变器总数，L_j第j个光伏逆变器的滤波电感系数；

2-d)将光伏电站并网点三相短路故障设置为典型扰动；

2-e)通过摄动法由式(1)计算典型扰动下M×N个典型工况的各逆变器的参数灵敏度向量S_j＝[S_1j,S_2j,...，S_pj，...，S_qj，S_Lj]，则M×N个典型工况中第k个典型工况下逆变器的参数灵敏度构成逆变器的参数灵敏度矩阵S_en(k)如式(2)所示：

$S_{1j}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{1j}}{\mathrm{\Δ}{K}_{1j}};S_{2j}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{2j}}{\mathrm{\Δ}{K}_{2j}};...;S_{\mathrm{pj}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{pj}}}{\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{pj}}};...;S_{\mathrm{qj}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{qj}}}{\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{qj}}};S_{\mathrm{Lj}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{Lj}}}{\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{Lj}}}---\left(1\right)$

$S_{\mathrm{en}}\left(k\right)=\left[\begin{array}{ccccccc}{S}_{11}\left(k\right)& S_{21}\left(k\right)& ...& S_{p1}\left(k\right)& ...& S_{q1}\left(k\right)& S_{L1}\left(k\right)\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ S_{1j}\left(k\right)& S_{2j}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{pj}}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{qj}}\left(k\right)& S_{\mathrm{Lj}}\left(k\right)\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ S_{1H}\left(k\right)& S_{2H}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{pH}}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{qH}}\left(k\right)& S_{\mathrm{LH}}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

以上，ΔK_1j、ΔK_2j、…、ΔK_pj、…、ΔK_qj、ΔL_j分别为各逆变器参数的摄动量，按各逆变器参数值的10%考虑，ΔP_1j、ΔP_2j、…、ΔP_pj、…、ΔP_qj、ΔP_Lj为各逆变器参数摄动后光伏电站并网点有功功率变化量；k∈1～M×N，矩阵的一行代表某一个逆变器的参数灵敏度向量，所有M×N个典型工况下逆变器的参数灵敏度矩阵S_en(k)的集合记为SEN；

2-f)对M×N个典型工况分别施加典型扰动进行仿真，获得所有典型工况下光伏电站并网点有功暂态响应曲线，记为参考响应曲线集合CUR：

CUR＝{CUR₁,CUR₂,…CUR_i，…CUR_M×N}(3)。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4）中匹配系统当前工况下光伏逆变器的参数灵敏度和参考响应曲线的方法如下：

4-a)根据公式(4)计算当前工况与所有典型工况的匹配度指标d_case，取匹配度指标最小的典型工况作为当前工况的匹配工况，记为GK_mn；

$\begin{array}{cc}{d}_{\mathrm{case}}\left(i\right)={\left|\frac{P_{\mathrm{now}}-P_{\mathrm{tpc}}\left(i\right)}{P_{\max }}\right|}^2+{|V_{\mathrm{now}}-V_{\mathrm{tpc}}\left(i\right)|}^2& i\∈(1~M\×N)\\ P_{\max }=\max \left\{P_{\mathrm{tpc}}\left(i\right)\right\}& i\∈(1~M\×N)\end{array}---\left(4\right)$

其中，P_now为当前工况下光伏电站并网点的有功注入量，P_tpc(i)为第i个典型工况下光伏电站并网点的有功注入量；V_now为当前工况下光伏电站并网点电压标幺值；V_tpc(i)为第i个典型工况下光伏电站并网点电压标幺值；

4-b)基于离线计算形成的光伏逆变器的参数灵敏度矩阵集合SEN，获取对应于工况GK_mn的各逆变器的参数灵敏度向量S_j(k)＝[S_1j,S_2j,...，S_pj，...，S_qj，S_Lj]；

4-c)基于离线计算形成的光伏逆变器参考响应曲线集合CUR，获取参考响应曲线中对应于工况GK_mn的参考响应曲线CUR_mn。

4、根据权利要求1所述的适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，其特征在于，所述步骤5）中光伏机组间相似度指标按公式(5)计算：

$L_{j-h}=|(V_j-V_h)\×\frac{1}{2}{(S_j+S_h)}^T|---\left(5\right)$

其中，L_j-h为第h台光伏机组和第j台光伏机组之间的相似度指标，V_j、V_h分别为第j、h台光伏机组的逆变器参数向量，S_j、S_h分别为第j、h台逆变器的参数灵敏度向量，j∈1～H，h∈1～H，且j≠h，上标T表示矩阵的转置运算。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤6）中分群方案的形成方法如下：

6-a)设该次分群的评价阈值为θ_i，将1号光伏机组归入1号机群，此时当前只有1个机组，机群总数Q=1；

6-b)对于未归入任何机群的下一个光伏机组，以当前各个机群为序、分别获得其与当前各个机群中所有光伏机组之间的相似度指标中的最大值：设该光伏机组与第J个机群中所有光伏机组之间的相似度指标中的最大值为L_cls(J)，J∈1～Q，则对该光伏机组而言，共获得Q个相似度指标最大值{L_cls(1),...,L_cls(Q)}；

然后，判断该光伏机组的Q个相似度指标最大值是否均大于θ_i，若是，新增一个机群，并将该光伏机组加入到新机群中，此时机群总数Q加1，否则将该光伏机组加入到与Q个相似度指标最大值中最小值相对应的那个机群中；

6-c)重复上述步骤6-b)，直至所有光伏机组均归入某一机群则结束。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤7）中对光伏电站进行聚类等值建模的方法如下：

7-a)对各分群方案下属于同一群的机组，按公式（6）计算该群中第l台机组与此群中其他光伏机组的相似度指标之和L_lΣ：

$L_{\mathrm{l\Σ}}=\underset{j=1,j\≠l}{\overset{b_i}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{j-l}---\left(6\right)$

其中，设某一分群方案下光伏电站机组分为B个机群，每一群中各有b_i台光伏机组，L_j-l为第l台光伏机组和第j台光伏机组之间的相似度指标，i∈1～B，l=1,2,…,b_i；

7-b)取该机群中与其他光伏机组相似度指标之和最小值对应的光伏机组的逆变器参数作为该机群等值光伏机组的逆变器参数，等值光伏机组的容量为该机群中所有光伏机组的容量之和；

7-c)将同一机群逆变器下所有光伏阵列按串并联关系等值成一台光伏阵列，其容量为所有光伏阵列的容量之和，由此将一个光伏机群等值为一台光伏机组，该分群方案下整个光伏电站等值为B台光伏机组。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤8）中T种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线的获取方法为：用T种光伏电站等值模型替换光伏电站详细模型进行暂态稳定仿真，采取按等值方案并行仿真计算，获取典型扰动下的并网点有功暂态响应曲线。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤9）中系统暂态响应曲线与系统当前工况下的参考响应曲线进行对比方法为：根据第i种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线的起振时间t_si、振荡幅值A_i、振荡频率f_i以及参考响应曲线CUR_mn的起振时间t_s0、振荡幅值A₀、振荡频率f₀按公式(7)求取曲线相似程度指标η，i∈1～T：

$\mathrm{\η}={\left(\frac{t_{\mathrm{si}}-t_{s0}}{t_{s0}}\right)}^2+{\left(\frac{A_i-A_0}{A_0}\right)}^2+{\left(\frac{f_i-f_0}{f_0}\right)}^2---\left(7\right)$

若η小于设置的允许误差σ即认为该等值方案满足误差要求。

本发明的有益效果如下：本发明通过大型光伏电站的在线等值建模，一方面可以针对光伏电站参数随外部条件变化而变化的问题，为在线安全稳定计算提供可靠的仿真模型；另一方面在满足安全稳定分析精度要求前提下，对大型光伏电站进行适当等值，有助于降低大型光伏电站模型的复杂度，降低电网安全稳定分析的计算量，提升在线安全稳定分析、预警及控制决策水平。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明中光伏电站并网结构及等值过程示意图。

图3是本发明中响应曲线特征提取示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

图1中步骤1描述的是，获取光伏电站详细模型、元器件参数（包括光伏阵列、光伏逆变器等参数，由生产厂家提供或现场实测）和以光伏电站注入电网有功功率和并网点电压为特征的光伏电站接入电网的典型工况数据。

图1中步骤2描述的是，基于光伏电站详细模型、以光伏电站注入电网有功功率和并网点电压为特征的光伏电站接入电网的典型工况以及反映光伏电站动态响应特性的典型扰动，离线计算形成光伏逆变器的参数灵敏度矩阵和光伏电站并网点有功暂态响应曲线库（记为“参考响应曲线集合”）。

其中，光伏逆变器的参数灵敏度矩阵和参考响应曲线集合形成方法是：

a)将光伏电站并网点的有功注入按单台逆变器平均容量划分为M种情形（M为大于等于P_cpmax/P_avr值的最小整数，P_cpmax为光伏电站总容量，P_avr为单台逆变器的平均容量），母线电压（在0.9～1.1pu之间）分为N种情形（N视考察电压精度需求取值，如精度为0.025pu，则N＝(1.1-0.9)/0.025＝8）；

b)根据光伏电站并网点的有功注入及母线电压两个电气量信息，离线形成M×N个典型工况；

c)对所有光伏逆变器进行编号，根据生产厂家提供元器件铭牌参数或现场实测信息，将光伏逆变器的参数写成向量形式V_j＝[K_1j,K_2j,...，K_pj，...，K_qj，L_j]，其中K_1j，K_2j，…，K_pj，…，K_qj为第j个光伏逆变器的控制参数，p∈1～q，q为逆变器控制参数的总个数，j∈1～H，H为光伏电站中逆变器总数，L_j第j个光伏逆变器的滤波电感系数；

d)将光伏电站并网点三相短路故障设置为典型扰动；

e)通过摄动法由式(1)计算典型扰动下M×N个典型工况的各逆变器的参数灵敏度向量S_j＝[S_1j,S_2j,...，S_pj，...，S_qj，S_Lj]，则M×N个典型工况中第k个典型工况下逆变器的参数灵敏度构成逆变器的参数灵敏度矩阵S_en(k)如式(2)所示：

$S_{1j}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{1j}}{\mathrm{\Δ}{K}_{1j}};S_{2j}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{2j}}{\mathrm{\Δ}{K}_{2j}};...;S_{\mathrm{pj}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{pj}}}{\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{pj}}};...;S_{\mathrm{qj}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{qj}}}{\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{qj}}};S_{\mathrm{Lj}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{Lj}}}{\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{Lj}}}---\left(1\right)$

$S_{\mathrm{en}}\left(k\right)=\left[\begin{array}{ccccccc}{S}_{11}\left(k\right)& S_{21}\left(k\right)& ...& S_{p1}\left(k\right)& ...& S_{q1}\left(k\right)& S_{L1}\left(k\right)\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ S_{1j}\left(k\right)& S_{2j}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{pj}}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{qj}}\left(k\right)& S_{\mathrm{Lj}}\left(k\right)\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ S_{1H}\left(k\right)& S_{2H}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{pH}}\left(k\right)& ...& S_{\mathrm{qH}}\left(k\right)& S_{\mathrm{LH}}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

以上，ΔK_1j、ΔK_2j、…、ΔK_pj、…、ΔK_qj、ΔL_j分别为各逆变器参数的摄动量，按按各逆变器参数值（厂家提供值或现场实测值）的10%考虑，ΔP_1j、ΔP_2j、…、ΔP_pj、…、ΔP_qj、ΔP_Lj为各逆变器参数摄动后光伏电站并网点有功功率变化量；k∈1～M×N，矩阵的一行代表某一个逆变器的参数灵敏度向量，所有M×N个典型工况下逆变器的参数灵敏度矩阵S_en(k)的集合记为SEN；

f)对M×N个典型工况分别施加典型扰动进行仿真，获得所有典型工况下光伏电站并网点有功暂态响应曲线，记为参考响应曲线集合CUR：

CUR＝{CUR₁,CUR₂,…CUR_i，…CUR_M×M}(3)。

图1中步骤3描述的是，在线实测光伏电站并网点的有功功率和电压信息。

图1中步骤4描述的是，根据实测信息，匹配系统当前工况下光伏逆变器的参数灵敏度和参考响应曲线，其具体步骤和方法是：

a)根据公式(4)计算当前工况与所有典型工况的匹配度指标d_case，取匹配度指标最小的典型工况作为当前工况的匹配工况，记为GK_mn；

$\begin{array}{cc}{d}_{\mathrm{case}}\left(i\right)={\left|\frac{P_{\mathrm{now}}-P_{\mathrm{tpc}}\left(i\right)}{P_{\max }}\right|}^2+{|V_{\mathrm{now}}-V_{\mathrm{tpc}}\left(i\right)|}^2& i\∈(1~M\×N)\\ P_{\max }=\max \left\{P_{\mathrm{tpc}}\left(i\right)\right\}& i\∈(1~M\×N)\end{array}---\left(4\right)$

其中，P_now为当前工况下光伏电站并网点的有功注入量，P_tpc(i)为第i个典型工况下光伏电站并网点的有功注入量；V_now为当前工况下光伏电站并网点电压标幺值；V_tpc(i)为第i个典型工况下光伏电站并网点电压标幺值；

b)基于离线计算形成的光伏逆变器的参数灵敏度矩阵集合SEN，获取对应于工况GK_mn的各逆变器的参数灵敏度向量S_j(k)＝[S_1j,S_2j,...，S_pj，...，S_qj，S_Lj]；

c)基于离线计算形成的光伏逆变器参考响应曲线集合CUR，获取参考响应曲线中对应于工况GK_mn的参考响应曲线CUR_mn。

图1中步骤5描述的是，以逆变器为基本单元，计算所有光伏机组（即单逆变器光伏单元）两两之间的相似度指标L_j-h（其值越小，相似度越高），L_j-h的计算公式如式(5)所示。

$L_{j-h}=|(V_j-V_h)\×\frac{1}{2}{(S_j+S_h)}^T|---\left(5\right)$

其中，L_j-h为第h台光伏机组和第j台光伏机组之间的相似度指标，V_j、V_h分别为第j、h台光伏机组的逆变器参数向量，S_j、S_h分别为第j、h台逆变器的参数灵敏度向量，j∈1～H，h∈1～H，且j≠h，上标T表示矩阵的转置运算。

图1中步骤6描述的是，设置相似度指标的评价阈值θ对光伏机组按逆变器进行分群，形成分群方案。为了提高在线计算效率，可依据计算机CPU核数进行多个分群方案的并行计算，设计算机CPU核数为T，则设置T个评价阈值θ₁,θ₂,θ₃,...，θ_T，形成T种分群方案。分群方案的形成方法如下：

a)设该次分群的评价阈值为θ_i，将1号光伏机组归入1号机群，此时当前只有1个机组，机群总数Q=1；

b)对于未归入任何机群的下一个光伏机组，以当前各个机群为序、分别获得其与当前各个机群中所有光伏机组之间的相似度指标中的最大值：设该光伏机组与第J个机群中所有光伏机组之间的相似度指标中的最大值为L_cls(J)，J∈1～Q，则对该光伏机组而言，共获得Q个相似度指标最大值{L_cls(1),...,L_cls(Q)}；

然后，判断该光伏机组的Q个相似度指标最大值是否均大于θ_i，若是，新增一个机群，并将该光伏机组加入到新机群中，此时机群总数Q加1，否则将该光伏机组加入到与Q个相似度指标最大值中最小值相对应的那个机群中。

c)重复上述步骤b)，直至所有光伏机组均归入某一机群则结束。

图1中步骤7描述的是，在T种分群方案下对光伏电站分别进行聚类等值建模，形成T种等值方案，其等值过程示意图如附图2所示。对光伏电站进行聚类等值建模的具体步骤和方法如下：

a)对各分群方案下属于同一群的机组，按公式（6）计算该群中第l台机组与此群中其他光伏机组的相似度指标之和L_lΣ：

$L_{\mathrm{l\Σ}}=\underset{j=1,j\≠l}{\overset{b_i}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{j-l}---\left(6\right)$

其中，设某一分群方案下光伏电站机组分为B个机群，每一群中各有b_i台光伏机组，L_j-l为第l台光伏机组和第j台光伏机组之间的相似度指标，i∈1～B，l=1,2,…,b_i。

b)取该机群中与其他光伏机组相似度指标之和最小值对应的光伏机组的逆变器参数作为该机群等值光伏机组的逆变器参数，等值光伏机组的容量为该机群中所有光伏机组的容量之和。

c)将同一机群逆变器下所有光伏阵列按串并联关系等值成一台光伏阵列，其容量为所有光伏阵列的容量之和，由此将一个光伏机群等值为一台光伏机组，该分群方案下整个光伏电站等值为B台光伏机组。

图1中步骤8描述的是，分别用步骤7中形成的T种等值模型替换详细模型，采取按等值方案并行仿真计算，获取典型扰动下的并网点有功暂态响应曲线。

图1中步骤9描述的是，将得到的T种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线与系统当前工况下的参考响应曲线进行对比，若存在满足误差要求的暂态响应曲线，进入步骤10），否则减小相似度指标阈值，形成新的相似度指标阈值序列，返回步骤6）。并网点有功暂态响应曲线与当前工况下的参考响应曲线进行对比方法为：根据第i种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线的起振时间t_si、振荡幅值A_i、振荡频率f_i以及参考响应曲线CUR_mn的起振时间t_s0、振荡幅值A₀、振荡频率f₀按公式(7)求取曲线相似程度指标η，i∈1～T：

$\mathrm{\η}={\left(\frac{t_{\mathrm{si}}-t_{s0}}{t_{s0}}\right)}^2+{\left(\frac{A_i-A_0}{A_0}\right)}^2+{\left(\frac{f_i-f_0}{f_0}\right)}^2---\left(7\right)$

若η小于设置的允许误差σ（σ根据工程经验确定，一般可取0.01～0.05），即该等值方案满足误差要求。其中曲线起振时间和振荡幅值的提取如附图3所示，振荡频率可通过响应曲线的prony分析获得。

图1中步骤10描述的是，取等值光伏机组数最少的方案作为在线计算的等值方案。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取光伏电站详细模型、元器件参数和以光伏电站注入电网有功功率和并网点电压为特征的光伏电站接入电网的典型工况数据；

2)基于光伏电站详细模型、以光伏电站注入电网有功功率和并网点电压为特征的光伏电站接入电网的典型工况以及反映光伏电站动态响应特性的典型扰动，离线计算形成光伏逆变器的参数灵敏度矩阵和光伏电站并网点有功暂态响应曲线库，将光伏电站并网点有功暂态响应曲线库记为参考响应曲线集合；

3)在线实测光伏电站并网点的有功功率和电压信息；

4)根据实测信息，匹配系统当前工况下光伏逆变器的参数灵敏度和参考响应曲线，方法如下：

4-a)根据公式(4)计算当前工况与所有典型工况的匹配度指标d_case，取匹配度指标最小的典型工况作为当前工况的匹配工况，记为GK_mn；

$\begin{array}{cc}{d}_{case}\left(i\right)=|\frac{P_{now}-P_{tpc}\left(i\right)}{P_{\max }}{|}^2+|V_{now}-V_{tpc}\left(i\right){|}^2& i\∈(1~M\×N)\\ P_{\max }=\max \left\{P_{tpc}\left(i\right)\right\}& i\∈(1~M\×N)\end{array}---\left(4\right)$

其中，P_now为当前工况下光伏电站并网点的有功注入量，P_tpc(i)为第i个典型工况下光伏电站并网点的有功注入量；V_now为当前工况下光伏电站并网点电压标幺值；V_tpc(i)为第i个典型工况下光伏电站并网点电压标幺值；

4-b)基于离线计算形成的光伏逆变器的参数灵敏度矩阵集合SEN，获取对应于工况GK_mn的各逆变器的参数灵敏度向量S_j(k)＝[S_1j,S_2j,...,S_pj,...,S_qj,S_Lj]；

4-c)基于离线计算形成的光伏逆变器参考响应曲线集合CUR，获取参考响应曲线中对应于工况GK_mn的参考响应曲线CUR_mn；

5)以逆变器为基本单元，计算所有光伏机组两两之间的相似度指标；

6)设置相似度指标的评价阈值θ对光伏机组按逆变器进行分群，依据计算机CPU核数进行多个分群方案的并行计算：设计算机CPU核数为T，则设置T个评价阈值θ₁,θ₂,θ₃,...,θ_T，形成T种分群方案；

7)在T种分群方案下对光伏电站分别进行聚类等值建模，形成T种等值方案；

8)分别用步骤7)中形成的T种等值方案中的模型替换光伏电站详细模型，并施加典型扰动进行暂态稳定仿真，得到T种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线；

9)将得到的T种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线与系统当前工况下的参考响应曲线进行对比，若存在满足误差要求的暂态响应曲线，进入步骤10)，否则减小相似度指标的评价阈值，形成新的相似度指标的评价阈值序列，返回步骤6)；

10)取等值光伏机组数最少的方案作为在线计算的等值方案。

2.根据权利要求1所述的适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，其特征在于，所述步骤2)中光伏逆变器参数灵敏度矩阵和光伏电站并网点有功暂态响应曲线库，通过以下方法计算：

2-a)将光伏电站并网点的有功注入按单台逆变器平均容量划分为M种情形，将母线电压按考察电压精度在0.9～1.1pu区间内均分为N种情形，其中M为大于等于P_cpmax/P_avr值的最小整数，P_cpmax为光伏电站总容量，P_avr为单台逆变器的平均容量；

2-b)根据光伏电站并网点的有功注入及母线电压两个电气量信息，离线形成M×N个典型工况；

2-c)对所有光伏逆变器进行编号，根据生产厂家提供元器件铭牌参数或现场实测信息，将光伏逆变器的参数写成向量形式V_j＝[K_1j,K_2j,...,K_pj,...,K_qj,L_j]，其中K_1j，K_2j，…，K_pj，…，K_qj为第j个光伏逆变器的控制参数，p∈1～q，q为逆变器控制参数的总个数，j∈1～H，H为光伏电站中逆变器总数，L_j第j个光伏逆变器的滤波电感系数；

2-d)将光伏电站并网点三相短路故障设置为典型扰动；

2-e)通过摄动法由式(1)计算典型扰动下M×N个典型工况的各逆变器的参数灵敏度向量S_j＝[S_1j,S_2j,...,S_pj,...,S_qj,S_Lj]，则M×N个典型工况中第k个典型工况下逆变器的参数灵敏度构成逆变器的参数灵敏度矩阵S_en(k)如式(2)所示：

$S_{1j}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{1j}}{{\mathrm{\ΔK}}_{1j}};S_{2j}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{2j}}{{\mathrm{\ΔK}}_{2j}};\mathrm{...};S_{pj}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{pj}}{{\mathrm{\ΔK}}_{pj}};\mathrm{...};S_{qj}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{qj}}{{\mathrm{\ΔK}}_{qj}};S_{Lj}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{Lj}}{{\mathrm{\ΔK}}_{Lj}}---\left(1\right)$

$S_{en}\left(k\right)=\left[\begin{array}{ccccccc}{S}_{11}\left(k\right)& S_{21}\left(k\right)& \mathrm{...}& S_{p1}\left(k\right)& \mathrm{...}& S_{q1}\left(k\right)& S_{L1}\left(k\right)\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ S_{1j}\left(k\right)& S_{2j}\left(k\right)& \mathrm{...}& S_{pj}\left(k\right)& \mathrm{...}& S_{qj}\left(k\right)& S_{Lj}\left(k\right)\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ S_{1H}\left(k\right)& S_{2H}\left(k\right)& \mathrm{...}& S_{pH}\left(k\right)& \mathrm{...}& S_{qH}\left(k\right)& S_{LH}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

以上，ΔK_1j、ΔK_2j、…、ΔK_pj、…、ΔK_qj、ΔL_j分别为各逆变器参数的摄动量，按各逆变器参数值的10％考虑，ΔP_1j、ΔP_2j、…、ΔP_pj、…、ΔP_qj、ΔP_Lj为各逆变器参数摄动后光伏电站并网点有功功率变化量；k∈1～M×N，矩阵的一行代表某一个逆变器的参数灵敏度向量，所有M×N个典型工况下逆变器的参数灵敏度矩阵S_en(k)的集合记为SEN；

2-f)对M×N个典型工况分别施加典型扰动进行仿真，获得所有典型工况下光伏电站并网点有功暂态响应曲线，记为参考响应曲线集合CUR：

CUR＝{CUR₁,CUR₂,…CUR_i,…CUR_M×N}(3)。

3.根据权利要求2所述的适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，其特征在于，所述步骤5)中光伏机组间相似度指标按公式(5)计算：

$L_{j-h}=|(V_j-V_h)\×\frac{1}{2}{(S_j+S_h)}^T|---\left(5\right)$

其中，L_j-h为第h台光伏机组和第j台光伏机组之间的相似度指标，V_j、V_h分别为第j、h台光伏机组的逆变器参数向量，S_j、S_h分别为第j、h台逆变器的参数灵敏度向量，j∈1～H，h∈1～H，且j≠h，上标T表示矩阵的转置运算。

4.根据权利要求2所述的适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，其特征在于，所述步骤6)中分群方案的形成方法如下：

6-a)设该次分群的评价阈值为θ_i，将1号光伏机组归入1号机群，此时当前只有1个机组，机群总数Q＝1；

6-b)对于未归入任何机群的下一个光伏机组，以当前各个机群为序、分别获得其与当前各个机群中所有光伏机组之间的相似度指标中的最大值：设该光伏机组与第J个机群中所有光伏机组之间的相似度指标中的最大值为L_cls(J)，J∈1～Q，则对该光伏机组而言，共获得Q个相似度指标最大值{L_cls(1),...,L_cls(Q)}；

然后，判断该光伏机组的Q个相似度指标最大值是否均大于θ_i，若是，新增一个机群，并将该光伏机组加入到新机群中，此时机群总数Q加1，否则将该光伏机组加入到与Q个相似度指标最大值中最小值相对应的那个机群中；

6-c)重复上述步骤6-b)，直至所有光伏机组均归入某一机群则结束。

5.根据权利要求2所述的适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，其特征在于，所述步骤7)中对光伏电站进行聚类等值建模的方法如下：

7-a)对各分群方案下属于同一群的机组，按公式(6)计算该群中第l台机组与此群中其他光伏机组的相似度指标之和L_lΣ：

$L_{l\mathrm{\Σ}}=\underset{j=1,j\≠l}{\overset{b_i}{\Σ}}{L}_{j-l}---\left(6\right)$

其中，设某一分群方案下光伏电站机组分为B个机群，每一群中各有b_i台光伏机组，L_j-l为第l台光伏机组和第j台光伏机组之间的相似度指标，i∈1～B，l＝1,2,…,b_i；

7-b)取该机群中与其他光伏机组相似度指标之和最小值对应的光伏机组的逆变器参数作为该机群等值光伏机组的逆变器参数，等值光伏机组的容量为该机群中所有光伏机组的容量之和；

7-c)将同一机群逆变器下所有光伏阵列按串并联关系等值成一台光伏阵列，其容量为所有光伏阵列的容量之和，由此将一个光伏机群等值为一台光伏机组，该分群方案下整个光伏电站等值为B台光伏机组。

6.根据权利要求2所述的适用于安全稳定分析的大型光伏电站在线等值建模方法，其特征在于，所述步骤9)中系统暂态响应曲线与系统当前工况下的参考响应曲线进行对比方法为：根据第i种等值方案下光伏电站并网点有功暂态响应曲线的起振时间t_si、振荡幅值A_i、振荡频率f_i以及参考响应曲线CUR_mn的起振时间t_s0、振荡幅值A₀、振荡频率f₀按公式(7)求取曲线相似程度指标η，i∈1～T：

$\mathrm{\η}={\left(\frac{t_{si}-t_{s0}}{t_{s0}}\right)}^2+{\left(\frac{A_i-A_0}{A_0}\right)}^2+{\left(\frac{f_i-f_0}{f_0}\right)}^2---\left(7\right)$

若η小于设置的允许误差σ即认为该等值方案满足误差要求。