CN104992017B - 计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法，包括：(1)确定广义负荷模型结构，广义负荷模型结构包括无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷、异步发电机、功率注入模块、配电网等值阻抗；(2)通过统计综合法得到异步发电机聚合参数，等值异步发电机的电气参数通过对各单台异步发电机进行容量加权聚合得到；(3)负荷模型参数辨识；(4)配置用户自定义程序并生成动态链接库；(5)注入功率波动数据，在暂态分析和小扰动特征值分析时，屏蔽功率注入模块，仅考虑异步发电机的动态特性；在计及风电功率随机波动特性进行中长期动态分析时，激活功率注入模块，该模块以时变电流形式向系统注入。

Description

计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法与装置

技术领域

本发明涉及电力系统建模与控制领域，具体而言涉及一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法与装置。

背景技术

在电力系统仿真分析时，通常会将低压配电网等值为等效负荷进行处理，常用负荷模型主要是静态负荷模型加感应电动机的形式。当配网侧有地方小电源接入时，传统的负荷模型不能很好描述配电网等效负荷特性，因此提出了含小电源的广义负荷模型。广义负荷区别于常规电力负荷主要在于其包含电源，但依然以负荷为主。

近年来随着风电等可再生能源发电快速发展，很多风电以分布式电源的形式接入到配电网中。风电具有功率随机波动性和间歇性的特点，风电并网将会对系统动态特性产生重大影响。由于风力发电在配网侧的接入容量也不断增加，从而改变原有等效负荷的动态特性。风电出力的随机波动性给电网的稳定运行带来了诸多挑战，例如在配网侧的大容量风电接入会对负阻尼机理的低频振荡和强迫功率振荡等系统动态造成重要影响。如何在原有等效负荷模型中考虑风电接入的影响，特别是计及风电功率随机波动的影响至关重要。

广义负荷模型可以计及配电网中小电源的影响，从而更准确的反映配电网的真是动态特性。因此提出准确有效的广义负荷模型并且确定符合电网运行特性的参数对电网动态分析具有重要意义。但是原有的广义负荷建模方法只考虑传统火电和水电电源的影响，没有考虑风电接入的影响，更无法描述风电场功率的随机波动特性。因配电网中含风电场接入而需考虑的功率随机波动及其影响在电网动态分析时无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提出一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法。利用本发明的方法可克服传统建模方法不适用于含风电接入配电网等效负荷功率随机波动特性的缺点，实现了含风电场广义电力负荷的电网动态仿真和分析，具有模型结构简单，适用性高的良好特点。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法，包括：

(1)确定广义负荷模型结构

风电场接于配网侧时，从枢纽母线来看，该区域等效为广义电力负荷。广义负荷模型结构包括无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷、异步发电机、功率注入模块、配电网等值阻抗。异步发电机经功率注入模块与无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷并联在虚拟负荷母线一侧，虚拟负荷母线另一侧经配网等值阻抗接入外部电网；其中异步发电机等效替代风电场的暂态特性，功率注入模块反映风电场功率随机波动特性。

(2)通过统计综合法得到异步发电机聚合参数

风电场功率输出在观测过程中是时变的，风电场的其他电气参数是非时变的，所以等值异步发电机的电气参数可通过对各单台异步发电机进行容量加权聚合得到。

(3)负荷模型参数辨识

调取负荷节点故障轨迹与风电场出力，将两处记录的功率相加得到纯负荷的功率动态信息。对数据进行预处理获得可用于参数辨识的电压、纯负荷有功功率和无功功率数据，采用粒子群算法从动态轨迹信息中辨识得到所提出负荷模型中电动机负荷、静态负荷、无功补偿、配网等值阻抗参数。

(4)配置用户自定义程序并生成动态链接库

用户自定义程序实现注入功率的计算或导入。根据用户的需要由风电场实测数据获得注入功率，换算成时变电流形式进行注入。或者由用户自定义注入功率，换算成时变电流形式进行注入。自定义程序以动态链接库的形式生成，供混合时域仿真软件调用。

(5)注入功率波动数据

该广义负荷的建模目的是模拟其负荷中各等值负荷元件及风电场的动态特性，在时域仿真计算中进行。在暂态分析和小扰动特征值分析时，屏蔽功率注入模块，仅考虑异步发电机的动态特性；在计及风电功率随机波动特性进行中长期动态分析时，激活功率注入模块，该模块以时变电流形式向系统注入。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是说明根据本发明某些实施例的计及风电功率随机波动的广义负荷模型的结构图。

图2是说明根据本发明某些实施例的计及风电随机功率波动注入的混合时域仿真迭代示意图。

图3是说明根据本发明某些实施例的确定广义负荷模型参数方法示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示的计及风电功率随机波动的广义负荷模型的结构示意图，根据本发明的某些实施例，一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法，包含如下步骤：

(1)确定广义负荷模型结构

风电场接于配网侧时，从枢纽母线来看，该区域可等效为广义电力负荷。结合图1所示，广义负荷模型结构包括无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷、异步发电机、功率注入模块M、配电网等值阻抗。异步发电机经功率注入模块与无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷并联在虚拟负荷母线一侧，虚拟负荷母线另一侧经配网等值阻抗接入外部电网。其中异步发电机等效替代风电场的暂态特性，功率注入模块反映风电场功率随机波动特性。

前述的静态负荷采用ZIP模型，所述感应电动机负荷与异步发电机采用计及机电暂态的感应电机模型。

(2)通过统计综合法得到异步发电机聚合参数

风电场功率输出在观测过程中是时变的，风电场的其他电气参数是非时变的，所以等值异步发电机的电气参数可以通过对各单台异步发电机进行容量加权聚合得到。

本例中，也即异步发电机参数由电网稳态运行下风电场风机聚合得到，负荷模型的部分初始参数由负荷节点测量与辨识系统服务器根据电网实时测量的动态扰动数据进行参数辨识得到。

(3)负荷模型参数辨识

调取负荷节点故障轨迹与风电场出力，将两处记录的功率相加得到纯负荷的功率动态信息。对数据进行预处理获得可用于参数辨识的电压、纯负荷有功功率和无功功率数据，采用粒子群算法从动态轨迹信息中辨识得到所提出负荷模型中电动机负荷、静态负荷、无功补偿、配网等值阻抗参数。

(4)编写用户自定义程序并生成动态链接库

用户自定义程序主要实现注入功率的计算或导入。可根据用户的需要由风电场实测数据获得注入功率，换算成时变电流形式进行注入。用户也可以自定义注入功率，换算成时变电流形式进行注入。自定义程序以动态链接库的形式生成，供混合时域仿真软件调用。

(5)注入功率波动数据

该广义负荷的建模目的是模拟其负荷中各等值负荷元件及风电场的动态特性，在时域仿真计算中进行。在暂态分析和小扰动特征值分析时，屏蔽功率注入模块，仅考虑异步发电机的动态特性；在计及风电功率随机波动特性进行中长期动态分析时，激活功率注入模块，该模块以时变电流形式向系统注入。

功率注入模块数据通过风电场实测获得或通过自定义数据生成获得。

在广义负荷模型建立后，不计及风电功率随机波动时屏蔽功率注入模块，进行风电功率随机波动影响分析时激活功率注入模块，所述功率注入模块以时变电流形式注入负荷母线。

附图2是本实施例的建模方法确定广义负荷模型参数的示意图，其模型参数确定方法包含如下步骤：

1、确定各类模型参数的初值

将电力系统模型参数根据可辨识性分析和人工综合统计的结果分类，确定每类待辨识参数的典型节点，借助节点级测量辨识系统，根据典型节点的PMU动态量测辨识本地模型参数，并以此参数作为建模各类元件模型参数的初值。

基于广域测量系统的PMU本地动态量测，通过节点级测量辨识系统获得建模各类待辨识模型参数初值，例如发电机的惯性时间常数、暂态电抗、次暂态电抗等，以及节点负荷的电动机比例、定子电抗和负载率系数等，自动将参数初值提供给时域仿真中的元件模型。这些模型参数主要是指难以调查统计、受电网运行状态影响较大或对仿真结果影响较大的参数。对受电网运行状态影响较小，并且对仿真结果影响较小的参数，通常可采用典型值或推荐值。等值异步发电机的电气参数可以通过对风电场各单台异步发电机进行容量加权聚合得到。

附图3是本发明计及风电功率随机波动广义负荷建模方法的核心，即基于时变电流注入的混合时域仿真迭代示意图。

结合前述步骤5，从广域测量系统获取系统风电有功功率和无功功率的PMU动态量测，将其转化为时变电流的形式在广义负荷模型中M处注入，参与时域混合仿真计算。在时域仿真的数值积分中每个积分步长都代入这些已知的电流值参与迭代直到收敛，从而实现含风电随机功率波动的时域仿真。具体实现包括：

在第n步迭代过程中，将由风电实测功率随机波动量计算得到的时变电流I_n作为已知值代入，迭代求解电力系统网络代数方程组X_n+1＝F(X_n,Y_n,I_n)和元件微分方程组Y_n+1＝G(X_n,Y_n,I_n)，同时将广域测量系统获得的下一时刻边界节点电压幅值U_n+1、相角θ_n+1、有功功率P_n+1和无功功率Q_n+1动态量测按I_n+1＝H(P_n+1,Q_n+1,U_n+1,θ_n+1)式转化为时变电流I_n+1的形式，并将时变电流I_n+1作为迭代初值参与时域仿真数值积分的下一积分步长迭代过程，如此迭代求解直到完成整个时域仿真。其中，H＝(h₁,h₂,…,h_l)^T是常用有功功率P、无功功率Q、电压幅值U、相角θ与电流之间的转化公式，下标l为边界节点时变电流源个数，具体公式h可以表示为

I_r＝(S/U)cos(θ₁-θ₂+θ₃) (1)

I_i＝(S/U)sin(θ₁-θ₂+θ₃) (2)

其中I_r和I_i分别为注入电流实部和虚部，S为负荷视在功率(可由实测有功P和实测无功Q求得)，U为仿真系统中注入母线电压幅值，θ₁为实测电流相角，θ₂为实测电压相角，θ₃为仿真系统中注入母线电压相角。

F＝(f₁,f₂,…,f_m)^T是电力系统潮流平衡的网络代数方程组，下标m为网络代数方程个数。

G＝(g₁,g₂,…,g_k)^T是电力系统发电机、负荷等一次设备和二次自动装置数学模型的元件微分方程组，下标k为元件微分方程个数；I＝(i₁,i₂,…,i_l)^T为时变电流量，X＝(x₁,x₂,…,x_m)^T为网络方程求解的变量，Y＝(y₁,y₂,…,y_k)^T为微分方程求解的变量。

结合图1-图3所示以及以上内容描述的建模方法，本发明的某些实施例还提出一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模装置，该装置包括：

用于确定广义负荷模型结构的模块，被设置成按照下述方式确定广义负荷模型的结构：风电场接于配网侧时，从枢纽母线角度，该区域等效为广义电力负荷，广义负荷模型结构包括无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷、异步发电机、功率注入模块、配电网等值阻抗，其中异步发电机经功率注入模块与无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷并联在虚拟负荷母线一侧，虚拟负荷母线另一侧经配网等值阻抗接入外部电网；其中异步发电机等效替代风电场的暂态特性，功率注入模块反映风电场功率随机波动特性；

用于通过统计综合法得到异步发电机聚合参数的模块，被设置成通过下述方式得到异步发电机聚合参数：等值异步发电机的电气参数通过对各单台异步发电机进行容量加权聚合得到；

用于负荷模型参数辨识的模块，被设置成通过下述方式辨识负荷模型参数：调取负荷节点故障轨迹与风电场出力，将两处记录的功率相加得到纯负荷的功率动态信息；对数据进行预处理获得可用于参数辨识的电压、纯负荷有功功率和无功功率数据，采用粒子群算法从动态轨迹信息中辨识得到所提出负荷模型中电动机负荷、静态负荷、无功补偿、配网等值阻抗参数；

用于配置用户自定义程序并生成动态链接库的模块，被设置成通过下述方式配置动态链接库：用户自定义程序实现注入功率的计算或导入；根据用户的需要由风电场实测数据获得注入功率，换算成时变电流形式进行注入；或者由用户自定义注入功率，换算成时变电流形式进行注入；自定义程序以动态链接库的形式生成，供混合时域仿真软件调用；

用于注入功率波动数据的模块，被设置成按照下述方式注入功率波动数据：在暂态分析和小扰动特征值分析时，屏蔽功率注入模块，仅考虑异步发电机的动态特性；在计及风电功率随机波动特性进行中长期动态分析时，激活功率注入模块，该模块以时变电流形式向系统注入。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法，其特征在于，该方法包括：

(1)确定广义负荷模型结构

风电场接于配网侧时，从枢纽母线角度，该区域等效为广义电力负荷，广义负荷模型结构包括无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷、异步发电机、功率注入模块、配网等值阻抗，其中异步发电机经功率注入模块与无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷并联在虚拟负荷母线一侧，虚拟负荷母线另一侧经配网等值阻抗接入外部电网；其中异步发电机等效替代风电场的暂态特性，功率注入模块反映风电场功率随机波动特性；

(2)通过统计综合法得到异步发电机聚合参数

风电场功率输出在观测过程中是时变的，风电场的其他电气参数是非时变的，所以等值异步发电机的电气参数通过对各单台异步发电机进行容量加权聚合得到；

(3)负荷模型参数辨识

调取负荷节点故障轨迹与风电场出力，将两处记录的功率相加得到纯负荷的功率动态信息；对数据进行预处理获得可用于参数辨识的电压、纯负荷有功功率和无功功率数据，采用粒子群算法从动态轨迹信息中辨识得到所提出负荷模型中电动机负荷、静态负荷、无功补偿、配网等值阻抗参数；

(4)配置用户自定义程序并生成动态链接库

用户自定义程序实现注入功率的计算或导入；根据用户的需要由风电场实测数据获得注入功率，换算成时变电流形式进行注入；或者由用户自定义注入功率，换算成时变电流形式进行注入；自定义程序以动态链接库的形式生成，供混合时域仿真软件调用；

(5)注入功率波动数据

在暂态分析和小扰动特征值分析时，屏蔽功率注入模块，仅考虑异步发电机的动态特性；在计及风电功率随机波动特性进行中长期动态分析时，激活功率注入模块，该模块以时变电流形式向系统注入。

2.根据权利要求1所述的计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法，其特征在于，前述步骤(1)中，所述静态负荷采用ZIP模型，所述感应电动机负荷与异步发电机采用计及机电暂态的感应电机模型。

3.根据权利要求1所述的计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法，其特征在于，前述步骤(5)中，功率注入模块的数据通过风电场实测获得或通过自定义数据生成获得。

4.根据权利要求1所述的计及风电功率随机波动的广义负荷建模方法，其特征在于，在该广义负荷模型建立后，不计及风电功率随机波动分析时屏蔽功率注入模块，进行风电功率随机波动影响分析时激活功率注入模块，所述功率注入模块以时变电流形式注入负荷母线。

5.一种计及风电功率随机波动的广义负荷建模装置，其特征在于，该装置包括：

用于确定广义负荷模型结构的模块，被设置成按照下述方式确定广义负荷模型的结构：风电场接于配网侧时，从枢纽母线角度，该区域等效为广义电力负荷，广义负荷模型结构包括无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷、异步发电机、功率注入模块、配网等值阻抗，其中异步发电机经功率注入模块与无功补偿设备、静态负荷、感应电动机负荷并联在虚拟负荷母线一侧，虚拟负荷母线另一侧经配网等值阻抗接入外部电网；其中异步发电机等效替代风电场的暂态特性，功率注入模块反映风电场功率随机波动特性；

用于通过统计综合法得到异步发电机聚合参数的模块，被设置成通过下述方式得到异步发电机聚合参数：等值异步发电机的电气参数通过对各单台异步发电机进行容量加权聚合得到；

用于负荷模型参数辨识的模块，被设置成通过下述方式辨识负荷模型参数：调取负荷节点故障轨迹与风电场出力，将两处记录的功率相加得到纯负荷的功率动态信息；对数据进行预处理获得可用于参数辨识的电压、纯负荷有功功率和无功功率数据，采用粒子群算法从动态轨迹信息中辨识得到所提出负荷模型中电动机负荷、静态负荷、无功补偿、配网等值阻抗参数；

用于配置用户自定义程序并生成动态链接库的模块，被设置成通过下述方式配置动态链接库：用户自定义程序实现注入功率的计算或导入；根据用户的需要由风电场实测数据获得注入功率，换算成时变电流形式进行注入；或者由用户自定义注入功率，换算成时变电流形式进行注入；自定义程序以动态链接库的形式生成，供混合时域仿真软件调用；

用于注入功率波动数据的模块，被设置成按照下述方式注入功率波动数据：在暂态分析和小扰动特征值分析时，屏蔽功率注入模块，仅考虑异步发电机的动态特性；在计及风电功率随机波动特性进行中长期动态分析时，激活功率注入模块，该模块以时变电流形式向系统注入。