CN108023356A - 光伏电站电力系统的电压稳定分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏电站电力系统的电压稳定分析方法及装置,对电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;采用牛顿‑拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。本发明具有连续潮流计算在临界点附近的收敛性很大提高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电力安全技术领域,特别涉及一种光伏电站电力系统的电压稳定分析方法及装置。
背景技术
光伏电站的无功功率特性与光伏电站的有功功率特性有关。光伏电站有功输出较低时,输电线路轻载,线路充电无功过剩,风力发电机组应吸收无功功率。若风力发电机组吸收的无功功率不足,则光伏电站将向电网注入无功,并可能出现高电压问题。而光伏电站有功输出增大时,输电线路重载,消耗的感性无功随之增加,线路充电无功不足以抵消线路及主变等元件消耗的感性无功,风力发电机组应发出无功功率。若风力发电机组发出的无功功率不足,则光伏电站将从电网吸收无功。若光伏电站从电网吸收无功,可能引起光伏电站电压跌落。因此,当电网无功不足,风电机组有功出力大发或满发时可能存在电压稳定问题,有必要进行详细的电压稳定分析。
连续潮流法是电压稳定分析的基本方法之一,通过选择一定的连续化参数以保证临界点及其附近潮流计算的收敛性,并引入预测、校正及步长调整等机制,以尽可能地减少计算过程所需的迭代次数,减小计算量。它在λ-V曲线的每一点均反复迭代,计算出准确的潮流,所以能得到准确的λ-V曲线等信息,并能考虑一定的非线性控制及不等式约束条件,具有较强的鲁棒性。
现有的连续潮流法一般是在连续潮流基本方程基础上增加一个方程,同时将λ当作变量,从而使雅可比矩阵的右下方加上一行一列,扩展后的雅可比矩阵即使在临界点处仍然是良态的;但是,其左上角部分在临界点处却仍是奇异的,故连续潮流计算在临界点附近的收敛性难以得到有效保证,算法的可靠性受到较大影响,进而影响到光伏电站电力系统的电压稳定分析的可靠性。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的连续潮流计算在临界点附近的收敛性难以得到有效保证,算法可靠性差,影响光伏电站电力系统电压稳定分析的可靠性的不足,提供了一种光伏电站电力系统的电压稳定分析方法及装置。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种光伏电站电力系统的电压稳定分析方法,包括:
(1-1)对电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;
(1-2)采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;
(1-3)根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;
(1-4)根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。
本发明可以解决现有技术中连续潮流计算在临界点附近的收敛性难以得到有效保证、算法的可靠性受到较大影响的技术问题。本发明选择连续化参数形成新的方程,利用新的方程扩展电力系统的潮流方程,对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。
作为优选,所述修正后的电力系统的潮流方程为:
其中,x是状态向量;f(x)是潮流平衡方程,k是行号;J″是修正后的扩展潮流方程的雅可比矩阵;f′x是修正后的潮流雅可比矩阵;b′是修正后的负荷增长方向;bk为b的第k个元素;x′为修正后的状态向量;f′(x)为修正后的潮流方程组;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量;Δx′是与x′对应的变化向量,Δλ是风电出力水平λ的变化量。
作为优选,步骤(1-2)包括:
当前次潮流计算后,通过以下公式预测下一次潮流计算的潮流解,并将预测的潮流解作为下一次潮流计算的初值:
其中,tk是第k个元素为1,其余元素为0的列向量;b是负荷增长方向;fx是电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;Δλ是光伏出力水平λ的变化量,Δx是状态变化向量,Δxk是Δx的第k行元素,将Δxk当作常量。
作为优选,通过以下公式计算所述预设的步长:
其中,h为预设的步长;hmax为常数;yi为预测方向y的第i个分量,n是正整数。
一种光伏电站电力系统的电压稳定分析装置,包括:
方程扩展修正模块,用于选择连续化参数形成新的方程,利用所述新的方程扩展电力系统的潮流方程,对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;
求解模块,用于采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;
确定模块,用于根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;
分析模块,用于根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。
作为优选,所述修正后的电力系统的潮流方程为:
其中,x是状态向量,f(x)是潮流平衡方程,k是行号;J”是修正后的扩展的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;f′x是修正后的潮流雅可比矩阵;b′是修正后的负荷增长方向b;bk为b的第k个元素;x′为修正后的向量;f′(x)为修正后的潮流方程组;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量;Δx′是与x′对应的变化向量,Δλ是风电出力水平λ的变化量。
作为优选,当前次潮流计算后,所述求解模块利用以下公式预测下一次潮流计算的潮流解,并将预测的潮流解作为下一次潮流计算的初值:
其中,tk是第k个元素为1,其余元素为0的列向量;b是负荷增长方向;fx是电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;Δλ是风电出力水平λ的变化量;Δx是状态变化向量;Δxk是Δx的第k行元素,将Δxk当作常量。
作为优选,还包括:
步长计算模块利用以下公式计算所述预设的步长:
其中,h为预设的步长;hmax为常数;yi为预测方向y的第i个分量,n是正整数。
本发明通过利用新的方程来扩展电力系统的潮流方程,使得扩展后的潮流方程为可求得定值解的方程,并通过对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,使得修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中最薄弱节点(即电压幅值下降最大的节点)当作PV节点(即注入功率及电压幅值均指定的节点)处理时的潮流雅可比矩阵,即修正后的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵在临界点及其附近为非奇异,且修改后的潮流雅可比矩阵(即修正后的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵左上角部分矩阵)在临界点及其附近也为非奇异,解决了扩展潮流雅可比矩阵左上角部分矩阵(即潮流雅可比矩阵)临界点处的奇异问题,克服了潮流雅可比矩阵临界点处奇异及其附近病态给数值计算带来的不良影响,扩展修正方程的计算精度可以得到有效保证,连续潮流计算在临界点附近的收敛性大大提高,增加了算法的可靠性。
因此,本发明具有如下有益效果:解决了扩展潮流雅可比矩阵左上角部分矩阵(即潮流雅可比矩阵)临界点处的奇异问题,克服了潮流雅可比矩阵临界点处奇异及其附近病态给数值计算带来的不良影响,扩展修正方程的计算精度可以得到有效保证,连续潮流计算在临界点附近的收敛性很大提高,增加了算法的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种流程图;
图2是本发明的一种逐点计算法的说明示意图;
图3是本发明的一种弧长连续法的说明示意图;
图4是本发明的一种同伦连续法的说明示意图;
图5是本发明的一种局部参数连续法的说明示意图;
图6是本发明的一种考虑无功限制时的λ-V曲线示意图之一;
图7是本发明的一种考虑无功限制时的λ-V曲线示意图之二;
图8是本发明的一种考虑无功限制时的λ-V曲线示意图之三;
图9是本发明的一种结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示,一种光伏电站电力系统的电压稳定分析方法,包括:
步骤101:选择连续化参数形成新的方程,利用所述新的方程扩展电力系统的潮流方程,对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;
步骤102:采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;
步骤103:根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;
步骤104:根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。
由图1所示的流程可知,本发明通过利用新的方程来扩展电力系统的潮流方程,使得扩展后的潮流方程为可求得定值解的方程,并通过对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,使得修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中最薄弱节点(即电压幅值下降最大的节点)当作PV节点(即注入功率及电压幅值均指定的节点)处理时的潮流雅可比矩阵,即修正后的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵在临界点及其附近为非奇异,且修改后的潮流雅可比矩阵(即修正后的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵左上角部分矩阵)在临界点及其附近也为非奇异,解决了扩展潮流雅可比矩阵左上角部分矩阵(即潮流雅可比矩阵)临界点处的奇异问题,克服了潮流雅可比矩阵临界点处奇异及其附近病态给数值计算带来的不良影响,扩展修正方程的计算精度可以得到有效保证,连续潮流计算在临界点附近的收敛性大大提高,增加了算法的可靠性。
具体实施时,由于通过上述新的方程扩展后的电力系统的潮流方程为可求得定值解的方程,且扩展后的雅可比矩阵在临界点处非奇异,但是扩展后的雅可比矩阵的左上角部分矩阵(即常规潮流雅可比矩阵)在临界点处奇异,临界点附近病态,使得扩展后的潮流方程在临界点及附近的计算精度难以得到有效保证,连续潮流法在临界点及附近的收敛性将同样无法得到有效保证,因此,为了实现扩展后的雅可比矩阵的左上角部分矩阵(即常规潮流雅可比矩阵)在临界点处非奇异,对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程为:
其中,x是状态向量,即由各节点的电压幅值及相位构成的向量;f(x)是潮流平衡方程,k是行号;J″是修正后的扩展的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;f′x是修正后的潮流雅可比矩阵,即潮流雅可比矩阵划去第k行及第k列后的剩余矩阵;b′是修正后的负荷增长方向b,即b划去第k行后的剩余向量;bk为b的第k个元素;x′为修正后的向量x,即x划去第k行后的剩余向量;f′(x)为修正后的潮流方程组,即函数向量f(x)划去第k行后的剩余向量;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量;Δx′是与x′对应的变化向量,Δλ是风电出力水平λ的变化量。具体的,将xk当作常量,并将方程fk(x)+λbk=0移至最后一行,可以看出,J″事实上是J′(即扩展后的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵)划去第n+1行第k列后将第k行移到最后一行而得到的,f′x为常规潮流雅可比矩阵fx划去第k行第k列后的矩阵;b′为向量b划去第k个元素后的向量;bk为向量b的第k个元素;x′为向量x划去第k个元素后的向量;f′(x)为向量函数f(x)划去第k个元素后的向量;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量。
具体实施时,连续潮流计算采用牛顿-拉夫逊法解扩展潮流方程。在每一次潮流计算后,若对下一次的潮流解进行预测,并以预测的潮流解作为下一次潮流计算的初值,显然可以大大减少潮流计算的迭代次数,加快计算速度。为了提高预测成功率、提高预测过程的精度及鲁棒性,采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,包括:当前次潮流计算后,通过以下公式预测下一次潮流计算的潮流解,并将预测的潮流解作为下一次潮流计算的初值:
其中,tk是第k个元素为1,其余元素为0的列向量;b是负荷增长方向;fx是电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;Δλ是风电出力水平λ的变化量,Δx是状态变化向量,Δxk是Δx的第k行元素,将Δxk当作常量,将Δxk当作常量,即划去公式的最后一行并将fx的第k列移至右端项,而后将方程的第k行移至最后一行,求解该方程即可得预测方向y。
具体实施时,给出了预测方向之后,还需给出步长h,才能确定预测点。步长的选择对连续潮流法的性能有着重要的影响。步长取得太小,每一次潮流计算都能快速收敛,但是要计算很多次才能计算到临界点附近,若要计算入-V曲线的下半分支,则所需的次数更多。步长取得太大,预测点与所求点的距离可能较远,每一次潮流计算所需的迭代次数较多,结果可能反而花费更多的计算时间,甚至可能导致连续潮流计算不收敛。一般而言,步长选择的基本原则是在曲线比较平坦的部分,步长取较大值;在曲线比较弯曲的部分则取较小值。因此,利用以下公式计算所述预设的步长:
其中,h为预设的步长;hmax为常数;yi为预测方向y的第i个分量,n是正整数。具体的,在连续潮流计算中还可引入变步长的概念,若本次连续潮流计算所需的迭代次数较多则减小步长,迭代次数较少则增大步长,迭代次数适中则保持原步长。
以下结合具体示例来描述上述光伏电站电力系统的电压稳定分析方法。例如:
电力系统的基本潮流方程为:
f(x)+λb=0 (1)
其中,x∈Rn;f(x)为n维函数向量;b为负荷增长方向,b∈Rn;λ为实参变量,从物理的角度说,它实际上在一定程度上代表着系统的负荷水平。
式(1)的基本潮流方程有n+1个变量,但只有n个方程,是不能解出定值解的,它实际上是n+1维空间上的一条曲线。为求得定值解,必需增加一个方程。最简单也最直观的方法当然是采用图2所示的逐点计算法,在每次潮流计算中先确定λ的值,而后即可求得对应的定值解。但当λ取某一较大值时,修正方程可能出现病态,且随着λ值的继续增大,其病态性将更趋严重,当λ大到一定程度时,修正方程的病态将使得常规潮流计算无法收敛。图2的逐点计算法说明图直观地说明了这一点。随着负荷水平的加重,λ值不断增加,预测点xp向右移动,当xpx与λ-V曲线相切时,x即为电压崩溃临界点,但由于雅可比矩阵在临界点处奇异,临界点附近病态,潮流计算将无法收敛,数值计算失败。为克服该缺点,连续潮流法便应运而生。
连续潮流法的关键在于选择合理的连续化参数以保证临界点及其附近的收敛性。目前,参数连续化方法主要有弧长连续法、同伦连续法和局部参数连续法。
图3直观地给出了弧长连续法的基本概念,其基本思路是通过引入参数S代表从x到初始点x0的弧长,并取S等于x0xp的长度来实现,即新增方程为:
其中,
图4直观地给出了同伦连续法的基本概念,其基本思路是令向量x-xp与向量x0-xp垂直,由此可增加方程(即上述新的方程):
图5直观地说明了局部参数连续法的基本概念。其基本思路则是
根据预测方向先确定向量x的某一元素,即根据x0及xp增加方程(即上述新的方程):
xk=xpk (4)
其中,k为局部连续化参数对应的下标,实用中一般取向量xp-x0绝对值最大元素对应的下标,对于连续潮流计算,则可将k限定于电压所对应的元素。
经过上述处理,扩展后的潮流方程有n+1个方程,n+1个变量,由此即可求得定值解。
为说明方便,将以上增加的方程(即上述新的方程)统一用g(x,λ)=0表示。用牛顿-拉夫逊法解扩展潮流方程,则相应的扩展后的潮流方程如下:
其中,J=fx为常规潮流的雅可比矩阵,J′为扩展后潮流方程的雅可比矩阵,上标T表示转置。
若临界点为正常拐点(即鞍结分叉点),则扩展潮流方程的雅可比矩阵J′在临界点处非奇异。
对于式(5)扩展方程的求解,由于扩展潮流雅可比矩阵J′在临界点处非奇异,如果三角分解选主元的话,该方法能够可靠地计算到电压崩溃临界点。但是,出于稀疏性的考虑,雅可比矩阵三角分解时一般不选主元,又由于J′左上角部分矩阵fx(即常规潮流雅可比矩阵)在临界点处奇异,临界点附近病态,使得扩展方程在临界点及附近的计算精度难以得到有效保证,连续潮流法在临界点及附近的收敛性将同样无法得到有效保证。
为克服上述缺点,对局部参数连续法的算法实现进行适当修改。在迭代求解λ-V曲线与新增方程xk=xpk的交点的过程中,不将xk=xpk当作方程来考虑,而是将xk当作常量,并将方程fk(x)+λbk=0移至最后一行。相应地,采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所对应的修正方程(即上述修正后的电力系统的潮流方程)如下:
其中,J″是上述修正后的潮流雅可比矩阵;f′x为fx划去第k行第k列后的矩阵;b′为向量b划去第k个元素后的向量;bk为向量b的第k个元素;x′为向量x划去第k个元素后的向量;f′(x)为向量函数f(x)划去第k个元素后的向量;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量。
可以看出,J″事实上是J′划去第n+1行第k列后将第k行移到最后一行而得到的。
对于局部参数连续法,式(5)中gλ=0。现假设J″在临界点处奇异,则使得J″w=0。构造向量w′=(w1,w2,…,Wk-1,0,Wk,…,wn)T,则有J′w′=0。由w≠0可得w′≠0,故有J′奇异。这与正常拐点处J′非奇异矛盾,此即证明了若临界点为正常拐点,J″在临界点处非奇异。
对于电力系统连续潮流计算,在电压崩溃临界点及其附近,按照上述下标k的选择原则,xk应该对应于电压下降最快节点的电压,这表明f′x是将系统最薄弱节点当作PV节点处理时的潮流雅可比矩阵。从物理的角度看,将某一节点当作PV节点处理实际上意味着该节点电压维持恒定。可以想象,如果在系统的某一薄弱节点投入充足的无功电源以维持该节点电压恒定,则系统的电压稳定裕度必将增大,这就意味着f′x临界点处非奇异。由此可见,即使在临界点处,f′x及J″均非奇异,连续潮流法能够可靠地计算到电压崩溃临界点。
从空间解析几何的角度来看,连续潮流计算的每一点相当于求λ-V曲线与新增方程所对应的空间曲面的交点。用牛顿-拉夫逊法迭代求解多维空间中一条曲线与一个曲面的交点,当该曲线与曲面相切时,对应的雅可比矩阵奇异,数值计算将无法收敛,正交时其收敛性则应最好,相交时其收敛性介于两者之间。潮流方程雅可比矩阵临界点处的奇异正来源于λ-V曲线与λ恒定曲面的相切。对于连续潮流法,由于新增方程对应的空间曲面与λ-V曲线不再相切而是相交,从而使得扩展的潮流雅可比矩阵不再奇异。
由于以前的连续潮流法均没有解决因常规潮流雅可比矩阵临界点附近病态所导致的扩展潮流雅可比矩阵的左上角部分矩阵的病态,从而导致扩展修正方程在临界点附近的计算精度受到影响,连续潮流计算的收敛性无法得到有效保证。采用本方法,由于解决了扩展潮流雅可比矩阵左上角部分临界点处的奇异,扩展修正方程的计算精度可以得到有效保证,连续潮流计算在临界点附近的收敛性大大提高。事实上,对于二维系统,局部参数连续法新增方程所对应的空间曲面在临界点处与入-V曲线正交,而经过本项目的改进,扩展修正方程的计算精度又可以得到有效保证,其临界点附近的收敛性应该优于其它点。对于高维系统,并不总具有上述性质,但大致规律还是有的。当然,雅可比矩阵的性质并非决定算法收敛速度的唯一因素,采用牛顿-拉夫逊法进行非线性方程组的数值求解,算法的收敛性能还与初值关系密切。
连续潮流计算一般用牛顿-拉夫逊法解扩展潮流方程。在每一次潮流计算后,若对下一次的潮流解进行预测,并以此作为下一次潮流计算的初值,显然可以大大减少潮流计算的迭代次数,加快计算速度。
切线法的实质是利用当前解的微分来预测下一潮流解。对式(1)的连续潮流基本方程求全微分可得:
fxdx+bdλ=0 (7)
设预测方向为则有
fxΔx+bΔλ=0 (8)
若fx T是良态的,令Δλ=1,则
fxΔx=-b (9)
直接求解该方程得Δx,即可得预测方向
对于连续潮流计算的初始点,由于只有当前点信息,雅可比矩阵又是良态的,故一般直接采用该方法进行预测。
然而潮流雅可比矩阵在临界点处奇异,临界点附近病态,故在临界点及其附近,式(9)矩阵方程的求解精度将无法得到有效保证,预测效果可能较差。
对式(8),令Δxk=-1,1≤k≤n,则有预测下一次潮流计算的潮流解的公式:
其中,tk是第k个元素为1,其余元素为0的列向量,即
为下文说明方便,先给出如下引理。
引理1:对于矩阵当A奇异,且dim null(A)=1时,当且仅当时,M非奇异。
若临界点为正常拐点,则临界点处dimnull(fx)=1,且现假设fx划去第k行第k列后的剩余矩阵f′x是良态的,则有由引理1可知,矩阵非奇异。
由上节可知,若选择k为某一薄弱节点电压所对应的元素,则f′x将是良态的,故只需根据上一次的预测方向或灵敏度分析确定系统的薄弱节点,并依此选择下标k,而后直接求解式(10),即可得预测方向y,这就是切线预测法。
在临界点附近,若直接求解式(10),由于扩展潮流雅可比矩阵的左上角部分矩阵病态,矩阵方程的计算精度无法得到有效保证,预测效果可能较差。
将Δxk当作常量,即划去式(10)的最后一行并将fx的第k列移至右端项,而后将方程的第k行移至最后一行,求解该方程即可得预测方向y。
经上述处理,预测过程有效地克服了潮流雅可比矩阵在临界点处奇异及λ-V曲线在节点类型转化前后非光滑所可能导致的预测失败,大大提高了预测过程的精度及鲁棒性。
给出了预测方向之后,还需给出步长h,才能确定预测点。步长选择对连续潮流法的性能有着重要的影响。步长取得太小,每一次潮流计算都能快速收敛,但是要计算很多次才能计算到临界点附近,若要计算λ-V曲线的下半分支,则所需的次数更多。步长取得太大,预测点与所求点的距离可能较远,每一次潮流计算所需的迭代次数较多,结果可能反而花费更多的计算时间,甚至可能导致连续潮流计算不收敛。
一般而言,步长选择的基本原则是在曲线比较平坦的部分,步长取较大值;在曲线比较弯曲的部分则取较小值。这里取其中hmax为一给定的常数,yi为预测方向y的第i个分量。显然,该方法满足上述的基本原则。仿真计算也证明了该方法的有效性。
此外,在连续潮流计算中还可引入变步长的概念,若本次连续潮流计算所需的迭代次数较多则减小步长,较少则增大步长,适中则保持原步长。
发电机维持机端电压的能力在很大程度上影响着电力系统的电压稳定性。在实际的电力系统中,发电机受最大励磁电流和绕组发热条件的限制,其无功出力是有限的。这里假定发电机无功出力一旦达到其上限,将保持最大无功出力不变。从潮流计算的观点看,这就是发电机从PV节点转化为PQ节点。发电机无功出力限制是静态电压稳定性研究中最重要的非线性因素之一,是否考虑发电机无功限制将直接影响到临界点计算的合理性。如果不考虑发电机无功出力限制,计算结果将偏于乐观。
状态指标法只计算当前状态,故一般无法考虑发电机的无功出力限制。对于连续潮流法,则必需考虑这一因素。
图6至图8给出了某一发电机无功出力达到上限后从PV节点转化为PQ节点(Q=Qmax)时λ-V曲线所可能出现的三种变化情况。其中,曲线I为将该发电机当作PV节点处理时的入-V曲线,曲线II为将该发电机当作PQ节点处理时的入-V曲线,实线部分则为考虑该发电机无功限制时的实际λ-V曲线。
从图6至图8可以看出,当发电机从PV节点转化为PQ节点时,实际的入-V曲线将是连续而非光滑的。
对于图6的情况,两λ-V曲线交于各自的上半分枝,其实际临界点为该发电机当作PQ节点处理时的临界点。对于图7及图8的情况,曲线I的上半分枝与曲线II的下半分枝,其交点实际上就是电压崩溃临界点,故进行连续潮流计算时应求出其交点。图8实际上与图7相似,只是由于潮流的多解性而可能出现的两种不同情况。
若采用线性预测法进行预测,对于图6情况,由于实际λ-V曲线在转折点两侧的梯度变化不是很大,预测点与实际入-V曲线的距离一般不是很远,算法的收敛性仍能得到保证,只是所需迭代次数可能相对较多;对于图7情况,转折点两侧的梯度变化较大,预测点可能远离实际的入-V曲线,连续潮流计算所需迭代次数一般较多,甚至可能不收敛;对于图8的情况,则可能不收敛或甚至收敛于错误分枝。
上述分析表明,在考虑发电机无功出力限制时,若采用线性预测法,则连续潮流计算在无功出力受到限制,机端节点发生节点类型转化时应改用切线预测法进行预测,这无疑增加了算法的复杂性,若采用改进切线预测法,其所需的计算量虽有所增加,但不必在多种预测方法之间进行转化,预测效果也相对较好,故建议采用改进切线预测法。当然,若不考虑发电机无功出力限制,则可采用线性预测法。
本发明还提供了一种光伏电站电力系统的电压稳定分析装置,如下所述:由于光伏电站电力系统的电压稳定分析装置解决问题的原理与光伏电站电力系统的电压稳定分析方法相似,因此光伏电站电力系统的电压稳定分析装置的实施可以参见光伏电站电力系统的电压稳定分析方法的实施,重复之处不再赘述。以下所使用的,术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现,但是硬件,或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图9是本发明的光伏电站电力系统的电压稳定分析装置的一种结构框图,如图9所示,包括:方程扩展修正模块901、求解模块902、确定模块903以及分析模块904,下面对该结构进行说明。
方程扩展修正模块901,用于选择连续化参数形成新的方程,利用所述新的方程扩展电力系统的潮流方程,对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;
求解模块902,与方程扩展修正模块901连接,用于采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;
确定模块903,与求解模块902连接,用于根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;
分析模块904,与确定模块903连接,用于根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。
所述修正后的电力系统的潮流方程为:
其中,x是状态向量,f(x)是潮流平衡方程,k是行号;J″是修正后的扩展的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;f′x是修正后的潮流雅可比矩阵;b′是修正后的负荷增长方向b;bk为b的第k个元素;x′为修正后的向量x;f′(x)为修正后的潮流方程组;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量;Δx′是与x′对应的变化向量,Δλ是风电出力水平λ的变化量。
当前次潮流计算后,求解模块利用以下公式预测下一次潮流计算的潮流解,并将预测的潮流解作为下一次潮流计算的初值:
其中,tk是第k个元素为1,其余元素为0的列向量;b是负荷增长方向;fx是电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;Δλ是风电出力水平λ的变化量;Δx是状态变化向量;Δxk是Δx的第k行元素,将Δxk当作常量。
还包括:步长计算模块,用于通过以下公式计算所述预设的步长:
其中,h为预设的步长;hmax为常数;yi为预测方向y的第i个分量,n是正整数。
在本发明中,通过利用新的方程来扩展电力系统的潮流方程,使得扩展后的潮流方程为可求得定值解的方程,并通过对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,使得修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中最薄弱节点当作PV节点处理时的潮流雅可比矩阵,即修正后的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵在临界点及其附近为非奇异,且修改后的潮流雅可比矩阵(即修正后的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵左上角部分矩阵)在临界点及其附近也为非奇异,解决了扩展潮流雅可比矩阵左上角部分矩阵(即潮流雅可比矩阵)临界点处的奇异问题,克服了潮流雅可比矩阵临界点处奇异及其附近病态给数值计算带来的不良影响,扩展修正方程的计算精度可以得到有效保证,连续潮流计算在临界点附近的收敛性大大提高,增加了算法的可靠性。
显然,本领域的技术人员应该明白,上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,并且在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光伏电站电力系统的电压稳定分析方法,其特征是,包括:
(1-1)对电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;
(1-2)采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;
(1-3)根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;
(1-4)根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。
2.根据权利要求1所述的光伏电站电力系统的电压稳定分析方法,其特征是,所述修正后的电力系统的潮流方程为:
<mrow>
<msup>
<mi>J</mi>
<mrow>
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<mo>&prime;</mo>
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<mtr>
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<msub>
<mi>f</mi>
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<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
<mo>+</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中,x是状态向量;f(x)是潮流平衡方程,k是行号;J″是修正后的扩展潮流方程的雅可比矩阵;f′x是修正后的潮流雅可比矩阵;b′是修正后的负荷增长方向;bk为b的第k个元素;x′为修正后的状态向量;f′(x)为修正后的潮流方程组;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量;Δx′是与x′对应的变化向量,Δλ是风电出力水平λ的变化量。
3.根据权利要求1所述的光伏电站电力系统的电压稳定分析方法,其特征是,步骤(1-2)包括:
当前次潮流计算后,通过以下公式预测下一次潮流计算的潮流解,并将预测的潮流解作为下一次潮流计算的初值:
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
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<mtd>
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<mtr>
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<mi>t</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
</msup>
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</mtd>
<mtd>
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
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<mtr>
<mtd>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>x</mi>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mi>&Delta;</mi>
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</mtr>
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<mo>=</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtr>
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<mtr>
<mtd>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中,tk是第k个元素为1,其余元素为0的列向量;b是负荷增长方向;fx是电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;Δλ是光伏出力水平λ的变化量,Δx是状态变化向量,Δxk是Δx的第k行元素,将Δxk当作常量。
4.根据权利要求1所述的光伏电站电力系统的电压稳定分析方法,其特征是,通过以下公式计算所述预设的步长:
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>h</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
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<mo>=</mo>
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</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中,h为预设的步长;hmax为常数;yi为预测方向y的第i个分量,n是正整数。
5.一种光伏电站电力系统的电压稳定分析装置,其特征是,包括:
方程扩展修正模块,用于选择连续化参数形成新的方程,利用所述新的方程扩展电力系统的潮流方程,对扩展后的电力系统的潮流方程进行修正,得到修正后的电力系统的潮流方程,在修正后的电力系统的潮流方程中,修正后的潮流雅可比矩阵是将电力系统中电压幅值下降最大的节点当作注入功率及电压幅值均指定的节点处理时的潮流雅可比矩阵;
求解模块,用于采用牛顿-拉夫逊法迭代求解所述修正后的电力系统的潮流方程,得到预测方向;
确定模块,用于根据所述预测方向和预设的步长,确定预测点;
分析模块,用于根据所述预测点分析光伏电站电力系统的电压稳定情况。
6.根据权利要求5所述的光伏电站电力系统的电压稳定分析装置,其特征是,所述修正后的电力系统的潮流方程为:
<mrow>
<msup>
<mi>J</mi>
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<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
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<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
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<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
<mo>+</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中,x是状态向量,f(x)是潮流平衡方程,k是行号;J″是修正后的扩展的电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;f′x是修正后的潮流雅可比矩阵;b′是修正后的负荷增长方向b;bk为b的第k个元素;x′为修正后的向量;f′(x)为修正后的潮流方程组;fk(x)为向量函数f(x)的第k个元素;fkx′为函数fk(x)对x′的梯度向量;Δx′是与x′对应的变化向量,Δλ是风电出力水平λ的变化量。
7.根据权利要求5所述的光伏电站电力系统的电压稳定分析装置,其特征是,当前次潮流计算后,所述求解模块利用以下公式预测下一次潮流计算的潮流解,并将预测的潮流解作为下一次潮流计算的初值:
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>x</mi>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中,tk是第k个元素为1,其余元素为0的列向量;b是负荷增长方向;fx是电力系统的潮流方程的雅可比矩阵;Δλ是风电出力水平λ的变化量;Δx是状态变化向量;Δxk是Δx的第k行元素,将Δxk当作常量。
8.根据权利要求5至7任一项所述的光伏电站电力系统的电压稳定分析装置,其特征是,还包括:
步长计算模块利用以下公式计算所述预设的步长:
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>h</mi>
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<mi>n</mi>
</munderover>
<mrow>
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其中,h为预设的步长;hmax为常数;yi为预测方向y的第i个分量,n是正整数。
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