CN108306301B - 转子角控制模式下适用的潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网应用转子角控制（RAD控制）后可用的潮流计算方法。其计算步骤为：首先，在输入传统潮流已知数据的同时，输入发电机内节点角度参考和有功参考。随后进行变量初始化，并将发电机内节点角度设为角度参考。然后开始迭代计算，计算各节点的有功和无功偏差，其中RAD发电机内节点有功注入要加上根据角度偏差得到的修正量。再计算雅可比矩阵，其中RAD发电机内节点有功对角度的偏导数和传统潮流相比，需另外加上转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量。然后使用牛顿法，得到各节点的电压/幅值修正量，和新的节点电压/幅值，完成一次迭代。前述迭代反复进行，直到各节点有功/无功偏差小于预设阈值，潮流计算即可完成。

Description

转子角控制模式下适用的潮流计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析和控制领域，尤其涉及一种转子角控制模式下适用的潮流计算方法。

背景技术

电力系统一直采用分散的一次调频和集中的自动发电控制(AGC，包括二次频率恢复和联络线控制等)结合的方式进行发电有功功率的控制。在采用风、光等可再生能源发电接入后，也继续沿用这一模式。然而，随着电网规模越来越大，这一模式遇到了新的问题。例如，实际系统中发生过多次一次调频过程不稳定导致的超低频频率振荡事件,在机理和表现上与传统的低频振荡存在显著区别。此外，AGC的根据ACE实施的联络线调整可能在联络线上带来周期为110秒的功率波动。随着分布式发电接入电力系统比例的不断提高，也会造成电网各处频率波动和频率差异越发显著，也迫切需要新的技术方案来解决这一问题。

近年来，人们意识到，分布(而非集中)的二次频率恢复不仅可以减少调度中心和众多分布式发电间的通信负担，还可以更快的恢复频率、平息联络线振荡，所以对大电网更为适用。相应的出现了多种分布式的二次频率恢复策略。

有差转子角控制(Rotor angle droop control,RAD)就是一种较好的分布自治的频率控制策略。这种控制策略能使电网中发电机组在调度不干预前提下，自动准确跟踪负荷，实现频率的无差调节。这意味着，实施转子角控制后将不再有一次调频、二次频率恢复的分工，系统频率将在扰动后自治的直接恢复。也就是说，转子角控制是一种新的分散自治的有功控制体系，可以替代现有的一次调频-AGC控制体系。

由于在转子角控制模式下，调度仍需要知道负荷变化后各发电机的出力情况，以便评估负荷增长后各发电机的备用数量，进行静态安全分析或状态估计等计算。所以相应的潮流计算也是必须的。由于有功跟踪机制不同，传统的潮流算法不再适用。本发明将给出一种转子角控制模式下使用的潮流计算方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种转子角控制模式下适用的潮流计算方法，可以在电网实施转子角控制模式后，预估负荷变化后的发电机出力和电网潮流变化。也可用来计算线路故障引起网络拓扑改变后，发电机出力和电网潮流变化情况。因此可作为状态估计、静态安全分析或暂态稳定分析时使用的潮流算法，为电网运行分析与控制提供保障。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种转子角控制模式下适用的潮流计算方法，所述的计算方法包括以下步骤：

S1、输入传统潮流数据，所述的潮流数据包括发电机角度参考和功率参考；

S2、初始化变量，并将发电机内节点角度初始化为角度目标值；

S3、根据内节点角度变化计算新的发电机有功注入；

S4、计算各节点的有功/无功偏差，当所有的节点有功/无功偏差小于预设的阈值时，输出结果，计算结束。

优选的，当所述步骤S4中的节点有功/无功偏差大于或等于预设的阈值时，所述的步骤S4之后还有以下步骤：

S5、计算形成雅克比矩阵；

S6、修正雅克比矩阵对应发电机内节点的有功对角度的偏导数；

S7、计算各节点的幅值/角度修正量，并将计算结果返回到步骤S3中进行计算，以形成循环。

优选的，在潮流计算时RAD机组由两个节点组成，内节点需要修正角度和电压，外节点仅需修正角度。

优选的，在初始化时，将发电机内电势角度设置为角度参考。

优选的，在使用牛拉法潮流计算进行迭代时，内节点的有功注入为基准值加上迭代时角度决定的修正值。

优选的，所述的迭代时角度决定的修正值为对应发电机转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量再乘以迭代时角度值与角度目标值的差。

优选的，迭代时使用的雅可比矩阵的有功对角度的偏导数和传统潮流相比，需要另外加上对应发电机转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量。

优选的，计算时无需设置平衡节点，而由所有RAD机组共同分担负荷和网损。

一种转子角控制模式下适用的潮流计算方法，该计算方法包括：在输入传统潮流已知数据的同时，输入发电机内节点角度参考和有功参考作为计算已知条件。随后按照传统的牛顿-拉弗逊法进行潮流计算，即计算各节点的有功和无功偏差，再利用雅可比矩阵和牛顿法，得到各节点的电压/幅值修正量。不过和传统潮流算法相比，在计算节点注入有功偏差时，发电机的节点注入要加上根据角度偏差得到的修正量；在计算节点的电压幅值/角度修正值时，雅可比矩阵有功对角度的偏导数和传统潮流相比，需要另外加上对应发电机转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量。上述步骤完成后，即可得到新的节点电压/幅值(用来计算各节点新的有功和无功偏差)，完成一次迭代。前述迭代计算反复进行，直到各节点有功/无功偏差小于预设阈值，潮流计算就算完成，可以进一步得到发电机出力、节点电压/幅值、线路功率、网损等潮流结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，可以在电网实施转子角控制模式后，预估负荷变化后的发电机出力和电网潮流变化。

(2)本发明的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，可用来计算线路故障引起网络拓扑改变后，发电机出力和电网潮流变化情况。

(3)本发明的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，可作为状态估计、静态安全分析或暂态稳定分析时使用的潮流算法，为电网运行分析与控制提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的有差转子角控制模式实施后可用的潮流计算方法的流程图；

图2为本发明的有差转子角控制模式实施后可用的潮流计算方法一个实施例中的电网结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先介绍新算法使用的增加了发电机内节点的电网模型，然后阐述对应内节点的方程和转子角控制对发电机出力的影响。再分析这些因素对潮流计算的影响。最后给出潮流计算的详细步骤，也即本发明给出潮流计算方法的具体步骤。

一种适用于转子角控制模式下的潮流计算方法，所述的计算方法包括以下步骤：

S1、输入传统潮流数据，所述的潮流数据包括发电机角度参考和功率参考；

S2、初始化变量，并将发电机内节点角度初始化为角度目标值；

S3、根据内节点角度变化计算新的发电机有功注入；

S4、计算各节点的有功/无功偏差，当所有的节点有功/无功偏差小于预设的阈值时，输出结果，计算结束。

当所述步骤S4中的节点有功/无功偏差大于或等于预设的阈值时，所述的步骤S4之后还有以下步骤：

S5、计算形成雅克比矩阵；

S6、修正雅克比矩阵对应发电机内节点的有功对角度的偏导数；

S7、计算各节点的幅值/角度修正量，并将计算结果返回到步骤S3中进行计算，以形成循环。

在潮流计算时RAD机组由两个节点组成，内节点需要修正角度和电压，外节点仅需修正角度。

在初始化时，将发电机内电势角度设置为角度参考。

在使用牛拉法潮流计算进行迭代时，内节点的有功注入为基准值加上迭代时角度决定的修正值。

所述的迭代时角度决定的修正值为对应发电机转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量再乘以迭代时角度值与角度目标值的差。

迭代时使用的雅可比矩阵的有功对角度的偏导数和传统潮流相比，需要另外加上对应发电机转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量。

计算时无需设置平衡节点，而由所有RAD机组共同分担负荷和网损。

由于有差转子角控制使用转子在GPS坐标系中的量测(绝对转子角)作为输入进行比例-微分(PD)控制，而绝对转子角在电气上总是等于直轴电抗后的发电机内节点电势角度。所以很自然的，在进行潮流计算时，电网模型需要包含发电机内节点，并在计算时修正内节点电势的幅值和角度。图2给出了这样的模型。图2中，每个发电机都在机端母线的基础上，扩充了一个内部支路(对应内部直轴电抗x_d)和一个内电势节点。由此可知，整个电网的节点数量，将在传统潮流计算的基础上增加转子角控制机组(RAD机组)的个数。

在扩展了内电势节点后，转子角控制发电机同时包括两个节点，内节点α和机端母线节点β。由于在扩充内节点后，真正的有功/无功注入源将由机端节点转为内电势节点，机端母线节点β不再有有功和无功注入，所以相应的P_βQ_β为0。此外，在后文计算中，还假设RAD机组可以维持机端母线电压不变，所以内节点的注入无功不受限制。

内节点的有功方程则应同时满足两个约束：

P_α＝V_αV_β(G_αβcosδ_αβ+B_αβsinδ_αβ)

P_α＝(-K_p(δ_α-δ_{aim_α})+Loadref_α)*P_{rated_α} (1)

其中前一方程为支路潮流约束，但左侧P_α为待求量。式中G_αβ＝0而

方程中内节点的角度δ_α和电压幅值V_α都未知，机端母线的电压幅值V_β已知，但角度δ_β未知。

后一方程则为转子角控制的约束。方程体现了RAD发电机有功输出在有功参考的基础上，随着角度下垂的增大而增大的特性。方程中K_p,δ_{aim_α},Loadref_α,P_{rated_α}均为已知量，分别为转子角控制器比例系数，角度目标值，功率参考和发电机额定功率，但P_α，δ_α为待求量。

由于公式(1)的前一方程和标准潮流方程形式相同，所以可以把发电机内节点和其他节点等同处理，从而将方程(1)和标准潮流方程合并/联立。假设电网中所有发电机都使用有差转子角控制器控制(运行在恒功率模式下的发电可以作为负的负荷处理)，网络中共有n个节点，其中前g个节点是发电机内电势节点，根据前节分析，负荷增长引起的调整结束后的电网应符合下面方程(方程中i取值从1到n,k取值从1到g，各发电机转子角控制器比例和微分增益相同)：

P_k＝(-K_p(δ_k-δ_{aim_k})+Loadref_k)*P_{rated_k} (2)

其中，前两个方程为常规的潮流方程，第三个方程则为转子角控制约束方程。方程共有2n行。未知量包括除机端母线电压之外的n-g个未知电压，n个未知角度，以及对应发电机内节点的g个的P_i，其他均为已知量(注意δ_aim也是已知条件而非待求量)。

将第三个方程代入第一个方程后，则该方程的前g行(对应内电势节点的行)成为下面形式：

这一方程左边，就是随着内电势角度变化而变化的发电机有功输出。

将发电机内电势角度移项到右边，成为：

该式左边数值均由调度给定，右边则与传统潮流方程相差无几。因此可以沿用传统的牛顿-拉弗逊法来求解。

根据上述分析，可以得到转子角控制模式下的潮流计算的计算步骤，图1给出了流程图，该流程图可以详细解释如下：

第一步，输入潮流计算所需要的数据，包括网络参数、负荷需求、发电机机端母线电压、发电机有功和角度参考等数据。

第二步，对潮流计算需要使用的变量进行初始化，电网中的各节点电压可以初始化为幅值等于1且角度等于0的相量，但发电机内节点角度应初始化为角度参考，而幅值可根据发电机有功参考及机端电压计算得到(假设无功输出为0)。

第三步，使用当前的发电机内电势角度和公式(6)，计算RAD发电机的有功注入。

P_i＝-K_p(δ_i-δ_{aim_i})*P_{rated_i}+Loa^dref_iP_{rated_i} (6)

第四步，根据各节点电压相量，计算各支路上的潮流，以及各节点的有功和无功偏差。显然，RAD内电势节点上的有功偏差应为：

第五步，判断各节点有功和无功偏差是否均小于预设阈值，如是则结束计算输出结果。否则转第六步。

第六步，按照传统潮流计算算法形成雅可比矩阵。注意因为内电势节点没有注入无功限制，所以对应的ΔQ的行可以取消。对应机端母线电压幅值已知，所以对应ΔV的列可以取消。

第七步，对第六步形成的雅可比矩阵进行修正，即对其中对应发电机内电势节点有功对角度的偏导数，需要按照公式(8)计算：

第八步，按照传统的牛拉法，使用公式(9)计算得到各节点的角度/幅值修正量，再转第三步。

注意在前述步骤中，不可假设某台发电机为平衡节点，也不可在雅可比矩阵和方程中划掉对应的行列。从物理本质上分析，这不光是因为增加GPS坐标后状态空间多了一维，也是因为现在网损和负荷增量都由所有转子角控制发电机共同分担。从数学上分析，经过(8)修正后，包含所有发电机的雅可比矩阵也不会奇异，所以可以求逆并正常计算。

最后还应注意，在迭代过程中，如果某个发电机到达出力上限，该发电机就应转为恒功率机组，其他RAD发电机则会自动调整，增发本应由该机增发的功率。即电网中的所有RAD机组会共同承担传统潮流中平衡节点的作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种转子角控制模式下适用的潮流计算方法，其特征在于，所述的计算方法包括以下步骤：

第一步，输入潮流计算所需要的数据，包括网络参数、负荷需求、发电机机端母线电压、发电机有功和角度参考数据；

第二步，对潮流计算需要使用的变量进行初始化，电网中的各节点电压初始化为幅值等于1且角度等于0的相量，发电机内节点角度应初始化为角度参考，幅值根据发电机有功参考及机端电压计算得到：

式中：V_α为内节点电压幅值，V_β为机端母线节点电压幅值；

第三步，使用当前的发电机内电势角度和公式(6)，计算RAD发电机的有功注入：

P_i＝-K_p(δ_i-δ_{aim_i})*P_{rated_i}+Loadref_iP_{rated_i} (6)

式中：K_p为转子角控制器比例系数；

第四步，根据各节点电压相量，计算各支路上的潮流，以及各节点的有功和无功偏差，RAD内电势节点上的有功偏差为：

第五步，判断各节点有功和无功偏差是否均小于预设阈值，如是则结束计算输出结果，否则转第六步；

第六步，按照传统潮流计算算法形成雅可比矩阵，内电势节点没有注入无功限制，对应的ΔQ的行取消，机端母线电压幅值已知，对应ΔV的列取消；

第七步，对第六步形成的雅可比矩阵进行修正，即对其中对应发电机内电势节点有功对角度的偏导数，按照公式(8)计算：

第八步，按照传统的牛拉法，使用公式(9)计算得到各节点的角度/幅值修正量，再转第三步，

2.根据权利要求1所述的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，其特征在于，在潮流计算时RAD机组由两个节点组成，内节点需要修正角度和电压，外节点仅需修正角度。

3.根据权利要求1-2任一项所述的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，其特征在于，在初始化时，将发电机内电势角度设置为角度参考。

4.根据权利要求1所述的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，其特征在于，在使用牛拉法潮流计算进行迭代时，内节点的有功注入为基准值加上迭代时角度决定的修正值。

5.如权利要求4所述的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，其特征在于，所述的迭代时角度决定的修正值为对应发电机转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量再乘以迭代时角度值与角度目标值的差。

6.根据权利要求1所述的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，其特征在于，迭代时使用的雅可比矩阵的有功对角度的偏导数和传统潮流相比，需要另外加上对应发电机转子角控制器的比例增益乘以发电机的额定容量。

7.根据权利要求1所述的转子角控制模式下适用的潮流计算方法，其特征在于，计算时无需设置平衡节点，而由所有RAD机组共同分担负荷和网损。

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