CN108964061B - 一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率动态连续潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率动态连续潮流计算方法，属于电力系统安全运行领域。考虑风电机组注入功率的随机性，建立考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流模型，其中，通过Weibull分布来模拟生成风速，给出直流网络参数方程约束，考虑了频率电压变化的静态负荷多项式模型和考虑频率变化的发电机出力模型，推导雅克比矩阵，通过不断优化步长及校正，得到PV曲线，找到电压崩溃点，使得连续潮流的计算结果不再依赖平衡节点的选择，可以有效提高电压稳定分析的精度。此外，换流器控制方式的加入对电力系统稳定控制提供了进一步分析的参考价值。

Description

一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率 动态连续潮流计算方法

技术领域

本发明涉及一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率动态连续潮流计算方法，属于电力系统安全运行领域。

背景技术

风速不确定特征建模和预测是大规模风电接入电力系统规划和运行的基础性工作。

在电压静态稳定分析中，连续潮流法引入了连续化参数，常用来计算静态电压稳定裕度，但在系统负荷变化过程中假定系统的频率固定不变，而实际上有功功率与频率具有强相关性，负荷变化会引起系统频率的偏移，而频率反映了系统中有功功率供需平衡的基本关系。文献《动态连续潮流与自适应混沌粒子群结合计算静态电压稳定裕度》针对连续潮流在处理不平衡功率上存在不足，将动态潮流算法引入到连续潮流模型中，根据发电机和负荷的静态频率特性分配系统的不平衡功率。

本发明在含风电交直流电力系统静态电压稳定分析中，考虑了负荷频率电压静特性，建立概率动态连续潮流模型，设计潮流计算流程，用来分析风电不确定注入电力系统对系统静态电压稳定的影响。此外，在交直流动态概率连续潮流模型中，换流器控制方式的加入对电力系统稳定控制提供了进一步分析的参考价值。

发明内容

本发明在含风电交直流电力系统静态电压稳定分析中，以最大静态电压稳定裕度为目标函数，考虑了负荷频率电压静特性，建立概率动态连续潮流模型，推导雅克比矩阵，通过不断优化步长及校正，得到PV曲线，找到电压崩溃点。

本发明采用如下技术方案：该方法主要包括如下步骤：

步骤1：建立随机风电出力模型；

步骤2：建立考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流模型；

步骤3：设计考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流计算方法。

附图说明

图1为考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流计算流程图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

1.建立随机风电出力模型

1)建立随机风速模型

风速通常可以用Weibull来生成，用来近似模拟一个地区的风速，其概率密度函数为：

式中：v为风速大小，c为Weibull分布的尺度参数，反映风电场所在地方的平均风速；k为Weibull分布的形状参数，c和k均由实测数据拟合所得。本发明中风速v采用文献《运用特征值法确定交直流系统电压失稳区》所述的满足Weibull分布的随机数生成：v_i＝c(lnx_i)^1/k，式中x_i服从[0,1]区间的均匀分布。

2)建立风机出力模型

单台风电机发出有功功率与风速的关系可近似表示为：

式中，P_W为单台风电机发出的有功功率，v表示风电场风速，v_ci表示风电场内风机的切入风速；v_co表示切出风速；v_r表示额定风速，P_r为风电场额定功率。

2.建立考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流模型

1)考虑负荷静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流方程组

在交直流系统常规潮流方程中，考虑反映负荷和发电功率变化的负荷变化因子，加入风机出力以及能反映直流网络特性的换流器参数，形成含风电交直流系统连续潮流模型。连续潮流模型中认为负荷水平变化过程中假定系统的频率固定不变，始终为基态频率，而实际上有功功率与频率强相关，负荷变化会引起系统频率的偏移，而频率反映了系统中有功功率供需平衡的基本关系。动态潮流模型可以对系统中由于负荷水平变化引起的不平衡功率进行合理的分配，使得连续潮流的计算结果不再依赖平衡节点的选择，可以有效提高电压稳定分析的精度，所以本发明在上述含风电交直流连续潮流模型中考虑了关于频率电压变化的静态负荷模型，以及关于频率变化的发电机出力模型，建立考虑负荷静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流方程组：

式中：P_Wi、Q_Wi分别代表风电场发出的有功功率和无功功率，节点未连接风电机组时该值为零；G_ij、B_ij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；V、θ表示节点电压幅值和相角；λ是负荷变化因子，反映负荷和发电功率变化，0≤λ≤λ_cr，当λ为0时，对应基态下发电机出力和负荷水平，当λ＝λ_cr时，对应临界负荷，即电压崩溃点下发电机出力和负荷水平；k_PL、k_QL分别为负荷增加时负荷节点的功率增长系数，当以恒功率因数方式增长时，k_PL＝k_QL；V_dk、

I_dk分别为直流网络中第k个换流器的直流电压、功率因数角及直流电流，节点不连接直流线路时V_dk，I_dk均为零。

2)考虑频率电压变化的静态负荷多项式模型：

P_Li、Q_Li分别为节点i负荷有功和无功功率，P_Li0、Q_Li0分别为节点i负荷额定有功和无功功率；Δf为系统频率变化；k_i、a_i、b_i、c_i为负荷有功功率下负荷特性系数值，且均为常数，其中a_i+b_i+c_i＝1；k′_i、a'_i、b′_i、c'_i为负荷无功功率下负荷特性系数值，且均为常数，其中a'_i+b′_i+c'_i＝1；。

3)考虑频率变化的发电机出力模型：

P_Gi、Q_Gi分别为发电机节点i有功、无功出力，P_Gi为发电机节点i有功出力；P_Gi0为发电机节点i额定有功出力；P_mini为发电机节点i的最小有功出力；P_maxi为发电机节点i的最大有功出力；k_Gi为发电机节点i的单位调节系数。

4)系统频率变化区间约束：

-0.2≤Δf≤0.2 (6)

5)直流网络参数方程约束：

式中，k_Tk为换流变压器变比；V_tk为交流系统换流变压器一次侧线电压；θ_dk为换流器控制角，对整流器是触发滞后角α，对逆变器是熄弧超前角γ；X_ck为换流器等值电抗；k_γ为换相系数一般取0.995。N_c为换流器个数；g_dkj为消去联络节点后直流网络的节点电导矩阵G_d的元素。

式(3)、(7)、(8)可用F(x，P_W，λ，△f)＝0其中

表示交直流系统状态变量。在动态连续潮流计算中，主要包括预测和校正两个环节，其中交直流系统雅克比矩阵

由式(3)、(6)、(7)、(8)共同求解。

3.设计考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流计算方法

1、赋值Weibull分布的形状参数k和尺度参数c，生成风速样本，模拟风电功率出力P_Wi；

2、设定直流节点位置，给定换流器初始参数V_dk，k_T，cosθ_dk，

k_Tk，V_tk，θ_dk，X_ck，k_γ，计算直流网络节点电导矩阵G_d；

3、给出负荷功率增长系数值k_PL，k_QL，负荷有功功率和无功功率下负荷特性系数值k_i、a_i、b_i、c_i、k′_i、a'_i、b′_i、c'_i；

4、设定发电机节点i的单位调节系数k_Gi；

5、输入系统负荷功率、发电机功率、风电机组出力、线路参数及节点参数等原始数据；

6、给定连续参数初始值λ＝0；

7、计算频率变化Δf值，判断是否满足变化区间，不满足则判断系统崩溃，满足则继续下一步；

8、运用牛顿拉夫逊潮流计算方法计算初始状态下潮流解，根据式(3)求扩展雅克比矩阵

1)预测：计算切向量，设定步长，得预测值；

2)校正：以预测值为初始解，进一步计算；

9、判断是否满足节点功率不平衡量的容许误差ε，如果满足，则计算结束，如果不满足，则优化步长控制，回到步骤8重新计算；

10、结束。

Claims (3)

1.一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率动态连续潮流计算方法，其特征在于：

步骤1：建立随机风电出力模型；

步骤2：建立考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流模型；

式中：P_Gi0为发电机节点i额定有功出力；P_Li0、Q_Li0分别为节点i负荷额定有功和无功功率；P_Wi、Q_Wi分别代表风电场发出的有功功率和无功功率，节点未连接风电机组时为零；G_ij、B_ij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；V、θ表示节点电压幅值和相角，V_i、V_j分别为i、j节点的电压幅值，θ_ij为i、j节点间的相角差；Q_Gi为发电机节点i无功出力；λ是负荷变化因子，反映负荷和发电功率变化，0≤λ≤λ_cr，当λ为0时，对应基态下发电机出力和负荷水平，当λ＝λ_cr时，对应临界负荷，即电压崩溃点下发电机出力和负荷水平；k_PL、k_QL分别为负荷增加时负荷节点的功率增长系数，当以恒功率因数方式增长时，k_PL＝k_QL；V_dk、

I_dk分别为直流网络中第k个换流器的直流电压、功率因数角及直流电流，节点不连接直流线路时V_dk，I_dk均为零；

步骤3：设计考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流计算方法；

①、赋值Weibull分布的形状参数k和尺度参数c，生成风速样本，模拟风电功率出力P_Wi；

②、设定直流节点位置，给定换流器初始参数V_dk，cosθ_dk，

k_Tk，V_tk，θ_dk，X_ck，k_γ，计算直流网络节点电导矩阵G_d；V_tk为交流系统换流变压器一次侧线电压；θ_dk为换流器控制角，对整流器是触发滞后角α，对逆变器是熄弧超前角γ；X_ck为换流器等值电抗；k_γ为换相系数取0.995；k_Tk为换流变压器变比；

③、给出负荷功率增长系数值k_PL，k_QL，负荷有功功率和无功功率下负荷特性系数值k_i、a_i、b_i、c_i、k′_i、a′_i、b′_i、c′_i；

④设定发电机节点i的单位调节系数k_Gi；

⑤输入系统负荷功率、发电机功率、风电机组出力、线路参数及节点参数；

⑥、给定连续参数初始值λ＝0；

⑦、计算频率变化Δf值，判断是否满足变化区间，不满足则判断系统崩溃，满足则继续下一步；

⑧、运用牛顿拉夫逊潮流计算方法计算初始状态下潮流解，根据式(1)求扩展雅克比矩阵

i)预测：计算切向量，设定步长，得预测值；

ii)校正：以预测值为初始解，进一步计算；

⑨、判断是否满足节点功率不平衡量的容许误差ε，如果满足，则计算结束，如果不满足，则优化步长控制，回到步骤⑧重新计算；

⑩、结束。

2.根据权利要求1所述的一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率动态连续潮流计算方法，其特征在于，所述步骤1通过Weibull分布来模拟生成风速，并建立风机出力模型。

3.根据权利要求1所述的一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率动态连续潮流计算方法，其特征在于，所述步骤2建立考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流模型，在交直流系统常规潮流基础上，考虑负荷变化因子λ，加入风机出力以及能反映直流网络特性的换流器参数，形成连续潮流模型，在交直流连续潮流模型中考虑频率电压变化的静态负荷多项式模型和考虑频率变化的发电机出力模型，建立考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流系统概率动态连续潮流模型，即F(x，P_W，λ，△f)＝0，其中P_W为单台风电机发出的有功功率，Δf为系统频率变化，

表示交直流系统状态变量，θ_i为节点i的电压相角；使得连续潮流的计算结果不再依赖平衡节点的选择，有效提高电压稳定分析的精度，其中为了求解雅克比矩阵，给出了直流网络参数方程约束和系统频率变化区间约束。

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