CN109301870A - 一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法。由电力电子多馈入电力系统中的电力电子设备参数获得电力电子设备的额定容量对角矩阵，进而计算获得电力电子多馈入电力系统的广义短路比；计算广义短路比关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度，根据灵敏度调整电力电子设备的额定容量，再重新计算广义短路比关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度，并根据灵敏度再次不断调整电力电子设备的额定容量直至灵敏度极差满足条件，完成电力电子多馈入电力系统的容量优化。本发明方法物理机理明确，能够显著提高电力电子多馈入电力系统的广义短路比指标，从而改善系统的小干扰稳定性，使电力电子多馈入电力系统稳定运行。

Description

一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法

技术领域

本发明属于新能源优化规划技术领域一种电力系统系统容量优化方法，具体涉及一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法，旨在提高电力电子多馈入电力系统小干扰稳定性的容量优化。

背景技术

随着全球能源危机的不断加剧和环境污染的日益严重，以光伏、风能为代表的可再生清洁能源发电越来越受到重视。我国能源资源分布不均，长期存在电能大规模远距离输送的需要，高比例可再生能源集群并网已经成为新能源发电产业未来发展的重要趋势。研究表明，日益增大的可再生能源并网容量接入后，交流系统相对变弱，容易出现小干扰稳定性问题。

解决大规模可再生能源集群式并网导致的小干扰稳定问题，可以从电力电子设备或者从电网结构两方面入手。从设备层面看，调整并网逆变器控制参数，如锁相环及电流内环参数，可以增加系统的稳定裕度；另一方面，通过优化电力电子设备并网容量以及接入位置，也可以提高系统的稳定裕度。本方法关注后者，即电力电子设备额定容量总额一定时，如何优化各电力电子设备接入点的容量以提高系统的小干扰稳定裕度。

目前，可再生能源集群并网容量优化研究或从电网经济运行的角度或从电压稳定的角度展开，很少考虑到系统的小干扰稳定性。而在实际工程中，对于电力电子多馈入电力系统，小干扰稳定问题相较于静态电压问题更容易发生。例如，西北电网中光伏并网规划容量很大，系统潜在的小干扰稳定问题突出，但如何有序规划光伏并网的落点和容量以解决潜在的振荡问题研究较少。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于广义短路比的电力电子多馈入电力系统容量优化方法，其物理机理明确，旨在提高电力电子多馈入电力系统的广义短路比指标，从而改善系统的小干扰稳定性，使电力电子多馈入电力系统稳定运行。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)由电力电子多馈入电力系统中的电力电子设备参数获得电力电子设备的额定容量对角矩阵S_B，并求逆得到逆矩阵由电力电子多馈入电力系统的受端交流电网通过戴维南等效得到等值导纳矩阵B，将逆矩阵与等值导纳矩阵B相乘得到扩展导纳矩阵J_eq，并得到电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR；

具体实施中，所述的电力电子设备例如为光伏、风机。

所述步骤1)中由以下公式的目标函数得到电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR，并确认最薄弱的等效单馈入系统；

2)计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度，根据灵敏度调整电力电子设备的额定容量，再重新计算广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度，并根据灵敏度再次不断调整电力电子设备的额定容量直至灵敏度极差满足条件，例如满足给定的灵敏度偏差阈值ρ或者达到最大迭代次数，完成电力电子多馈入电力系统的容量优化。

所述步骤2)具体为：

2.1)计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度；

2.2)比较步骤2.1)计算得到的各个灵敏度，找出所有灵敏度绝对值中的最大值和最小值及其对应馈入支路的编号k_max和k_min并计算灵敏度极差γ，并更新当前迭代次数，公式表示为：

其中，S_Bk表示第k台电力电子设备的额定容量，S_Bj表示第j台电力电子设备的额定容量，k和j均表示电力电子设备的序数；

2.3)比较步骤2.2)求得的灵敏度极差γ与灵敏度偏差阈值ρ大小关系或检查是否达到最大迭代次数来选择进行下一步骤：

如果灵敏度极差γ小于灵敏度偏差阈值ρ或达到最大迭代次数，则直接执行步骤2.5)，否则执行步骤2.4)；

2.4)调整编号为k_max的馈入支路上电力电子设备的额定容量下调一个单位步长h，调整编号为k_min的馈入支路上电力电子设备的额定容量上调一个单位步长h，返回到步骤2.1)；

2.5)输出上述步骤优化后获得的电力电子多馈入电力系统的电力电子设备的额定容量对角矩阵S_B和多馈入电力电子电力系统的广义短路比gSCR。

所述步骤2)中，结合扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的左特征向量ψ和右特征向量φ采用以下公式计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度：

其中，ψ_k表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的左特征向量ψ的第k个元素，φ_m表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的右特征向量φ的第m个元素，n为馈入的电力电子设备总数量，B_km表示等值导纳矩阵B中第k行第m列的元素。

所述步骤1)中的根据扩展导纳矩阵J_eq得到电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR，具体为：通过对扩展导纳矩阵J_eq进行特征值分解，得到扩展导纳矩阵J_eq的特征值矩阵Λ及其右特征向量矩阵Φ和左特征向量矩阵Ψ，取特征值矩阵Λ中的最小特征值作为电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR。

所述步骤2)中考虑实际工程中可再生能源机组/基地的规划问题：已知现有若干同类型的电力电子设备，应该如何分散接入交流电网，使得系统的小干扰稳定性得到最大改善。

所述步骤2)中，计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度时，以多馈入电力电子设备的额定容量总和恒定为约束条件，即以下公式：

式中，S_∑是为给定多馈入电力电子设备的额定容量总和，n为馈入的电力电子设备总数量，S_Bi表示第i台电力电子设备的额定容量，i为馈入的电力电子设备序数。

所述步骤2)中的电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR计算原理过程为：

记ψ为扩展导纳矩阵J_eq对应特征值gSCR的左特征向量，即

ψJ_eq＝gSCRψ (1)

将代入式(1)，两边转置并考虑到等值导纳矩阵B、电力电子设备额定容量对角矩阵S_B是对称阵，得：

式2)两边同时左乘则等价变形为：

记则由上式可知φ是J_eq对应特征值gSCR的右特征向量。

结合该表达式推导得到电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各电力电子设备额定容量S_B的灵敏度为：

其中，S_Bk表示第k台电力电子设备的额定容量，φ_k表示右特征向量φ的第k个元素。

从上式可知，电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度恒为负。

本发明的有益效果是：

本发明基于电力电子多馈入电力系统广义短路比指标，从小干扰稳定的角度对输电侧大规模集群式可再生能源的并网容量进行优化分配，将电力电子设备侧的规划与系统小干扰稳定性直接联系起来，能够有效地通过容量优化改善系统的小干扰稳定性，使电力电子多馈入电力系统稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例仿真验证中电力电子多馈入电力系统等效电路图。

图2为本发明实施例仿真验证中典型逆变器使用的U_dc控制框图。

图3为本发明容量优化方法的流程示意图。

图4为本发明实施例仿真验证中容量优化过程系统主导特征根轨迹。

图5为本发明实施例仿真验证中容量优化前后馈入点有功功率对比。

图6为本发明实施例仿真验证中容量优化前后馈入点无功功率对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

按照本发明方法内容完整实施的具体实施例如下：

在Matlab/Simulink软件中搭建电力电子三馈入电力系统，如图1所示。三馈入系统中的电力电子设备是一种典型的电压源型逆变器。逆变器外环采用恒直流电压U_dc控制，如图2所示。图2中各变量物理意义如下表1所示：

表1 U_dc控制逆变器变量对应表

U_dc控制逆变器变量的参数值如下表2所示：

表2实施例仿真验证中逆变器变量的参数值

直流侧注入功率P<sub>in</sub>/p.u.	1
		直流电容电压参考值U<sub>dcref</sub>/p.u.	1
内环q轴电流参考值I<sub>cqref</sub>/p.u.	0
		直流电压控制PI环节参数K<sub>pdc</sub>	0.5
直流电压控制PI环节参数K<sub>idc</sub>	8
		电流内环PI环节参数K<sub>pi</sub>	0.2
电流内环PI环节参数K<sub>ii</sub>	10
		锁相环PI环节参数K<sub>ppll</sub>	2.5
锁相环PI环节参数K<sub>ipll</sub>	3200
		滤波电感L<sub>f</sub>/p.u.	0.05
直流侧电容C<sub>dc</sub>/p.u.	0.12

电力电子三馈入系统的交流网络参数如下表3所示：

表3实施例仿真验证中交流电网参数

线路阻抗Z<sub>10</sub>/p.u.	0.15
		线路阻抗Z<sub>20</sub>/p.u.	0.05
线路阻抗Z<sub>30</sub>/p.u.	0.1
		线路阻抗Z<sub>12</sub>/p.u.	0.2
线路阻抗Z<sub>13</sub>/p.u.	0.25
		线路阻抗Z<sub>23</sub>/p.u.	0.2

电力电子三馈入系统的额定容量如下表4所示：

表4实施例仿真验证中电力电子设备额定容量

	设备1	设备2	设备3
				S<sub>B</sub>/p.u.	3.5	1	1

给定三馈入系统电力电子设备额定容量总和S_∑为5.5p.u.，电力电子设备工作在额定运行点，三馈入系统额定容量标么值为S_B＝diag(3.5,1,1)。采用图3所示流程图进行优化计算，其中灵敏度偏差阈值ρ设为0.0001，最大迭代次数设为500，以及设备额定容量微调步长h设为0.01p.u.。结果表明，电力电子三馈入电力系统的广义短路比gSCR由容量优化前的3.716增加至6.667，三馈入系统的电力电子设备接入容量优化至S_B＝diag(1,3,1.5)。

电力电子三馈入电力系统容量优化过程中主导特征根轨迹如图4所示。由图4可知，随着系统容量的优化，主导特征根1和2向左移动，由优化前λ＝-0.010±56.628i变为优化后λ＝-0.519±56.592i，系统小干扰稳定性得到改善。由此说明，系统容量优化能够有效改善系统的小干扰稳定性。

下面进一步通过电磁暂态平均模型的时域仿真验证上述分析结果的正确性。t＝0.1s时，无穷大电网的电压跌落10％，0.1s后恢复。观察电力电子三馈入电力系统容量优化前后最薄弱馈入系统(此时为图1所示的电力电子设备1)注入到电网侧的有功功率和无功功率振荡曲线，分别如图5和图6所示。由图5和图6可知，在相同的扰动下，最薄弱馈入系统的有功功率、无功功率相比于优化前衰减更快，波形达到稳定所需的时间更短，可见系统的小干扰稳定性得到提高，这与特征值分析得到的结论一致。

因此，本发明基于电力电子多馈入电力系统广义短路比指标，从小干扰稳定的角度对输电侧大规模集群式可再生能源的并网容量进行优化分配，能够通过容量优化有效地改善系统的小干扰稳定性，具有突出显著的技术效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)由电力电子多馈入电力系统中的电力电子设备参数获得电力电子设备的额定容量对角矩阵S_B，并求逆得到逆矩阵由电力电子多馈入电力系统的受端交流电网通过戴维南等效得到等值导纳矩阵B，将逆矩阵与等值导纳矩阵B相乘得到扩展导纳矩阵J_eq，并得到电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR；

2)计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度，根据灵敏度调整电力电子设备的额定容量，再重新计算广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度，并根据灵敏度再次不断调整电力电子设备的额定容量直至灵敏度极差满足条件，完成电力电子多馈入电力系统的容量优化。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：

2.1)计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度；

2.2)比较步骤2.1)计算得到的各个灵敏度，找出所有灵敏度绝对值中的最大值和最小值及其对应馈入支路的编号k_max和k_min并采用以下公式计算灵敏度极差γ，并更新当前迭代次数；

其中，S_Bk表示第k台电力电子设备的额定容量，S_Bj表示第j台电力电子设备的额定容量，k和j均表示电力电子设备的序数；

2.3)比较步骤2.2)求得的灵敏度极差γ与灵敏度偏差阈值ρ大小关系或检查是否达到最大迭代次数来选择进行下一步骤：

如果灵敏度极差γ小于灵敏度偏差阈值ρ或达到最大迭代次数，则直接执行步骤2.5)，否则执行步骤2.4)；

2.4)调整编号为k_max的馈入支路上电力电子设备的额定容量下调一个单位步长h，调整编号为k_min的馈入支路上电力电子设备的额定容量上调一个单位步长h，返回到步骤2.1)；

2.5)输出电力电子多馈入电力系统的电力电子设备的额定容量对角矩阵S_B和多馈入电力电子电力系统的广义短路比gSCR。

3.根据权利要求1或2所述的一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，结合扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的左特征向量ψ和右特征向量φ采用以下公式计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度

其中，ψ_k表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的左特征向量ψ的第k个元素，φ_m表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的右特征向量φ的第m个元素，n为馈入的电力电子设备总数量，B_km表示等值导纳矩阵B中第k行第m列的元素。

4.根据权利要求1所述的一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法，其特征在于：所述步骤1)中的根据扩展导纳矩阵J_eq得到电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR，具体为：通过对扩展导纳矩阵J_eq进行特征值分解，得到扩展导纳矩阵J_eq的特征值矩阵Λ及其右特征向量矩阵Φ和左特征向量矩阵Ψ，取特征值矩阵Λ中的最小特征值作为电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR。

5.根据权利要求1所述的一种电力电子多馈入电力系统容量优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，计算电力电子多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个电力电子设备额定容量的灵敏度时，以多馈入电力电子设备的额定容量总和恒定为约束条件，即以下公式：

式中，S_∑是为给定多馈入电力电子设备的额定容量总和，n为馈入的电力电子设备总数量，S_Bi表示第i台电力电子设备的额定容量，i为馈入的电力电子设备序数。