CN110212571B - 一种可再生能源发电系统稳定性量化分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力系统及其自动化技术领域的一种可再生能源发电系统稳定性量化分析方法。所述方法包括：提炼幅相等效参量表征各可再生能源发电子系统动态特性；深入挖掘参量信息，来反映各子系统间稳定性交互特性；进一步将各子系统幅相等效参量执行等值聚合，量化得原可再生能源发电系统稳定性量化指标。本发明可提炼可再生能源发电系统稳定性量化信息，在非同步可再生能源发电系统稳定性量化研究领域填补了技术空白，为进一步将大规模电力电子设备主导的可再生能源发电系统纳入稳定控制和优化决策环节、实现其精准控制，奠定了理论基础，具有重大的理论和工程意义。
Description
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化技术领域，尤其涉及一种可再生能源发电系统稳定性量化分析方法。
背景技术
随着大规模电力电子设备主导的可再生能源大力发展，常规机组的转动惯量被大量小惯量或无惯量的可再生能源取代，导致系统总体惯量不断减小。同时，电力电子化的电力系统，其控制和保护系统相对传统同步发电系统更为复杂，如风电系统，包含转子转速、直流电压和交流电流等不同时间尺度的控制；在系统故障期间的暂态过程中，风机为避免过电压和过电流损毁直流母线电容器和电力电子换流阀，还会采用复杂的辅助电路和保护控制。
可再生能源固有的随机波动特性，使得大规模可再生能源并网的电力系统不确定因素及时变因素剧增。电力系统安全稳定态势越趋复杂、且越来越接近临界，对系统稳定性分析及控制的准确性和快速性要求越趋严格，难度则不断增大。
正如《动态EEAC的自适应分段映射》一文中所提及，含有大规模可再生能源发电的电力系统，被换流器解耦割裂为机械转动惯量相互独立的众多非同步可再生能源发电子系统和常规同步机组成的同步发电系统。电力电子化电力系统的稳定性分析，分为：受非同步可再生能源发电系统影响的同步发电机系统的同步稳定性分析，以及受同步发电机系统影响的非同步可再生能源发电系统的稳定性分析。
同步发电机系统的同步稳定性分析问题，即在电力电子设备主导的可再生能源发电系统影响下、传统同步惯量发电机组间的同步稳定性问题。可利用时域仿真法获得可再生能源发电系统影响下，传统同步惯量发电机组的受扰轨迹，并基于稳定机理针对传统同步惯量发电机组摇摆曲线进行数据挖掘，实现量化分析。分析精度则决定于对电力电子设备主导的可再生能源发电系统建模的详细程度。已有研究多涉及这一领域。
非同步可再生能源发电系统受同步发电机系统影响下的稳定性分析，即在传统同步惯量发电机组的影响下、各非同步可再生能源发电子系统间及子系统内部各电力电子设备间交互影响特性及稳定性分析问题。已有研究大多在对同步发电机系统进行无穷大等值的前提下，应用小信号稳定性分析探究电力电子设备内各控制环节间交互影响特性。然而，利用小信号稳定性分析方法，可以评估平衡点处电力电子设备内各控制环节的渐进稳定性，却难以量化其全局稳定裕度；针对被大量换流器解耦割裂的各非同步可再生能源发电子系统及子系统内部各电力电子设备间交互影响特性的研究寥寥无几，非同步可再生能源发电系统全局稳定程度的量化则更是难题。
数据挖掘的终极目的是实现控制决策优化。若仅实现针对同步发电系统的量化分析，即忽略可再生能源发电系统的等效惯量(包括自身的转动惯量和虚拟的控制惯量等)对系统不平衡功率的影响，通过等值功率注入法计及可再生能源发电系统内各电力电子设备动态特性对同步发电系统的影响，量化控制决策优化仅限于同步发电机组；而对于非同步可再生能源发电系统，由于无法量化其受扰程度及稳定态势，只能通过实施相对保守的新能源场站级控制策略，无法实现针对电力电子设备主导的非同步可再生能源发电系统的精准控制和策略优化。其结果必然是以牺牲一定的经济性为代价，最大程度地满足控制可靠性，电力系统安稳控制可靠性及经济性就无法满足协调兼顾。
由此可见，大规模电力电子设备主导的非同步可再生能源发电系统是一个涉及不同时间尺度控制环节的时变非线性复杂系统，研究计及可再生能源控制和保护特性的稳定性量化分析数学模型，探究大规模电力电子设备主导的可再生能源发电系统等值聚合方法，建立大规模电力电子设备主导的可再生能源发电系统的稳定性量化分析和快速态势感知框架，提炼可再生能源发电系统稳定态势信息、并辅以控制策略优化，实现电力电子化电力系统中同步发电机及非同步可再生能源发电系统的稳定态势感知、稳控协同优化，蕴含大量尚未解决的基础科学问题。不但有助于揭示大规模电力电子设备主导的各非同步可再生能源发电子系统间相互作用机理，诠释其稳定新态势，实现未来高比例可再生能源发电系统的快速态势感知及精准协同控制。同时，也符合国家电网有限公司建设运营坚强智能电网和泛在电力物联网大背景下、确保大电网安全稳定运行的现实需求，具有重要的科学价值和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷或缺陷之一，提供了一种可再生能源发电系统稳定性量化分析方法，包括以下步骤：
针对可再生能源发电系统内各子系统，提炼包括幅值、相角在内的幅相等效参量以表征各子系统动态特性；
借鉴哈密顿力学理论，基于能量观点建立描述各可再生能源发电子系统稳定性的运动方程；
基于数值积分求解运动方程，得到受扰后各子系统幅相等效参量受扰轨迹；
基于各子系统间稳定性交互特性，设置各子系统同调判据、执行分群；
以各可再生能源发电子系统等效惯量为加权项，将各子系统幅相等效参量执行等值聚合，得到等值单可再生能源发电系统；
对等值单可再生能源发电系统幅相等效参量受扰轨迹执行数据挖掘，得到可再生能源发电系统稳定性量化指标。
进一步地，提炼包括幅值、相角在内的幅相等效参量以表征各子系统动态特性，包括：
构建含可再生能源发电子系统的简单电力系统，以利于获知子系统各参数间的关联；
在明晰可再生能源发电子系统内时间尺度各不相同的控制环节特性的基础上，以旋转电压矢量模拟其运行特性，基于电力电子拓扑及矢量控制特性，揭示子系统不平衡功率Pub同各参量间物理关联；
提炼关键参量。
进一步地，关键参量包括运动状态参量W、非运动状态参量X、代数参量Y；
运动状态参量W包括内电势相角δ，非运动状态参量X包括内电势幅值E，代数参量Y包括端电压幅值U。
进一步地，借鉴哈密顿力学理论，基于能量观点建立描述各可再生能源发电子系统稳定性的运动方程，包括：
借鉴传统同步发电机系统中建立转子角运动方程的研究思路，结合哈密顿力学理论，参照电系统和机械系统各物理量间对应关系，建立在某扰动情形下、计及元件控制和保护特性的可再生能源发电系统稳定性运动方程。
进一步地，所述运动方程如下：
式中，i代表第i个可再生能源发电子系统，Ji(t)代表可再生能源发电子系统i等效惯量，n代表可再生能源发电子系统i的运动状态参量Wi导数的阶数，Wi (n)代表可再生能源发电子系统i的运动状态参量Wi的n阶导数，Pub.i代表影响可再生能源发电子系统i运动状态参量的函数，W代表由可再生能源发电系统内各子系统运动状态参量构成的向量，X代表由可再生能源发电系统内各子系统非运动状态参量构成的向量，Y代表由可再生能源发电系统内各子系统代数参量构成的向量，Z代表由可再生能源发电系统内各扰动参量构成的向量，t代表时间参量，m代表可再生能源发电子系统i的非运动状态参量Xi导数的阶数，Xi (m)代表可再生能源发电子系统i的非运动状态参量Xi的m阶导数，f代表影响可再生能源发电子系统i非运动状态参量的函数，g代表描述可再生能源发电系统网络约束的函数。
进一步地，各子系统间稳定性交互特性的揭示方法，包括：
针对可再生能源发电系统，摄动其子系统i不平衡功率Pub.i，同时获得Pub.i同子系统i内电势幅值Ei、子系统i内电势相角δi间，以及Pub.i同子系统j不平衡功率Pub.j、子系统j内电势幅值Ej、子系统j内电势相角δj间关联关系，由此推知可再生能源发电子系统间的交互耦合特性。
进一步地，将各子系统等效状态参量执行等值聚合的运算公式如下：
式中，Wi(tk)代表tk时刻子系统i运动状态参量，Mi(tk)代表tk时刻子系统i等效惯量，Weq(tk)代表tk时刻等值系统运动状态参量。
附图说明
图1是本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，是本发明流程图。
步骤1描述的是，可再生能源发电系统内幅相等效参量的提炼：可再生能源发电系统稳定性量化分析流程启动后，针对该系统内各子系统，提炼包括幅值、相角在内的幅相等效参量以表征各子系统动态特性。
具体说来，构建含可再生能源发电子系统的简单电力系统，在明晰可再生能源发电子系统内时间尺度各不相同的控制环节特性的基础上，以旋转电压矢量模拟其运行特性，基于电力电子拓扑及矢量控制特性，揭示其不平衡功率Pub同各参量间物理关联，提炼包括运动状态参量W(如内电势相角δ)、非运动状态参量X(如内电势幅值E)、代数参量Y(如端电压幅值U)在内的关键参量，表征各可再生能源发电子系统运行特性。
步骤2描述的是，可再生能源发电系统稳定性运动方程的建立：借鉴哈密顿力学理论，基于能量观点建立描述各可再生能源发电子系统稳定性的运动方程。
具体说来，借鉴传统同步发电机系统中建立转子角运动方程的研究思路，结合哈密顿力学理论，参照电系统和机械系统各物理量间对应关系，建立如式(1)所示的在某扰动情形下(扰动参量记为Z)、计及元件控制和保护特性的可再生能源发电系统稳定性运动方程：
式(1)中，i代表第i个可再生能源发电子系统，Ji(t)代表可再生能源发电子系统i等效惯量，n代表可再生能源发电子系统i的运动状态参量Wi导数的阶数，Wi (n)代表可再生能源发电子系统i的运动状态参量Wi的n阶导数，Pub.i代表影响可再生能源发电子系统i运动状态参量的函数，W代表由可再生能源发电系统内各运动状态参量构成的向量，X代表由可再生能源发电系统内各非运动状态参量构成的向量，Y代表由可再生能源发电系统内各代数参量构成的向量，Z代表由可再生能源发电系统内各扰动参量构成的向量，t代表时间参量，m代表可再生能源发电子系统i的非运动状态参量Xi导数的阶数，Xi (m)代表可再生能源发电子系统i的非运动状态参量Xi的m阶导数，f代表影响可再生能源发电子系统i非运动状态参量的函数，g代表描述可再生能源发电系统网络约束的函数。
步骤3描述的是，基于数值积分求解描述各可再生能源发电子系统稳定性运动方程，得到受扰后各子系统幅相等效参量受扰轨迹。
步骤4描述的是，针对各子系统执行同调分群：基于各可再生能源发电子系统间稳定性交互特性，设置各子系统同调判据、执行分群。
具体说来，各可再生能源发电子系统间稳定性交互特性的揭示方法为：针对可再生能源发电系统，摄动其子系统i不平衡功率Pub.i，同时获得Pub.i同子系统i内电势幅值Ei、子系统i内电势相角δi间，以及Pub.i同子系统j不平衡功率Pub.j、子系统j内电势幅值Ej、子系统j内电势相角δj间关联关系，由此推知可再生能源发电子系统间的交互耦合特性。
步骤5描述的是，获得可再生能源发电系统的等值系统：以各可再生能源发电子系统等效惯量为加权项，将各子系统幅相等效参量执行等值聚合，获得等值单可再生能源发电系统。
具体说来，将各子系统等效状态参量执行等值聚合的方法为：
式(2)中，以运动状态参量为例，示意了可再生能源发电系统内各子系统等值聚合的方法。该式中，Wi(tk)代表tk时刻子系统i运动状态参量，Mi(tk)代表tk时刻子系统i等效惯量，Weq(tk)代表tk时刻等值系统运动状态参量。
步骤6描述的是，量化原可再生能源发电系统稳定程度：针对等值得的单可再生能源发电系统，针对其幅相等效参量受扰轨迹执行数据挖掘，得原可再生能源发电系统稳定性量化指标。
具体说来，针对等值可再生能源发电系统，挖掘其等效参量信息，从而获得原可再生能源发电系统稳定性量化指标的方法，可类同于专著《运动稳定性量化理论——非自治非线性多刚体系统的稳定性分析》(薛禹胜著,江苏科学技术出版社,1999)中所揭示的思维方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种可再生能源发电系统稳定性量化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
针对可再生能源发电系统内各子系统，提炼包括幅值、相角在内的幅相等效参量以表征各子系统动态特性；
借鉴哈密顿力学理论，基于能量观点建立描述各可再生能源发电子系统稳定性的运动方程；
基于数值积分求解运动方程，得到受扰后各子系统幅相等效参量受扰轨迹；
基于各子系统间稳定性交互特性，设置各子系统同调判据、执行分群；
以各可再生能源发电子系统等效惯量为加权项，将各子系统幅相等效参量执行等值聚合，得到等值单可再生能源发电系统；
对等值单可再生能源发电系统幅相等效参量受扰轨迹执行数据挖掘，得到可再生能源发电系统稳定性量化指标；
提炼包括幅值、相角在内的幅相等效参量以表征各子系统动态特性，包括：
构建含可再生能源发电子系统的简单电力系统，以利于获知子系统各参数间的关联；
在明晰可再生能源发电子系统内时间尺度各不相同的控制环节特性的基础上，以旋转电压矢量模拟其运行特性，基于电力电子拓扑及矢量控制特性，揭示子系统不平衡功率Pub同各参量间物理关联；
提炼关键参量；
借鉴哈密顿力学理论，基于能量观点建立描述各可再生能源发电子系统稳定性的运动方程，包括：
借鉴传统同步发电机系统中建立转子角运动方程的研究思路，结合哈密顿力学理论，参照电系统和机械系统各物理量间对应关系，建立在某扰动情形下、计及元件控制和保护特性的可再生能源发电系统稳定性运动方程。
2.根据权利要求1所述的可再生能源发电系统稳定性量化分析方法，其特征在于，关键参量包括运动状态参量W、非运动状态参量X、代数参量Y；
运动状态参量W包括内电势相角δ，非运动状态参量X包括内电势幅值E，代数参量Y包括端电压幅值U。
3.根据权利要求2所述的可再生能源发电系统稳定性量化分析方法，其特征在于，所述运动方程如下：
式中，i代表第i个可再生能源发电子系统，Ji(t)代表可再生能源发电子系统i等效惯量，n代表可再生能源发电子系统i的运动状态参量Wi导数的阶数，Wi (n)代表可再生能源发电子系统i的运动状态参量Wi的n阶导数，Pub.i代表影响可再生能源发电子系统i运动状态参量的函数，W代表由可再生能源发电系统内各子系统运动状态参量构成的向量，X代表由可再生能源发电系统内各子系统非运动状态参量构成的向量，Y代表由可再生能源发电系统内各子系统代数参量构成的向量，Z代表由可再生能源发电系统内各扰动参量构成的向量，t代表时间参量，m代表可再生能源发电子系统i的非运动状态参量Xi导数的阶数，Xi (m)代表可再生能源发电子系统i的非运动状态参量Xi的m阶导数，f代表影响可再生能源发电子系统i非运动状态参量的函数，g代表描述可再生能源发电系统网络约束的函数。
4.根据权利要求3所述的可再生能源发电系统稳定性量化分析方法，其特征在于，各子系统间稳定性交互特性的揭示方法，包括：
针对可再生能源发电系统，摄动其子系统i不平衡功率Pub.i，同时获得Pub.i同子系统i内电势幅值Ei、子系统i内电势相角δi间，以及Pub.i同子系统j不平衡功率Pub.j、子系统j内电势幅值Ej、子系统j内电势相角δj间关联关系，由此推知可再生能源发电子系统间的交互耦合特性。
5.根据权利要求1所述的可再生能源发电系统稳定性量化分析方法，其特征在于，将各子系统等效状态参量执行等值聚合的运算公式如下：
式中，Wi(tk)代表tk时刻子系统i运动状态参量，Mi(tk)代表tk时刻子系统i等效惯量，Weq(tk)代表tk时刻等值系统运动状态参量。
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