CN112531777B - 基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法，包括：分别对水光互补系统稳定运行时，单条联络线线路上近发电机侧发生三相金属性接地故障期间以及故障切除后，通过光伏等效负电阻模型计算出光伏机组接入影响下水电机组功角特性曲线；根据水光互补系统稳定运行时、故障期间及故障切除后的水电机组功角特性曲线，通过等面积法则公式计算水光互补系统的加速面积与减速面积；当计算得水光互补系统的加速面积大于减速面积时，水光互补系统存在失稳风险，采取切除光伏机组中部分光伏电站策略增加减速面积保证系统正常运行；当切除全部光伏机组后增加的减速面积不足以抵消加速面积时，切除部分水电机组增加减速面积使系统恢复稳定运行。

Description

基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统暂态稳定紧急控制领域，尤其涉及一种基于等面积法则的光伏接入后水光互补系统紧急切机控制策略。

背景技术

水电是我国装机容量最大的可再生能源，但对于水电站来说很难准确预测中长期产水量。对于光伏电站来说，其输出功率具有很强的随机性和可变性。如果系统中同时存在光伏电站和水电站，水电机组可以减少雨季光伏电站的随机波动，同时，在水电机组出力较小的旱季时，光伏电站可以为互补系统提供电力支撑。因此，发展水光互补系统具有重要的现实价值和深远的战略意义。

然而，水电站常常位于偏远地区，由于线路较长，水电和主网通常连接较弱。此外，由于光伏电站的惯性较低使得水光互补系统的惯性较低，导致系统在发生故障时更容易失稳。

目前，电力系统暂态稳定分析的方法可分为时域仿真法和能量函数法。时域仿真方法只要通过计算系统的代数方程得到系统状态量和发电量随时间变化的轨迹。等面积准则是能量函数法的特殊应用。它可以对单机无穷大系统进行暂态稳定分析。

对于传统电力系统紧急控制措施而言，故障发生后可以采取切除部分发电机的紧急控制以提高系统的暂态稳定性，然而，如何确定水光互补系统中的发电机切机量在现有工作中考虑较少。

因此，亟需一种使系统恢复稳定运行的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制策略。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于等面积法则的光伏接入后水光互补系统紧急切机控制策略，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法，包括如下步骤：

分别对水光互补系统稳定运行时，单条联络线线路上近发电机侧发生三相金属性接地故障期间以及故障切除后，通过光伏等效负电阻模型计算出光伏机组接入影响下水电机组功角特性曲线；

根据水光互补系统稳定运行时、故障期间及故障切除后的水电机组功角特性曲线，通过等面积法则公式计算水光互补系统的加速面积与减速面积；

当计算得水光互补系统的加速面积大于减速面积时，水光互补系统存在失稳风险，优先采取切除部分光伏机组策略增加减速面积保证系统正常运行；

当切除全部光伏机组后增加的减速面积不足以抵消加速面积时，进一步切除部分水电机组增加减速面积，形成紧急切机控制策略使系统恢复稳定运行。

优选地，所述的通过光伏等效负电阻模型计算出光伏机组接入影响下水电机组功角特性曲线，包括：

按如下公式计算光伏等效负电阻模型和水电机组功角曲线：

其中，U₁′为光伏并网电压，P_PV为光伏接入有功功率，r_PV为光伏接入等效电阻，P₁′为光伏接入后水电机组电磁功率，E为水电机组内电势，U为电网等值电压，Z₁₁为自阻抗，Z₁₂为互阻抗，δ为水电机组功角，j为复数的虚数单位，

为自阻抗角，α₁₁为自阻抗角余角，

为互阻抗角，α₁₂为互阻抗角余角，x₁为水电机组内电抗与变压器电抗之和，x₂为联络线电抗。

优选地，所述的通过等面积法则公式计算水光互补系统的加速面积与减速面积，包括按如下公式计算加速面积和减速面积：

其中，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，δ₀′为稳态时刻水电机组功角值，δ_c′为故障切除时刻水电机组功角值，P_m为水电机组机械功率，P₂′为光伏接入时故障期间水电机组电磁功率，A₂′为接入光伏后，水光互补系统未采取紧急控制下的减速面积，δ_u′为光伏接入后功角不稳定平衡点，P₃′为光伏接入时故障切除后水电机组电磁功率，δ为水电机组功角。

优选地，所述的当计算得水光互补系统的加速面积大于减速面积时，水光互补系统存在失稳风险，优先采取切除部分光伏机组策略增加减速面积保证系统正常运行包括：

采取切除光伏功率使得等效水电机组电磁功率曲线左上移动，进而增加减速面积A_PV，增加后减速面积为A₂″，搜索计算切除光伏后减速面积A₂″等于加速面积A₁′时，得到切除光伏量，包括按如下公式计算光伏机组切机量：

A₁′＝A₂″

△P_PV＝P_PV-P_PV′

其中，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，A₂″为水光互补系统采取紧急切除光控制下的减速面积，△P_PV为光伏机组切机量，P_PV为稳态时光伏功率，P_PV′为切除光伏后剩余功率。

优选地，所述的当切除全部光伏机组后增加的减速面积不足以抵消加速面积时，进一步切除部分水电机组增加减速面积，包括按如下公式计算水电机组切机量：

A₁′＝A₂″+A_h

其中，△P_h为水电机组切机量，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，A₂′为接入光伏后，水光互补系统未采取紧急控制下的减速面积，A_PV为光伏切除后增加的减速面积，δ_u为光伏接入前功角不稳定平衡点，δ_c′为故障切除时刻水电机组功角值，A_h为水光互补系统切除部分水电机组后增加的减速面积。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种基于等面积法则的光伏接入后水光互补系统紧急切机控制方法，通过计算光伏接入后系统加速面积和减速面积，进一步计算紧急切机控制策略中切除光伏量及切除水电量，从而可以有效的提高系统暂态稳定能力。本发明解决了新能源光伏电站接入后水电系统形成水光互补系统暂态稳定紧急控制问题，能使系统在受到大扰动情况下恢复稳定运行状态。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明实施例提供的一种基于等面积法则的光伏接入后水光互补系统紧急切机控制方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法的水电机组功角曲线示意图；

图3为本发明实施例一提供的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法的系统加减速面积示意图；

图4为本发明实施例一提供的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法示意图；

图5为本发明实施例二提供的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法的水光互补系统示意图；

图6为本发明实施例二提供的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法切光控制的水电机组功角变化示意图：(a)未采取紧急控制下水电机组失稳功角曲线，(b)采取紧急切光控制下水电机组功角曲线；

图7为本发明实施例二提供的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法切光切水控制的水电机组功角变化示意图：(a)未采取紧急控制下水电机组功角曲线；(b)采取紧急切光控制下水电机组功角曲线；(c)采取紧急切光切水控制下水电机组功角曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供的一种基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法，旨在通过切除光伏机组和水电机组，使系统受到大扰动情况下，减速面积得以增加来抵消系统故障期间产生的加速面积，从而可以使系统恢复稳定运行状态。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于等面积法则的光伏接入后水光互补系统紧急切机控制策略，如图1-4所示，包括如下步骤：

S1、分别对水光互补系统稳定运行时，t秒时单条联络线线路上近发电机侧发生三相金属性接地故障并持续△t秒(故障期间，水电机组电磁功率为0)以及经过△t秒故障切除后，通过光伏等效负电阻模型计算出光伏机组接入影响下水电机组功角特性曲线：

按如下公式(1)计算光伏等效负电阻模型和水电机组功角曲线：

其中，U₁′为光伏并网电压，P_PV为光伏接入有功功率，r_PV为光伏接入等效电阻，P₁′为光伏接入后水电机组电磁功率，E为水电机组内电势，U为电网等值电压，Z₁₁为自阻抗，Z₁₂为互阻抗，δ为水电机组功角，j为复数的虚数单位，

为自阻抗角，α₁₁为自阻抗角余角，

为互阻抗角，α₁₂为互阻抗角余角，x₁为水电机组内电抗与变压器电抗之和，x₂为联络线电抗。

S2、根据水光互补系统稳定运行时、故障期间及故障切除后的水电机组功角特性曲线，通过等面积法则公式计算水光互补系统的加速面积与减速面积，基于等面积法则根据如下公式(2)计算水光互补系统的加速面积与减速面积；

其中，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，δ₀′为稳态时刻水电机组功角值，δ_c′为故障切除时刻水电机组功角值，P_m为水电机组机械功率，P₂′为光伏接入时故障期间水电机组电磁功率，A₂′为接入光伏后，水光互补系统未采取紧急控制下的减速面积，δ_u′为光伏接入后功角不稳定平衡点，P₃′为光伏接入时故障切除后水电机组电磁功率，δ为水电机组功角。

S3、当计算得水光互补系统的加速面积大于减速面积时，水光互补系统存在失稳风险，优先采取切除部分光伏机组策略增加减速面积保证系统正常运行。采取切除光伏功率使得等效水电机组电磁功率曲线左上移动，进而增加减速面积A_PV，增加后减速面积为A₂″。搜索计算切除光伏后减速面积A₂″等于加速面积A₁′时，得到切除光伏量。包括按如下公式(4)计算光伏机组切机量：

A₁′＝A₂″ (3)

△P_PV＝P_PV-P_PV′ (4)

其中，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，A₂″为水光互补系统采取紧急切除光控制下的减速面积，△P_PV为光伏机组切机量，P_PV为稳态时光伏功率，P_PV′为切除光伏后剩余功率。

当切除全部光伏机组后增加的减速面积不足以抵消加速面积时，进一步切除部分水电机组增加减速面积，形成紧急切机控制策略使系统可以恢复稳定运行。根据公式(5)计算水电机组切机量，使系统可以恢复稳定运行。

A₁′＝A₂″+A_h (6)

其中，△P_h为水电机组切机量。A_PV为光伏切除后增加的减速面积，δ_u为光伏接入前功角不稳定平衡点，A_h为水光互补系统切除部分水电机组后增加的减速面积。

实施例二

本发明实施例提供了一种基于等面积法则的光伏接入后水光互补系统紧急切机控制策略，其中，水光互补系统包括：一台水电机组和一台光伏机组。如图5所示为实施例二提供的基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制策略的水光互补系统示意图，本发明验证有效性的结果来自于商业仿真软件(PSD-BPA)，单水电单光伏互补系统设计参数为标幺值如下，基准容量为100MVA：

联络线线路均为电抗型线路，其电抗值为0.182p.u.。系统仿真时间共18秒，在2秒时联络线线路近发电机侧发生三相金属性接地故障，为了进行对比，改变故障持续时间使水光互补系统所受故障严重程度不同，引入本发明的紧急控制切机策略验证本发明有效性。

图6为基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制策略切光控制的水电机组功角变化示意图。水电机组输出有功功率为100MW，端电压为10kV，光伏电站输出有功功率为150MW，故障持续时间0.12s后切除故障线路。在未采取紧急控制前，系统中加速面积为1.3198，减速面积为0.7489，由于加速面积大于减速面积，系统功角失稳。采取实施例一所述的搜索方法计算光伏切机量，得紧急控制切除光伏机组70MW后，加速面积0.9352小于减速面积0.9473，由于切除光伏机组后，减速面积增加，水光互补系统可以恢复稳定运行状态。

图7为基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制策略切光切水控制的水电机组功角变化示意图，参照图6，水电机组为150MW，端电压为10kV，光伏接入50MW，故障持续时间0.26s后切除故障线路。未采取紧急控制前，系统中加速面积为1.3198，减速面积为0.7489，由于加速面积大于减速面积，系统功角失稳。采取紧急控制策略切除全部50MW光伏机组后，加速面积为1.3198，减速面积为1.1453，切除光伏增加的减速面积不足以抵消系统中加速面积，系统功角失稳，需要进一步切除水电机组。进一步计算得切除12MW水电机组后，加速面积1.3198小于减速面积1.3348，切除的水电机组增加的减速面积足以抵消系统中加速面积，系统可以恢复稳定运行。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于等面积法则的水光互补系统紧急切机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别对水光互补系统稳定运行时，单条联络线线路上近发电机侧发生三相金属性接地故障期间以及故障切除后，通过光伏等效负电阻模型计算出光伏机组接入影响下水电机组功角特性曲线；

根据水光互补系统稳定运行时、故障期间及故障切除后的水电机组功角特性曲线，通过等面积法则公式计算水光互补系统的加速面积与减速面积；具体包括按如下公式计算加速面积和减速面积：

其中，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，δ₀′为稳态时刻水电机组功角值，δ_c′为故障切除时刻水电机组功角值，P_m为水电机组机械功率，P₂′为光伏接入时故障期间水电机组电磁功率，A₂′为接入光伏后，水光互补系统未采取紧急控制下的减速面积，δ_u′为光伏接入后功角不稳定平衡点，P₃′为光伏接入时故障切除后水电机组电磁功率，δ为水电机组功角；

当计算得水光互补系统的加速面积大于减速面积时，水光互补系统存在失稳风险，优先采取切除部分光伏机组策略增加减速面积保证系统正常运行；具体包括：

采取切除光伏功率使得等效水电机组电磁功率曲线左上移动，进而增加减速面积A_PV，增加后减速面积为A₂″，搜索计算切除光伏后减速面积A₂″等于加速面积A₁′时，得到切除光伏量，包括按如下公式计算光伏机组切机量：

A₁′＝A₂″

△P_PV＝P_PV-P_PV′

其中，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，A₂″为水光互补系统采取紧急切除光控制下的减速面积，△P_PV为光伏机组切机量，P_PV为稳态时光伏功率，P_PV′为切除光伏后剩余功率；

当切除全部光伏机组后增加的减速面积不足以抵消加速面积时，进一步切除部分水电机组增加减速面积，形成紧急切机控制策略使系统恢复稳定运行；具体包括按如下公式计算水电机组切机量：

A₁′＝A₂″+A_h

其中，△P_h为水电机组切机量，A₁′为接入光伏后，水光互补系统故障期间加速面积，A₂′为接入光伏后，水光互补系统未采取紧急控制下的减速面积，A_PV为光伏切除后增加的减速面积，δ_u为光伏接入前功角不稳定平衡点，δ_c′为故障切除时刻水电机组功角值，A_h为水光互补系统切除部分水电机组后增加的减速面积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过光伏等效负电阻模型计算出光伏机组接入影响下水电机组功角特性曲线，包括：

按如下公式计算光伏等效负电阻模型和水电机组功角曲线：

其中，U₁′为光伏并网电压，P_PV为光伏接入有功功率，r_PV为光伏接入等效电阻，P₁′为光伏接入后水电机组电磁功率，E为水电机组内电势，U为电网等值电压，Z₁₁为自阻抗，Z₁₂为互阻抗，δ为水电机组功角，j为复数的虚数单位，

为自阻抗角，α₁₁为自阻抗角余角，

为互阻抗角，α₁₂为互阻抗角余角，x₁为水电机组内电抗与变压器电抗之和，x₂为联络线电抗。

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