CN113158422A - 提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法。首先分别推导出单机新能源设备并网电路中新能源设备的端口导纳模型和同步调相机的导纳模型，并由此得出建立了含同步调相机的电力电子多馈入系统的交互模型，再通过矩阵摄动理论与未考虑同步调相机的新能源系统对比，证明了加装同步调相机后，系统的最小特征值增大，等效于提高了系统的广义短路比，从而增强了系统的稳定性；最后使用枚举法确定安装同步调相机的选址优化以最大程度地提升大型新能源基地稳定性。

Description

提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法。

背景技术

随着能源转型工作的推进，交流电网局部呈现出多电力电子设备馈入的形态，交流电网电压支撑能力相对变弱，电网表现出低短路比特征，给电力系统的安全稳定运行带来极大挑战。尤其当新能源基地装机容量大且出力高时，容易引起电压稳定问题，常需要加装无功补偿装置来提高电压维持能力。

目前电力系统中广泛采用的动态无功补偿装置主要有静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)和同步调相机(含异步同步调相机和同步同步调相机)等，但SVC、STATCOM会与新能源设备之间可能会有较强耦合作用，导致系统存在振荡风险。相比之下，同步调相机具有更优秀的动态电压支撑能力与无功补偿能力。但是，对于在大规模新能源馈入的电力系统中安装同步调相机后的稳定性分析方面，目前尚未有相关研究结论。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，通过进行稳定性分析，能够给出适合当前系统的最优广义短路比的同步调相机的选址，具有选址方案更加全面，能够更大程度地提高系统稳定裕度的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，其特征在于：对新能源基地电力系统进行建模仿真，并计算现有新能源基地电力系统的广义短路比值；根据新能源基地电力系统进行的建模仿真以及系统中的所有变流器节点的情况，计算在建模仿真的基础上在系统中不同节点加装同步调相机得到的广义短路比，把所有方案的广义短路比值对比选出最优的广义短路比。

进一步的，采用如下同步调相机的电力电子多馈入系统的闭环特征方程求解广义短路比：

其中，Q_red为电网接地拉普拉斯矩阵；

为克罗内克积运算符号；

τ为连接线路R/L比，ω₀为角速度；S_B为新能源设备的额定容量；Y_PED(s)为单个新能源设备的端口导纳矩阵(此处以基于锁相环的变流器为例)；n-p为系统中新能源设备的数量；S_SC为同步调相机额定容量；Y_SC(s)为同步调相机在全局参考系下的端口导纳矩阵。

进一步的，所述单个新能源设备的端口导纳矩阵是基于锁相环的变流器设定。

进一步的，所述同步调相机在全局参考系下的端口导纳模型为：

式中：

其中，Y_SC(s)为同步调相机在全局参考系下的端口导纳矩阵；ΔU_scxy为同步调相机端电压扰动量的dq轴分量；ΔI_scxy为同步调相机电流扰动量的dq轴分量；x_d、x'_d、x″_d分别为同步调相机直轴稳态电抗、暂态电抗和次暂态电抗；x_q、x′_q、x″_q分别为同步调相机交轴稳态电抗、暂态电抗和次暂态电抗；T′_d0、T″_d0分别为同步调相机直轴暂态和次暂态时间常数；T′_q0、T″_q0分别为同步调相机交轴暂态和次暂态时间常数；G_AVR(s)为调相机励磁控制环节的传递函数。

进一步的，所述闭环特征方程简化为：

且根据摄动原理和忽略高阶项化简上式得：

0＝c(s)+λ′₁+Δλ(s)

由矩阵交错定理可知λ₁'>λ₁，其中，Q′_red为Q_red去除掉第n行n列元素后电网接地拉普拉斯矩阵；

为克罗内克积运算符号；S'_B为S_B去除掉第n个对角元后的对角阵；Q_n-11和Q_1n-1为Q_red的分块矩阵，分别包含Q_red的第n行前n-1列和第n列前n-1行的元素；Y_PED(s)为单个新能源设备的端口导纳矩阵；

τ为连接线路R/L比，ω₀为角速度；S_SC为同步调相机额定容量；Y_SC(s)为同步调相机在全局参考系下的端口导纳矩阵；λ₁为加装同步调相机前系统的最小特征值；λ′₁+Δλ(s)为加装同步调相机后新能源系统的特征值，此处Δλ(s)幅值设为0。

进一步的，考虑在有n个变流器节点的多馈入系统加装p台同步调相机的选址优化：使用枚举法，考虑所有调相机安装节点组合，在每种组合中，将对称加权拉普拉斯矩阵

中同步调相机安装节点的整行列元素删除，使剩余矩阵重新对角化，得到新多馈入系统的广义短路比；再对得到的安装调相机后的广义短路比进行比较，得到广义短路比最大组合中的安装节点即为优化的调相机安装节点，其中调相机安装节点组合数为：

其中，n≥p。

进一步的，对称加权拉普拉斯矩阵

表示为：

其中S_B为新能源设备的额定容量；Q_red为电网接地拉普拉斯矩阵，所述电网接地拉普拉斯矩阵Q_red表示为：

其中，

Q_ij＝B_ij(i≠j)，

B_ij为消去无穷大电网所连节点后的节点导纳矩阵，m+n为多馈入系统中新能源设备的个数，k为系统中内部节点，n+m+k+1为无限总线。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明的同步调相机选址方法通过在某变流器节点加装调相机后，根据需要，自动地在节点电压下降时增加无功输出，在节点电压上升时吸收无功功率，该节点相当于一个无穷大电源，在小信号模型中即为接地节点，因此原始系统的对称加权拉普拉斯矩阵

可以继续使用，在计算加装后系统广义短路比值时，将

中调相机安装节点的整行列元素删除，使剩余矩阵重新对角化，即可得到新多馈入系统的广义短路比；因此在新能源基地的新能源设备节点加装同步调相机会增强系统的电压支撑强度，即提高系统的广义短路比。理想情况下加装节点相当于一个无穷大电源，但实际上该节点应等效为串联较小阻抗的无穷大电源，在小信号模型中等效为该节点连接一个小阻抗再接地，因此需重新列出系统导纳矩阵，再由此计算出修正后的替换后系统的对称加权拉普拉斯矩阵

再去计算系统广义短路比，计算速度大大降低。本发明采用的方法，在保证一定精度的情况下，提高了加装调相机后的gSCR计算速度；并且，通过实际数据的比较，发现本发明计算所得的广义短路比值与常规方法差别极小，完全能够满足实际使用的准确度的要求。

进一步的，本发明的同步调相机选址方法考虑了所有加装调相机节点的组合方案，相对于其他选址方案更加全面，能够更大程度地提高系统稳定裕度；并且，加装调相机后的系统闭环特征方程数学变换后得到的公式，相较于其余闭环方程的变换方法，采用的数学方法和维度不同，更为方便计算广义短路比能够较好的节约计算资源，提升计算效率。

附图说明

图1为本发明中调相机励磁控制系统框图的示意图。

图2为本发明中测试系统示意图。

图3为本发明中在不同节点加装同步调相机后系统的主导特征值示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，为本发明中使用的同步调相机励磁控制系统框图的示意图。

如下表所示，为本发明中测试系统的参数示意图，表中为测试系统的基础参数设置。

如图2所示，本实施例以两区四机系统为例，对多馈入系统进行仿真，其中节点1～4为新能源设备的节点，节点5～9为系统内部节点，在计算过程中不需要进行考虑，节点10是无限总线，对其中两个新能源设备节点加装同步调相机以提高系统的广义短路比。已知4个变流器的额定容量均与基准容量相同，则节点容量矩阵S_B为单位矩阵，Q_red为电网接地拉普拉斯矩阵，可计算得：

由此可计算得对称加权拉普拉斯矩阵如下所示：

计算可得出现系统的最小特征值为2.7。其中同步调相机安装节点组合数为：

调相机安装节点组合为：{1，2}、{1，3}，{1，4}、{2，3}、{2，4}、{3，4}，考虑这些组合安装调相机后的系统广义短路比分别为：

表1

由表可知节点(3，4)为加装同步调相机的最优节点位置，相较于其他节点可最大程度地提高新能源系统的广义短路比；广义短路比gSCR越高，稳定性越好；稳定了节点的电压，近似于不会发生波动。

图3给出了同步调相机安装在不同位置时系统的主导特征值的轨迹，当没有安装同步调相机时(Case1)，由于新能源设备和交流电网的交互作用，系统处于临界状态；当在节点1和节点2分别加装同步调相机后(Case2)，系统主导特征值(Mod1)向左半平面移动，说明同步调相机的接入提高了系统的阻尼，能够最大程度的优化稳定性。

当在节点3和节点4分别加装同步调相机后(Case3)，系统的阻尼显著提升，与上述同步调相机的最优落点结论相吻合。

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，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，其特征在于：对新能源基地电力系统进行建模仿真，并计算现有新能源基地电力系统的广义短路比值；根据新能源基地电力系统进行的建模仿真以及系统中的所有变流器节点的情况，计算在建模仿真的基础上在系统中不同节点加装同步调相机得到的广义短路比，把所有方案的广义短路比值对比选出最优的广义短路比。

2.根据权利要求1所述的提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，其特征在于：

采用如下同步调相机的电力电子多馈入系统的闭环特征方程求解广义短路比：

其中，Q_red为电网接地拉普拉斯矩阵；

为克罗内克积运算符号；

τ为连接线路R/L比，ω₀为角速度；S_B为新能源设备的额定容量；Y_PED(s)为单个新能源设备的端口导纳矩阵(此处以基于锁相环的变流器为例)；n-p为系统中新能源设备的数量；S_SC为同步调相机额定容量；Y_SC(s)为同步调相机在全局参考系下的端口导纳矩阵。

3.根据权利要求2所述的提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，其特征在于：所述单个新能源设备的端口导纳矩阵是基于锁相环的变流器设定。

4.根据权利要求2所述的提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，其特征在于：所述同步调相机在全局参考系下的端口导纳模型为：

式中：

其中，Y_SC(s)为同步调相机在全局参考系下的端口导纳矩阵；ΔU_scxy为同步调相机端电压扰动量的dq轴分量；ΔI_scxy为同步调相机电流扰动量的dq轴分量；x_d、x'_d、x″_d分别为同步调相机直轴稳态电抗、暂态电抗和次暂态电抗；x_q、x′_q、x″_q分别为同步调相机交轴稳态电抗、暂态电抗和次暂态电抗；T′_d0、T″_d0分别为同步调相机直轴暂态和次暂态时间常数；T′_q0、T″_q0分别为同步调相机交轴暂态和次暂态时间常数；G_AVR(s)为调相机励磁控制环节的传递函数。

5.根据权利要求2所述的利用组网型元件提高多馈入系统稳定性的选址方法，其特征在于：所述闭环特征方程简化为：

且根据摄动原理和忽略高阶项化简上式得：

0＝c(s)+λ₁'+Δλ(s)

由矩阵交错定理可知λ′₁>λ₁，其中，Q′_red为Q_red去除掉第n行n列元素后电网接地拉普拉斯矩阵；

为克罗内克积运算符号；S'_B为S_B去除掉第n个对角元后的对角阵；Q_n-11和Q_1n-1为Q_red的分块矩阵，分别包含Q_red的第n行前n-1列和第n列前n-1行的元素；Y_PED(s)为单个新能源设备的端口导纳矩阵；

τ为连接线路R/L比，ω₀为角速度；S_SC为同步调相机额定容量；Y_SC(s)为同步调相机在全局参考系下的端口导纳矩阵；λ₁为加装同步调相机前系统的最小特征值；λ′₁+Δλ(s)为加装同步调相机后新能源系统的特征值，此处Δλ(s)幅值设为0。

6.根据权利要求2所述的提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，其特征在于：考虑在有n个变流器节点的多馈入系统加装p台同步调相机的选址优化：使用枚举法，考虑所有调相机安装节点组合，在每种组合中，将对称加权拉普拉斯矩阵

中同步调相机安装节点的整行列元素删除，使剩余矩阵重新对角化，得到新多馈入系统的广义短路比；再对得到的安装调相机后的广义短路比进行比较，得到广义短路比最大组合中的安装节点即为优化的调相机安装节点，其中调相机安装节点组合数为：

其中，n≥p。

7.根据权利要求5所述的提升大型新能源基地稳定性的同步调相机选址方法，其特征在于：对称加权拉普拉斯矩阵

表示为：

其中S_B为新能源设备的额定容量；Q_red为电网接地拉普拉斯矩阵，所述电网接地拉普拉斯矩阵Q_red表示为：

其中，Q₁∈R^(m+n)×(m+n),Q₂∈R^(m+n)×k,Q₃∈R^k×(m+n),Q₄∈R^k×k,

Q_ij＝B_ij(i≠j)，

B_ij为消去无穷大电网所连节点后的节点导纳矩阵，m+n为多馈入系统中新能源设备的个数，k为系统中内部节点，n+m+k+1为无限总线。

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