专利名称：含风电场的注入空间电压稳定域局部边界求解方法
技术领域：
属于电力系统技术领域，涉及一种含风电场的注入空间静态电压稳定域(IVSR) 局部边界求解方法。
背景技术：
风电是当今世界最重要的可再生能源发电形式，近年来得到迅猛发展，风电装机 容量在电网中所占比例在逐年增加。但风电场出力具有明显的间歇性和随机性，在向电网 输出有功功率的同时，还往往从电网吸收无功功率，因此会给电网的电压稳定性带来严重
影响[1]。已有一些方法研究风电引入对电网电压稳定性的影响基于传统PV曲线的分析 方法，只能提供指定运行点下或特定参数变化方向下系统的电压稳定信息，难于给出系统 电压稳定性的整体测度[2_4]，同时考虑到短期风速难以精确预测，导致风电场出力难以精 确掌握，使得PV曲线的分析方法多只用于规划方案的研究；概率分析方法[5’6]，计算过程 复杂，无法实现在线监视，同时概率方法基于统计学原理，其结论往往难以指导在线安全监 控。进行在线监控，运行人员更需要对电力系统的全局稳定性有一个全面认识。当我 们仅考虑静态电压稳定约束时，电力系统的全部稳定运行点，在注入功率空间将构成注入 空间静态电压稳定域(IVSR) [7’8]，在割集功率空间则构成割集功率空间电压稳定域(CVSR) [9a°]，它们均能为监控人员提供系统电压稳定性的全局指示并用于指导在线安全监控，因 此，电压稳定域的研究受到越来越多的关注。但已有电压稳定域计算方法，尚无法考虑风电 场出力变化的影响，因此，研究实用的可考虑风电场影响的电压稳定域计算方法，对于电力 系统在线安全监控意义重大。常规电力系统在负荷需求超出电力网络的功率传输极限时，往往由受端系统的重 负荷点开始发生电压失稳或崩溃。但当大型风电场接入电网(如受端系统)，可能会改变系 统原来的潮流传输模式；此外，考虑到风电场在向系统送出有功功率的同时，往往要从系统 吸收大量无功。而电压稳定性与系统无功存在强相关性，使得大型风电场的接入对电网电 压稳定性有着不同程度的影响。电压稳定域为电力系统在线电压稳定性监控提供了一种具有应用前景的工具 [7_1(1]。含有风电场的静态电压稳定域是由所有电压稳定的运行点构成的集合，为便于描述， 用Sa = 表示注入功率向量，其中，SG = (PGc YQGc)Y(PGw YQJ分别表示传统发电机和 风电场对应的注入功率向量，= 表示负荷注入功率向量。当给定后，可由如下 方程唯一确定系统的运行状态X f (x, SGL) = 0(1)g(x，SGL)≤ 0其中f ( )为系统潮流方程，g( )为系统运行约束方程。当x同时还满足式(2) 时，称系统是电压稳定的；若x同时还满足式(3)时，则称系统处于电压稳定临界状态。
det (fx) ^ 0(2)det (fx) = 0(3)式中fx为潮流方程的雅可比矩阵。进一步，用xs表示同时满足式(1)和式(2)的全部稳定运行状态的集合，用r表 示同时满足式(1)和式(3)的全部稳定临界状态的集合。则功率注入空间的电压稳定域 (IVSR)及其边界定义为Qivse = {SGL|x G Xs，f(x, SGL) = 0，g(x, SGL)彡 0}(4)= I X e X\f{x, SOL) = 0, g(x, SaL) < 0}(5)设风电场的有功注入空间如下PGw= Uw-Pj(6)其中，s为系统中的风电场数。当风电场并网后，风速的随机波动会导致的变 化，进而会对稳定域QIVSK及其边界如,胃产生影响。已有研究已表明IVSR边界是一个高维 非线性曲面，而已有的IVSR求解方法[7_11]，都需预先知道每个节点的注入功率。但考虑到 风电场的风速仍难以实现短期精确预测[12]，导致风电场的短期功率输出无法确切预知，使 得利用传统方法求解含风电场的IVSR面临难以克服的困难，因此必须加以改进。相关文献如下[1]雷亚洲.与风电并网相关的研究课题[J].电力系统自动化，2003，27(8) 84-89.LEI Yazhou. Stdudies on wind farm integration into power system[J]. Automation of ElectricPower Systems,2003,27(8) :84_89.[2]张义斌，王伟胜，戴慧珠.基于P-V曲线的风电场接入系统稳态分析[J].电网 技术，2004，28 (23) :61_65.ZhANG Yibin. WANG ffeisheng. DAI Huizhu. P-V curve based static analysis for integration ofwind farm into power systems[J]. Power System Technology,2004, 28(23) :61-65.[3]李作红，李建华，李常信等.风电场静态电压稳定性研究[J].电网与清洁能 源，2008，24 (3) 49-50.LI Zuohong, LI Jianhua, et al. Study on static voltage stability of wind power [J]. PowerSystem and Clean Energy,2008,24(3) :49_50.[4]宋联庆，何进武，闫广新，等，并网风电场穿透功率极限确定方法探讨[J]，可 再生能源，2009，27 (3) 36-39.SONG Lianqing，HE Jinwu,YAN Guangxin,Discussion on the penetration limit of the wind farmin grid[J]，Renewable Energy，2009，27(3) :36_39.[5]王海超，戴剑锋，周双喜等.含风场电力系统电压稳定裕度模型[J].清华大学 学报，2006，46(7) 1185-1188.WANG Haichao,DAI Jianfeng,ZhOU shuangxi,et al. Voltage stability margin model for powersystems containing wind energy resources margin[J]. J Tsinghua Univ(Sci&Tech),2006,46(7) : 1185-1188.[6]张义斌，王伟胜.风电场输出功率的概率分布及其应用[J].电力设备，2004，5(8) 38-40.ZHANG Yibin. WANG Weisheng. Probability distribu-tion of power output for wind power fieldand its application[J]. Electrical Equipment,2005,5 (8) :38_40.[7]韩琪，余贻鑫，贾宏杰等.电力系统注入空间静态电压稳定域边界的实用表达 式[J].中国电机工程学报，2005，25 (5) 8-13.HAN qi, YU Yixin, JIA Hongjie, et al. A practical boundary expression of static voltagestability region in injeotion space of power systems [J]. Proceedings of the CSEE，2005，25(5) :8_13.[8]王刚，梅生伟，静态电压稳定域边界的切平面分析[J]，电力系统自动化， 2007,31 (11) 6-11.WANG gang, ME I Shengwei,A tangent plane analysis of the static voltage stability regionboundary[J], Automation of Electric Power Systems,2007,31 (11) 6-11.[9]李慧玲，余贻鑫，韩琪等，割集功率空间上静态电压稳定域的实用边界[J]，电 力系统自动化，2005，29 (4) 18-23.LI Huiling,YU Yixin, HAN Qi,et al,Practical boundary of static voltage stability regionin cut-set power space of power systems[J], Automation of Electric Power Systems,2005,29(4) : 18-23.[10]王刚，张雪敏，梅生伟，基于随机优化的割集空间电压稳定域可视化[J]，电 力系统自动化，2008，32 (2) 1-5，39.WANG Gang, ZHANG Xuemei, MEI Shengwei,, Visualization of voltage stability region in cut-setspace based on stochastic programming[J],Automation of Electric Power Systems,2008,32(2) :1_5，39.[11]贾宏杰，穆云飞，孙建伟等.基于微扰的割集电压稳定域局部边界求解方法 [J]，电力系统自动化，2009，33 (18) 1-5.JIA Hongjie, MU Yunfei, SUN Jianwei, et al. An approach to determine the local boundary ofsmall disturbance voltage stability region in a cut-set power space [J]，Automation of ElectricPower Systems,2009,33(18) 1-5.[12]杨秀媛，肖洋，陈树勇.风电场风速和发电功率预测研究[J]，中国电机工程 学报，2005,25(11) 1-5.YANG Xiuyuan，XIAO Yang，CHEN Shuyong. Wind speed and generated power forecasting in windfarm[J]，Proceedings of CSEE,2005,25(11) :1_5.[13]陈宁，于继来.基于电气剖分信息的风电系统有功调度与控制[J]，中国电机 工程学报，2008，28 (16) 51-58.ChEN Ning, YU Jilai. Active power dipatch and regulation of wind power system based onelectrical dissecting information of electric power network [J], Proceedings of CSEE,2008,28 (16) :51_58.[14]YU Xiaodan, JIA Hongjie, ZHAO Jing, et al. Interface control based on power flow tracingand generator re-dispatching [C]. Proc. of 2008 IEEE AsiaPacific Conference on Circuits andSystems(APCCAS' 08),2008. 11. 30-12. 3, Macao, China 1-8.[15]雷亚洲，王伟圣，印永华等.基于机会约束规划的风电穿透功率极限计算 [J].中国电机工程学报，200222 (5) 32-35.LEI Yazhong, WANG ffeisheng, YIN Yonghua et al. Wind power penetration limit calculation basedon chance constrained programming[J],Proceedings of the CSEE，2002，22(5) :32_35.[16]陈金富，陈海焱，段献忠.含大型风电场的电力系统多时段动态优化潮流 [J].中国电机工程学报，2006，26 (3) 31-35.CHEN Jinfu, CHEN Haiyan, DUAN Xianzhong. Multi-Period dymamic optimal power flow in windpower integrated system[J]. Proceedings of CSEE,2006,26(3) 31-35.[17]Papadopolos M,Malatestas P,Hatziargyriou N,Simulation and analysis of small and mediumsize power systems containing wind turbine[J],IEEE Trans on Power Systems,1991,6(4) :1453 1458.[18]吉兴全，王成山.电力系统并行计算方法比较研究[J].电网技术，2003， 27(4) -.22-26.Ji Xingquan, Wang chengshan. A comparative study on parallel processing applied in powersystem[J]. Power System Technology,2003,27(4) :22_26.
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，依据风电场的特点，提出一种包含风 电场的IVSR局部边界求解新方法，用于风速和风电场出力无法精确预测情况下的电力系 统电压稳定分析和在线安全监控。为此，本发明采用如下的技术方案一种含风电场的注入空间电压稳定域局部边界求解方法，包括下面的步骤第一步确定风电场分布，并确定风电场的功率变动补偿方案(1)定义如下集合系统风电场集合Qws = {Gwa, Gw,2， Gw,s}风电场直接紧密关联负荷集合QffL = {Lwa, Lw,2， LW,J与紧密关联电源集合 Qcs= {GCJ1,GCJ2,...GCJU}风电场非直接关联紧密负荷集合Q。l = IL。,:，k2，. . .，L。,v}风电场非直接紧密关联电源集合Qqs = {G。a，G。,2，. . . G。,J，设发电机i有功输出功率i派送给负荷k的派送因子为、1 = PGi_Lk/PG, i，负 荷k有功功率I\,k从发电机i汲取功率的汲取因子为‘％ zPtu/Pu，其中为发电 机i和负荷k之间传输的有功功率的总和；(2)确定风速变化引起出力调整的补偿方案先确定由风电场Qws出力调整引起的和Qm的输出功率的变化量假设负荷 Q^Qi在一定时期内保持不变，而Qws中第w座风电场受风速影响，其出力变化为AP&，
7则中第i台发电机送往Qi负荷的输出功率调整量为..此[(-
i g ，设中第i台发电机供给Qi负荷比重为L，则供给中负荷的比重为 1-Yi，为此中第i台发电机为弥补中风电场功率的波动而做出的输出功率调整量
为
、，其中，[由如下关系求得 再求出由于中发电机出力调整导致中第k个负荷供电不平衡而需要Qm
中第j台发电机输出功率调整量为 (3)确定风电场出力随机微小波动补偿方案设定一个固定阈值，在Qes中选择L大于该固定阈值的机组来跟踪风电场随 机功率波动，称其为自动发电控制AGC机组集合QesA，则QesA中机组i的功率调整量为
中的不平衡功率将由q。s中的平衡机来补偿； 第二步利用模态分析法选择对注入空间静态电压稳定域IVSR的边界有决定性 作用的关键发电机节点，设关键发电机的有功注入向量为Pk = [Pu，Pk,2，. . .，Pk,J ；
第三步确定每个风电场的风速，进而确定各风电场的出力，形成风电场输送到电 网中的有功功率Pew及无功功率Qew向量；第四步对有功功率及无功功率向量进行双向微扰当微扰量为AP时，按如下方式对P^d彡i彡s)实施微扰仏,=&,+A^， = _“，式中上标+和-分别表示正向微扰和负向微扰，微扰所产生的微小功率不平
衡量通过中的机组按照第一步确定的风电场出力随机微小波动补偿方案进行平衡，Qew 的扰动量由Qew和Pew和风速之间的映射关系决定，将对Pew和Qew实施微扰后系统的运行点 记为，以它为初始点，确定系统在Pk注入空间中的电压稳定临界点，计为X’。；按上述方式对Pew和Qew中所有的风电场依次实施正向微扰，可得正向微扰对应的 临界点集:X+Pt，…片’m}洞样，对Pew和Qew所有风电场依次实施负向微扰，可得负 向微扰对应的临界点集:X_pt第五步边界超平面的求解域修正；(1)利用《，通过求解m个线性方程得到IVSR边界的近似超平面 (2)利用；r可得对应的边界超平面 (3)采用如下公式加以修正
式中、代表超平面系数，上
标”+”表示利用，通过求解m个线性方程组得到IVSR边界的近似超平面的边界系数，上 标“_”表示利用;T可得对应的边界超平面的系数，￡ = |>丨硙,，y ={P。P。 P。}表示
初始点x对应的临界点，并得到修正后的边界超平面HP为=1+0 ■’
第六步判断是否遇到终止条件，若是则终止计算，否则继续，终止条件是监控系 统调度员人为设定的监控计算终止条件，或者当所有稳定域局部边界计算完成后的终止条 件；第七步当风电场风速变化时，首先根据第一步确定的风速变化引起出力调整的 补偿方案进行补偿，然后转第三步，继续。本发明具有如下的技术效果由于风电场短期风速和出力难以准确预测，导致含 有风电场的电力系统难以获得在线安全监控所需整体稳定测度。本发明提出的基于微扰的 IVSR局部近似边界获取方法，可充分利用并行计算技术，快速而准确地获取系统在各种风 速情况下的IVSR边界，从而为在线监控提供了 一种实用的分析工具。
图1风电场功率补偿原理图；图2风电场能量转换原理图；图3风电场输出功率与风速关系曲线；图4New England 39节点系统及风电场；图5局部IVSR边界结果图(a)表示并行计算机PCI完成的当风电场G30出力 为100MW，G34出力75MW，而风电场G36出力在0MW到100MW之间波动，步长为25MW时的 IVSR局部边界情况，图(b)表示并行计算机PC2完成的当风电场G30出力为100MW，G34出 力50MW，而风电场G36出力在0MW到100MW之间波动，步长为25MW时的IVSR局部边界情 况，图(c)表示并行计算机PC3完成的当风电场G30出力为10(MW，G34出力25丽，而风电场 G36出力在(MW到100丽之间波动，步长为25丽时的IVSR局部边界情况，图(d)表示并行 计算机PC4完成的当风电场G30出力为100MW，G34出力0MW，而风电场G36出力在0MW到 100MW之间波动，步长为25MW时的IVSR局部边界情况。图6双馈风力发电机对应的IVSR局部边界；图7异步风力发电机对应的IVSR局部边界；图8两种风场IVSR边界结果对比。
具体实施例方式下面对做详细说明。第一步确定风电场分布，并确定风电场的功率变动补偿方案当大规模风电场接入高压输电网时，风电场作为主要电源对负荷供电，其输出功 率的波动若不加以补偿，则会对系统的平稳运行产生不利影响。在双层调度方案[13]基础 上，通过潮流追踪过程[14]来获得与风电场紧密相关的机组，用以补偿风速变化引起的风电 输出功率的波动。原理如图1所示为此定义如下集合
^ws = {Gw,1 ‘ Gw，2, uw,:j(7)
Q = fT “WL l-^w,1 ‘ Lw，2,j⑶
^cs = {Gc,1' Gc，2,.. Gc 1j(9)
^0L= {L0,1 ‘ L0，2,.. j L((10)
Qos= {G0a,G0,2,...G0,J(11)参数说明Qws 系统风电场集合；Q^ 风电场直接紧密关联负荷集合；Q cs 与Q1紧密关联电源集合；Qol 风电场非直接关联紧密负荷集合；Qos 风电场非直接紧密关联电源集合分别对应图1中相应节点集合。当风电场Qws由于风速波动引起出力变化时，必 然会对Qi的负荷供应产生影响，此时需要调整与Qi密切相关的发电机的出力来加 以平衡；而出力的调整，同时也会影响到中的负荷供应，这部分影响则需由0 加 以补偿。具体方案如下设发电机i有功输出功率Pu派送给负荷k的派送因子为k^^P^/Pc.i (12)负荷k有功功率Pu从发电机i汲取功率的汲取因子为kLk_Gi = PGi_Lk/PL,k (13)其中f^k为发电机i和负荷k之间传输的有功功率的总和，可通过潮流追踪算
法[14]获得。1)风速变化引起出力调整的补偿方案首先确定由风电场Qws出力调整引起的和Qm的输出功率的变化量假设 负荷Qp 在一定时期内保持不变，而Qws中第w座风电场受风速影响，其出力变化为 AP&(增加时为正，减小时为负)，则中第i台发电机送往口1负荷的输出功率调整量 为= S [(_x kLk_Gi],i e ￡2CS (14)
keQ见we^ws考虑到Qes的功率除供给Qi外还要供给Qa，设Qcs中第i台发电机供给Qi 负荷比重为L，则供给中负荷的比重为1-L，为此中第i台发电机为弥补Qws中 风电场功率的波动而做出的输出功率调整量为APGi=AP' Gi/y j, i G Qcs (15)其中，由如下关系求得r'=e QCS(16)
k⑷WL同理可求出由于中发电机出力调整导致中第k个负荷供电不平衡而需要 中第j台发电机输出功率调整量为
^ [(" Z kGi—LklsPGi) x kLk_GJ ]APg. ='.叫-Je￡2os (17)
/ ^Gi-Lk2)风电场出力随机微小波动补偿方案为适应风电场的随机微小波动，设定一个固定阈值，在Qes中选择[大于该固 定阈值的机组来跟踪风电场随机功率波动，称其为自动发电控制(AGC)机组集合QesA，则 ^CSA中机组i的功率调整量为
10r0122l APg, = X [(_ Z W APgJx，广](18)
L 」keQ肌 wei2wsZJ^Lk—Gj
je￡2CSA由于进行微扰计算时，功率波动不是很大，因此中的不平衡功率将由中的 平衡机来补偿。风电场系统能量转换原理如图2所示，风电场输送到电网中的功率，QGw(以送 出为正，从系统吸收为负)与风机轮毂处风速间存在如下映射关系PGw = fp(vwind)(19a)QGw = fq(vwind)(19b)fp和fq与风电场风机类型和控制方式有关，图3给出了一种典型的风电场有功输 出功率与风速关系曲线[15]，无功与风速关系参见文献[15]。其中，vin，v。ut分别为切入风 速，切除风速％为额定风速扎为额定输出功率。当风速在[vin，v。ut]之间变化时，风电场 有功输出将在
分为 n段，每段区间长度为d:d = (vout-vin) /n(20)对于当前风速Vi (vin < Vi < vout) 其中，vQ = vin, vn = v。ut。风电场的有功和无功出力PCw，QCw(其中，0彡PCw彡Pr) 可由式(19)决定，进而可以确定各风电场注入功率向量Pc^和Q^主要考虑以下两种风电机组构成的风电场对IVSR的影响，为此采用不同的潮流 计算模型异步风力发电机潮流计算模型根据文献[16]提出的一种改进的PQ模型方法，由异步风力发电机的简化等值电 路推导出无功功率与有功功率、机端电压的关系表达式。在每次潮流中，不断更新无功功率 值，并修改部分雅可比矩阵元素，该方法计算量小，计算速度快，并且具有较高的准确性。由 于异步风力发电机的机端都装设有无功补偿装置，因此，本文进一步考虑异步风机的机端 无功补偿量Qew,。_，本文将其作为计算初始条件给出，由异步风力发电机的Q-V特性方程 其中Xm为励磁电抗，x为定、转子漏抗之和，得到异步风力发电机需要从系统吸收 的无功功率为 给定风速和节点电压值，由风速功率曲线确定风电机的有功功率，根据上式 (22)，(23)计算，作为PQ节点带入潮流计算，每次修正电压后应重新计算发电机的无功功率。双馈风力发电机潮流计算模型双馈异步电机采用变频器调节转子绕组励磁电流的频率、幅值、相位和相序，能够 对输出功率进行很好控制，可采用P-Q简化模型[17]来模拟其运行特性，即在已知有功功率 的前提下，通过设定功率因数来计算得到该机组的无功功率。有了上述风电机组潮流计算模型，对于含有N台风力发电机的风电场，在忽略其内部线路损耗和变压器损耗，并假定所有机组机端电压都等于待求风电场母线电压V时， 则整个风电场的有功和无功功率可由下式计算PGw=iPGwJ(24)
/=1(25)
/=1由于IVSR边界理论上是一个高维的非线性曲面，直接进行求解难度极大。而微扰 求解法[11]，可以有效解决上述问题，快速给出所关心的IVSR的局部边界。将在[11]方法 基础上，结合含风电场电力系统的特点进行IVSR边界的求解。为此首先通过模态分析获得 系统的关键发电机集合[7]，用于进行IVSR的可视化降维展示，设关键发电机的有功注入向 量可表示为Pk= [PkYPu，...，。」 (26)2)利用模态分析法选择对IVSR的边界有决定性作用的关键发电机节点[7]，以达 到可视化降维的目的。在实际电力系统中，注入功率按不同的方向变化，系统将达到不同的临界运行点； 在不同的临界点处，系统的关键发电机节点可能有所不同，进行在线安全监控时，负荷的增 长方式由短期负荷预测结果得到，而发电机增长方式则由预先设定的调度计划确定，为简 单起见，中两者均按等比例方式增长。关键发电机节点对于电压稳定域局部边界的可视化，由于可视化方法最多只能表达三维图形信 息，为实现域的可视化，必须对高维发电机注入空间进行降维。由于电压失稳首先发生在局 部薄弱区域，继而波及全网造成系统大面积停电，同时结合计算发现，系统中各个发电机节 点对系统电压稳定性的影响是不同的。在系统中存在一些敏感发电机节点，其有功调度比 例的变化对于稳定域边界的形状影响很大，这些发电机称之为关键发电机节点；同时还 有一些非敏感发电机节点，它们对域的边界影响相对很小，甚至可以忽略，因此能选出系统 的关键发电机节点，就可以在域的可视化过程中达到降维的目的。模态分析模态分析为关键发电机节点的选择提供了合理的依据，发电机参与因子是反映发 电机节点对系统电压稳定影响力的有效指标。发电机k对模态i的参与因子为PFGki = AQgki/AQg fflaxiA0gmax! =其中A Qgki为模态土下的无功变化引起的发电机k的无功出 力的变化；而选择在最小特征值下对应的模态i下具有较大发电机参与因子的发电机构成 关键发电机节点。3)当每一个风电场的风速都确定后，利用式(19)确定各风电场的出力，形成，
QGw向量；4)对进行双向微扰，无功的扰动量由式(19b)确定。当微扰量为AP时， 按如下方式对P^id ^i^s)实施微扰(27)PGwJ=PGw,~AP(28)
12
式中上标+和一分别表示正向微扰和负向微扰。式(27)1(28)产生的微小功率不平衡量通过Q．A中的机组进行平衡，由式(18)决定；Q。1中的不平衡功率由Q。中的平衡机来补偿。按(27)对P。Yy和Q一实施微扰后系统的运行点记为‘．广以它为初始点，确定系统在P，注入空间中的电压稳定临界点，计为x．毛厂按上述方式对PCW和Q。Yy中所有的风电场依次实施正向微扰，可得正向微扰对应的临界点集
)
(29)
同样，按式(28)对P。Yy和Q。Yy所有风电场依次实施负向微扰，可得负向微扰对应的临界点集
) 5)边界超平面的求解域修正；
首先利用布，通过求解m个线性方程组得到IVSR边界的近似超平面
同样，利用布可得对应的边界超平面
由于扰动量的存在，琊和都通常不包含初始点J，4一真／对应的极限点x．A，J’为此采用如下方法加以修正
式中
(36)
由此可得修正后的边界超平面HP为
上述修正实际是对聯和都两平面的系数进行加权平均，并将修正后的超平面比进行平移，以确保其过x．㈠’即
6)判断是否遇到终止条件，若是则终止计算，否则继续。
终止条件是监控系统调度员人为设定的监控计算终止条件，或者当所有静态电压稳定域局部边界计算完成后的终止条件。
7)当风电场风速变化时，首先由式(15)1(17)对P．。的变化进行补偿，然后转步骤3)，继续。
下面是对的算法做进一步的说明
风电场的出力具有明显的间歇性和随机性，短期风速(风电场短期出力)的精确预测至今仍是世界性难题”2，，由此造成含接入风电的系统在线安全监控的困难。方法为之提供一种可行的解决途径
假设系统中存在S座风电场，在进行在线安全监控时，尽管对于任一风电场，其下一时刻的风速难以精确预测，但其风速的分布范围可以较准确掌握。将每一风电场可能的风速区间都进行n等分，自由组合后，共存在(n+1)’可能情况。对于任意一种风速组合
v乙[v乙一1，v乙一2，…，v乙．。]，rl，2…，(n+1)‘(35)
可由式(19)确定对应的风电场出力
兄[乙一1，乙一2，…，毛．。](36a)
Q乙[Q乙一1，Q二一2，…，Q乙．。](36b)
进一步，可利用计算此时系统的IVSR
厅；[()(；，()(；，…，()(二](37)
考虑了每种风速组合后，就可得下一时刻所有可能的IVSR集合
(38)
由于(n+1)’种风速(或出力)组合是互不相干的，在进行IVSR集合的求解时，可利用算例并行技术““来提高计算效率将(n+1)’种互不相关的风速组合，交M台计算机并行计算，然后汇总结果后得到系统下一时刻所有可能的IVSR。
当进行在线应用时，当风电场的确切风速(或出力)已知后，则可利用临近的风速(或出力)组合对应的IVSR进行实时安全监控，满足了电压稳定在线安全监控计算速度和精度的需求。由此解决了风电场出力无法确定预测所造成的在线安全监控的困难。
实施例
以NeW England一39节点系统为例对所提方法进行示例和验证，设发电机G39为平衡机，该系统及所含风电场的分布情况如图4所示，设G301G341G36为并网风电场，每个风电场额定出力与初始出力如表l所示。风力发电机类型按双馈式和普通异步发电机两种情况分别加以考虑。
表l风电场状态额定输出功率与初始初始出力
Tablel Rated and initial 。utput p。Wer 。f Wind farm [OT97) 表2风电场补偿机组
Table2 The C。mpenSati。n generat。rS 。f Wind farmS
G30G37
G34G33
G36G35
风电场为双馈风力发电机的情况
采用P—Q简化模型”’’来模拟双馈风力发电机的运行特性，本算例设定双馈式风电机组与电网问不进行无功功率交换，即功率因数C。S O—1．o。为示例方便，算例中我们将下一时刻对风速预测区间的等分，改为对下一时刻风电场有功出力预测区间的等分。设风 速变化引起风电场功率变动的区间步长为d = 25MW，并假设每一个电场下一时刻功率可能 的变动区间均为
，承担Pew和Qew变化 以及微扰时的功率补偿，补偿机组的构成情况如表2所示。为便于描述，假设经过预测，风电场G30的风速在下一时刻保持不变，即风电场 G30有功出力仍为100MW，而G34，G36风电场的出力随机波动，利用节2所述方法，采用4台 并行计算机(PC1 PC4)，共同承担20个IVSR局部边界的计算，结果如图5所示。图6给出 了将20个IVSR局部边界面绘制在一起的结果。可见，当风电场G30出力确定，而G34，G36 的出力均按步长d变动时，IVSR局部边界按一定规律排列，近似处于一个三维曲面之上。当 G30的有功出力发生变化后，对于G30每一种可能的出力，都对应20个系统局部IVSR边界。风电场为普通异步发电机采用改进P-Q模型[16]来模拟普通异步风力发电机的运行特性，并用式(22) (23) 确定风电场对应的无功出力。为便于与双馈风机构成的风场所得到的IVSR局部边界进行 对比，仍选取发电机G32、G33、G35作为关键发电机节点并采用相同的假设条件，可得对应 的部分IVSR局部边界如图7所示。为便于比较双馈风力发电机和异步风力发电机构成风电场对IVSR边界的影响， 将图6和图7结果绘于同一坐标，结果如图8所示不难看出，对于所研究系统，当G30、G34、 G36是由异步风力发电机构成的风场时，其电压稳定域的范围要小于上述电场是双馈机组 的情况。由此可知，双馈风力发电机并网运行时，对系统电压稳定性的影响要优于传统的异 步风电机。通过上述分析和计算可以发现如下规律1)无论对于由双馈式发电机还是由普通异步发电机构成的风电场，考虑其全部可 能的风速(或出力)变化后的IVSR边界，一般可以用一高维非线性曲面加以近似。若利用 传统的IVSR边界获得方法，只能随机产生大量临界点，然后通过非线性曲面拟合方法来得 到，其计算量非常巨大，难以用于指导电力系统的在线安全监控。而利用本发明提出的微扰 法，计算各种风电出力组合情况下的IVSR局部边界一方面，用多个与IVSR边界近似相切 的局部平面来快速估算其真实边界，在保证计算精度的前提下，充分利用了超平面易于使 用的便利性；另一方面，算法充分考虑了各风电场出力变化的相对独立性，可通过算例并行 技术来提升计算效率，以实现电力系统的在线安全监控。2)双馈风力发电机构成的风电场对系统静态电压稳定性的影响要优于普通异步 发电机构成的风电场。
1权利要求
一种含风电场的注入空间电压稳定域局部边界求解方法，包括下面的步骤第一步确定风电场分布，并确定风电场的功率变动补偿方案(1)定义如下集合系统风电场集合ΩWS＝{Gw，1，Gw，2，...Gw，s}风电场直接紧密关联负荷集合ΩWL＝{Lw，1，Lw，2，...Lw，t}与ΩWL紧密关联电源集合ΩCS＝{Gc，1，Gc，2，...Gc，u}风电场非直接关联紧密负荷集合ΩOL＝{Lo，1，Lo，2，...，Lo，v}风电场非直接紧密关联电源集合ΩOS＝{Go，1，Go，2，...Go，z}，设发电机i有功输出功率PG，i派送给负荷k的派送因子为kGi Lk＝PGi Lk/PG，i，负荷k有功功率PL，k从发电机i汲取功率的汲取因子为kLk Gi＝PGi Lk/PL，k，其中PGi Lk为发电机i和负荷k之间传输的有功功率的总和；(2)确定风速变化引起出力调整的补偿方案先确定由风电场ΩWS出力调整引起的ΩCS和ΩOS的输出功率的变化量假设负荷ΩWL、ΩOL在一定时期内保持不变，而ΩWS中第w座风电场受风速影响，其出力变化为ΔPGw，则ΩCS中第i台发电机送往ΩWL负荷的输出功率调整量为i∈ΩCS，设ΩCS中第i台发电机供给ΩWL负荷比重为γi，则供给ΩOL中负荷的比重为1 γi，为此ΩCS中第i台发电机为弥补ΩWS中风电场功率的波动而做出的输出功率调整量为ΔPGi＝ΔP′Gi/γi，i∈ΩCS，其中，γi由如下关系求得再求出由于ΩCS中发电机出力调整导致ΩOL中第k个负荷供电不平衡而需要ΩOS中第j台发电机输出功率调整量为(3)确定风电场出力随机微小波动补偿方案设定一个固定阈值，在ΩCS中选择γi大于该固定阈值的机组来跟踪风电场随机功率波动，称其为自动发电控制AGC机组集合ΩCSA，则ΩCSA中机组i的功率调整量为ΩOL中的不平衡功率将由ΩOS中的平衡机来补偿；第二步利用模态分析法选择对注入空间静态电压稳定域IVSR的边界有决定性作用的关键发电机节点，设关键发电机的有功注入向量为Pk＝[Pk，1，Pk，2，...，Pk，m]；第三步确定每个风电场的风速，进而确定各风电场的出力，形成风电场输送到电网中的有功功率PGw及无功功率QGw向量；第四步对有功功率PGw及无功功率QGw向量PGw进行双向微扰当微扰量为ΔP时，按如下方式对PGw，i(1≤i≤s)实施微扰式中上标+和 分别表示正向微扰和负向微扰，微扰所产生的微小功率不平衡量通过ΩCSA中的机组按照第一步确定的风电场出力随机微小波动补偿方案进行平衡，QGw的扰动量由QGw和PGw和风速之间的映射关系决定，将对PGw和QGw实施微扰后系统的运行点记为以它为初始点，确定系统在Pk注入空间中的电压稳定临界点，计为按上述方式对PGw和QGw中所有的风电场依次实施正向微扰，可得正向微扰对应的临界点集同样，对PGw和QGw所有风电场依次实施负向微扰，可得负向微扰对应的临界点集 <mrow><msubsup> <mi>X</mi> <msub><mi>P</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>{</mo><msubsup> <mi>x</mi> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>k</mi></msub><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mo>′</mo><mo>-</mo> </mrow></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>x</mi> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>k</mi></msub><mo>,</mo><mn>2</mn> </mrow> <mrow><mo>′</mo><mo>-</mo> </mrow></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup> <mi>x</mi> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>k</mi></msub><mo>,</mo><mi>m</mi> </mrow> <mrow><mo>′</mo><mo>-</mo> </mrow></msubsup><mo>}</mo><mo>;</mo> </mrow>第五步边界超平面的求解域修正；(1)利用通过求解m个线性方程得到IVSR边界的近似超平面(2)利用可得对应的边界超平面(3)采用如下公式加以修正，式中αi代表超平面系数，上标”+”表示利用通过求解m个线性方程组得到IVSR边界的近似超平面的边界系数，上标“ ”表示利用可得对应的边界超平面的系数，表示初始点对应的临界点，并得到修正后的边界超平面HP为第六步判断是否遇到终止条件，若是则终止计算，否则继续，终止条件是监控系统调度员人为设定的监控计算终止条件，或者当所有稳定域局部边界计算完成后的终止条件；第七步当风电场风速变化时，首先根据第一步确定的风速变化引起出力调整的补偿方案进行补偿，然后转第三步，继续。FDA0000024218420000011.tif,FDA0000024218420000012.tif,FDA0000024218420000013.tif,FDA0000024218420000014.tif,FDA0000024218420000015.tif,FDA0000024218420000016.tif,FDA0000024218420000017.tif,FDA0000024218420000018.tif,FDA0000024218420000021.tif,FDA0000024218420000023.tif,FDA0000024218420000024.tif,FDA0000024218420000025.tif,FDA0000024218420000026.tif,FDA0000024218420000027.tif,FDA0000024218420000028.tif,FDA0000024218420000029.tif,FDA00000242184200000210.tif,FDA00000242184200000211.tif,FDA00000242184200000212.tif,FDA00000242184200000213.tif,FDA00000242184200000214.tif
全文摘要
本发明属于电力系统技术领域，提供一种含风电场的注入空间电压稳定域局部(IVSR)边界求解方法，用于风速难以准确预测情况下电网电压稳定性的分析与在线安全监控。该方法首先，利用潮流追踪与双层调度模型获得与风电场紧密关联的调控机组，用以平衡风速变化所引起的风电场输出功率的波动；进而，利用模态分析获得关键发电机节点，用于IVSR的有效降维；最后，对可能的风速和风电场输出功率区间进行分段并行计算，并通过定向微扰来获得对应风速下的IVSR的局部边界。本发明可快速获得不同风速下IVSR的局部边界，可用于包含风电场的电力系统在线电压稳定监控，具有很好的工程应用前景。
文档编号H02J3/38GK101895130SQ201010247868
公开日2010年11月24日 申请日期2010年8月8日 优先权日2010年8月8日
发明者余晓丹, 穆云飞, 贾宏杰 申请人:天津大学