风电极限穿透功率优化方法和装置与流程

本发明涉及电网安全领域，特别是涉及一种风电极限穿透功率优化方法和装置。

背景技术：

环境污染以及能源紧缺促进了风力发电的快速发展和广泛应用。风力发电机的频率调节特性及电压调节特性与传统的同步发电机有很大的差别，当系统发生故障时，风电机组会加速并发生转速及有功功率的振荡，同时风电场出口电压会快速降低，影响电网的暂态安全。当风电的渗透率越高时，对电网的暂态安全影响越大，因此需要确定风机的准入容量。风机的准入容量是指在保证配网安全稳定运行的前提下，系统所能接受的风机的最大容量，在传统研究中以最大化风机容量为目标函数，主要考虑电网的静态安全，建立节点电压、线路容量、谐波水平等约束条件，忽略电网的暂态安全约束。

传统方法中主要采用时域仿真法分析风电场并网后系统的暂态安全，将电力系统各元件模型根据元件间拓扑关系形成全系统模型，构造一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机转子摇摆曲线来判别系统在大扰动下能否保持同步运行。通常基于Matlab，PS，CAD等软件观察发电机转角摇摆曲线判别系统在大扰动下能否保持同步运行，不能对系统的暂态稳定性进行定量的评价。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种风电极限穿透功率优化方法和装置，能够直观的风机容量对电网的安全影响。

一种风电极限穿透功率优化方法，所述方法包括：

获取电网故障切除时刻的暂态能量与临界能量；

根据所述暂态能量与所述临界能量获取暂态稳定指标；

根据所述暂态稳定指标优化风电准入容量优化模型；

根据优化后的风电准入容量优化模型，获取风电极限穿透功率；

根据所获取的风电极限穿透功率，配置电网。

上述风电极限穿透功率优化方法，通过能获取电网故障切除时刻的电网暂态能量与临界能量，通过暂态稳定指标直接量化含风机电网的暂态稳定水平和弹性值，形成暂态安全约束，能够直观的风机容量对电网的安全影响；综合考虑暂态安全和其他约束条件，在满足电网安全运行的前提下，可最大化风机装机容量，减少电网多种运行风险。

在其中一个实施例中，所述获取电网故障切除时刻的暂态能量与临界能量的步骤，具体包括：

获取输入的配电网参数和发电机参数；

根据所述配电网参数和发电机参数获取电网故障后的稳定点；

根据所述配电网参数和发电机参数获取电网故障后的不稳定点；

根据所述配电网参数和发电机参数获取电网临界切除角；

根据所述稳定点、所述不稳定点和所述临界切除角获取所述暂态能量与所述临界能量。

在本实施例中，通过采用稳定点、不稳定点和临界切除角获取暂态能量，分析所得的修正的能量裕度曲线具有更好的光滑性和连续，避免了临界点处一阶导数不连续和非线性现象，同时适用于多机系统，适用性较强。

在其中一个实施例中，所述根据所述配电网参数和发电机参数获取电网故障后的不稳定点的步骤之前还包括：

将电网故障后的发电机组分离为临界机组和剩余机组，并获取对应的转速和转子角速度：

其中，ωcr为临界机组在惯性中心坐标系下的转子角速度，ωi为临界机组中第i台发电机在惯性中心坐标系下的转子角速度，δcr为临界机组在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，δi为临界机组中第i台发电机在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，Mcr为临界机组的惯性时间常数，Mi为临界机组中第i台发电机的惯性时间常数，cr为临界机组中发电机的台数，i为正整数，i∈cr；

ωsys为剩余机组在惯性中心坐标系下的转子角速度，ωj为剩余机组中第j台发电机在惯性中心坐标系下的转子角速度，δsys为剩余机组在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，δj为剩余机组中第j台发电机在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，Msys为剩余机组的惯性时间常数，Mj为剩余机组中第j台发电机的惯性时间常数，sys为剩余机组中发电机的台数，j为正整数，j∈sys。

在其中一个实施例中，所述配电网参数包括支路阻抗、变压器阻抗以及母线电压VB，所述发电机参数包括发电机输入机械功率、发电机暂态阻抗以及发电机内电势V；

所述根据所述配电网参数和发电机参数获取电网故障后的稳定点的步骤，具体为：

根据电网初始状态下的第一次最大摇摆输出功率和发电机电磁功率获取电网故障后的稳定点：

其中，θs为电网故障后的稳定点，PMFSO_sys为电网初始状态下的第一次最大摇摆输出功率，Pm为发电机输入机械功率，XT为所述支路阻抗的等效阻抗、变压器阻抗的等效阻抗以及发电机暂态阻抗的等效阻抗的和。

在其中一个实施例中，所述发电机参数还包括发电机输出电磁功率；

所述根据所述配电网参数和发电机参数获取电网故障后的不稳定点的步骤，具体为：

获取电网的摇摆方程：

根据所述摇摆方程，获取时对应的解为电网故障后的不稳定点θu；

其中，Meq为电网的等值性时间常数，ωΔ为所述临界机组和所述剩余机组之间的转子角速度差，ωΔ＝ωcr-ωsys，θΔ为所述临界机组和所述剩余机组之间的转子角度差，θΔ＝δcr-δsys，且Pmi为临界机组中第i台发电机输入机械功率，Pmj为剩余机组中第j台发电机输入机械功率，Pei为临界机组中第i台发电机输出电磁功率，Pej为剩余机组中第j台发电机输出电磁功率，为所述临界机组和所述剩余机组的惯性中心之间的加速功率。

在其中一个实施例中，所述根据所述配电网参数和发电机参数获取电网临界切除角的步骤，具体为：

根据以下公式获取电网临界切除角：

其中，δc为临界切除角；Pf为故障清除后电网第一次最大摇摆输出功率；δ0为故障前系统的稳定点。

在其中一个实施例中，所述配电网参数还包括电导矩阵和电纳矩阵；

所述根据所述稳定点、所述不稳定点和所述临界切除角获取所述暂态能量与所述临界能量的步骤，具体为：

获取电网的能量函数表达式：

根据所述能量函数表达式，获取θ＝θu时的临界能量ENcr；

根据所述能量函数表达式，获取θ＝θc时的暂态能量ENcl；

其中，EN表示能量函数，E表示发电机的内电势，a表示临界机组中的发电机的编号，b表示剩余机组中的发电机的编号，Gia表示临界机组的第i台发电机的电导矩阵，Gjb表示剩余机组的第j台发电机的电导矩阵，Bia表示临界机组的第i台发电机的电纳矩阵，Bjb表示剩余机组的第j台发电机的电纳矩阵；

θi表示临界机组中第i台发电机的转角，θsi表示临界机组中第i台发电机的稳定点，θia表示临界机组中第i台发电机和第a台发电机之间的转角差，θsia表示临界机组中第i台发电机和第a台发电机之间的稳定点差；

θj表示剩余机组中第j台发电机的转角，θsj表示剩余机组中第j台发电机的稳定点，θjb表示剩余机组中第j台发电机和第b台发电机之间的转角差，θsjb表示剩余机组中第j台发电机和第b台发电机之间的稳定点差。

在其中一个实施例中，所述根据所述暂态能量与所述临界能量获取暂态稳定指标的步骤，具体为：

根据以下公式获取暂态稳定指标：

在其中一个实施例中，所述发电机参数还包括发电机组的有功功率的上限和发电机组的有功功率的下限；

所述根据所述暂态稳定指标优化风电准入容量优化模型的步骤，具体包括：

以风电装机量最大化为目标函数，考虑功率平衡约束、静态安全约束和暂态安全约束建立风电准入容量优化模型：

max(Pr)

约束条件：

其中，Pr为风机额定输出功率即为风电场装机容量，Pw为风电场的输出功率，Ng为常规发电机组的台数，Pl为电网总负荷需求，Pgm为第m台常规发电机组的有功功率，为第m台常规发电机组的有功功率的上限，Pgm为第m台常规发电机组的有功功率的下限，In为线路n传输的有功功率，为线路n传输的极限有功功率，Uk为节点k的电压，为节点电压上限值，为暂态稳定指标上限值。

一种风电极限穿透功率优化装置，所述装置包括：

能量获取模块，用于获取电网故障切除时刻的暂态能量与临界能量；

指标获取模块，该指标获取模块的输入端与所述能量获取模块的输出端相连接，该指标获取模块用于根据所述暂态能量与临界能量获取暂态稳定指标；

模型模块，该模型模块的输入端与所述指标获取模块的输出端相连接，该模型模块用于根据所述暂态稳定指标优化风电准入容量优化模型；

求解模块，该求解模块的输入端与所述模型模块的输出端相连接，该求解模块用于根据优化后的风电准入容量优化模型，获取风电极限穿透功率；

输出模块，该输出模块的输入端与所述求解模块的输出端相连接，该输出模块用于根据所获取的风电极限穿透功率，配置电网。

附图说明

图1为一实施例中风电极限穿透功率优化方法的流程图；

图2为图1中所示实施例的一应用的配电网拓扑图；

图3为图1所示的实施例中的步骤S102的流程图；

图4为一实施例中不同暂态安全水平下的风机准入容量结果图；

图5为一实施例中不同风机类型下的分级准入容量结果图；

图6为一实施例中风电极限穿透功率优化装置的结构示意图。

其中，

100 能量获取模块

110 输入单元

120 分组单元

130 稳定点获取单元

140 不稳定点获取单元

150 电网临界切除角单元

160 能量获取单元

200 指标获取模块

300 模型模块

400 求解模块

500 输出模块

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，所述的实施例主要在于与风电极限穿透功率优化方法和装置组件的组合。因此，所属系统组件和方法步骤已经在附图中通过常规符号在适当的位置表示出来了，并且只示出了与理解本发明的实施例有关的细节，以免因对于得益于本发明的本领域普通技术人员而言显而易见的那些细节模糊了本发明的公开内容。

在本文中，诸如左和右，上和下，前和后，第一和第二之类的关系术语仅仅用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示这种实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1并结合图2所示，图1为一实施例中风电极限穿透功率优化方法的流程图，图2为图1中所示实施例的一应用的配电网拓扑图，在图2中，其示出了节点1至节点30，这些节点处可以接入风机，在该实施例中，该方法可以包括：

S102：获取电网故障切除时刻的暂态能量与临界能量。

在本实施例中，可以通过能量函数法直接量化风电接入后电网的暂态安全水平。

S104：根据暂态能量与临界能量获取暂态稳定指标。在本实施例中通过所获取的暂态能量和临界能量来量化暂态稳定指标，且采用该暂态稳定指标直接量化含风机以与其他的约束条件一起优化风电准入容量模型，实现对风电准入容量的计算。

S106：根据暂态稳定指标优化风电准入容量优化模型。

S108：根据优化后的风电准入容量优化模型，获取风电极限穿透功率。

在本实施例中，以风电装机容量最大化为目标函数，采用上述的暂态稳定指标和其他基本约束条件为进行约束，以形成风电转入容量优化模型，实现对风电准入容量的计算，进而可以获取风电极限穿透功率。且该方法可以用于多种风机类型和电网拓扑结构，具有较强的适用性和工程实用性。

S110：根据所获取的风电极限穿透功率，配置电网。

上述风电极限穿透功率优化方法，通过能获取电网故障切除时刻的电网暂态能量与临界能量，通过暂态稳定指标直接量化含风机电网的暂态稳定水平和弹性值，形成暂态安全约束，能够直观的风机容量对电网的安全影响；综合考虑暂态安全和其他约束条件，在满足电网安全运行的前提下，可最大化风机装机容量，减少电网多种运行风险。

在其中一个实施例中，请参阅图3所示，图3为图1所示的实施例中的步骤S102的流程图，该获取电网故障切除时刻的暂态能量与临界能量的步骤，具体可以包括：

S202：获取输入的配电网参数和发电机参数。

具体地，该配电网参数可以包括电导矩阵、电纳矩阵、支路阻抗、变压器阻抗以及母线电压。该发电机参数可以包括发电机组的有功功率的上限、发电机组的有功功率的下限、发电机输入机械功率、发电机输出电磁功率、发电机暂态阻抗以及发电机内电势。

S204：根据配电网参数和发电机参数获取电网故障后的稳定点。

具体地可以采用电网初始状态下的第一次最大摇摆输出功率和发电机电磁功率计算故障后的稳定点，具体可以参见下文所述。

S206：根据配电网参数和发电机参数获取电网故障后的不稳定点。

具体地，可以根据临界机组和剩余机组的惯性中心坐标之间的加速功率计算故障后的不稳定点，具体可以参见下文所述。

S208：根据配电网参数和发电机参数获取电网临界切除角。

具体地，可以根据故障切除后电网第一次最大摇摆输出功率和故障前系统的稳定点计算电网的临界切除角，具体可以参见下文所述。

S210：根据稳定点、不稳定点和临界切除角获取暂态能量与临界能量。

在本实施例中，通过采用稳定点、不稳定点和临界切除角获取暂态能量，分析所得的修正的能量裕度曲线具有更好的光滑性和连续，避免了临界点处一阶导数不连续和非线性现象，同时适用于多机系统，适用性较强。

在其中一个实施例中，根据配电网参数和发电机参数获取电网故障后的不稳定点的步骤之前还可以包括：

将电网故障后的发电机组分离为临界机组和剩余机组，并获取对应的转速和转子角速度：

其中，ωcr为临界机组在惯性中心坐标系下的转子角速度，ωi为临界机组中第i台发电机在惯性中心坐标系下的转子角速度，δcr为临界机组在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，δi为临界机组中第i台发电机在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，Mcr为临界机组的惯性时间常数，Mi为临界机组中第i台发电机的惯性时间常数，cr为临界机组中发电机的台数，i为正整数，i∈cr；ωsys为剩余机组在惯性中心坐标系下的转子角速度，ωj为剩余机组中第j台发电机在惯性中心坐标系下的转子角速度，δsys为剩余机组在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，δj为剩余机组中第j台发电机在惯性中心坐标系下转子磁通和空气间隙间合成磁通之间的角度，Msys为剩余机组的惯性时间常数，Mj为剩余机组中第j台发电机的惯性时间常数，sys为剩余机组中发电机的台数，j为正整数，j∈sys。

上述实施例中可以采用同调机群识别技术分析扰动故障后的电网内的机组，识别转子摇摆曲线近似相同的发电机组或紧密联系的发电机组，并将其聚合成1台发电机，将发电机分离为临界机组和剩余机组。

在其中一个实施例中，配电网参数包括支路阻抗、变压器阻抗以及母线电压VB，发电机参数包括发电机输入机械功率、发电机暂态阻抗以及发电机内电势V。根据配电网参数和发电机参数获取电网故障后的稳定点的步骤，具体可以为：根据电网初始状态下的第一次最大摇摆输出功率和发电机电磁功率获取电网故障后的稳定点：

其中，θs为电网故障后的稳定点，PMFSO_sys为电网初始状态下的第一次最大摇摆输出功率，Pm为发电机输入机械功率，XT为支路阻抗的等效阻抗、变压器阻抗的等效阻抗以及发电机暂态阻抗的等效阻抗的和。

在其中一个实施例中，根据配电网参数和发电机参数获取电网故障后的不稳定点的步骤，具体为：

S302：获取电网的摇摆方程：

其中，Meq为电网的等值性时间常数，ωΔ为临界机组和剩余机组之间的转子角速度差，ωΔ＝ωcr-ωsys，θΔ为临界机组和剩余机组之间的转子角度差，θΔ＝δcr-δsys，且Pmi为临界机组中第i台发电机输入机械功率，Pmj为剩余机组中第j台发电机输入机械功率，Pei为临界机组中第i台发电机输出电磁功率，Pej为剩余机组中第j台发电机输出电磁功率，为临界机组和剩余机组的惯性中心之间的加速功率。

S304：根据摇摆方程，获取时对应的解为电网故障后的不稳定点θu。根据暂态势能理论可知，故障后电网轨迹穿过修正势能界面时，电网转换为不稳定状态，而穿越修正势能界面的充要条件是由负值转换为正值，因此时对应的解为电网故障后的不稳定点θu。

在其中一个实施例中，根据配电网参数和发电机参数获取电网临界切除角的步骤，具体可以为：根据以下公式获取电网临界切除角：

其中，δc为临界切除角；Pf为故障清除后电网第一次最大摇摆输出功率；δ0为故障前系统的稳定点。

在其中一个实施例中，根据稳定点、不稳定点和临界切除角获取暂态能量与临界能量的步骤，具体为：

S402：获取电网的能量函数表达式：

S404：根据能量函数表达式，获取θ＝θu时的临界能量ENcr。

S406：根据能量函数表达式，获取θ＝θc时的暂态能量ENcl。

其中，EN表示能量函数，E表示发电机的内电势，a表示临界机组中的发电机的编号，b表示剩余机组中的发电机的编号，Gia表示临界机组的第i台发电机的电导矩阵，Gjb表示剩余机组的第j台发电机的电导矩阵，Bia表示临界机组的第i台发电机的电纳矩阵，Bjb表示剩余机组的第j台发电机的电纳矩阵；θi表示临界机组中第i台发电机的转角，θsi表示临界机组中第i台发电机的稳定点，θia表示临界机组中第i台发电机和第a台发电机之间的转角差，θsia表示临界机组中第i台发电机和第a台发电机之间的稳定点差；θj表示剩余机组中第j台发电机的转角，θsj表示剩余机组中第j台发电机的稳定点，θjb表示剩余机组中第j台发电机和第b台发电机之间的转角差，θsjb表示剩余机组中第j台发电机和第b台发电机之间的稳定点差。

在其中一个实施例中，根据暂态能量与临界能量获取暂态稳定指标的步骤，具体可以为：根据以下公式获取暂态稳定指标：

TSI可以直接量化判断电网的暂态稳定性，TSI为正数时，则可以表示故障后电网可以处于稳定状态，TSI为负数时，则可以表示故障后电网处于不稳定状态。

在其中一个实施例中，根据暂态稳定指标优化风电准入容量优化模型的步骤，具体可以包括：以风电装机量最大化为目标函数，考虑功率平衡约束、静态安全约束和暂态安全约束建立风电准入容量优化模型：

max(Pr) (8)

约束条件：

其中，Pr为风机额定输出功率即为风电场装机容量，Pw为风电场的输出功率，Ng为常规发电机组的台数，Pl为电网总负荷需求，Pgm为第m台常规发电机组的有功功率，为第m台常规发电机组的有功功率的上限，Pgm为第m台常规发电机组的有功功率的下限，In为线路n传输的有功功率，为线路n传输的极限有功功率，Uk为节点k的电压，为节点电压上限值，为暂态稳定指标上限值。

为了验证上述方法的有效性，以IEEE30节点标准测试系统作为算例，分析了风机类型和暂态安全指标对准入容量的影响。

请参阅图4所示，图4为一实施例中不同暂态安全水平下的风机准入容量结果图。不同暂态安全约束水平。采用DFIG(双馈发电机)作为分析对象，分别在节点16、10、12、6、20接入风机，计算各节点的风机准入容量。图4的结果表明考虑暂态稳定后，系统风电极限穿透功率有所降低。约束条件中TSI增大后，即系统暂态稳定性要求提高后，系统风电极限穿透功率大幅度下降，说明暂态稳定是约束风电极限穿透功率的主要条件。

请参阅图5所示，图5为一实施例中不同风机类型下的分级准入容量结果图。采用鼠笼式发电(SCIG)，双馈风力发电(DFIG)和直驱式同步风力发电(DDSG)作为分析对象，暂态稳定指标TSI为5％，分别在节点16、10、12、6、20接入风机，计算各节点的风机准入容量。图5的结果表明，同一接入点下三种风机的极限穿透功率不同，这主要是当电网发生故障时，不同风机类型具有不同暂态特性的影响也不同，造成系统的暂态能量具有差异，进而TSI的结果具有高低之分。相同容量的三种风机接入电网后，接入DDSG的电网TSI最大，DDSG有利于提高系统的稳定性，而接入DFIG的电网暂态稳定性较差，SCIG最差。在相同风机容量下，接入DDSG的电网可接受的暂态能量较高，因此在TSI约束下，电网可接受较多的DDSG。

综上，本实施例中采用能量函数法计算系统故障后的暂态能量和临界能量，通过暂态安全指标直接量化风机接入后电网的暂态安全水平，形成有效的暂态安全约束，并建立风电准入容量优化模型，在保证电网安全运行的前提下，最大化风电装机容量。

请参阅图6所示，图6为一实施例中风电极限穿透功率优化装置的结构示意图，在该实施例中，该装置可以包括能量获取模块100、指标获取模块、模型模块300、求解模块400、输出模块500。且该指标获取模块的输入端与能量获取模块100的输出端相连接，该模型模块300的输入端与指标获取模块的输出端相连接，该求解模块400的输入端与模型模块300的输出端相连接，该输出模块500的输入端与求解模块400的输出端相连接。

其中，该能量获取模块100用于获取电网故障切除时刻的暂态能量与临界能量；该指标获取模块用于根据暂态能量与临界能量获取暂态稳定指标；该模型模块300用于根据暂态稳定指标优化风电准入容量优化模型；该求解模块400用于根据优化后的风电准入容量优化模型，获取风电极限穿透功率；该输出模块500用于根据所获取的风电极限穿透功率，配置电网。

在其中一个实施例中，该能量获取模块100包括输入单元110、稳定点获取单元130、不稳定点获取单元140、电网临界切除角单元150以及能量获取单元160。该稳定点获取单元130的输入端与输入单元110的第一输出端相连接，该不稳定点获取单元140的输入端与输入单元110的第二输出端相连接，该电网临界切除角单元150的输入端与输入单元110的第三输出端相连接，该能量获取单元160的第一输入端与稳定点获取单元130的输出端相连接，该能量获取单元160的第二输入端与不稳定点获取单元140的输出端相连接，该能量获取单元160的第三输入端与电网临界切除角单元150的输出端相连接。

输入单元110用于获取输入的配电网参数和发电机参数；该稳定点获取单元130用于根据配电网参数和发电机参数获取电网故障后的稳定点；该不稳定点获取单元140用于根据配电网参数和发电机参数获取电网故障后的不稳定点；该电网临界切除角单元150用于根据配电网参数和发电机参数获取电网临界切除角；该能量获取单元160用于根据稳定点、不稳定点和临界切除角获取暂态能量与临界能量。

在其中一个实施例中该能量获取模块100还可以包括分组单元120。该分组单元120介于输入单元110与稳定点获取单元130、不稳定点获取单元140和电网临界切除角单元150之间，分组单元120用于将电网故障后的发电机组分离为临界机组和剩余机组，并获取对应的转速和转子角速度。

该风电极限穿透功率优化装置的具体说明可以参见上文对风电极限穿透功率优化方法的描述，在此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。