一种中小型水力发电机组的机群等值建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统水力发电机组的机群建模与等值分析技术领域，更具体地， 涉及一种中小型水力发电机组的机群等值建模方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国水力资源富集区的中小型水电站的兴建，中小型水电站作为分布式电源 集群式接入电网，因此，中小型水力发电机组的机群作为一个整体对主网动态特性的影响 越来越大。在进行电力系统稳定性分析时，为了避免每个中小型水电机组单独建模时存在 的计算分析耗时长和"维数灾"问题，一般对中小型水力发电机组的机群进行等值简化。而 传统方法对中小型水电机组的机群进行等值时忽略了水电站引水系统的弹性水击特性与 水轮机调速器调节性能对电力系统动态响应过程的影响。因此，中小型水力发电机组精细 化模型的机群等值成为当前电力系统分析的一个新兴研宄方向。
[0003] 在水电机群等值建模中考虑水轮机调速系统特性可以准确反映水电机群水力系 统与电力系统的耦合作用。然而，电力系统等值的相关研宄与应用并未充分考虑水轮机调 速系统特性的影响。在同调等值法研宄与应用中，等值模型考虑了水轮机调速系统模型，但 是所用的水轮机模型为理想简化模型、引水系统模型为刚性水击模型，不能准确地反映中 小型水力发电机组水击特性及调速系统调节性能对电力系统动态特性的影响；在辨识等值 研宄与应用中，仅采用同步发电机一负荷模型，忽略了调速器、原动机与引水系统的动态作 用，这种简化模型不能准确反映水力发电机组的机群对电网动态响应过程的影响，导致无 法达到最佳等值效果。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种考虑水轮机调速系统特性 的中小型水力发电机组的机群等值建模方法，提出的机群等值模型准确反映了水力系统与 电力系统动态响应过程，等值方法能快速、准确辨识水力发电机组一负荷模型参数。本发明 首先对中小型水力发电机组的机群进行等值建模，等值模型包括水轮机、引水系统、调速器 模型和发电机，进而通过提出的并行优化技术辨识等值模型参数。水轮机调速系统精细化 等值模型和并行计算技术的引入，创造性地将引水系统水击特性和水轮机调速系统调节性 能作为电力系统稳定性分析的影响因素，有效提高了辨识精度和辨识效率。本发明获得的 等值模型可以深入地反映水力系统与电力系统的动态过程以及其相互之间的耦合作用，更 大程度地满足了水电能源系统仿真、电力系统分析和调度运行计算的精细化建模要求。
[0005] 本发明提供一种中小型水力发电机组的机群等值建模方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1将电网中所要分析的电力系统划分为需要保留的研宄系统和需要等值的 外部系统；
[0007] 步骤2建立所述外部系统中的中小型水力发电机组的机群的等值水力发电机组 模型，并建立所述外部系统中所有负荷节点的负荷的等值负荷模型，其中，所述水力发电机 组模型包括并联PID调速器模型、引水系统弹性水击模型、水轮机六参数模型以及三阶实 用发电机模型；所述等值负荷模型采用恒阻抗模型；
[0008] 步骤3消去所述外部系统所有节点，并将所有负荷节点上的负荷相加得到所述等 值负荷模型初始参数；
[0009] 步骤4以所述外部系统等值前后边界节点注入功率偏差最小构建目标函数，依据 所述等值负荷模型初始参数，设置粒子群解空间，通过迭代调整等值负荷参数，使得等值前 后边界节点潮流一致，进而得到所述等值负荷模型的最优参数；
[0010] 步骤5使用并行粒子群算法辨识所述水力发电机组模型参数，包括以下子步骤：
[0011] (5-1)在所述外部系统等值前，测量所述研宄系统在扰动信号激励下的暂态响应 数据，包括联络线功率、所述研宄系统母线频率及发电机有功功率；
[0012] (5-2)以所述研宄系统中的某一母线频率及发电机有功功率的偏差最小构建目标 函数；
[0013] (5-3)初始化所述水力发电机组模型的待辨识参数和并行粒子群算法参数，通过 分配子线程，将种群体划分为多个子种群，并给所述多个子种群分配粒子个数，计算每一子 种群的适应值；
[0014] (5-4)输入激励信号，计算所述水力发电机组模型的目标变量值，并计算在所述激 励信号下的所述研宄系统相应位置的母线频率及发电机有功功率；
[0015] (5-5)计算所述步骤（5-2)中构建的所述目标函数的值，在子线程中依据粒子群 的进化规则，更新所述多个子种群中粒子速度和位置，获得种群当前最优解；
[0016] (5-6)重复所述步骤（5-4)、（5-5)，直至达到最大迭代次数或预设精度则停止搜 索，得到的最优解即为所述水力发电机组模型参数。
[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0018] 1、为了克服中小型水力发电机组的机群传统等值方法模型简单、辨识等值效率低 等问题，本发明首先建立一种仿真精度高的水力发电机组精细化模型，然后引入并行辨识 等值法对水力发电机组一负荷模型进行整体辨识等值。在传统的电力系统等值研宄中，同 调等值法参数聚合考虑原动机及其调速系统，但其所采用的模型过于简单，不能准确反映 中小型水力发电机组的机群对电力系统动态特性的影响。本发明建立的水力发电机组一负 荷等值模型，包括并联PID调速器模型、引水系统弹性水击模型、基于综合特性曲线的六参 数水轮机模型与三阶实用同步发电机模型。本发明建立的等值模型仿真精度高，能真实反 映水力系统与电力系统动态响应过程及其耦合作用；
[0019] 2、本发明将中小型水力发电机组的机群建模与辨识等值法结合，避免了同调等值 法中发电机参数难以获取和聚合复杂的问题。同时，通过提出的并行优化技术动态辨识等 值精细化模型参数，显著提高了等值精度和等值效率；
[0020] 3、本发明在并行辨识等值阶段，通过构建以等值前后研宄系统中母线电压频率和 发电机有功功率偏差最小为目标函数的辨识模型，提出基于并行粒子群算法的等值模型 参数辨识法，解决了传统辨识方法耗时长的问题。在普通个人计算机（Intel(R)Core(TM) i5-4200MCPU@2. 5GHZ)上多次运行，本发明提出的多线程并行粒子群算法平均辨识时间仅 为单线程串行粒子群算法的1/3。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明中小型水力发电机组的机群等值建模方法的流程图；
[0022] 图2(a)为本发明等值前的模型结构图；
[0023] 图2(b)为本发明等值后的模型结构图；
[0024] 图3为本发明精细化等值模型框图；
[0025] 图4为本发明并联PID调速器模型框图；
[0026] 图5为本发明引水系统弹性水击模型框图；
[0027] 图6为本发明水轮机六参数模型框图；
[0028] 图7为本发明基于粒子群算法的等值负荷模型参数辨识流程图；
[0029] 图8为本发明基于并行粒子群算法的等值水力发电机组辨识流程图；
[0030] 图9为本发明一实施例的新英格兰10机39节点系统网络结构图；
[0031] 图10为本发明等值系统结构图；
[0032] 图11为本发明研宄系统内部G9发电机有功功率响应曲线；
[0033] 图12为本发明研宄系统内部G9发电机无功功率响应曲线；
[0034] 图13为本发明研宄系统内部38#母线电压幅值响应曲线；
[0035] 图14为本发明研宄