本发明属于电力系统分析方法，尤其涉及一种基于安全域的含异步风电场电力系统小扰动稳定分析方法。
背景技术：
环境污染与能源危机问题的日益加重，使得开发与利用清洁的可再生能源成为共识。风电是目前公认的技术最为成熟、开发潜力最大的可再生能源之一。与传统的火电厂相比，风电场所广泛采用的异步风机、双馈风机和永磁直驱等机组具有不同于同步发电机的静/动态特性，尤其是异步风机需要从系统吸收无功，可控性较差。随着风电的大规模并网和远距离输送，电网的安全稳定运行面临更为严峻的挑战。
小扰动稳定问题是现代电力系统面临的关键安全稳定问题之一，得到了电力工作者的广泛关注。目前，国内外学者已围绕风电并网电力系统的小扰动稳定问题开展了广泛的研究。概括来讲，已有研究所采用的方法可大致分为特征值分析法、频域方法、时域仿真法和安全域的方法。前三种方法通常仅能分析系统在某一特定运行方式(如发电方式、负荷水平等)下系统的安全稳定问题，一旦系统运行方式发生变化，则需重新计算，因此，它们属于“逐点法”的范畴。与之相对，安全域方法通过分析系统可安全稳定运行的整体区域，可对系统的安全水平做出更为科学的分析。风电的多变性、间歇性与不确定性使得系统的运行方式更加复杂多变，借助“逐点法”仅能对若干个特定的运行方式进行安全稳定分析，难以完全覆盖风电接入后系统所有可能的运行方式。因而从安全域的角度出发全面分析系统在各种运行方式下的安全稳定水平具有显著意义。
技术实现要素：
本发明借助特征值分析方法分析异步风电场对电力系统小扰动稳定性影响的关键因素，构建含异步风电场电力系统的小扰动稳定域；通过对比异步风电场并网前后系统小扰动稳定域的变化分析异步风电场对系统小扰动稳定性的影响；分析域边界与主导机电模态的对应关系，确定限制系统小扰动稳定运行的关键模态；分析小扰动稳定域在异步风电场有功出力和无功补偿容量二维空间上的断面，为异步风电场无功补偿容量的配置提供决策支持。
为了解决上述技术问题，本发明一种基于安全域的含异步风电场电力系统小扰动稳定分析方法，包括以下步骤：
步骤一、根据当前电网结构确定系统的同步发电机、异步风机及其控制系统和网架拓扑参数；设置如下两种场景：场景a，不接入异步风电场；场景b，用相同容量的异步风电场替换场景a中的同步电厂；
步骤二、分别对场景a和场景b的额定运行状态进行特征值分析，从而得到各振荡模态的频率和阻尼比，根据各模态振荡频率是否介于0.1-2.0hz的模态，筛选得到系统中的机电振荡模态；
步骤三、对系统异步风电场的有功出力、无功补偿容量和同步电厂有功出力进行扰动，然后对系统重新进行特征值计算，分析异步风电场的有功出力、无功补偿容量和同步电厂有功出力对步骤二筛选出的机电振荡模态阻尼的影响，构建小扰动稳定域的参数空间；
步骤四、对于以上场景a和场景b，在步骤三所确定的参数空间中，搜索系统小扰动稳定的临界点，构成场景a小扰动稳定域和场景b小扰动稳定域；
步骤五、对比场景a和场景b下系统小扰动稳定域的变化，分析异步风电场并网对系统小扰动稳定性的影响；分析域边界与主导机电模态的对应关系，域边界上各运行点所对应的主导机电模态就是限制系统小扰动稳定运行的关键模态；分析小扰动稳定域在异步风电场有功出力和无功补偿容量二维空间上的断面，为异步风电场无功补偿容量的配置提供决策支持。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于风电场的出力具有多变性、间歇性和不确定性，异步风电场并网后系统的运行状态更加复杂多变。与特征值分析、时域仿真等方法相比，本发明具有如下优势：以安全域的方法学为基础，从系统整体上分析异步风电并网后对电力系统小扰稳定性的影响，避免“逐点法”仅能对系统某一特定运行点进行小扰动分析的缺陷；一旦小扰动稳定域计算完后，异步风电场出力发生变化时，对系统进行小扰动稳定校验时，仅需判断系统运行点是否位于域内即可，不需重新进行潮流计算与特征值计算，可降低计算量；通过分析域边界与系统主导振荡模态间的对应关系，可方便的确定限制系统小扰动稳定水平的关键模态；可为考虑小扰动稳定约束下，异步风电场无功补偿容量的选择提供有效的决策参考。
附图说明
图1是本发明提供的4机11节点系统接线图；
图2是本发明提供的系统主导特征值实部随异步风电场有功出力的变化；
图3是本发明提供的系统主导特征值实部随异步风电场无功补偿容量的变化；
图4是本发明提供的3维空间中的小扰动稳定域；
图5是本发明提供的场景a和b下小扰动稳定域在同步机有功出力和异步风电场有功出力二维空间断面；
图6是本发明提供的场景b小扰动稳定域边界对应的主导模态；
图7是本发明提供的场景b的小扰动稳定域在异步风电场有功出力和无功补偿容量二维空间断面；
图8是本发明提供的场景b小扰动稳定域边界对应的主导模态频率与异步风电场有功出力和无功补偿容量的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施算例对本发明技术方案作进一步详细描述。
本发明一种基于安全域的含异步风电场电力系统小扰动稳定分析方法，详细说明，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据当前电网结构确定系统的同步发电机、异步风机及其控制系统和网架拓扑参数；为了研究异步风电场并网对系统小扰动稳定性的影响，设置如下两种场景：场景a，不接入异步风电场；场景b，用相同容量的异步风电场替换场景a中的同步电厂。本发明采用4机11节点系统作为分析算例，如图1所示。同步发电机采用考虑阻尼绕组的双轴模型；异步风机系统采用忽略定子绕组的3阶模型发电机模型，轴系采用双轴模型；负荷采用恒功率模型。基于digsilent软件实现含异步风电场电力系统的建模与小扰动稳定性分析分析，并借助该软件提供的dpl语言实现小扰动稳定域的计算。
步骤二、分别对场景a和场景b的额定运行状态进行特征值分析，得到各振荡模态的频率和阻尼比，根据各模态振荡频率是否介于0.1-2.0hz的模态，筛选得到系统中的机电振荡模态；如表1所示。表示结果表明，场景a即未接入异步风电场前，系统中存在3个机电振荡模态，其中有2个振荡模态的频率大于0.5hz，为局部振荡模态，1个振荡模态的频率小于0.5hz，为区域间振荡模态；场景b，即异步风电场替换同步机g1后，系统中存在4个机电振荡模态，其中有2个局部振荡模态，2个区域间振荡模态。
表1系统中的机电模态信息
步骤三、对系统异步风电场的有功出力、无功补偿容量和同步电厂有功出力进行扰动，然后对系统重新进行特征值计算，分析影响系统主要机电振荡模态阻尼的关键因素，即分析异步风电场的有功出力、无功补偿容量和同步电厂有功出力对步骤二筛选出的机电振荡模态阻尼的影响，构建小扰动稳定域的参数空间。本发明借助特征值分析方法，分析异步风电场并网后系统主导模态阻尼特性的敏感因素，以确定小扰动稳定域的参数空间。图2和图3分别给出了系统主导特征值随风电场有功出力和无功补偿容量变化的曲线。由图示结果表明，异步风电场的有功出力水平与无功补偿容量对系统的低频振荡稳定特性均具有显著影响，因此，在构建系统的小扰动稳定域时需要计及以上两个因素的影响。
步骤四、对于以上两种场景(场景a和场景b)，在步骤三所确定的参数空间中，搜索系统小扰动稳定的临界点，构成场景a小扰动稳定域和场景b小扰动稳定域。针对风电接入后的系统即场景b，选取异步风电场的有功出力、同步机g2的有功出力和异步风电场的无功补偿容量作为参数空间，计算所得3维空间上系统的小扰动稳定域如图4所示。由图示结果可知，在考虑各节点注入物理限制范围内，系统的小扰动稳定域由若干片光滑的边界围成。
步骤五、对比两种场景(场景a和场景b)下，系统小扰动稳定域的变化，分析异步风电场并网对系统小扰动稳定性的影响；分析域边界与主导机电模态的对应关系，确定限制系统小扰动稳定运行的关键模态(域边界上各运行点所对应的主导机电模态就是限制系统小扰动稳定运行的关键模态)；分析小扰动稳定域在异步风电场有功出力和无功补偿容量二维空间上的断面，为异步风电场无功补偿容量的配置提供决策支持。
为了直观的比较异步风电场并网前后，系统小扰动稳定域的变化，以揭示异步风电场对系统低频振荡稳定性的影响，将同步电厂g1、同步电厂g2和异步风电场fsig的有功注入作为参数空间，获取小扰动稳定域的2维截面，结果如图5所示。由图示结果可知，用相同容量的异步风电场替换系统中的同步发电厂时，系统的小扰动稳定域显著缩小，即异步风电场的并网会恶化系统的低频振荡稳定特性；值得注意的是，在节点注入上下限的范围内，未接入风电时，小扰动稳定域的边界出现在送端系统功率大发时，而风电接入后，小扰动稳定域的边界变为两段，一段对应送端系统功率大发的情况，另一端对应送端系统功率小发的情况，即风电功率低发时同样可能引起系统出现低频振荡。
针对风电场接入后的系统，分别对小扰动稳定域边界点进行特征值分析，所得主导振荡模态的频率如下图所示。由图6和图7所示结果分析可得：在考虑节点注入物理限制范围内，异步风电场替换同步机后，系统的小扰动稳定域由分别对应不同振荡模态的两端边界构成；在风电出力较小时，小扰动稳定域边界运行点对应的机电振荡模态为系统中原有的区域间振荡模态(表1中的模态3)；在风电大发时，区域间功率交换主要受风电接入后引入的区域间振荡模态限制(即表1中的模态4)。因此，借助小扰动稳定域的方法，一方面，调度运行人员可通过简单的判断系统当前运行点是否位于域内，来判断系统能否满足小扰动稳定约束，从而避免反复进行潮流计算和特征值分析的计算量；另一方面，可结合当前运行点在小扰动稳定域中的相对位置，来判断当前状态下系统易发生低频振荡的模态，并采取相应的控制措施。需要说明的是，由于风电的多变性，在风电的大规模并网情况下，小扰动稳定域的上述优势更加凸显。
为了研究异步风电场无功补偿容量对系统低频振荡稳定性的影响，以异步风电场的有功出力和无功补偿容量构成参数空间，获取小扰动稳定域的2维截面，结果如图8所示。由图示结果可知，异步风电场的无功补偿容量对电力系统的小扰动稳定域的影响为：在风电场出力较小时，系统无功补偿容量的可变范围较大；而在风电场出力较大时，系统无功补偿容量的可变范围显著变小；通过风电场有功出力和无功补偿容量空间上的小扰动稳定域，可简便的确定满足系统低频振荡稳定约束条件下，使风电场有功出力最大所需的无功补偿容量。
对小扰动稳定域边界上的临界点进行特征值分析，所得主导振荡模态的频率如图8所示。结果表明，在风电场出力较低，无功补偿容量较高时，小扰动稳定域的边界所对应的振荡模态频率较高；随着风电有功出力的增加，小扰动稳定域边界所对应的主导模态频率降低。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。