一种含DFIG风电场电-气耦合系统静态稳定域切平面求解方法与流程

本发明涉及一种含dfig风电场电-气耦合系统静态稳定域切平面求解方法，属于多能流系统安全稳定运行领域。

背景技术

在能源互联的背景下，大规模高比例风电的接入，会对电-气耦合系统的不确定性显著增加。随着电力系统、天然气系统彼此之间的耦合不断加强，考虑风电出力对电-气耦合系统静态稳定域的影响，对于维持电-气耦合系统的安全稳定及提高对风电的利用十分重要。

将稳定域的分析方法应用到含风电场的电-气耦合系统当中，可通过追踪系统运行点与安全域边界来提供安全裕度和最优控制信息，从而使电力系统在线实时安全监视、防御与控制更科学和更有效。文献《anewapproachtotheassessmentofsteady-statevoltagestabilitymarginsusingthep-q-vcurve》提出一种基于连续潮流的p-q-v静态电压稳定安全域；文献《输电系统概率静态和动态安全性综合评估》提出一种基于安全域的输电网概率静态和动态安全性综合评估方法；文献《面向能源互联网的多能流静态安全分析方法》提出了面向能源互联网的多能流静态安全分析的概念和方法。上述研究主要侧重于电力系统，而不确定能源接入系统对电-气耦合系统的静态安全分析研究还鲜见报道，这将是很好的创新点。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明“一种含dfig风电场电-气耦合系统静态稳定域切平面求解方法”，建立含dfig风电场电-气耦合系统含参潮流模型；考虑电-气系统耦合，应用连续潮流法对电力系统和天然气系统稳定域边界进行追踪，分别得到电力系统和天然气系统静态稳定域边界轨迹；确定含dfig电力系统和天然气系统静态稳定域的切平面表达式。

本发明采用如下技术方案：一种含dfig风电场电-气耦合系统静态稳定域切平面求解方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：提出含dfig风电场电-气耦合系统含参潮流模型；

步骤2：考虑电-气系统耦合关系，应用连续潮流法对电力系统和天然气系统稳定域边界进行追踪，分别得到电力系统和天然气系统静态稳定域边界轨迹；

步骤3：确定在含dfig电力系统和天然气系统静态稳定域的切平面表达式。

附图说明

图1是本发明算法流程图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

步骤1：提出含dfig风电场电-气耦合系统含参潮流模型

(1)建立dfig数学模型

dfig风力发电机的稳态模型已被广泛研究，本发明将直接应用，细节不再赘述，感兴趣的读者可以参考文献《researchonvoltagestabilityboundaryunderdifferentreactivepower》。

(2)电-气耦合系统含参潮流方程组：

式中，λe、λg分别为电力系统和天然气系统功率注入和负荷变化的向量；pgi、pli、qgi、qli分别代表初始点发电机发出的有功功率、有功负荷、无功功率以及无功负荷；vi、θi分别表示节点电压和节点相角；fg为天然气节点流量矩阵；b为去掉压缩机管道的支路节点关联矩阵；u为压缩机节点关联矩阵；ω为天然气气体输入量；tτ为压缩机气体需求量；fgk为第k条天然气管道的流量；mk为天然气管道常数；sij为管道中气体流动的方向；p为节点压强；ηtrans、ηchp.e、ηchp.th、ηfur、ηex，分别为能源集线器(energyhub，eh)中的变压器、chp发电部分、chp供热部分、热锅炉和热交换机的转化效率；pe、pg分别为eh输入的电功率和天然气；ρ为空气密度；a为风机的扫掠面积；cp是发电机的风能利用系数；pn为风机额定功率；vi,vn,vo分别为切入风速、额定风速和切出风速。

(3)含dfig风电场电-气耦合系统含参潮流模型

式中，fw，fe，fg和feh分别为dfig方程，电力网络方程，天然气网络方程和eh方程；vs为定子电压大小，θs为定子电压相角，vr为转子电压大小，θr为转子电压相角，ir为转子电流大小，фr为转子电流相角，is为定子电流大小，фs为定子电流相角，s为滑差。

步骤2：考虑电-气系统耦合关系，应用连续潮流法对电-气耦合系统静态稳定域边界进行追踪，分别得到电力系统和天然气系统静态稳定域边界轨迹；

本发明在连续潮流方程中计及负荷参数λe,λg。使得λe∈[0,λec]，λg∈[0,λgc],其中λec和λgc分别为电力网络和天然气网络在临界点时的负荷增长系数。在λ＝0时对应于原始运行点的负荷水平，在λ＝λc时对应于在给定负荷增长方式下静态稳定临界点的负荷水平。

flh＝lh-ηchp.thpg-(1-ν)ηfurpg＝0

上式表明电-气耦合关系，通过eh之间的耦合方程可用feh(pe,pg)表示，负荷是变量，且通常已知。pe和pg在eh中是电源，而在电力系统和天然气系统中，相当于电负荷和气负荷。因此考虑电气之间的耦合关系之后，应用连续潮流法分别求取电力系统和天然气系统静态稳定域边界轨迹。

(1)电力系统静态稳定域边界初始点求解

考虑电-气耦合关系后，对于电力系统中静态稳定域边界初始点的方法已经被广泛研究，本发明对此细节将不再赘述。

(2)天然气系统静态稳定域边界初始点求解

考虑电-气耦合关系后，天然气系统含参数潮流方程组求微分得到：

式中xg表示电-气耦合系统的状态变量fg，p，λg，连续潮流预测步的计算公式为：

式中，为雅可比矩阵对应行向量，切向量求出后，下一步的预测值由下式给出。

式中xg％、λg％为预估值，xg0、λg0为初始值，σg为预测步长。

2)校正计算

在校正步计算中，采用垂直校正的方法，以[xg％，λg％]^t为初值，应用牛顿-拉夫逊法求解下述校正方程。

式中δxg、δλg为修正量，在校正计算中，通过牛顿-拉夫逊计算得到校正值作为下一次预测部分计算的初值，一直迭代至系统临界运行点，由此来计算电-气耦合系统中天然气网络的最大负荷裕度。可得到一条天然气系统静态稳定域的snb点轨迹。

步骤3：确定在含dfig电力系统和天然气系统静态稳定域的切平面表达式。

(1)计算含有dfig电力系统静态稳定域的切平面

考虑电-气耦合关系后，在对含dfig电力系统静态稳定域的切平面的求解方法已有相关研究，本发明对此细节将不再赘述，有兴趣的读者可以参考发明专利《一种含dfig风电场电力系统静态电压稳定域切平面求解新方法》。

(2)计算天然气系统静态稳定域的切平面

在含dfig风电场电-气耦合系统含参潮流模型中，考虑了电-气耦合的eh方程，在snb点处由天然气系统潮流方程线性化可得到：

该式中，j为天然气系统雅可比矩阵；α,，β为天然气系统当中负荷、压缩机压力注入的增长方向序列，“|*”左边都为其相对应的扩展雅可比矩阵。

左乘该snb点处雅可比矩阵零特征值对应的左特征向量ω，可得：

式中，“|*”表示snb点处所对应取值，则上式可化简为：

上式可视为λg-α-β空间中构成天然气系统静态稳定域切平面的必要条件。由此可得含天然气系统静态电压稳定域局部切平面解析式：

kλgδλg|*+kαδα|*+kβδβ|*＝0

式中kλg，kα，kβ分别为构成天然气系统静态稳定域切平面拟合系数。

据此就得到一种含dfig风电场电-气耦合系统静态稳定域切平面求解方法。

以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。