一种电力系统振荡稳定性定量分析方法及系统

1.本发明属于电力系统领域，特别涉及一种电力系统振荡稳定性定量分析方法及系统。


背景技术：

2.随着电力系统向高比例新能源和高比例电力电子方向发展，由大规模新能源设备接入引起的系统宽频带振荡稳定性问题日益突出，严重威胁电网的安全稳定运行。
3.现有振荡稳定性分析方法常见有特征值方法和阻抗法。特征值法虽然能准确定量分析振荡稳定性，但在实际工程应用中，存在建模困难和“维数灾”的问题，即难以建立完整的系统状态空间方程模型和整体动态阶数高导致计算量极大的问题。阻抗法虽然计算简单易于建模，但其往往只能用做定性判稳，难以准确获得阻尼等定量分析结果。因此需要提出一种方法能够定量分析振荡稳定性，并且满足易于建模和计算复杂度低的条件。


技术实现要素：

4.针对上述问题，一方面，本发明公开了一种电力系统振荡稳定性定量分析方法，所述方法包括：
5.提取振荡模式的实部和虚部；所述振荡模式实部的相反数对应振荡模式阻尼，振荡模式实部对应振荡发散率，虚部对应振荡频率；
6.根据振荡模式实部的数值和振荡模式虚部的数值定量分析电力系统的振荡稳定性：
7.若振荡模式实部大于零，说明存在负阻尼的振荡模式，此时系统振荡失稳；
8.若振荡模式实部不大于零，说明不存在负阻尼的振荡模式，则系统稳定。
9.进一步地，所述提取振荡模式的实部和虚部之前，所述方法还包括：
10.通过逻辑运算，根据聚合阻抗行列式δ(ω)，得到聚合阻抗行列式δ(ω)与其导函数δ
′
(ω)之比的比值，该比值的实部为g(ω)，虚部为h(ω)；
11.定位实部g(ω)过零点时的情况，得到目标频率ωr；
12.根据目标频率ωr，得到与目标频率对应的振荡模式。
13.进一步地，所述通过逻辑运算，根据聚合阻抗行列式δ(ω)，得到聚合阻抗行列式δ(ω)与其导函数δ
′
(ω)之比的比值之前，所述方法包括：
14.建立系统中各元件的频域阻抗模型；
15.根据频域阻抗模型构建节点导纳矩阵，并得到聚合阻抗行列式δ(ω)。
16.进一步地，所述实部g(ω)和虚部h(ω)具体为：
17.g(ω)＝re(δ(ω)/δ
′
(ω))
18.h(ω)＝im(δ(ω)/δ
′
(ω))
19.其中，δ(ω)为聚合阻抗行列式；δ
′
(ω)为δ(ω)的导函数；re表式复数的实部，im表式复数的虚部。
20.进一步地，所述节点导纳矩阵具体为：
21.yn(ω)＝ayd(ω)a
t
22.其中，yn(ω)为频域下节点导纳矩阵；a为节点关联矩阵，可由系统拓扑得出；yd(ω)为各元件频域导纳构成的对角矩阵。
23.进一步地，所述聚合阻抗行列式δ(ω)具体为：
24.δ(ω)＝det(yn(ω))-1ii
25.其中，δ(ω)为聚合阻抗行列式；yn(ω)为频域下节点导纳矩阵；i为目标节点，矩阵下标ii表示将矩阵分块成元素为2
×
2矩阵后，取第i行i列的2
×
2矩阵。
26.进一步地，所述振荡模式为α0+jω0，具体的：
27.α0＝h(ωr)
[0028][0029]
其中，α0为振荡模式实部；h(ωr)为在ωr频率下的h(ω)取值；ω0为振荡模式虚部；ωr为g(ω)过零点频率。
[0030]
另外一方面，本发明还公开了一种电力系统振荡稳定性定量分析系统，所述系统包括：
[0031]
数值提取模块，用于提取振荡模式的实部和虚部；所述振荡模式实部的相反数对应振荡模式阻尼，振荡模式实部对应振荡发散率，虚部对应振荡频率；
[0032]
振荡分析模块，用于根据振荡模式实部的数值和振荡模式虚部的数值定量分析电力系统的振荡稳定性：
[0033]
若振荡模式实部大于零，说明存在负阻尼的振荡模式，此时系统振荡失稳；
[0034]
若振荡模式实部不大于零，说明不存在负阻尼的振荡模式，则系统稳定。
[0035]
进一步地，所述数值提取模块提取振荡模式的实部和虚部之前，所述系统还包括：
[0036]
阻抗模型建立模块，用于建立系统中各元件的频域阻抗模型；
[0037]
运算模块，用于根据频域阻抗模型构建节点导纳矩阵，并得到聚合阻抗行列式δ(ω)；通过逻辑运算，根据聚合阻抗行列式δ(ω)，得到聚合阻抗行列式δ(ω)与其导函数δ
′
(ω)之比的比值，该比值的实部为g(ω)，虚部为h(ω)；
[0038]
目标频率定位模块，用于定位实部g(ω)过零点时的情况，得到目标频率ωr；
[0039]
振荡模式获取模块，用于根据目标频率ωr，得到与目标频率对应的振荡模式。
[0040]
进一步地，所述运算模块得到的实部g(ω)和虚部h(ω)具体为：
[0041]
g(ω)＝re(δ(ω)/δ
′
(ω))
[0042]
h(ω)＝im(δ(ω)/δ
′
(ω))
[0043]
其中，δ(ω)为聚合阻抗行列式；δ
′
(ω)为δ(ω)的导函数；re表式复数的实部，im表式复数的虚部。
[0044]
进一步地，所述运算模块中使用的节点导纳矩阵具体为：
[0045]yn
(ω)＝ayd(ω)a
t
[0046]
其中，yn(ω)为频域下节点导纳矩阵；a为节点关联矩阵，可由系统拓扑得出；yd(ω)为各元件频域导纳构成的对角矩阵。
[0047]
进一步地，所述运算模块得到的聚合阻抗行列式δ(ω)具体为：
[0048]
δ(ω)＝det(yn(ω))-1ii
[0049]
其中，δ(ω)为聚合阻抗行列式；yn(ω)为频域下节点导纳矩阵；i为目标节点，矩阵下标ii表示将矩阵分块成元素为2
×
2矩阵后，取第i行i列的2
×
2矩阵。
[0050]
进一步地，所述振荡模式获取模块得到的振荡模式为α0+jω0，其中，
[0051]
α0＝h(ωr)
[0052][0053]
其中，α0为振荡模式实部；h(ωr)为在ωr频率下的h(ω)取值；ω0为振荡模式虚部；ωr为g(ω)过零点频率。
[0054]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0055]
本发明提供的一种电力系统振荡稳定性定量分析方法，该方法具有较高的计算效率，该算法仅通过求解曲线过零点就能辨识出各主导振荡模式的阻尼和频率，避免了动态阶数高导致的“维数灾”问题；该方法易于建模，这是由于该算法基于频域阻抗模型展开计算，可以通过注入扰动的方法测得频域阻抗，避免了复杂的建模过程。该方法能够定量分析振荡稳定性、易于建模以及降低计算复杂度。
[0056]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058]
图1示出了本发明实施例的电力系统振荡稳定性定量分析方法流程图；
[0059]
图2示出了本发明实施例的电力系统振荡稳定性定量分析系统的结构示意图。
具体实施方式
[0060]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
针对电力系统振荡稳定性问题，本发明提出了一种电力系统振荡稳定性分析方法，其包括以下内容：建立系统频域阻抗模型并计算得到δ(ω)；将δ(ω)变换为g(ω)和h(ω)；通过g(ω)过零点求解目标频率；根据h(ω)求解目标频率对应的振荡模式；通过振荡模式实部虚部判断系统振荡稳定性，并给出振荡阻尼和频率。上述方法能够定量分析振荡稳定性，并且易于建模和计算复杂度降低。
[0062]
图1示出了本发明实施例的电力系统振荡稳定性定量分析方法流程图，所述方法包括：
[0063]
建立系统中各元件的频域阻抗模型。
[0064]
根据频域阻抗模型构建节点导纳矩阵，并得到聚合阻抗行列式δ(ω)。
[0065]
通过逻辑运算，根据聚合阻抗行列式δ(ω)，得到聚合阻抗行列式δ(ω)与其导函数δ
′
(ω)之比的比值，该比值的实部为g(ω)，虚部为h(ω)。
[0066]
定位实部g(ω)过零点时的情况，得到目标频率ωr。
[0067]
根据目标频率ωr，得到与目标频率对应的振荡模式。
[0068]
提取振荡模式的实部和虚部；所述振荡模式实部的相反数对应振荡模式阻尼，振荡模式实部对应振荡发散率，虚部对应振荡频率。
[0069]
根据振荡模式实部的数值和振荡模式虚部的数值定量分析电力系统的振荡稳定性：
[0070]
若振荡模式实部大于零，说明存在负阻尼的振荡模式，此时系统振荡失稳；
[0071]
若振荡模式实部不大于零，说明不存在负阻尼的振荡模式，则系统稳定。
[0072]
具体的电力系统振荡稳定性定量分析方法如下：
[0073]
步骤1：首先通过阻抗扫描法或状态空间方程建模方法，建立系统中各元件的频域阻抗模型，构建节点导纳矩阵并得到δ(ω)；
[0074]yn
(ω)＝ayd(ω)a
t
ꢀꢀ
(1)
[0075]
δ(ω)＝det(yn(ω))-1ii (2)
[0076]
其中，yn(ω)为频域下节点导纳矩阵；a为节点关联矩阵，可由系统拓扑得出；yd(ω)为各元件频域导纳构成的对角矩阵；δ(ω)为聚合阻抗行列式；i为目标节点，矩阵下标ii表示将矩阵分块成元素为2
×
2矩阵后，取第i行i列的2
×
2矩阵。
[0077]
其中，所述阻抗扫描法通过在设备端口注入谐波电压u，测量得到设备端口处的谐波电流i，通过该谐波电压电流计算得到设备各频率下的阻抗和导纳，即建立设备的频域阻抗模型，该方法适用于近乎所有类型电气设备的阻抗建模；
[0078]
所述状态空间方程建模方法根据已知参数拓扑，以设备中各参数变化量作为状态空间变量，端口电压作为输入量，端口电流作为输出量，通过设备运动方程(微分代数方程)得到系统小信号状态空间方程，再根据状态空间方程推导得到频域阻抗模型，该方法适用于已知设备模型拓扑的参数下的阻抗建模。
[0079]
步骤2：根据(2)(3)(4)式，计算聚合阻抗行列式δ(ω)与其导函数δ
′
(ω)之比的比值，该比值的实部为g(ω)，虚部为h(ω)。将聚合阻抗行列式δ(ω)变换为实部g(ω)和虚部h(ω)，实部g(ω)和虚部h(ω)具体为：
[0080]
g(ω)＝re(δ(ω)/δ
′
(ω)) (3)
[0081]
h(ω)＝im(δ(ω)/δ
′
(ω))
ꢀꢀ
(4)
[0082]
其中，δ(ω)为聚合阻抗行列式；δ
′
(ω)为δ(ω)的导函数；re表式复数的实部，im表式复数的虚部。
[0083]
步骤3：求解g(ω)过零点得到各目标频率ωr；
[0084]
g(ωr)＝0
ꢀꢀꢀ
(5)
[0085]
步骤4：求解目标频率ωr对应的振荡模式α0+jω0。
[0086]
α0＝h(ωr)
ꢀꢀ
(6)
[0087][0088]
其中，α0为振荡模式实部；h(ωr)为在ωr频率下的h(ω)取值；ω0为振荡模式虚
部；ωr为g(ω)过零点频率。
[0089]
步骤5：所述振荡模式实部α0的相反数对应振荡模式阻尼，振荡模式实部α0对应振荡发散率，虚部ω0对应振荡频率；若振荡模式实部大于零，说明存在负阻尼的振荡模式，此时系统振荡失稳；若振荡模式实部不大于零，说明不存在负阻尼的振荡模式，则系统稳定。上述方法能够得到振荡的阻尼信息，阻尼越弱，振荡风险越高。
[0090]
除上述步骤之外，在上述分析方法的基础上增加删除某些步骤，譬如步骤3、4合并为一个步骤；也能够实现对电力系统振荡稳定性定量分析。
[0091]
此外，也可以将振荡模式求解方法中聚合阻抗行列式δ(ω)替换为其他转化到实频域下的传递函数来求解振荡模式，比如替换为频域下节点导纳矩阵行列式detyn(ω)；
[0092]
还可以对上述步骤中的计算公式加以变形，譬如，将g(ω)计算方法替换为将h(ω)计算方法替换为其中，rd为δ(ω)的实部，xd为δ(ω)的虚部，k
dr
为rd的关于频率的导数，k
dx
为xd的关于频率的导数。各方程的变量参数都是可以有所变化的。
[0093]
图2示出了本发明实施例的电力系统振荡稳定性定量分析系统的结构示意图，所述系统包括：
[0094]
数值提取模块，用于提取振荡模式的实部和虚部；所述振荡模式实部的相反数对应振荡模式阻尼，振荡模式实部对应振荡发散率，虚部对应振荡频率。
[0095]
振荡分析模块，用于根据振荡模式实部的数值和振荡模式虚部的数值定量分析电力系统的振荡稳定性：
[0096]
若振荡模式实部大于零，说明存在负阻尼的振荡模式，此时系统振荡失稳；
[0097]
若振荡模式实部不大于零，说明不存在负阻尼的振荡模式，则系统稳定。
[0098]
另外，所述数值提取模块提取振荡模式的实部和虚部之前，所述系统还包括：
[0099]
阻抗模型建立模块，用于建立系统中各元件的频域阻抗模型。
[0100]
运算模块，用于根据频域阻抗模型构建节点导纳矩阵，并得到聚合阻抗行列式δ(ω)；通过逻辑运算，根据聚合阻抗行列式δ(ω)，得到聚合阻抗行列式δ(ω)与其导函数δ
′
(ω)之比的比值，该比值的实部为g(ω)，虚部为h(ω)。
[0101]
目标频率定位模块，用于定位实部g(ω)过零点时的情况，得到目标频率ωr。
[0102]
振荡模式获取模块，用于根据目标频率ωr，得到与目标频率对应的振荡模式。
[0103]
本发明采取以上技术方案，具有以下优点：
[0104]
1、算法具有较高的计算效率，该算法仅通过求解曲线过零点就能辨识出各主导振荡模式的阻尼和频率，避免了动态阶数高导致的“维数灾”问题；
[0105]
2、易于建模，这是由于该算法基于频域阻抗模型展开计算，可以通过注入扰动的方法测得频域阻抗，避免了复杂的建模过程。
[0106]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。