电力系统稳定性确定方法、装置、终端设备及存储介质与流程

1.本发明涉及电力电网技术领域，尤其涉及一种电力系统稳定性确定方法、装置、终端设备及存储介质。


背景技术：

2.传统直流输电基于电网换相换流器(line commutated converter,lcc)，成本低、输送容量大，输电损耗小，可快速控制有功功率，然而，可能会导致换相失败，且需要配置滤波器和体积较大的无功补偿装置；柔性直流输电基于电压源换流器(voltage source converter，vsc)，不存在换相失败的问题，且结构紧凑、占地面积小能够独立调节有功、无功功率，但是设备成本较高、运行损耗大。混合直流输电结合了lcc-hvdc和vsc-hvdc的优点，既降低了成本与运行损耗，又有效避免了换相失败问题，在未来电力系统中具有广阔的应用前景。然而，由于不同换流器与直流线路的交互作用，混合直流系统可能出现直流侧振荡失稳现象。
3.如何实现对混合直流电力系统的稳定性的判断是一个亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种电力系统稳定性确定方法、装置、终端设备及存储介质，能够确定混合直流电力系统是否稳定。
5.本发明一实施例提供了一种电力系统稳定性确定方法，包括：构建混合双端直流电力系统的状态空间方程，并确定构建状态空间方程时所涉及的状态变量；
6.将参与因子超过预设阈值的状态变量作为主要状态变量，继而根据所述状态空间以及所述主要状态变量，获得混合双端直流电力系统的主导振荡频率解析解；
7.根据所述主导振荡频率解析解以及所述状态空间方程生成混合双端直流电力系统的特征方程，继而根据所述特征方程确定系统稳定性判据；
8.根据所述系统稳定性判据，确定混合双端直流电力系统稳定时，vsc的外环控制参数所需满足的稳定性条件；
9.获取当前混合双端直流电力系统中vsc的当前外环控制参数，若所述当前外环控制参数满足所述稳定性条件，则判定当前混合双端直流电力系统稳定，否则判定当前混合双端直流电力系统不稳定。
10.进一步的，所述状态空间方程为：
[0011][0012]
其中，
[0013][0014][0015]
δ表示平衡点偏移量；x为状态变量；a为状态矩阵；b为输入矩阵；u为输入变量；下标0则表示初始稳态值；为vsc直流侧电压；为vsc换流器的d轴电流；i
dc
为直流输电线路的电流；xv是vsc外环控制的积分环节；xi是lcc控制的积分环节；x
in
是vsc内环控制的积分环节；为vsc直流电压的整定值；为lcc定电流控制的整定值；g0为vsc的初始等效电导；c
dc
是vsc的直流侧等效电容；k0为vsc的电压系数；为vsc内环控制的比例增益；为vsc内环控制的积分增益；为vsc外环电压控制的比例增益；为lcc控制的比例增益；rs为换流器的交流侧等效电阻；ls为换流器的交流侧等效电感；l
dc
为输电线路总等效电感；r
eq
为输电线路总等效电阻；u0是理想直流空载电压；α为lcc的触发角；为vsc外环电压控制的积分增益；为lcc控制的积分增益。
[0016]
进一步的，所述主导振荡频率解析解为：进一步的，所述主导振荡频率解析解为：
[0017]
进一步的，所述根据所述主导振荡频率解析解以及所述状态空间方程生成混合双端直流电力系统的特征方程，包括：
[0018]
所述的状态空间方程进行拉氏变换，获得混合双端直流电力系统的初始特征方程；
[0019]
根据所述主导振荡频率解析解对所述初始特征方程进行简化，获得混合双端直流电力系统的特征方程；
[0020]
混合双端直流电力系统的特征方程为：
[0021]
fd(s)＝b2s2+b1s+b0；
[0022]
其中，
[0023][0024][0025]
s为拉普拉斯算子；b0、b1以及b2均为系统阻尼。
[0026]
进一步的，所述系统稳定性判据为：
[0027][0028]
其中,r
l
为直流线路的等效电阻，d
x
为是等效换相电阻；q为稳定性判据。
[0029]
进一步的，vsc的外环控制参数所需满足的稳定性条件为：
[0030][0031][0032]
其中，为高压直流输电系统允许的最小电压；i
dcmax
为高压直流输电系统允许的大电流。
[0033]
在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了装备项实施例；
[0034]
本发明一实施例提供了一种电力系统稳定性确定装置，包括：状态空间方程构建模块、主导振荡频率解析解确定模块、系统稳定性判据确定模块、稳定性条件确定模块以及稳定性判断模块；
[0035]
所述状态空间方程构建模块，用于构建混合双端直流电力系统的状态空间方程，并确定构建状态空间方程时所涉及的状态变量；
[0036]
所述主导振荡频率解析解确定模块，用于将参与因子超过预设阈值的状态变量作为主要状态变量，继而根据所述状态空间以及所述主要状态变量，获得混合双端直流电力系统的主导振荡频率解析解；
[0037]
所述系统稳定性判据确定模块，用于根据所述主导振荡频率解析解以及所述状态空间方程生成混合双端直流电力系统的特征方程，继而根据所述特征方程确定系统稳定性判据；
[0038]
所述稳定性条件确定模块，用于根据所述系统稳定性判据，确定混合双端直流电力系统稳定时，vsc的外环控制参数所需满足的稳定性条件；
[0039]
所述稳定性判断模块，用于获取当前混合双端直流电力系统中vsc的当前外环控制参数，若所述当前外环控制参数满足所述稳定性条件，则判定当前混合双端直流电力系统稳定，否则判定当前混合双端直流电力系统不稳定。
[0040]
在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了终端设备项实施例；
[0041]
本发明一实施例提供了一种终端设备，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明任意一项所述的电力系统稳定性确定方法。
[0042]
在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了存储介质项实施例；
[0043]
本发明一实施例提供了一种存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行本发明任意一项所述的电力系统稳定性确定方法。
[0044]
通过实施本发明实施例具有如下有益效果：
[0045]
本发明实施例提供了一种电力系统稳定性确定方法、装置、终端设备及存储介质，所述方法根据状态空间方程和主导振荡频率解析解来构建混合双端直流电力系统的稳定性判据，根据稳定性判据确定混合双端直流电力系统稳定时，vsc的外环控制参数所需满足的稳定性条件；最后根据稳定性条件以及混合双端直流电力系统中vsc的当前外环控制参数，来判定当前混合双端直流电力系统是否稳定。通过实施本发明可以对混合双端直流电力系统进行稳定性分析，自动评估混合双端直流电力系统是否稳定。
附图说明
[0046]
图1是本发明一实施例提供的一种电力系统稳定性确定方法的流程示意图。
[0047]
图2是本发明一实施例提供的lcc的等效电路示意图。
[0048]
图3是本发明一实施例提供的vsc的等效电路示意图。
[0049]
图4是本发明一实施例提供的混合双端直流电力系统的结构示意图
[0050]
图5是本发明一实施例提供的一种电力系统稳定性确定装置的结构示意图。
具体实施方式
[0051]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
[0052]
首先需要说明的是，本发明所提供的电力系统稳定性确定方法，是用于确定混合双端直流电力系统的小干扰稳定性。
[0053]
如图1所示，本发明一实施例提供了一种电力系统稳定性确定方法，至少包括：
[0054]
步骤s101：构建混合双端直流电力系统的状态空间方程，并确定构建状态空间方程时所涉及的状态变量。
[0055]
步骤s102：将参与因子超过预设阈值的状态变量作为主要状态变量，继而根据所
述状态空间以及所述主要状态变量，获得混合双端直流电力系统的主导振荡频率解析解。
[0056]
步骤s103：根据所述主导振荡频率解析解以及所述状态空间方程生成混合双端直流电力系统的特征方程，继而根据所述特征方程确定系统稳定性判据。
[0057]
步骤s104：根据所述系统稳定性判据，确定混合双端直流电力系统稳定时，vsc的外环控制参数所需满足的稳定性条件。
[0058]
步骤s105：获取当前混合双端直流电力系统中vsc的当前外环控制参数，若所述当前外环控制参数满足所述稳定性条件，则判定当前混合双端直流电力系统稳定，否则判定当前混合双端直流电力系统不稳定。
[0059]
对于步骤s101、如图2、3以及图4所示，基于换流器模型来构建混合双端直流电力系统的状态空间方程。
[0060]
具体的，如图2所示的lcc的等效电路，lcc的动态模型表示如下：
[0061][0062][0063][0064]
其中，i
dc
分别为lcc作为整流侧的直流电压和直流电流；u0是理想直流空载电压；e为电源线电动势的有效值；d
x
是等效换相电阻；d
xidc
表示换相电流在换相电抗中造成的压降，从而导致lcc交流电压和直流电压降落；
[0065]
lcc采用定直流电流控制，其控制过程表示如下：
[0066][0067][0068]
其中，和分别为lcc控制的比例增益和积分增益；为lcc定电流控制的整定值；α为lcc的触发角，xi是lcc控制的积分环节；
[0069]
请参阅图3，vsc的d轴电压与d轴电流关系表示下：
[0070][0071]
其中，和分别为电网d轴电压以及换流器的d轴电压，和分别为vsc换流器的q轴和d轴电流，rs和ls分别为换流器的交流侧等效电阻和等效电感；
[0072]
当d轴和电网电压重合时，vsc的有功功率和无功功率解耦，其有功功率仅与d轴电流相关，因此仅考虑vsc的d轴电流。而电容电流与vsc直流侧电压的关系为：
[0073][0074]
其中，ic为等效电容电流，为vsc直流侧电压；
[0075]
根据vsc的等效电路图，等效电容电流ic、vsc直流侧电流i
dc
和直流侧注入电流id之间的关系为：
[0076]idc
＝id+icꢀꢀ
(8)
[0077]
忽略换流器和变压器的损耗，交、直流侧的功率平衡方程为：
[0078][0079]
其中，p
ac
和p
dc
分别为vsc交流侧和直流侧的有功功率；
[0080]
根据vsc的特性，可以得到vsc交流侧电压与直流电压的关系为：
[0081][0082]
其中，为vsc的调制比，且与vsc的d轴电压成正比；
[0083]
vsc的内环控制方程如下所示：
[0084][0085][0086]
其中，和分别为vsc内环控制的比例增益和积分增益；为vsc的d轴交流电流的整定值，x
in
是vsc内环控制的积分环节；
[0087]
vsc外环采用定直流电压控制，通过pi控制器，使直流电压保持为定值，控制方程如式(13)所示：
[0088][0089][0090]
其中，和分别为vsc外环电压控制的比例增益和积分增益；为vsc直流电压的整定值，xv是vsc外环控制的积分环节；
[0091]
由于直流侧系统的振荡频率不超过rl输电线路模型的可行频率，为简化分析采用了rl输电线路模型；整流侧直流电压和逆变侧直流电压的关系表示为：
[0092][0093]
其中，r
l
和l
l
分别为直流线路的等效电阻和等效电感，i
dc
为直流输电线路的电流，整流侧的平波电抗器用ld表示，逆变侧的平波电抗器用l
t
表示；
[0094]
将上式围绕平衡点线性化后，可以得到混合双端直流电力系统的状态空间方程为：
[0095][0096]
其中，x为状态变量；a为状态矩阵；b为输入矩阵；u为输入变量。各状态变量以及矩阵表示如下：
[0097]
[0098][0099]
对于步骤s102、基于所建立的系统状态空间方程以及各状态变量的参与因子选择出与主导模态高度相关的状态变量，得到主导振荡频率解析解；
[0100]
首先，将系统所有的状态变量按预设阈值，分为主导模态下参与因子大的变量(即上述主要状态变量)以及参与因子小的变量，则式(16)所表示的系统状态空间方程可改写为以下形式：
[0101][0102]
其中，δx1为主导模态下对系统影响大的变量(即上述主要状态变量)，而δx2为主导模态下对系统影响小的变量(即除上述主要状态变量外的其他状态变量)。
[0103]
δx2＝[δi
dc
,δxv,δxi,δx
in
]
t
；a11、a12、a21、a22以及b1、b2表示如下：
[0104][0105][0106][0107]
忽略主导模态中相关度低的状态变量(即除上述主要状态变量外的其他状态变量)，可以得到主导振荡频率为：
[0108][0109]
其中，ωd为主导振荡频率。
[0110]
对于步骤s103、利用计算出的主导振荡频率，得到了降阶后的系统小干扰稳定性分析模型，从而导出系统小干扰稳定解析判据；
[0111]
具体的，将式(18)进行拉氏变换后可以得到：
[0112]
si
11
δx1＝a
11
δx1+a
12
δx2+b1δu
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0113]
si
22
δx1＝a
21
δx1+a
22
δx2+b2δu
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0114]
其中，i
22
为一个四阶的单位矩阵，与a22阶数相同；
[0115]
可以得到原系统的初始特征方程为：
[0116]
f(s)＝det[(si
11-a
11
)+a
12
(si
22-a
22
)-1a21
]
ꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0117]
其中，(si
11-a
11
)为与主导模态下对系统影响较大的主要状态变量系统(即由上述主要状态变量构成的变量系统)；(si
22-a
22
)为主导模态下对系统影响较小的非主要状态变量系统(即由除了主要状态变量外的其他状态变量所构成的变量系统)；
[0118]
由于主导模态下的阻尼比较小，因此主导模态下的拉普拉斯算子s可以用jωd表示(j为虚数单位)，进而将主导频率邻域的特征方程进行简化：
[0119][0120]
其中，mr和mi为两阶的方阵，其取值如下所示：
[0121][0122][0123]
基于(25)和(26)可得到混合双端直流电力系统的特征方程为：
[0124][0125]
此系统可以用两阶特征多项式来表示，式中各系数为：
[0126][0127]
[0128][0129]
b0、b1以及b2均为系统阻尼，由经典控制理论可以得到，当系统不稳定时，阻尼小于0，当系统为稳定时，阻尼大于0。由于b0》0，b2》0，因此混合双端直流电力系统的稳定性由b1决定，因此基于式(28)，可以得到系统稳定性判据为：
[0130][0131]
当q》0时，混合双端直流电力系统为稳定的，当q＝0时到达稳定边界，当q《0时，系统是不稳定的。式中，与系统的初始运行状态相关，表示为：
[0132][0133]
对于步骤s104、由于q随增大而增大，随i
dc0
减小而增大，可以得到以下关系：
[0134][0135]
其中，为高压直流输电系统允许的最小电压；i
dcmax
为高压直流输电系统允许的大电流；
[0136]
由于vsc外环控制的积分增益通常大于零，因此可以得到以下关系：
[0137][0138][0139]
(30)和(31)为混合双端直流电力系统稳定时，vsc的外环控制参数所需满足的稳定性条件，用户可以基于(30)和(31)设计控制器参数，保证系统在直流侧稳定性，为工程设计提供理论指导。可以理解的是，vsc的外环控制参数包括：和
[0140]
对于步骤s105、根据步骤s104所确定的稳定性条件，获取当前混合双端直流电力系统中vsc的当前外环控制参数，判断当前外环控制参数是否同时满足公式(32)和公式(33)若是，则判定当前混合双端直流电力系统稳定，若否则判定不稳定。
[0141]
在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了装备项实施例；
[0142]
如图5所示，本发明一实施例提供了一种电力系统稳定性确定装置，包括：状态空间方程构建模块、主导振荡频率解析解确定模块、系统稳定性判据确定模块、稳定性条件确定模块以及稳定性判断模块；
[0143]
所述状态空间方程构建模块，用于构建混合双端直流电力系统的状态空间方程，并确定构建状态空间方程时所涉及的状态变量；
[0144]
所述主导振荡频率解析解确定模块，用于将参与因子超过预设阈值的状态变量作为主要状态变量，继而根据所述状态空间以及所述主要状态变量，获得混合双端直流电力系统的主导振荡频率解析解；
[0145]
所述系统稳定性判据确定模块，用于根据所述主导振荡频率解析解以及所述状态空间方程生成混合双端直流电力系统的特征方程，继而根据所述特征方程确定系统稳定性判据；
[0146]
所述稳定性条件确定模块，用于根据所述系统稳定性判据，确定混合双端直流电力系统稳定时，vsc的外环控制参数所需满足的稳定性条件；
[0147]
所述稳定性判断模块，用于获取当前混合双端直流电力系统中vsc的当前外环控制参数，若所述当前外环控制参数满足所述稳定性条件，则判定当前混合双端直流电力系统稳定，否则判定当前混合双端直流电力系统不稳定。
[0148]
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0149]
所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可参考前述方法实施例中对应的过程，在此不再赘述。
[0150]
在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了终端设备项实施例；
[0151]
本发明一实施例提供了一种终端设备，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明任意一项所述的电力系统稳定性确定方法。
[0152]
终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0153]
所称处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个终端设备的各个部分。
[0154]
所述存储器可用于存储所述计算机程序，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存
储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0155]
在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了存储介质项实施例；
[0156]
本发明一实施例提供了一种存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行本发明任意一项所述的电力系统稳定性确定方法。
[0157]
所述存储介质为计算机可读存储介质，所述计算机程序存储在所述计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0158]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。