基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估方法及系统与流程

本发明属于电力系统，具体涉及一种基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估方法及系统。

背景技术：

1、新能源通过电力电子接口设备与电网互联，电力电子设备具有控制灵活，响应速度快的优点。当交流系统发生短路等故障，为了在暂态期间提供电压支撑，新能源机组通常进入低电压穿越控制模式。此时，设备输出无功功率，而有功出力通常会迅速大幅降低，在故障清除和电压恢复后新能源功率才逐渐恢复。在这个过程中，系统的潮流和电压会发生明显波动，对于多直流馈入的受端电网，期间还可能导致直流发生换相失败，直流输电功率快速变化且不可控。严重情况下系统可能产生新能源机组低电压连锁脱网、直流连续换相失败甚至闭锁、系统频率大范围偏移、电网第三道防线动作进而导致停电事故等严重后果。

2、随着新能源为主体新型电力系统构建，新能源占比将进一步提高。对于多直流馈入的受端电网，由于大量同步发电机被置换，动态无功支撑能力下降，交流系统强度大幅下降，电网短路故障后引起的新能源低电压穿越范围会进一步扩大，同时可能与直流换相失败耦合，恢复过程也会进一步拉长，系统承受大功率冲击扰动的风险增大且冲击量难以量化评估；另一方面，由于新能源故障穿越与直流换成失败造成的短时性功率扰动与直流闭锁、新能源脱网等永久性扰动存在本质不同，传统的稳定控制措施难以适应；同时由于新能源场站分布范围相对广泛，且故障穿越过程与直流换相恢复过程密切耦合，电力系统非线性化程度进一步加深，电网的频率稳定特性与电压稳定性密切耦合，传统应对永久性功率扰动的稳定控制措施难以适应。

3、目前现有的电力系统最小安全惯量评估研究方法主要为基于电力系统频率响应模型建模的最小安全惯量评估方法，已有的方法往往通过建立同步发电机、负荷、新能源等设备的系统频率响应模型，以及对应的开环传递函数进行分析，从而建立扰动功率与电力系统惯性中心频率的表达关系，进而分析电力系统当前网络拓扑水平以及特定小干扰功率扰动情况下系统惯量水平以及其充裕性。以上研究方法针对于电力系统小干扰(功率扰动，小范围负荷投切)扰动是有效的，在电力系统遭受大扰动故障(单相、三相短路故障)时，由于电力系统电压急剧降低，有可能导致光伏、风电等新能源进入低电压穿越状态，直流逆变侧电压下降造成直流换相失败使得设备运行模式由正常模式切换为故障状态。这使得传统基于电力系统频率响应模型的惯量评估方法不再有效；另一方面，目前针对电力系统惯量评估的研究尚未展开针对于交直流混连电网的研究。

4、目前，电力系统依托于西电东送工程将西部富裕电力通过直流输电线路送至东部省份，直流输电线路是否能处于正常的工作模式极大影响电力系统频率安全特性，本专利将建立直流系统的准稳态模型补足该方面研究的空白。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估方法及系统，用于解决现有最小安全惯量评估方法难以应用于暂态稳定问题适用性的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估方法，包括以下步骤：

4、依据电力系统网络拓扑和潮流结果建立各设备的准稳态模型；

5、选取故障i，根据故障信息生成故障期间电力系统节点导纳矩阵y'，结合建立的准稳态模型评估故障期间直流、新能源运行状态，得到电力系统中各设备在故障期间运行状态p'；

6、根据故障i故障后信息生成故障后电力系统节点导纳矩阵y”，同时结合得到的各设备在故障期间运行状态p'计算各设备在故障后电力系统网络拓扑下准稳态运行状态，估计电力系统在经历故障i后全系统功率不平衡量∑δpi；

7、遍历得到的电力系统中所有故障集，选出最大故障不平衡量，结合系统惯性中心频率变化率计算电力系统频率稳定最小安全惯量。

8、优选地，依据电力系统网络拓扑和潮流结果建立各设备的准稳态模型具体为：

9、各设备的准稳态模型包括同步发电机的准稳态模型、负荷的准稳态模型、新能源的准稳态模型和直流系统准稳态模型，基于各设备的准稳态模型构建电力系统代数方程，送端系统使用频率变化率作为系统惯量充裕度判据，受端系统中，当两个频率相关性指标大于0.8时，采用系统频率变化率最大值作为频率问题指标进行计算。

10、更优选地，同步发电机的准稳态模型为：

11、

12、其中，vd为同步发电机并网点旋转坐标系直轴电压，vq为同步发电机并网点旋转坐标系交轴电压，id为同步发电机直轴电流，iq为同步发电机交轴电流，t′d0为同步发电机直轴暂态时间常数，t′q0为同步发电机交轴暂态时间常数e′d为同步发电机直轴暂态电动势，e′q为同步发电机交轴暂态电动势，efd为同步发电机励磁电压，xd为同步发电机直轴电抗，xq为同步发电机交轴电抗，x′d为同步发电机直轴暂态电抗，x′q为同步发电机交轴暂态电抗，tj为同步发电机惯性时间常数，ω为同步发电机转速，pm为同步发电机机械功率，pe为同步发电机电磁功率，d为同步发电机阻尼系数，ω0为电网同步转速，δ为同步发电机功角；

13、同步发电机对节点的注入电流表示为：

14、

15、其中，vx为同步发电机并网点绝对坐标系电压实部，vy为同步发电机并网点绝对坐标系电压虚部；

16、同步发电机对应时刻下的电磁功率估算为：

17、

18、其中，id、iq为d、q轴电流，vd、vq为d、q轴电压；

19、负荷的准稳态模型为：

20、

21、其中，v、v0分别表示负荷在该节点当前电压幅值和稳态电压幅值；p0、q0表示负荷在稳态时的有功功率和无功功率；pl、ql为负荷在当前电压水平下实际的有功功率和无功功率；p1、p2、p3和q1、q2、q3分别为负荷有功和无功的恒阻抗、恒电流、恒功率比例系数；

22、负荷对节点注入的电流为：

23、

24、其中，ild、ilq分别为负荷从节点注入电流在d、q轴旋转坐标系下的实部及虚部；

25、新能源在正常工作模式时为定功率控制，当并网点电压过高或者过低时，新能源设备工作在穿越模式，对电网注入电流表示为：

26、

27、其中，id1,iq1,id2,iq2分别为新能源正常控制模式d、q轴输出电流，pref,qref分别为新能源设备正常控制模式有功、无功控制定值参数，|upcc|为新能源设备并网点电压幅值大小，kd1,kd2,ipset为新能源设备故障穿越有功控制系数，i'max为新能源设备故障穿越电流最大限制值，kq1,kq2,iqset为新能源设备故障穿越无功控制系数，ulin为新能源设备故障穿越模式与正常模式的阈值所在；

28、直流系统准稳态模型为：

29、

30、其中，udh、udl分别为低压限流控制门槛高电压和低电压，idmin为低压限流最小电流限制值。

31、优选地，故障期间电力系统节点导纳矩阵y'为：

32、y'[v]ejθ＝[ejθ](id(v,p')-jiq(v,p'))+ig(δ,x)

33、其中，p'为电力系统中各设备在故障期间运行状态，v为电网各节点电压幅值，ejθ为电网各节点电压相角，id(v,p')、iq(v,p')为除同步发电机外各元件向电网注入d、q轴电流，ig(δ,x)为同步发电机向电网注入电流。

34、优选地，电力系统在经历故障i后全系统功率不平衡量∑δpi为：

35、∑δpi＝∑(pm-pe(δ,x))

36、其中，pm为同步发电机机械功率，pe(δ,x)为同步发电机电磁功率。

37、更优选地，故障i故障后信息生成故障后电力系统节点导纳矩阵y”为：

38、y”[v]ejθ＝[ejθ](id(v,p',p”)-jiq(v,p',p”))+ig(δ,x)

39、其中，id(v,p',p”)-jiq(v,p',p”)为各电力电子设备对电网输出电流将基于故障期间的运行状态与故障后瞬间估计状态共同决定。

40、优选地，遍历得到的电力系统中所有故障集，选出最大故障不平衡量具体为：

41、电力系统同步发电机的惯量满足条件如下：

42、

43、当满足电力系统频率安全约束最小全系统惯量msufficiency≥∑tji时，当前系统同步发电机能够提供的惯量不足以维持系统频率稳定，需要提供额外的旋转备用容量，需要补充的惯量值为：msufficiency-∑tji；

44、当满足电力系统频率安全约束最小全系统惯量<∑tji时，当前系统同步发电机惯量充裕，能够维持系统频率稳定。

45、更优选地，遍历所有事故集所选的最大功率不平衡量δpmax为：

46、δpmax＝-max(|∑δpi|)

47、

48、更优选地，系统惯性中心频率变化率rocof为：

49、

50、其中，tji为第i台同步发电机惯性时间常数，pmi为第i台同步发电机机械功率，pei(δ,x)为第i台同步发电机电磁功率，δp为全系统功率不平衡量。

51、第二方面，本发明实施例提供了一种基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估系统，其特征在于，包括：

52、构建模块，依据电力系统网络拓扑和潮流结果建立各设备的准稳态模型；

53、状态模块，选取故障i，根据故障信息生成故障期间电力系统节点导纳矩阵y'，结合构建模块建立的准稳态模型评估故障期间直流、新能源运行状态，得到电力系统中各设备在故障期间运行状态p'；

54、计算模块，根据故障i故障后信息生成故障后电力系统节点导纳矩阵y”，同时结合状态模块得到的各设备在故障期间运行状态p'计算各设备在故障后电力系统网络拓扑下准稳态运行状态，估计电力系统在经历故障i后全系统功率不平衡量∑δpi；

55、输出模块，遍历计算模块得到的电力系统中所有故障集选出最大故障不平衡量，结合系统惯性中心频率变化率计算电力系统频率稳定最小安全惯量。

56、优选地，计算模块中，电力系统在经历故障i后全系统功率不平衡量∑δpi为：

57、∑δpi＝∑(pm-pe(δ,x))

58、其中，pm为同步发电机机械功率，pe(δ,x)为同步发电机电磁功率；

59、故障i故障后信息生成故障后电力系统节点导纳矩阵y”为：

60、y”[v]ejθ＝[ejθ](id(v,p',p”)-jiq(v,p',p”))+ig(δ,x)

61、其中，id(v,p',p”)-jiq(v,p',p”)为各电力电子设备对电网输出电流将基于故障期间的运行状态与故障后瞬间估计状态共同决定。

62、优选地，输出模块中，遍历得到的电力系统中所有故障集，选出最大故障不平衡量具体为：

63、电力系统同步发电机的惯量满足条件如下：

64、

65、当满足电力系统频率安全约束最小全系统惯量msufficiency≥∑tji时，当前系统同步发电机能够提供的惯量不足以维持系统频率稳定，需要提供额外的旋转备用容量，需要补充的惯量值为：msufficiency-∑tji；

66、当满足电力系统频率安全约束最小全系统惯量<∑tji时，当前系统同步发电机惯量充裕，能够维持系统频率稳定。

67、第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估方法的步骤。

68、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估方法的步骤。

69、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

70、基于准稳态建模的电力系统最小安全惯量评估方法，考虑了含新能源、直流设备对电力系统惯量评估问题造成的影响适用于含新能源、直流设备的交直流混联电力系统；另一方面，新能源、直流设备的准稳态建模方法计及了依据并网点电压改变控制策略的运行特性使惯量评估方法可以应用于考虑短路故障的大干扰稳定运行场景。

71、进一步的，本发明对于受端电网系统，首先验证所研究系统rocofmax与fnadir指标的相关性，通过相关系数校验后说明rocofmax与fnadi两个频率指标具有强相关性，可以利用rocofmax指标反映fnadir指标特性，使得本发明后续步骤利用rocofmax频率指标用以评估所研究电力系统频率最小安全惯量的评估方法具有合理性。

72、进一步的，本发明基于各元件准稳态建模通过计算故障中以及故障后电力系统准稳态共计两个计算场景，相较于时域仿真方法计算仿真每一时间步长电力系统运行状态共计需要计算仿真市场/仿真步长各计算场景，极大降低了计算复杂度，提升了电力系统仿真效率。

73、进一步的，步骤s3中，依据前序故障中计算场景得到的新能源、直流设备在故障期间的运行状态对故障后各节点新能源、直流设备的运行进行连续估计，具有时序特性，继承了传统时域仿真方法的仿真连续性特点，提高了评估的准确性。

74、进一步的，本发明通过遍历系统可能所有故障集最终计算所得的最大功率不平衡量代表了系统内最大可能出现的系统功率扰动量，相较于以往通过人为在某一节点设置定量功率扰动量的方法而言本方法更具有鲁棒性，使得最终计算所得的系统频率安全所需最小惯量能够适用于所有扰动，提高了计算结果的有效性与鲁棒性。

75、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

76、综上所述，本发明具有以下特点：

77、1)本发明考虑了新型电力系统所含有的同步发电机、负荷、新能源、直流系统，使得本发明能够适用于含新能源、直流的交直流混联电力系统惯量评估，扩大了原电力系统最小惯量评估方法的适用范围。

78、2)本发明建立的准稳态模型，通过将元件微分方程转换为代数方程使得本发明保留整个系统模型求解精度的同时降低计算复杂度与迭代次数，相对于传统时域仿真方法提升了评估方法的便捷性。

79、3)本发明遍历系统所有故障集合所得的功率不平衡量相比原有评估方法人为设置功率不平衡量更具有鲁棒性，最终计算所得系统频率最小安全惯量与目前系统同步机所含惯量相比从而确定系统惯量水平是否充裕只需将两值相比即可获得结论，使得计算方法具有直观性和便利性，更利于实际生产运行人员直观判断当前系统频率稳定与否。

80、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。