阅读说明：本技术 一种适用含高比例风电电力系统的暂态稳定特征保全方法 (Transient stability characteristic preservation method suitable for power system containing high-proportion wind power ) 是由 汤奕 戴剑丰 李碧君 侯玉强 *** 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明针对含大规模风电的电力系统提出了一种适用含高比例风电电力系统的暂态稳定特征保全方法。该方法首先推导双馈风力发电机组的等效注入电流源模型,在此基础上建立含DFIG的等值单机无穷大母线(OMIB)系统的等值功率-等值功角曲线一般形式；然后将暂态过程中一段时间内采集的机端信息投影到OMIB系统的等值功率-等值功角平面并进行拟合,通过计算加速/减速面积来预测系统的暂态稳定性。该方法能有效保全含大规模风电的电力系统的暂态稳定特征,有助于电力系统暂态稳定预测,对维持电力系统稳定运行具有重要意义。(The invention provides a transient stability characteristic preservation method suitable for a power system containing high-proportion wind power, aiming at the power system containing large-scale wind power. The method comprises the steps of firstly deducing an equivalent injection current source model of the doubly-fed wind generating set, and establishing an equivalent power-equivalent power angle curve general form of an equivalent single machine infinite bus (OMIB) system containing the DFIG on the basis; then, terminal information acquired within a period of time in the transient process is projected to an equivalent power-equivalent power angle plane of the OMIB system and is fitted, and the transient stability of the system is predicted by calculating an acceleration/deceleration area. The method can effectively preserve the transient stability characteristics of the power system containing large-scale wind power, is beneficial to predicting the transient stability of the power system, and has important significance for maintaining the stable operation of the power system.)

一种适用含高比例风电电力系统的暂态稳定特征保全方法

技术领域

本发明涉及电力系统模型等值及态势感知技术领域，特别是一种适用含高比例风电电力系统的暂态稳定特征保全方法。

背景技术

世界能源危机、环境压力以及风电的低廉的成本促使全球电力系统规划者不断增加风电在系统总发电量的中比例。高水平的风电渗透率在产生经济、环境效益的同时，由于风电的高随机性以及风电取代同步电机造成的系统有效惯量的减少，也会对电力系统暂态稳定性产生巨大的影响。

暂态功角失稳是电力系统最严重的事件之一。在系统遭受严重扰动后的暂态过程中，若一台或多台电机失去与其余机组间的同步，功角失稳将会被引起，导致级联停电，甚至大面积停电。因此，在遭受严重扰动后快速预测电力系统的暂态功角稳定性为应急控制提供预警具有重要意义。

传统的基于物理机理的暂态功角稳定预测方法，如时域仿真法、暂态能量函数法虽然精度较高，但是由于计算量较大，其时效性较差，难以满足在线预测的需求；以轨迹拟合与人工智能为代表的一些基于数据挖掘的暂态稳定预测方法虽然在在线预测速度上有较大优势，但忽略瞬态过程的物理机制可能导致预测精度下降。因此，如何在简化等值含大规模风电的电力系统的同时，保留其暂态稳定的特征，是平衡暂态稳定预测速度和预测精度的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种适用含高比例风电电力系统的暂态稳定特征保全方法。

该方法首先推导双馈风力发电机组的等效注入电流源模型，在此基础上建立含DFIG的等值单机无穷大母线(OMIB)系统的等值功率-等值功角曲线一般形式；然后将暂态过程中一段时间内采集的机端信息投影到OMIB系统的等值功率-等值功角平面并进行拟合，通过计算加速/减速面积来预测系统的暂态稳定性。该方法能有效保全含大规模风电的电力系统的暂态稳定特征，有助于电力系统暂态稳定预测，对维持电力系统稳定运行具有重要意义。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种适用含高比例风电电力系统的暂态稳定特征保全方法，包括如下步骤：

(1)基于电力系统同步发电机经典二阶模型，建立含高比例风电电力系统的等值单机无穷大(OMIB)系统模型；

(2)通过WAMS获取系统n台同步发电机在故障切除后m个不同时刻的数据

其中δ_i、P_ei分别表示第i台同步发电机的功角与电磁功率；

(3)对建立的OMIB系统模型参数进行拟合；

(4)基于等值加速面积及减速面，计算系统暂态稳定裕度；

进一步的，所述步骤(1)中含高比例风电电力系统的OMIB系统模型的建立包括如下步骤：

(11)建立不含风电的电力系统的OMIB系统模型：

其中：M_g，P_mg，P_eg分别为等值OMIB系统的转动惯量、机械功率以及电磁功率，δ_s，M_s，δ_a，M_a分别为临界群(S_g)与剩余群(A_g)部分惯量中心的等值功角、等值惯量,P_ms，P_es，P_ma，P_ea分别为S_g群与A_g群的等值机械功率、等值电磁功率；

(12)建立双馈风力发电机组的等效注入电流源模型：

其中：I_W，I_G，I_C分别为风机节点(W)、发电机节点(G)与联络节点(C)注入电流列向量；U_W，U_C分别为风机节点与联络节点电压列向量，E_G为同步电机内电势列向量；Y表示节点间导纳矩阵的元素；

(13)基于双馈风力发电机组等效注入电流源模型，得到发电机节点注入电流

的表达式：

其中：

为风电在各同步机节点等效的注入电流；

(14)基于发电机节点注入电流表达式，得到考虑风电接入后的第i台同步机电磁功率表达式：

其中：P_ei为风电接入前的同步电机i的电磁功率，ΔP_ei,ΔI_i，ψ_i分别为风机在同步电机i上产生的电磁功率增量以及等效注入电流的幅值、相角。

(15)建立含高比例风电电力系统的OMIB系统模型：

P'_eg＝P_c∑-P_max∑sin(δ_g-β)

式中，M_g,δ_g,P_mg定义与步骤(11)中相同，P’_eg为考虑风电接入后修正的等值电磁功率，参数P_c∑，P_max∑与β分别为P’_eg的偏距、振幅与初相位；

进一步的，所述步骤(3)中的对建立的OMIB系统模型参数进行拟合，其具体实现方法为：

(31)将步骤(15)中的OMIB系统等值电磁功率P’_eg写成如下形式：

P'_eg＝p₀+p₁ cos(δ_g)+p₂ sin(δ_g)

其中：p₀,p₁,p₂为待定参数；

(32)根据步骤(11)中参数等值方法，将

等值为m组OMIB系统上的等值功角和电磁功率

(33)将

代入步骤(31)，可得：

y＝Xp

y＝[P_eg.1 P_eg.2 … P_eg.m]^T

p＝[p₀ p₁ p₂]^T

当m≥3时，参数相量P可由下式求得：

p＝(X^TX)^-1X^Ty

进一步的，所述步骤(4)中基于等值加速面积及减速面积，计算系统暂态稳定裕度的具体实现步骤为：

(41)根据拟合出的故障期间与故障切除后的等值电磁功率曲线，求解机端等值加速面积S_acc与减速面积S_dec：

式中：P_eg.acc(δ_g)，P_eg.dec(δ_g)为故障期间与故障切除后等值电磁功率曲线；δ₀,δ_cc分别为稳态下的等值功角与故障切除时的等值功角，δ_lim为故障切除后等值电磁功率曲线与机械功率右交点对应的等值功角，可通过下式求解：

P_mg＝P_eg.dec(δ_lim)

(42)根据等值加速面积及减速面积，计算系统暂态稳定裕度η：

有益效果：

本发明提出了含大规模风电的电力系统暂态稳定特征保全方法。与现有方法相比，该方法推导了双馈风力发电机组的等效注入电流源模型，在此基础上建立含DFIG的等值单机无穷大母线(OMIB)系统的等值功率-等值功角曲线一般形式；然后将暂态过程中一段时间内采集的机端信息投影到OMIB系统的等值功率-等值功角平面并进行拟合，通过计算加速/减速面积来预测系统的暂态稳定性。在保留电力系统暂态稳定特征的前提下，对电力系统模型进行了等值化简，有助于平衡电力系统暂态稳定预测精度与预测速度之间的矛盾，对维持电力系统稳定运行具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图；

图2为含风电的新英格兰39节点测试系统图；

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供的一种适用含高比例风电电力系统的暂态稳定特征保全方法，包括：

步骤S1：基于电力系统同步发电机经典二阶模型，建立含高比例风电电力系统的等值单机无穷大(OMIB)系统模型；

步骤S2：通过WAMS获取系统n台同步发电机在故障切除后m个不同时刻的数据

其中δ_i、P_ei分别表示第i台同步发电机的功角与电磁功率；

步骤S3：对建立的OMIB系统模型参数进行拟合；

步骤S4：基于等值加速面积及减速面，计算系统暂态稳定裕度。

本实施例以含风电的新英格兰39节点测试系统为例进行分析，其模型结构如图2所示。该测试系统在PSCAD/EMTDC中搭建，总负荷为6150.5MW，风电机组采用双馈风机，渗透率为32.52％。

进一步的，在本实施例中，步骤S1高比例风电电力系统的OMIB系统模型的建立包括如下步骤：

步骤S11：含风电的电力系统的OMIB系统模型：

其中：M_g，P_mg，P_eg分别为等值OMIB系统的转动惯量、机械功率以及电磁功率，δ_s，M_s，δ_a，M_a分别为临界群(S_g)与剩余群(A_g)部分惯量中心的等值功角、等值惯量,P_ms，P_es，P_ma，P_ea分别为S_g群与A_g群的等值机械功率、等值电磁功率；

步骤S12：建立双馈风力发电机组的等效注入电流源模型：

其中：I_W，I_G，I_C分别为风机节点(W)、发电机节点(G)与联络节点(C)注入电流列向量；U_W，U_C分别为风机节点与联络节点电压列向量，E_G为同步电机内电势列向量；Y表示节点间导纳矩阵的元素；

步骤S13：基于双馈风力发电机组等效注入电流源模型，得到发电机节点注入电流

的表达式：

其中：

为风电在各同步机节点等效的注入电流；

步骤S14：基于发电机节点注入电流表达式，得到考虑风电接入后的第i台同步机电磁功率表达式：

其中：P_ei为风电接入前的同步电机i的电磁功率，ΔP_ei,ΔI_i，ψ_i分别为风机在同步电机i上产生的电磁功率增量以及等效注入电流的幅值、相角。

步骤S15：建立含高比例风电电力系统的OMIB系统模型：

P'_eg＝P_c∑-P_max∑sin(δ_g-β)

式中，M_g,δ_g,P_mg定义与步骤S11中相同，P’_eg为考虑风电接入后修正的等值电磁功率，参数P_c∑，P_max∑与β分别为P’_eg的偏距、振幅与初相位；

本实施例中步骤S3中的对建立的OMIB系统模型参数进行拟合，其具体实现方法为：

S31：将步骤S15中的OMIB系统等值电磁功率P’_eg写成如下形式：

其中：p₀,p₁,p₂为待定参数；

S32：根据步骤S11中参数等值方法，将

等值为m组OMIB系统上的等值功角和电磁功率

S33：将

代入步骤S31，可得：

y＝Xp

y＝[P_eg.1 P_eg.2 … P_eg.m]^T

p＝[p₀ p₁ p₂]^T

当m≥3时，参数相量P可由下式求得：

p＝(X^TX)^-1X^Ty

进一步的，在本实施例中，步骤S4中基于等值加速面积及减速面积，计算系统暂态稳定裕度的具体实现步骤为：

步骤S41：根据拟合出的故障期间与故障切除后的等值电磁功率曲线，求解机端等值加速面积S_acc与减速面积S_dec：

式中：P_eg.acc(δ_g)，P_eg.dec(δ_g)为故障期间与故障切除后等值电磁功率曲线；δ₀,δ_cc分别为稳态下的等值功角与故障切除时的等值功角，δ_lim为故障切除后等值电磁功率曲线与机械功率右交点对应的等值功角，可通过下式求解：

P_mg＝P_eg.dec(δ_lim)

步骤S42：根据等值加速面积及减速面积，计算系统暂态稳定裕度η：

在本实施例中，为验证该暂态稳定特征保全方法的有效性，对比不同故障清除时间下稳定判别的效果，结果如表1所示。

表1不同故障清除时间下稳定判别

由表中数据可知，本方法可以有效对故障后系统暂态稳定进行判别。