一种暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体为一种暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法。

背景技术

在当前能源短缺、环境污染和气候变化等问题日趋严重的背景下，大规模开发利用风能、太阳能等清洁可再生的新能源成为世界各国发展的共识，新能源的投入使用对于我国能源结构的调整具有非常重要的推动作用，也成为我国电力系统未来的重要发展方向。

然而，由于新能源发电设备采用电力电子接口并网，其固有的弱阻尼和低惯性特点会恶化系统的动态特性，引发电力系统的电压崩溃，该问题严重制约了可再生能源在电力系统中的大规模应用。因此，亟需发展一种灵活高效的暂态电压稳定性分析方法，准确评估高比例新能源接入场景下电网的暂态电压支撑能力，为电力的系统安全稳定运行提供指导。

现有电力系统暂态电压稳定性分析方法主要包括时域仿真法与直接法。

由于时域仿真法可以考虑复杂的系统模型，能够获得准确的稳定性分析结果，该方法得到了广泛应用。时域仿真法存在计算量大、难以提供系统稳定裕度的定量信息等不足，不适用于新能源接入场景下电网的安全稳定分析。

直接法在新能源接入场景下电网安全稳定分析中已有应用，通过构造暂态能量函数，定量地分析系统的暂态电压稳定性。由于新能源接入场景下电网具有强非线性和不确定性等特征，构造Lyapunov函数或能量函数并精确刻画电网安全稳定边界面临挑战，且直接法难以量化外部扰动对电网安全稳定运行的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法，包括如下步骤：

步骤1，根据电力系统的各个子系统的数学模型获取状态变量x和输出量y；

步骤2，通过所获取的状态变量和输出量计算得到各个子系统的属性；

步骤3，根据各个子系统的属性基于电气网络连接关系，计算电力系统稳定性量化评估指标，判断电力系统受扰后能否回到稳定状态，当电力系统受扰后无法回到稳定状态，则电力系统失稳；当电力系统受扰后回到稳定状态，则执行步骤4；

步骤4，结合电力系统初始运行状态，计算安全性量化评估指标，判断电力系统暂态过程是否满足安全稳定约束条件；当电力系统暂态过程不满足安全稳定约束条件，则电力系统运行在不安全状态；反之，则电力系统运行在安全状态。

优选的，步骤1中，各个子系统包括发电机、分布式电源、电动机、恒阻抗负载和恒功率负载；其中发电机和分布式电源选取机端电压的标幺值作为输出；电动机、恒阻抗负载和恒功率负载选取端电流的标幺值作为输出。

优选的，步骤2中，所获取的状态变量和输出量的计算公式如下：

y＝h(x，u)；

其中，

进一步的，所获取的状态变量和输出量的计算公式计算得到各个子系统的属性，包括如下步骤：

对含有外部输入的非线性系统，存在

其中，x(t)表示系统状态变量随时间的变化情况，x

根据积分-积分估计，定义公式如下：

其中，α为增益函数，α

计算相应的局部输入范围、初值范围以及增益函数α、α

其中，u

给定输入信号u，固定系统的初始状态x

固定|x

其中，

改变输入的大小或采用不同形式的输入，计算输入-输出增益可以得到一系列的γ，从中取最大的γ

更进一步的，确定γ

其中，γ

优选的，步骤3，基于得到的子系统LISS/LIOS属性，考虑由n个子系统组成的动态系统，第i个子系统的数学模型表达式如下：

y

根据各个子系统的属性基于电气网络连接关系所组成的数学模型如下：

0＝g(y，u)；

其中，x＝[x

优选的，步骤3中，判断电力系统受扰后能否回到稳定状态所满足的条件如下：

A，当|x

B，函数g(y，u)满足隐函数定理，在电力系统的应用中，该条件表示系统潮流方程有解；存在z

|u

C，小增益条件满足，即

ρ(G

其中，G

进一步的，提炼出反映互联系统稳定运行能力的量化评估指标如下：

a＝1-ρ(G

其中，a为定义的稳定性量化评估指标。

优选的，步骤4中，判断电力系统暂态过程是否满足安全稳定约束条件如下：

(I

其中，τ＝[τ

其中，τ

优选的，计算安全性量化评估指标公式如下：

其中，b＝Z(I

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法，通过电力系统的各个子系统的数学模型获取状态变量x和输出量y，并根据各个子系统的状态变量x和输出量y计算得到各个子系统的属性；根据各个子系统的属性基于电气网络连接关系，计算电力系统稳定性量化评估指标，判断电力系统受扰后能否回到稳定状态，当满足稳定性时结合电力系统初始运行状态，计算安全性量化评估指标，判断电力系统暂态过程的安全状态，本发明将互联系统中子系统的稳定分析解耦，通过两个代数不等式分析系统的稳定性。该方法计算量小，计算效率高。

进一步的，本发明所提暂态电压稳定性分析方法能量化评估高比例新能源接入场景下电网的暂态电压稳定性，为衡量新能源的接入规模提供有效途径；所提暂态电压支撑能力量化评估指标统筹考虑系统稳定性和安全性，能够全面准确地反映高比例新能源接入场景下电网的暂态电压稳定水平。

附图说明

图1为本发明中暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法的流程图；

图2为输入状态稳定理论示意图；

图3为实施例中电力系统地理接线图；

图4为系统故障时不同新能源渗透率下C区域750kV母线电压动态变化示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明一个实施例中，提供了一种暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法，包括如下步骤：

步骤1，根据电力系统的各个子系统的数学模型获取状态变量x和输出量y；

具体的，各个子系统包括发电机、分布式电源、电动机、恒阻抗负载和恒功率负载；其中发电机和分布式电源选取机端电压的标幺值作为输出；电动机、恒阻抗负载和恒功率负载选取端电流的标幺值作为输出。

步骤2，通过所获取的状态变量和输出量计算得到各个子系统的属性；

具体的，输入、输出以及系统状态积分形式的衡量与能量具有直接关系，因此，在介绍子系统积分能量的积分形式的LISS/LIOS仿真分析方法之前给出积分能量定义，其目的主要在以下两个方面：1)便于估计子系统的LISS稳定域、渐近增益等属性。2)便于判断系统状态、输出变量是否在安全运行范围内。

首先介绍输入状态稳定理论(Input-to-state Stability，ISS)理论。不失一般性，考虑含有外部输入的非线性系统：

y＝h(x，u)；

其中，

所获取的状态变量和输出量的计算公式计算得到各个子系统的属性，包括如下步骤：

对含有外部输入的非线性系统，存在

则该含有外部输入的非线性系统是ISS的；

其中，x(t)表示系统状态变量随时间的变化情况…，x

以下给出比较函数的定义：一个函数γ：R

ISS范数描述表达式的右边由两项组成，一项是与初值相关的

ISS几何意义如图2所示，初值为x

对于传统技术而言，对于任意x

则上述非线性系统是LISS的。

其中，Ω和U分别表示初始状态和外部输入的LISS域。

而本发明根据积分-积分估计，定义公式如下：

其中，α为增益函数，α

计算相应的局部输入范围、初值范围以及增益函数α、α

其中，u

给定输入信号u，固定系统的初始状态x

固定|x

其中，

改变输入的大小或采用不同形式的输入，计算输入-输出增益可以得到一系列的γ，从中取最大的γ

确定γ

若改变初值，则可以得到不同的α

其中，γ

步骤3，根据各个子系统的属性基于电气网络连接关系，计算电力系统稳定性量化评估指标，判断电力系统受扰后能否回到稳定状态，当电力系统受扰后无法回到稳定状态，则电力系统失稳；当电力系统受扰后回到稳定状态，则执行步骤4；

具体的，考虑由n个子系统组成的动态系统，第i个子系统的数学模型表达式如下：

y

其中，

由这些子系统互联而成的系统数学模型如下：

0＝g(y，u)

其中，x＝[x

具体的，判断电力系统受扰后能否回到稳定状态所满足的条件如下：

A，当|x

B，函数g(y，u)满足隐函数定理，在电力系统的应用中，该条件表示系统潮流方程有解；存在z

|u

C，小增益条件满足，即

ρ(G

其中，G

具体的，提炼出反映互联系统稳定运行能力的量化评估指标如下：

a＝1-ρ(G

其中，a为定义的稳定性量化评估指标。

步骤4，结合电力系统初始运行状态，计算安全性量化评估指标，判断电力系统暂态过程是否满足安全稳定约束条件；当电力系统暂态过程不满足安全稳定约束条件，则电力系统运行在不安全状态；反之，则电力系统运行在安全状态。

具体的，判断电力系统暂态过程是否满足安全稳定约束条件如下：

(I

其中，τ＝[τ

其中，τ

具体的，计算安全性量化评估指标公式如下：

其中，b＝Z(I

上述稳定性和安全性量化评估指标能够充分反映电力系统的安全稳定运行水平，量化评估高比例新能源接入场景下系统的暂态支撑能力，为分析新能源接入对电力系统暂态电压稳定性的影响提供理论依据和评价标准。

下面通过一个实例对本发明实施例进行进一步说明，以下仅为本发明实施例的一个实例，本发明实施例并不以此为限。

某地区典型的750kV电网结构一如图3所示，传统电源总装机为1175万千瓦，风电总装机985万千瓦，光伏总装机1292万千瓦，负荷水平为3130万千瓦。其中，归算到750kV下各母线的新能源装机分别为：D区域750kV供电区风电装机为636万千瓦，光伏装机为259万千瓦；A区域750kV供电区风电装机为125万千瓦，光伏装机为127万千瓦；C区域750kV供电区风电装机为27万千瓦，光伏装机为75万千瓦；F区域750kV供电区风电装机为115万千瓦，光伏装机为121万千瓦；J区域750kV供电区风电装机为21万千瓦，光伏装机为132万千瓦I区域750kV供电区光伏装机为71万千瓦；H区域750kV供电区风电装机为21万千瓦，光伏装机为108万千瓦；G区域750kV供电区风电装机为33万千瓦，光伏装机为15万千瓦。此时，某地区电网新能源渗透率为35％。

研究系统发生短路故障时不同新能源渗透率对电压动态过程的影响。三相短路故障发生在陕榆横750kV母线上。基于提出的子系统LIOS属性估计方法和互联系统稳定性分析思路，对简化的某地区电力系统暂态电压稳定性进行分析。具体地，设置新能源渗透率分别为30％、50％和70％，判断系统在发生三相短路故障后是否满足小增益条件：ρ(G

表1不同新能源渗透率下系统量化评估指标

该结果表明：当系统发生短路故障时，随着新能源渗透率增加，小增益条件和安全稳定约束条件始终满足，但系统稳定性量化评估指标和安全性量化评估指标逐渐减小，系统的稳定裕度和安全裕度不断降低。时域仿真验证了分析结果，C区域750kV母线电压动态变化如图4所示。

综上所述，本发明提供了一种暂态电压支撑能力量化评估指标构建方法，通过电力系统的各个子系统的数学模型获取状态变量x和输出量y，并根据各个子系统的状态变量x和输出量y计算得到各个子系统的属性；根据各个子系统的属性基于电气网络连接关系，计算电力系统稳定性量化评估指标，判断电力系统受扰后能否回到稳定状态，当满足稳定性时结合电力系统初始运行状态，计算安全性量化评估指标，判断电力系统暂态过程的安全状态，本发明将互联系统中子系统的稳定分析解耦，通过两个代数不等式分析系统的稳定性。该方法计算量小，计算效率高。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。