一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法与流程

1.本发明涉及新能源光伏电站小干扰稳定性技术领域，具体为一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法。


背景技术：

2.近年来，温室效应加剧极端天气的频发，低成本、环保的清洁能源发电技术正逐渐替代传统发电技术。并且在一些偏远地区，利用当地的风力、光伏进行发电，实现负荷的就地消纳，能有效降低输电线路的建设成本和维护成本。但是大规模风机和光伏接入电力系统会带来稳定性问题。目前，众多研究学者针对风机并网的振荡问题，已进行详细的机理分析。大规模光伏并网运行时，会降低系统的转动惯量，电网的稳定性易受到弱阻尼的影响。
3.目前大部分研究关于大规模光伏接入对系统稳定性的影响，均是从微电网静态功率平衡，或者利用人工智能算法拟合大型光伏电站的动态响应，并未从机理上揭示大规模光伏接入对稳定性影响。
4.大规模光伏离网运行或并网运行均会带来稳定性问题。目前研究已建立详细的单台光伏发电模型，但是数量众多的光伏给系统建模和仿真带来不小的困难。需要建立稳定性分析的简化模型，确立光伏系统的失稳机理。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明解决的技术问题是：现有的研究大规模光伏接入对系统稳定性的影响的方式单一，并未从机理上揭示大规模光伏接入对稳定性影响，大规模光伏离网运行或并网运行均会带来稳定性问题以及如何建立稳定性分析的简化模型，确立光伏系统的失稳机理的问题。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，包括：
9.获取光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵；
10.根据所述光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵建立大规模光伏系统的线性化模型；
11.根据大规模光伏系统的线性化模型，相似变换得到等效模型。
12.根据等效模型的稳定性指标，计算振荡模式对稳定性指标灵敏度的正负；
13.根据输电线路长度和光伏数量，判定输电线路长度和光伏数量对系统稳定性的影响。
14.作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种
优选方案，其中，所述光伏系统运行参数包括光伏与交流网络耦合节点的电压电流和光伏发电系统的控制参数。
15.所述节点的电压电流采用牛拉法进行潮流计算，得到电压电流的稳态值。
16.作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种优选方案，其中，所述电抗矩阵为：
[0017][0018]
式中x
ij
指光伏电场内部的电抗；x
l1
为输电线路电抗。
[0019]
作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种优选方案，其中，大规模光伏系统的线性化模型为：
[0020][0021]
式中diag[]表示对角矩阵；ak、bk、ck是第k台光伏发电系统的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵；x
p
、v
p
、i
p
分别表示所有光伏的状态变量，与交流系统耦合节点的电压、电流。
[0022]
作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种优选方案，其中，光伏系统的等效模型为：h0＝a0+ρib0ec0[0023]
式中
[0024]
h为线路上单位电阻与单位电抗的比值；a0、b0、c0是光伏发电系统相同的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵。ρi为电抗矩阵x的特征值。
[0025]
作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种优选方案，其中，系统稳定性指标为ρ
max
，振荡模式对稳定性指标的灵敏度为：
[0026][0027]
式中w
t
、v为振荡模式的左、右特征向量；ρ与交流网络拓扑结构有关。
[0028]
作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种优选方案，其中，光伏的数量增加或输电线路变长，ρ
max
变大，系统的稳定性随之受到影响。
[0029]
作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种优选方案，其中：增加光伏数量为m+d，电抗矩阵x增加相应的阶数，根据引理可知，ρ
′
max
＞ρ
max
，此时式中：ρ
max
为m台光伏电抗矩阵特征值，ρ
′
max
为m+d台光伏电抗矩阵特征值。
[0030]
作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种优选方案，其中：一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
[0031]
作为本发明所述的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的一种
优选方案，其中：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
[0032]
本发明的有益效果：本发明提供的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，采用了h0降价模型，准确地对光伏系统进行稳定性分析，光伏数量和输电线路长度通过改变电抗矩阵ρ
max
的大小，从而影响系统的稳定性，本发明在执行成本、负载平衡和完成时间方面都取得更加良好的效果。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0034]
图1为本发明第三个实施例提供的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的整体流程图；
[0035]
图2为本发明第三个实施例提供的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法大规模光伏接入电力系统；
[0036]
图3为本发明第三个实施例提供的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法的8台光伏接入配电系统；
[0037]
图4为本发明第三个实施例提供的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法振荡模式随光伏数量的变化；
[0038]
图5为本发明第三个实施例提供的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法时域仿真比较结果图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
[0040]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0041]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0042]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0043]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而
不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0044]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件
[0045]
内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
实施例1
[0047]
为本发明的一个实施例，提供了一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，包括：
[0048]
步骤1：获取光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵；
[0049]
步骤2：根据所述光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵建立大规模光伏系统的线性化模型；
[0050]
步骤3：根据大规模光伏系统的线性化模型，相似变换得到等效模型；
[0051]
步骤4：根据等效模型的稳定性指标，计算振荡模式对稳定性指标灵敏度的正负；
[0052]
步骤5：根据输电线路长度和光伏数量，判定输电线路长度和光伏数量对系统稳定性的影响。
[0053]
所述步骤1中，所述光伏系统运行参数，包括：光伏与交流网络耦合节点的电压电流和光伏发电系统的控制参数；所述交流网络电抗矩阵为：
[0054][0055]
式中：x
ij
指光伏电场内部的电抗；x
l1
为输电线路电抗。
[0056]
所述步骤2中，大规模光伏系统的线性化模型，包括：
[0057]
m台光伏系统的线性化模型：
[0058][0059]
式中：diag[]表示对角矩阵；ak、bk、ck是第k台光伏发电系统的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵；x
p
、v
p
、i
p
分别表示所有光伏的状态变量，与交流系统耦合节点的电压、电流：
[0060][0061]
所述步骤3中，光伏系统的等效模型为：
[0062]
忽略光伏间的差异性，即每台光伏的线性化模型均相同：
[0063]
a0＝ak,b0＝bk[0064]
c0＝ck,(k＝1,2,
…
,m)
[0065]
式中：a0、b0、c0是光伏发电系统相同的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵。
[0066]
电抗矩阵为实对称矩阵，存在正交矩阵使得，
[0067]
p-1
xp＝diag(ρi)
[0068]
对a
p
进行相似变换。
[0069][0070]
式中：h0＝a0+ρib0ec0，en为n阶单位矩阵。
[0071]
h0＝a0+ρib0ec0[0072]
式中：
[0073]
h为线路上单位电阻与单位电抗的比值；ρi为电抗矩阵x的特征值。
[0074]
所述步骤4中，系统稳定性指标为ρ
max
，振荡模式λ对稳定性指标的灵敏度为：
[0075][0076]
式中：w
t
、v为振荡模式λ的左、右特征向量；ρ与交流网络拓扑结构有关。
[0077]
所述步骤5中，光伏的数量增加或输电线路变长，ρ
max
变大，系统的稳定性随之受到影响。
[0078]
实施例2
[0079]
本发明的一个实施例，其不同于前一个实施例的是：
[0080]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0081]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0082]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线
的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0083]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0084]
实施例3
[0085]
参照图1-5，为本发明的第三个实施例，提供了一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。
[0086]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明进行进一步详细说明。本发明公开了一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法：
[0087]
首先将大规模光伏接入配电交流系统分为离网或并网运行，如图2所示。其中并网运行工况时，交流配电网络与外部电力系统连接，外部电力系统提供频率调节和功率支撑；在离网运行工况下，流配电网络与外部电力系统断开连接，此时由离网系统内部的储能提供频率调节和功率支撑。
[0088]
如图1所示，本发明公开了一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法。具体步骤如下：
[0089]
步骤1：获取光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵：
[0090]
大规模光伏接入电力系统示例结构如图2所示，包括m台光伏发电，通过开关s的开断，构成离网或并网系统。交流电网中，包括储能(energy storage,es)和负荷，当光伏交流系统处在离网运行模式下，储能用于平衡功率和频率调节。
[0091]
通过光伏的输出功率和交流网络参数，采用牛拉法进行潮流计算，得到光伏系统的稳态值，包括节点的电压电流。
[0092]
交流网络的电抗矩阵通过交流网络参数计算为：
[0093][0094]
式中：指光伏电场内部的电抗；为输电线路电抗。
[0095]
步骤2：建立大规模光伏系统的线性化模型：
[0096]
忽略储能和负荷的动态，m台光伏系统的线性化模型为：
[0097][0098]
式中：diag[]表示对角矩阵；ak、bk、ck是第k台光伏发电系统的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵：x
p
、v
p
、i
p
分别表示所有光伏的状态变量，与交流系统耦合节点的电压、电流：
[0099]
忽略储能和负荷的动态，m台光伏系统的线性化模型为：
[0100][0101]
式中：diag[]表示对角矩阵；ak、bk、ck是第k台光伏发电系统的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵：x
p
、v
p
、i
p
分别表示所有光伏的状态变量，与交流系统耦合节点的电压、电流：
[0102][0103]
图2中交流输电网络的线性化模型有，
[0104][0105]
式中：
[0106]
h为线路上单位电阻与单位电抗的比值；表示克罗内克乘积；x为线路的电抗矩阵。
[0107]
将式(3)与式(5)代入式(2)中，系统的小干扰稳定性分析模型为：
[0108]ap
＝(diag[ak]+diag[bk]x
p
diag[ck])
ꢀꢀ
(6)
[0109]
步骤3：相似变换得到等效模型：
[0110]
忽略光伏间的差异性，即每台光伏的线性化模型均相同：
[0111]
a0＝ak,b0＝bk[0112]
c0＝ck,(k＝1,2,
…
,m)
ꢀꢀ
(7)
[0113]
电抗矩阵x为实对称矩阵，存在正交矩阵p使得，
[0114]
p-1
xp＝diag(ρi)
ꢀꢀ
(8)
[0115]
对a
p
进行相似变换。
[0116][0117]
式中：h0＝a0+ρib0ec0，en为n阶单位矩阵。式(9)对光伏系统的小干扰稳定性分析模型作相似变换，不改变分析结果的准确性。系统的主导模式在ρi＝ρ
max
取得。此时的系统稳定性分析等效模型为：
[0118]
h0＝a0+ρ
max
b0e2c0ꢀꢀ
(10)
[0119]
式中：ρ
max
即为系统的稳定性指标。通过式(10)可知，系统的等效模型与ρ
max
密切相关。
[0120]
步骤4：计算振荡模式对稳定性指标灵敏度：
[0121]
由式(8)可知，光伏系统的稳定性受的影响较大，定义其振荡模式的灵敏度指标：
[0122][0123]
式中：w
t
、v为振荡模式的左、右特征向量。ρi与交流网络拓扑结构有关。当，re(s)＞0(re为取实部)，re(s)＞0随着ρi的增加，而向虚轴靠近，光伏系统的稳定性变差；反之，系统的稳定性增强。
[0124]
步骤5：判定输电线路长度和光伏数量对系统稳定性的影响：
[0125]
根据引理：a≥b≥0，的特征值按照从大到小排列ρ
a1
≥ρ
a2
≥
…
≥ρ
an
；b的特征值也从大到小排列，ρ
b1
≥ρ
b2
≥
…
≥ρ
bn
，则ρ
ai
≥ρ
bi
。
[0126]
增加光伏数量为m+d，电抗矩阵x增加相应的阶数，根据引理可知，此时
[0127]
ρ
′
max
＞ρ
max
ꢀꢀ
(12)
[0128]
式中：ρ
max
为m台光伏电抗矩阵特征值，ρ
′
max
为m+d台光伏电抗矩阵特征值。由式(10)可知，增加光伏的数量，ρ
′
max
变大，系统的稳定性随之受到影响。
[0129]
当输电线路距离增加时，类似式(12)，此时光伏系统电抗矩阵x
′
＞x，光伏电场通过长线路接入电网中时，系统发生失稳风险增大。在离网工况下，
[0130]
光伏电场离储能的距离越远时，系统发生振荡的风险越大。
[0131]
图3中，光伏电场包括8台串并联光伏，输出功率为p＝0.3p.u.，线路单位电阻与单位电抗的比值h＝0.1，输出线路电抗x
l
＝0.09p.u.。首先根据线路的电抗
[0132]
矩阵，计算ρ
max
＝0.7275，得到稳定性分析模型。振荡模式的灵敏度计算为s＝0.86+j6.18，此时当光伏台数增加时，系统振荡模式往复平面右方向移动，变化轨迹如图4所示。并且当光伏的数量m＝16时，系统处于临界稳定，而当m＝17，振荡模式达到不稳定区域，系统失稳。
[0133]
对图3所示系统进行非线性时域仿真验证，设置故障使其中1台光伏的输入功率在0.5s时减少10％，100ms后恢复正常，当光伏数量m＝12和m＝17时，光伏输出功率的时域仿真结果如图5所示。增加光伏的数量，系统逐渐失稳，验证理论分析的准确性。
[0134]
考虑离网和并网运行工况下，专利中采用h0降阶模型，准确地对光伏系统进行稳定性分析。光伏数量和输电线路长度通过改变电抗矩阵的的大小，从而影响系统的稳定性，当光伏数量增加或线路长度增大时，直流电压外环振荡模式向虚轴右半平面移动，会加剧
系统的失稳风险。

技术特征：
1.一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：包括：获取光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵；根据所述光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵建立大规模光伏系统的线性化模型；根据大规模光伏系统的线性化模型，相似变换得到等效模型；根据等效模型的稳定性指标，计算振荡模式对稳定性指标灵敏度的正负；根据输电线路长度和光伏数量，判定输电线路长度和光伏数量对系统稳定性的影响。2.如权利要求1所述的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：所述光伏系统运行参数包括光伏与交流网络耦合节点的电压电流和光伏发电系统的控制参数；所述节点的电压电流采用牛拉法进行潮流计算，得到电压电流的稳态值。3.如权利要求1所述的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：所述电抗矩阵表示为：式中x
ij
指光伏电场内部的电抗；x
l1
为输电线路电抗。4.如权利要求1所述的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：所述大规模光伏系统的线性化模型表示为：式中diag[]表示对角矩阵；a
k
、b
k
、c
k
是第k台光伏发电系统的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵；x
p
、v
p
、i
p
分别表示所有光伏的状态变量，与交流系统耦合节点的电压、电流。5.如权利要求4所述的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：光伏系统的等效模型表示为：h0＝a0+ρ
i
b0ec0，式中h为线路上单位电阻与单位电抗的比值；是光伏发电系统相同的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵，为电抗矩阵的特征值。6.如权利要求5所述的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：系统稳定性指标为ρ
max
，振荡模式对稳定性指标的灵敏度表示为：式中w
t
、v为振荡模式λ的左、右特征向量；ρ与交流网络拓扑结构有关。7.如权利要求6所述的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：光伏的数量增加或输电线路变长，ρ
max
变大，系统的稳定性随之受到影响。
8.如权利要求6所述的一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，其特征在于：增加光伏数量为m+d，电抗矩阵x增加相应的阶数，根据引理可知，ρ
′
max
＞ρ
max
此时式中：ρ
max
为m台光伏电抗矩阵特征值，ρ
′
max
为m+d台光伏电抗矩阵特征值。9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开一种分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，本发明涉及新能源光伏电站小干扰稳定性领域，包括：获取光伏系统的运行参数和交流网络电抗矩阵，建立大规模光伏系统的线性化模型，利用相似变换得到等效模型；根据稳定性指标对等效模型振荡模式的灵敏度正负关系，得到输电线路长度和光伏数量对系统稳定性的影响，从而快速判定大规模光伏系统的失稳风险。本发明提供的分析大规模光伏对离网或并网系统稳定性影响的方法，采用了H0降价模型，准确地对光伏系统进行稳定性分析，光伏数量和输电线路长度通过改变电抗矩阵ρ


技术研发人员：王扬 熊楠 李巍 何肖蒙 白浩 付宇 肖小兵 陈宇 何心怡 朱清海 贯昌宝 蔡永翔 瞿杨全 方阳 叶远红 花磊
受保护的技术使用者：贵州电网有限责任公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/24