一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法及系统

1.本发明涉及新能源电力系统稳定分析领域，特别是涉及一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法及系统。


背景技术：

2.近年来，高能耗高污染火电机组逐渐被风电、光伏及光热等新能源取代，随之带来的问题是大规模新能源场站的并入可能会对电力系统的稳定性产生负面影响，尤其是在风电和光伏及光热等新能源出现波动或出现故障时，可能会导致电力系统的剧烈波动，因此对含光热发电、风电、光伏的新能源电力系统低频振荡的问题进行分析尤为重要。
3.然而，现有技术中对新能源电力系统低频振荡的研究主要针对单一新能源并网的情况，缺少对多种新能源并网情况的研究，并且现有技术中对含光热发电的电力系统稳定性研究较少，尚不明确光热发电并网对高比例新能源电力系统低频振荡的影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法及系统，能够分析多种新能源并网对新能源电力系统低频振荡的影响。
5.本发明提供了一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法，包括：
6.步骤1：建立各发电能源的小信号模型；所述发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；所述光热能源的小信号模型基于火力发电原理建立；
7.步骤2：确定新能源电力系统模型的状态矩阵；所述新能源电力系统模型基于各所述发电能源模拟并网得到的新能源电力系统以及各发电能源的小信号模型确定；
8.步骤3：根据所述状态矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各所述振荡模态下，各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；
9.步骤4：根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各所述振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；
10.步骤5：根据所述区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。
11.可选的，所述步骤3-4具体包括：
12.对所述状态矩阵进行矩阵分解以及按区域展开，确定各所述发电能源区域的发电电机转速变量、第一前向通道矩阵以及第二前向通道矩阵；所述第一前向通道矩阵为所述发电能源区域向本发电能源区域发电电机机电振荡环节的前向通道矩阵；所述第二前向通道矩阵为所述发电能源区域向除本发电能源区域外的任一发电能源区域发电电机机电振荡环节的前向通道矩阵；
13.根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第一前向通道矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向本发电能源区域提供的第一阻尼转矩矩阵；
14.根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第二前向通道矩阵以及所述新
能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向除本发电能源区域外的任一发电能源区域提供的第二阻尼转矩矩阵；
15.根据灵敏度矩阵、所述第一阻尼转矩矩阵和所述第二阻尼转矩矩阵，计算各模态下所述发电能源区域对新能源电力系统低频振荡提供的区域阻尼；所述灵敏度矩阵表示所述发电能源区域对模态的影响能力。
16.可选的，还包括：
17.根据计算所述灵敏度矩阵，其中，s
i,m
为第m个振荡模态对第i个发电能源区域的灵敏度矩阵，λm为第m个振荡模态的特征值，t
im
为第i发电能源区域的阻尼转矩。
18.可选的，在步骤4之后，还包括：
19.多次调整各发电能源的接入功率，并重复步骤1-4，得到各所述发电能源区域在各振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；
20.根据多次调整所得到的各所述发电能源区域对应的所述区域阻尼，确定各所述发电能源的最优接入功率。
21.可选的，在步骤4之后，还包括：
22.多次调整各发电能源的接入位置，并重复步骤1-4，得到各所述发电能源区域在各振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；
23.根据多次调整所得到的各发电能源区域对应的所述区域阻尼，确定各所述发电能源的最优接入位置。
24.可选的，所述光热发电的小信号模型，具体如下所示：
[0025][0026]
其中，δx
sg
＝[δδ，δω，δe'q，δe'
fd
]为光热发电的小信号模型的状态向量，δ为功角，ω为转子转速，e'q为交轴暂态电动势，e'
fd
为受自动电压调节器的动态值；δv
sg
＝[δv
x
,δvy]
t
为光热发电的小信号模型的输入向量，v
sg
为同步发电机的机端电压，v
x
、vy分别为机端电压在xy坐标下的分量，δi
sg
＝[δi
x
,δiy]
t
为光热发电的小信号模型的输出向量，i
sg
为同步发电机的输出电流；i
x
和iy分别为输出电流在x坐标、y坐标下的分量，a
sg
为光热发电的小信号模型的状态矩阵，b
sg
为光热发电的小信号模型的输入矩阵，c
sg
为光热发电的小信号模型的输出矩阵，d
sg
为光热发电的小信号模型的前馈矩阵。
[0027]
可选的，所述光伏能源的小信号模型，具体如下所示：
[0028][0029]
其中，δx
p
＝[δe
f δδ
vsg δω
vsg δv
dc δx]
t
为光伏能源的小信号模型的状态向量，ef为虚拟同步机输出电压，δ
vsg
为输出电压相角，ω
vsg
为虚拟同步机vsg的内部电势的角速度，v
dc
为直流侧电压，δx为中间变量，δx的上限为0，δu
p
＝[δv
gx δv
gy
]
t
为光伏能源的
小信号模型的输入向量，u
p
为虚拟同步机的并网点电压，v
gx
、v
gy
为虚拟同步机并网点电压在x坐标、y坐标下的分量，δi
p
＝[δi
x δiy]
t
为光伏能源的小信号模型的输出向量，i
p
为虚拟同步机的注入电流，i
x
和iy分别为虚拟同步机注入电流在xy坐标下的分量，a
p
为光伏能源的小信号模型的状态矩阵，b
p
为光伏能源的小信号模型的输入矩阵，c
p
为光伏能源的小信号模型的输出矩阵，d
p
为光伏能源的小信号模型的前馈矩阵，
[0030][0031][0032][0033][0034][0035][0036]cdc
为直流侧稳压电容的电容值，v
dc(0)
为直流侧稳压电容器电压初值，u
oc
为光伏电池的开路电压，δ
vsg(0)
、i
sc(0)
、v
gx(0)
、v
gy(0)
、v
g(0)
、δ
vsg(0)
、e
f(0)
、i
x(0)
、i
y(0)
分别为δ
vsg
、i
sc
、v
gx
、v
gy
、vg、δ
vsg
、ef、i
x
、iy变量潮流计算后得到的初值，xf为虚拟同步机电压输出电压ef点到虚拟同步机并网点vg之间的电抗，ωn为电网基准频率，j为vsg控制环节的惯性常数，d为vsg控制环节的阻尼系数，k为vsg控制环节的电压系数，dq为vsg控制环节的无功系数，k
pv
为vsg控制中p'
ref
控制环节pi控制器的比例系数，k
iv
为vsg控制中p'
ref
控制环节pi控制器的积分系数，c1、c2为光伏电池u-i方程中间变量。
[0037]
可选的，所述风电能源的小信号模型，具体如下所示：
[0038][0039]
其中，δxw为风电能源的小信号模型的状态向量，δuw＝[δv
gx-w
,δv
gy-w
]为风电能源的小信号模型的输入向量，uw为pmsg-vsg的并网点电压，v
gx-w
、v
gy-w
为虚拟同步机并网点电压在x坐标、y坐标下的分量，δiw＝[δi
gx-w
,δi
gy-w
]
t
为风电能源的小信号模型的输出向量，iw为pmsg-vsg的注入电流，i
gx-w
、i
gy-w
为虚拟同步机注入电流在xy坐标下的分量，aw为风电能源的小信号模型的状态矩阵，bw为风电能源的小信号模型的输入矩阵，cw为风电能源的小信号模型的输出矩阵，dw为风电能源的小信号模型的前馈矩阵。
[0040]
可选的，所述根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各所述振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼，具体如下：
[0041]
根据公式计算各发电能源区域对新能源电力系统低频振荡提供的区域阻尼；
[0042]
其中，d
im
为第i个发电能源区域向新能源电力系统提供的区域阻尼，s
i,m
为第m个模态对第i个发电能源区域的灵敏度矩阵，为第i个发电能源区域向自身区域提供的转矩矩阵，s
i-,m
为第m个振荡模态对非i区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；为非i区域向第i区域提供的转矩矩阵，s
j,m
为第m个模态对第j个发电能源区域的灵敏度矩阵，为第j个发电能源区域向自身区域提供的转矩矩阵。
[0043]
本发明还提供了一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定系统，包括：
[0044]
小信号模型建立模块，用于建立各发电能源的小信号模型；所述发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；所述光热能源的小信号模型基于火力发电原理建立；
[0045]
状态矩阵模块，用于确定新能源电力系统模型的状态矩阵；所述新能源电力系统模型基于各所述发电能源模拟并网得到的新能源电力系统以及各发电能源的小信号模型确定；
[0046]
灵敏度矩阵模块，用于根据所述状态矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各所述振荡模态下，各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；
[0047]
阻尼计算模块，用于根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各所述振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；
[0048]
位置功率确定模块，根据所述区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。
[0049]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0050]
本发明提供了一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法及系统，方法包括：首先建立各发电能源的小信号模型；发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；光热能源的小信号模型基于火力发电原理建立；然后，确定新能源电力系统模型的状态矩阵；新能源电力系统模型基于各发电能源模拟并网得到新能源电力系统以及各发电能源的小信号模型确定；再根据状态矩阵以及新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模
态下，各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；再根据状态矩阵以及灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各振荡模态下对新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；最后根据区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。本发明基于光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源的小信号模型建立的新能源电力系统模型的状态矩阵和各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵，可以确定各发电能源区域在各振荡模态下对新能源电力系统低频振荡的区域阻尼，利用各个区域阻尼，能够对各新能源不同接入位置、不同接入功率对电力系统低频振荡的影响进行分析。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
[0052]
图1为本发明实施例提供的电力系统低频振荡分析方法示意图；
[0053]
图2为本发明实施例提供的光热电场拓扑图；
[0054]
图3为本发明实施例提供的vsg控制结构图；
[0055]
图4为本发明实施例提供的考虑光伏输出特性的功率控制图；
[0056]
图5为本发明实施例提供的pmsg-vsg系统结构图；
[0057]
图6为本发明实施例提供的机侧变流器控制框图；
[0058]
图7为本发明实施例提供的新能源电力系统示意图；
[0059]
图8为本发明实施例提供的区域阻尼示意图。
具体实施方式
[0060]
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做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。
[0061]
本发明的目的是提供一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法及系统，能够分析多种新能源并网对新能源电力系统低频振荡的影响。
[0062]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0063]
如图1所示，本发明提供一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法，包括：
[0064]
步骤1：建立各发电能源的小信号模型；所述发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；所述光热能源的小信号模型基于火力发电原理建立。
[0065]
步骤2：确定新能源电力系统模型的状态矩阵；所述新能源电力系统模型基于各所述发电能源模拟并网得到的新能源电力系统以及各发电能源的小信号模型确定。
[0066]
步骤3：根据所述状态矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各所述振荡模态下，各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵。
[0067]
步骤4：根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各振荡模
态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼。
[0068]
步骤5：根据所述区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。
[0069]
在一些实施例中，在建立光热能源的小信号模型时，光热电站主要包括：太阳岛的聚光、集热系统；常规岛的蒸汽发生系统、汽轮发电机组以及储热系统。在结构和工作原理上看，光热发电系统常规岛与火电机组相同，属于热力发电过程，其差别在于火电机组通过燃料的燃烧加热水工质产生过热蒸汽，而光热发电通过聚光集热系统采集太阳热能，加热传热工质，再通过蒸汽发生系统产生过热蒸汽。当仅研究光热电站接入电网引起的电力系统低频振荡问题时，光热发电机组的模型与常规火电没有本质的区别，无需建立专门的模型。本方法研究多种新能源接入的电力系统低频振荡问题，因此光热发电机组采用与常规火电相同的小信号模型。所以建立光热能源的小信号模型/火电小信号模型，具体可以如下：
[0070]
1)确定同步发电机常用的简化模型，模型如下：
[0071][0072]
式(1)中，δ为功角，ω为转子转速，ω0为同步转速，m为转子的惯性常数，d为阻尼系数，pm为作用在转子上的机械功率和电磁功率，e'q为交轴暂态电动势，eq为空载电动势，e
fd
为强制空载电动势。
[0073]
2)确定自动电压调节器的数学模型，模型如下：
[0074][0075]
式(2)中，ka为自动电压调节器增益，ta为自动电压调节器增益时间常数，v
t
和v
ref
为同步发电机的机端电压信号和极端电压的参考值，u
pss
为电力系统稳定器pss的控制信号，e
fd0
和e'
fd
为励磁电压的恒定值和受自动电压调节器的动态值。pe、eq和v
t
可由式(3)计算，具体如下：
[0076]
[0077]
式(3)中，xd为同步发电机直轴同步电抗，xq为交轴同步电抗，x'd为直轴暂态电抗，v
x
、vy、i
x
和iy分别机端电压和输出电流在xy坐标下的分量。
[0078]
具体的，vd、vq、id和iq分别为机端电压和输出电流在dq坐标系下的分量，可由式(4)计算。
[0079][0080]
3)将式(1)-式(4)进行线性化，得到光热发电小信号模型/火电小信号模型，模型如下：
[0081][0082]
式(5)中，δx
sg
＝[δδ，δω,δe'q,δe'
fd
]为光热发电小信号模型的状态向量，δ为功角，ω为转子转速，e'q为交轴暂态电动势，e'
fd
为受自动电压调节器的动态值；δv
sg
＝[δv
x
,δvy]
t
为光热发电小信号模型的输入向量，v
sg
为同步发电机的机端电压，v
x
、vy分别为机端电压在xy坐标下的分量，δi
sg
＝[δi
x
,δiy]
t
为光热发电小信号模型的输出向量，i
sg
为同步发电机的输出电流；i
x
和iy分别为输出电流在xy坐标下的分量，a
sg
为光热发电小信号模型的状态矩阵，b
sg
为光热发电小信号模型的输入矩阵，c
sg
为光热发电小信号模型的输出矩阵，d
sg
为光热发电小信号模型的前馈矩阵。
[0083]
然而，与常规火电机组相比，光热发电机容量较小，并且大型光热发电场通常包含多个光热发电机组，数量众多的光热发电机组通过汇集网络互联接入电力系统，因此，光热发电场结构如图1所示。
[0084]
在一些实施例中，光伏能源的小信号模型的建立具体可以如下：
[0085]
在建立光伏能源的小信号模型时，需要先建立光伏电池模型、电容器模型和网侧换流器及其控制模型。
[0086]
1)建立光伏电池模型具体可以如下：
[0087]
由于光伏发电采用虚拟同步机(virtual synchronous gengrators，vsg)控制，vsg技术的应用使得光伏发电既保留了电力电子接口电源的特性，又具备类似发电机转子的特性，因此在系统稳定研究中，常采用实用工程光伏电池模型，其在非标准条件下光伏电池的u-i方程为：
[0088]
[0089]
式(6)中，i
sc
为短路电流，u
oc
为开路电压，im和um为最大功率运行点处的电流和电压。
[0090]
2)建立电容器模型具体可以如下：
[0091]
由于电容器的作用是稳定光伏逆变器直流侧电压，因此电容器模型如下所示：
[0092][0093]
式中，c
dc
为直流稳压电容的电容值，v
dc
为直流侧电压，i
pv
为光伏电池流向中间电容器电流，pe为从直流稳压电容到换流器的有功功率。
[0094]
3)建立网侧换流器及其控制模型具体可以如下：
[0095]
如图2所示的光伏虚拟同步机一次拓扑电路，网侧换流器采用vsg控制，通过vsg输出电压控制信号经过脉冲宽度调制后控制换流器切换。考虑到机电特性为主要研究对象，在分析时忽略换流器切换等高频环节，vsg控制环节的动态方程可以如下：
[0096][0097]
式(8)中，ω
vsg
为vsg的内部电势的角速度，δ
vsg
为输出电压相角，ωn为电网基准频率，p
ref
和q
ref
分别为虚拟同步机控制信号和无功功率控制信号，j为虚拟同步机控制环节的惯性常数，d为阻尼系数，k为电压系数，ef为虚拟同步机输出电压，vg为虚拟同步机并网点电压。
[0098]
其中，pe和qe分别为换流器输出有功功率和无功功率，可通过如下公式计算：
[0099][0100]
然而，传统vsg控制主要针对直流侧为储能电池设计，即直流侧为容量无穷大的恒压源，但是光伏电池的动态特性更为复杂。光伏电池的输出范围为[0,p
max
]，并且有稳定工作区域与不稳定工作区域。如图4所示，考虑光伏电池动态特性的vsg控制应保证其稳定的区域中运行，因此对vsg控制的输出功率进行限制。vsg控制环节p'
ref
和q'
ref
的控制方程如下所示：
[0101]
[0102]
式(10)中，v
dc-mpp
为光伏电池的最大功率运行点处对应的直流电压，p
max
为最大输出功率。δx的上限设置为0，动态方程为k
iv
为pi控制器的积分系数。
[0103]
4)将pv-vsg动态模型线性化，得到光伏能源的小信号模型，模型如下所示：
[0104][0105]
式(11)中，δx
p
＝[δe
f δδ
vsg δω
vsg δv
dc δx]
t
为光伏能源的小信号模型的状态向量，ef为虚拟同步机输出电压，δ
vsg
为输出电压相角，ω
vsg
为vsg的内部电势的角速度，v
dc
为直流侧电压，δx的上限为0，δu
p
＝[δv
gx δv
gy
]
t
为光伏能源的小信号模型的输入向量，u
p
为虚拟同步机的并网点电压，v
gx
、v
gy
为虚拟同步机并网点电压在xy坐标下的分量，δi
p
＝[δi
x δiy]
t
为光伏能源的小信号模型的输出向量，i
p
为虚拟同步机的注入电流，i
x
和iy分别为虚拟同步机注入电流在xy坐标下的分量，a
p
为光伏能源的小信号模型的状态矩阵，b
p
为光伏能源的小信号模型的输入矩阵，c
p
为光伏能源的小信号模型的输出矩阵，d
p
为光伏能源的小信号模型的前馈矩阵。
[0106][0107][0108][0109][0110]
[0111][0112][0113][0114]
其中，c
dc
为直流侧稳压电容的电容值，v
dc(0)
为直流侧稳压电容器电压初值，u
oc
为光伏电池的开路电压，v
gx(0)
、v
gy(0)
、v
g(0)
、δ
vsg(0)
、e
f(0)
、i
x(0)
、i
y(0)
为v
gx
、v
gy
、vg、δ
vsg
、ef、i
x
、iy变量潮流计算后得到的初值。xf表示虚拟同步机电压输出电压(ef)点到虚拟同步机并网点(vg)之间的电抗。ωn为电网基准频率，j为vsg控制环节的惯性常数，d为vsg控制环节的阻尼系数，k为vsg控制环节的电压系数，dq为vsg控制环节的无功系数，k
pv
为vsg控制中p'
ref
控制环节pi控制器的比例系数，k
iv
为vsg控制中p'
ref
控制环节pi控制器的积分系数，c1、c2为光伏电池u-i方程参数。
[0115]
在一些实施例中，建立风电能源的小信号模型，具体可以如下：
[0116]
直驱式风电机组主要包括永磁发电机、机侧换流器、网侧换流器。如图4所示，机侧换流器采用矢量控制，网侧换流器采用虚拟同步机控制。
[0117]
在建立风电能源的小信号模型时，需要建立永磁发电机模型、电容器模型、机侧换流器控制模型和网侧换流器控制模型。
[0118]
(1)建立永磁发电机模型具体可以如下：
[0119][0120]
式(12)中，l
sd
和i
sq
分别为定子绕组电流的dq轴分量，u
sd
和u
sq
分别为转子绕组电压的dq分量，ω为发电机的角速度，lq和ld分别表示定子电感的dq轴分量，ψf为转子的永磁通量。
[0121]
具体的，永磁发电机转子为单质量块模型，其转子运动方程如下：
[0122][0123]
式(13)中，d
ω
为阻尼系数，jw为电机惯性时间常数，t
ω
和te分别为发电机转子的机械转矩和电磁转矩，np为极对数，ω0为转子速度参考值。
[0124]
(2)电容器的作用是稳定风电机组直流侧电压，建立电容器模型具体可以如下：
[0125][0126]
式(14)中，c
dc
为直流稳压电容的电容值，v
dc
为直流侧电压，ps为从机侧换流器到电容器的有功功率，pg为从电容器到网侧换流器的有功功率。
[0127]
(3)建立机侧换流器控制模型具体可以如下：
[0128]
机侧换流器采用矢量控制，将机侧换流器的控制目标设定为保持直流电压稳定以有效利用转子动能提供虚拟惯性与阻尼所需能量。机侧变流器控制模型框图如图6所示。在机侧换流器控制模型中分别引入了直流外环状态量x1，i
sq
的内环状态量x2和i
sd
的内环中间变量状态量x3，其动态方程为：
[0129][0130]
式(15)中，k
i1
、k
i2
和k
i3
为pi控制器积分系数，i
sqref
和i
sdref
分别为定子绕组电流dq轴分量参考值。
[0131]
(4)建立网侧换流器控制模型具体可以如下：
[0132]
将网侧换流器的控制目标设定为将风机产生的最大功率注入到电网。在直驱式风电机组中，网侧换流器采用虚拟同步机控制。在分析时忽略换流器切换等高频环节。风电机组的vsg控制方法的动态方程同光伏发电。
[0133]
将pmsg-vsg动态模型线性化，得到风电能源的小信号模型，模型如下所示：
[0134][0135]
式(16)中，δxw为风电能源的小信号模型的状态向量，δuw＝[δv
gx-w
,δv
gy-w
]为风电能源的小信号模型的输入向量，uw为pmsg-vsg的并网点电压，v
gx-w
、v
gy-w
为虚拟同步机并网点电压在xy坐标下的分量，δiw＝[δi
gx-w
,δi
gy-w
]
t
为风电能源的小信号模型的输出向量，iw为pmsg-vsg的注入电流，i
gx-w
、i
gy-w
为虚拟同步机注入电流在xy坐标下的分量。aw为风电能源的小信号模型的状态矩阵，bw为风电能源的小信号模型的输入矩阵，cw为风电能源的小信号模型的输出矩阵，dw为风电能源的小信号模型的前馈矩阵。
[0136]
在本实施例中，对所述光热发电小信号模型、所述火电小信号模型、所述光伏能源的小信号模型和所述风电能源的小信号模型进行矩阵化表示，得到新能源电力系统状态矩阵；所述新能源电力系统状态矩阵包括发电电机的功角向量、转速变量向量和剩余状态变量向量，具体如下：
[0137]
如图6所示，新能源电力系统中包括了火电、风电、光伏发电以及光热发电。首先，联立光热、光伏、风电、传统火电的小信号模型式(5)、式(11)、式(16)以及系统内负荷的动态方程，建立新能源电力系统小信号模型，得到新能源电力系统状态矩阵，状态矩阵如下所示：
[0138][0139]
式(17)中，δ为同步发电机或虚拟同步机功角向量，ω为发电机或虚拟同步机转速向量，z为剩余状态变量向量。
[0140]
具体的，剩余状态变量向量(residual state variable vector)通常是指在实际电力系统运行中未能测量或估计的状态变量集合。这些未测量或估计的状态变量一般是通过电力系统的建模和状态估计算法来进行估计的。
[0141]
电力系统通常包括了许多部分和组件，比如发电机、变压器、传输线路、负载等。每个部分都有自己的物理和电气参数，这些参数综合影响了全系统的特性和性能。其中一些参数可以通过测量和监测来获得，但是还有很多参数无法直接测量或者根本无法确定，如某些部件的状态、某些线路的阻抗等。为了对电力系统进行仿真、建模、控制和故障诊断，需要对这些未知参数进行估计。在状态估计算法中，会将这些未知参数整合在一起，构成剩余状态变量向量，使用估计方式对其进行求解。根据系统模型和状态估计算法，可以通过对电力系统的已知输入和输出量进行观测和处理，估计出未知变量的状态量，并以向量的形式呈现出来。
[0142]
在一些实施例中，步骤3-4具体可以如下：
[0143]
对所述状态矩阵进行矩阵分解以及按区域展开，确定各所述发电能源区域的发电电机转速变量、第一前向通道矩阵以及第二前向通道矩阵；所述第一前向通道矩阵为所述发电能源区域向本发电能源区域发电电机机电振荡环节的前向通道矩阵；所述第二前向通道矩阵为所述发电能源区域向除本发电能源区域外的任一发电能源区域发电电机机电振荡环节的前向通道矩阵；
[0144]
根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第一前向通道矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向本发电能源区域提供的第一阻尼转矩矩阵；
[0145]
根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第二前向通道矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向除本发电能源区域外的任一发电能源区域提供的第二阻尼转矩矩阵；
[0146]
根据灵敏度矩阵、所述第一阻尼转矩矩阵和所述第二阻尼转矩矩阵，计算各模态下所述发电能源区域对新能源电力系统低频振荡提供的区域阻尼；所述灵敏度矩阵表示所述发电能源区域对模态的影响能力。
[0147]
其中，对所述状态矩阵进行矩阵分解以及按区域展开，确定各所述发电能源区域的发电电机转速变量、第一前向通道矩阵以及第二前向通道矩阵，具体可以如下：
[0148]
将电力系统按照光热发电、风电、光伏和传统火电划分为四个发电能源区域，然后将各向量按照区域排序，即δω＝[δω
1 δω
2 δω
3 δω4]
t
，其中，ωi为第i个发电能源区域发电机或虚拟同步机转速向量。
[0149]
将式(17)按状态分解，分解后的新能源电力系统状态矩阵如下所示：
[0150][0151]
根据分解后的状态矩阵可得[δz]＝(si-a
33
)-1a31
[δδ]+(si-a
33
)-1a32
[δω]，将[δz]代入式(18)中，可得即式中s为微分算子，在计算中以具体模态的特征值代入，向量ω按区域展开为：式(25)中，ωi是i区域发电机或虚拟同步机转速变量向量，ω
i-是非i区域的发电机或虚拟同步机转速变量向量。矩阵中g
i,i
为i区域向i区域发电机或虚拟同步机机电振荡环节的第一前向通道矩阵，g
i-,i
为非i区域向i区域发电机或虚拟同步机机电振荡环节的第二前向通道矩阵。
[0152]
其中，根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第一前向通道矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向本发电能源区域提供的第一阻尼转矩矩阵，具体如下：
[0153]
根据公式确定目标模态下所述发电能源区域向自身提供的第一阻尼转矩矩阵，式中λm为第m个模态的特征值，为i区域向自身区域提供的转矩矩阵，g
i,i
为i区域(即第i个发电能源区域)向i区域发电机或虚拟同步机机电振荡环节的第一前向通道矩阵。
[0154]
其中，根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第二前向通道矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向除本发电能源区域外的任一发电能源区域提供的第二阻尼转矩矩阵，具体可以如下：
[0155]
根据公式确定目标模态下非i区域向i区域提供的第二阻尼转矩矩阵，式中λm为第m个模态的特征值，为非i区域向i区域提供的转矩矩阵，g
i-,i
为非i区域向i区域发电机或虚拟同步机机电振荡环节的第二前向通道矩阵。
[0156]
其中，根据灵敏度矩阵、所述第一阻尼转矩矩阵和所述第二阻尼转矩矩阵，计算各模态下所述发电能源区域对新能源电力系统低频振荡提供的区域阻尼；所述灵敏度矩阵表示所述发电能源区域对模态的影响能力，具体可以如下：
[0157]
具体的，定义第m个振荡模态对第i区域阻尼转矩的灵敏度矩阵s
i,m
来评估发电能源区域对振荡模态的影响能力：
[0158][0159]
式中，s
i,m
为第m个模态对i区域的灵敏度矩阵，λm为第m个振荡模态的特征值，t
im
为第i个发电能源区域的阻尼转矩。
[0160]
根据公式(20)计算各振荡模态下所述发电能源区域对新能源电力系统低频振荡提供的区域阻尼，公式(20)为：
[0161][0162]
其中，d
im
为第i区域向电力系统提供的区域阻尼，s
i,m
为第m个模态对i区域的灵敏度矩阵，为第i区域向自身区域提供的转矩矩阵，s
i-,m
为第m个模态对非i区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；为非i区域向第i区域提供的转矩矩阵。
[0163]
具体的，模态分析通常用于分析系统中的振荡行为和振荡衰减能力。在振荡分析中，阻尼转矩是一个重要参数，用于描述系统在振荡过程中消耗能量的能力。阻尼转矩可以通过各个区域对于不同振荡模态的灵敏度指标来计算得到。因此模态对区域的阻尼转矩的灵敏度是，对于一个特定的振荡模态，在电力系统中，各个区域对于阻尼转矩的贡献程度，以及每个区域对于特定振荡模态的阻尼转矩的贡献大小。
[0164]
在电力系统中，一个区域的阻尼转矩的大小可以受到多种因素的影响，例如电源阻尼、电机惯量、负载阻尼等等。因此，对于不同的振荡模态，不同区域的阻尼转矩的灵敏度指标可能会有很大的差异。通过对电力系统中模态对区域的阻尼转矩的灵敏度指标进行分析，可以帮助工程师更好地理解系统振荡行为，指导调节系统的阻尼转矩以提高电力系统的稳定性和可靠性。
[0165]
在一些实施例中，在步骤4之后，还包括调整各发电能源的接入功率或接入位置，具体可以如下：
[0166]
多次调整各发电能源的接入功率，并重复步骤1-4，得到各发电能源区域在各振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼。
[0167]
根据多次调整所得到的各发电能源区域对应的所述区域阻尼，确定各所述发电能源的最优接入功率。
[0168]
多次调整各发电能源的接入位置，并重复步骤1-4，得到各发电能源区域在各模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼。
[0169]
根据多次调整所得到的各发电能源区域对应的所述区域阻尼，确定各所述发电能源的最优接入位置。
[0170]
由于根据步骤1-4能够计算出各发电能源区域在各模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼，在计算出发电能源向电力系统低频振荡不同模态提供的阻尼后，通过进行更加细致的考虑，以确定各发电能源在不同接入位置、接入功率和出力配比等条件下向电力系统低频振荡不同模态提供的阻尼值。这样可以获得更加精准的数据，并进一步分析不同新能源接入方式对电力系统低频振荡的影响。这种影响分析通常基于阻尼值的大小，因为阻尼值越大，低频振荡发生的概率越小。
[0171]
因此，需要比较各新能源的阻尼值，以确定最佳的接入位置、接入功率和出力配比，实现对电力系统低频振荡的优化控制和管理。例如，首先根据确定的电力系统的参数，建立系统小信号模型，不同接入系统(光热发电、光伏和风电系统)所用到的公式，分别是式(5)、式(11)和式(16)。接着通过式(5)、式(11)和式(16)的模型得到状态矩阵，也就是式(17)所示的矩阵。针对该模型，需要根据式(18)-式(20)的公式计算，包括计算每个区域向每个振荡模态提供的阻尼值。其中，式(20)用于计算每个区域向每个振荡模态提供的阻尼。在计算完毕每个区域向每个振荡模态提供的阻尼后，通过改变光热、风电、光伏等接入功率或接入位置的方法，重新计算阻尼值大小。最后，根据计算得到的阻尼值大小，分析光热、风电等改变接入功率或接入位置对系统低频振荡的影响。例如，当保持其他条件不变，光热发电接入功率逐渐增大时，计算得到光热发电提供的区域阻尼先增大后减小，即存在一个区域阻尼的极大值，那么该区域阻尼极大值对应的接入功率就是在当前场景下光热发电的最优接入功率；当保持其他条件不变时，将风电接入位置从功率输送端改变为功率接收端，计算得到风电提供的区域阻尼变大，那么相比于功率输送端，功率接收端是在当前场景下风电的更优接入位置。
[0172]
本发明还提供了一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定系统，包括：
[0173]
小信号模型建立模块，用于建立各发电能源的小信号模型；所述发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；所述光热能源的小信号模型基于火力发电原理建立。
[0174]
状态矩阵模块，用于确定新能源电力系统模型的状态矩阵；所述新能源电力系统模型基于各所述发电能源模拟并网得到的新能源电力系统以及各发电能源的小信号模型确定。
[0175]
灵敏度矩阵模块，用于根据所述状态矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各所述振荡模态下，各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵。
[0176]
阻尼计算模块，用于根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各所述振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼。
[0177]
位置功率确定模块，根据所述区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。
[0178]
综上所述，本发明具有以下优点：
[0179]
本发明提供的一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法及系统，建立了光热发电、风电、光伏接入的新能源电力系统小信号模型，定义了各区域对各振荡模态的灵敏度指标，可以清晰、有效地量化分析光热发电、风电等多种新能源并网对电力系统低频振荡的影响。
[0180]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0181]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法，其特征在于，包括：步骤1：建立各发电能源的小信号模型；所述发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；所述光热能源的小信号模型基于火力发电原理建立；步骤2：确定新能源电力系统模型的状态矩阵；所述新能源电力系统模型基于各所述发电能源模拟并网得到的新能源电力系统以及各发电能源的小信号模型确定；步骤3：根据所述状态矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各所述振荡模态下，各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；步骤4：根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各所述振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；步骤5：根据所述区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤3-4具体包括：对所述状态矩阵进行矩阵分解以及按区域展开，确定各所述发电能源区域的发电电机转速变量、第一前向通道矩阵以及第二前向通道矩阵；所述第一前向通道矩阵为所述发电能源区域向本发电能源区域发电电机机电振荡环节的前向通道矩阵；所述第二前向通道矩阵为所述发电能源区域向除本发电能源区域外的任一发电能源区域发电电机机电振荡环节的前向通道矩阵；根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第一前向通道矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向本发电能源区域提供的第一阻尼转矩矩阵；根据所述发电能源区域的发电电机转速变量、所述第二前向通道矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各振荡模态下所述发电能源区域向除本发电能源区域外的任一发电能源区域提供的第二阻尼转矩矩阵；根据灵敏度矩阵、所述第一阻尼转矩矩阵和所述第二阻尼转矩矩阵，计算各模态下所述发电能源区域对新能源电力系统低频振荡提供的区域阻尼；所述灵敏度矩阵表示所述发电能源区域对模态的影响能力。3.根据权利要求2所述的确定方法，其特征在于，还包括：根据计算所述灵敏度矩阵，其中，s
i,m
为第m个振荡模态对第i个发电能源区域的灵敏度矩阵，λ
m
为第m个振荡模态的特征值，t
im
为第i发电能源区域的阻尼转矩。4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，在步骤4之后，还包括：多次调整各发电能源的接入功率，并重复步骤1-4，得到各所述发电能源区域在各振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；根据多次调整所得到的各所述发电能源区域对应的所述区域阻尼，确定各所述发电能源的最优接入功率。5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，在步骤4之后，还包括：多次调整各发电能源的接入位置，并重复步骤1-4，得到各所述发电能源区域在各振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；根据多次调整所得到的各发电能源区域对应的所述区域阻尼，确定各所述发电能源的最优接入位置。
6.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述光热发电的小信号模型，具体如下所示：δi
sg
＝c
sg
δx
sg
+d
sg
δv
sg
其中，δx
sg
＝[δδ，δω，δe
′
q
，δe
′
fd
]为光热发电的小信号模型的状态向量，δ为功角，ω为转子转速，e'
q
为交轴暂态电动势，e'
fd
为受自动电压调节器的动态值；δv
sg
＝[δv
x
,δv
y
]
t
为光热发电的小信号模型的输入向量，v
sg
为同步发电机的机端电压，v
x
、v
y
分别为机端电压在xy坐标下的分量，δi
sg
＝[δi
x
,δi
y
]
t
为光热发电的小信号模型的输出向量，i
sg
为同步发电机的输出电流；i
x
和i
y
分别为输出电流在x坐标、y坐标下的分量，a
sg
为光热发电的小信号模型的状态矩阵，b
sg
为光热发电的小信号模型的输入矩阵，c
sg
为光热发电的小信号模型的输出矩阵，d
sg
为光热发电的小信号模型的前馈矩阵。7.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述光伏能源的小信号模型，具体如下所示：δi
p
＝c
p
δx
p
+d
p
δu
p
其中，δx
p
＝[δe
f δδ
vsg δω
vsg δv
dc δx]
t
为光伏能源的小信号模型的状态向量，e
f
为虚拟同步机输出电压，δ
vsg
为输出电压相角，ω
vsg
为虚拟同步机vsg的内部电势的角速度，v
dc
为直流侧电压，δx为中间变量，δx的上限为0，δu
p
＝[δv
gx δv
gy
]
t
为光伏能源的小信号模型的输入向量，u
p
为虚拟同步机的并网点电压，v
gx
、v
gy
为虚拟同步机并网点电压在x坐标、y坐标下的分量，δi
p
＝[δi
x δi
y
]
t
为光伏能源的小信号模型的输出向量，i
p
为虚拟同步机的注入电流，i
x
和i
y
分别为虚拟同步机注入电流在xy坐标下的分量，a
p
为光伏能源的小信号模型的状态矩阵，b
p
为光伏能源的小信号模型的输入矩阵，c
p
为光伏能源的小信号模型的输出矩阵，d
p
为光伏能源的小信号模型的前馈矩阵，为光伏能源的小信号模型的前馈矩阵，
c
dc
为直流侧稳压电容的电容值，v
dc(0)
为直流侧稳压电容器电压初值，u
oc
为光伏电池的开路电压，δ
vsg(0)
、i
sc(0)
、v
gx(0)
、v
gy(0)
、v
g(0)
、δ
vsg(0)
、e
f(0)
、i
x(0)
、i
y(0)
分别为δ
vsg
、i
sc
、v
gx
、v
gy
、v
g
、δ
vsg
、e
f
、i
x
、i
y
变量潮流计算后得到的初值，x
f
为虚拟同步机电压输出电压e
f
点到虚拟同步机并网点v
g
之间的电抗，ω
n
为电网基准频率，j为vsg控制环节的惯性常数，d为vsg控制环节的阻尼系数，k为vsg控制环节的电压系数，d
q
为vsg控制环节的无功系数，k
pv
为vsg控制中p
r
'
ef
控制环节pi控制器的比例系数，k
iv
为vsg控制中p
r
'
ef
控制环节pi控制器的积分系数，c1、c2为光伏电池u-i方程中间变量。8.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述风电能源的小信号模型，具体如下所示：δi
w
＝c
w
δx
w
+d
w
δu
w
其中，δx
w
为风电能源的小信号模型的状态向量，δu
w
＝[δv
gx-w
,δv
gy-w
]为风电能源的小信号模型的输入向量，u
w
为pmsg-vsg的并网点电压，v
gx-w
、v
gy-w
为虚拟同步机并网点电压在x坐标、y坐标下的分量，δi
w
＝[δi
gx-w
,δi
gy-w
]
t
为风电能源的小信号模型的输出向量，i
w
为pmsg-vsg的注入电流，i
gx-w
、i
gy-w
为虚拟同步机注入电流在xy坐标下的分量，a
w
为风电能源的小信号模型的状态矩阵，b
w
为风电能源的小信号模型的输入矩阵，c
w
为风电能源的小信号模型的输出矩阵，d
w
为风电能源的小信号模型的前馈矩阵。9.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各所述振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼，具体如下：根据公式计算各发电能源区域对新能源电力系统低
频振荡提供的区域阻尼；其中，d
im
为第i个发电能源区域向新能源电力系统提供的区域阻尼，s
i,m
为第m个模态对第i个发电能源区域的灵敏度矩阵，为第i个发电能源区域向自身区域提供的转矩矩阵，s
i-,m
为第m个振荡模态对非i区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；为非i区域向第i区域提供的转矩矩阵，s
j,m
为第m个模态对第j个发电能源区域的灵敏度矩阵，为第j个发电能源区域向自身区域提供的转矩矩阵。10.一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定系统，其特征在于，包括：小信号模型建立模块，用于建立各发电能源的小信号模型；所述发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；所述光热能源的小信号模型基于火力发电原理建立；状态矩阵模块，用于确定新能源电力系统模型的状态矩阵；所述新能源电力系统模型基于各所述发电能源模拟并网得到的新能源电力系统以及各发电能源的小信号模型确定；灵敏度矩阵模块，用于根据所述状态矩阵以及所述新能源电力系统的振荡模态，确定各所述振荡模态下，各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；阻尼计算模块，用于根据所述状态矩阵以及所述灵敏度矩阵，确定各发电能源区域在各所述振荡模态下对所述新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；位置功率确定模块，根据所述区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。

技术总结
本发明公开一种发电能源对电力系统低频振荡影响的确定方法及系统，涉及新能源电力系统稳定分析领域，方法包括：首先建立各发电能源的小信号模型；发电能源包括光热能源、火电能源、光伏能源和风电能源；然后确定新能源电力系统模型的状态矩阵；根据状态矩阵以及新能源电力系统的振荡模态确定各模态下各发电能源区域阻尼转矩的灵敏度矩阵；再根据状态矩阵以及灵敏度矩阵确定各发电能源区域在各振荡模态下对新能源电力系统低频振荡的区域阻尼；最后根据区域阻尼，确定各发电能源的接入位置和接入功率。本发明基于状态矩阵和灵敏度矩阵，可以确定各发电能源区域在各模态下对新能源电力系统低频振荡的区域阻尼，进而可以对电力系统低频振荡进行分析。力系统低频振荡进行分析。力系统低频振荡进行分析。


技术研发人员：夏世威 苏志军 张辰讳 李雅晗 郑乐 李庚银
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/20