一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，将电力系统同步发电机组分为多个慢同调机群，对每个慢同调机群，计算其包含的同步发电机组的参与因子和相关因子，选择起主导作用的机组；根据慢同调机群主导机组转子运动方程，确定主导机组电角速度、电角速度变化率、惯性时间常数与有功功率差额之间的关系；根据主导机组有功功率差额与惯性时间常数等参数间的关系，利用各慢同调机群主导机组的广域信息，得到电力系统总有功功率差额的估计值，用来评估电力系统整体惯性水平。本发明专利技术保证了系统整体惯性水平评估的准确性。根据慢同调理论对电力系统进行分群，减少了惯性水平评估中所需获取的信息量，显著提高了计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法
本专利技术涉及电力系统运行与控制
，特别是涉及一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法。
技术介绍
随着以风电为代表的可再生能源发电的开发和利用，电力系统能源结构也随之变化，火力发电机组等传统同步发电机组所占比例逐渐降低。传统上，当电力系统遭受扰动时，同步发电机组通过调节存储在旋转质量块中的动能，补偿由扰动引起的系统总有功功率差额，以此抑制系统频率的波动。可再生能源发电机组通常通过电力电子换流器接入电力系统，实现解耦控制，不能直接响应系统的频率波动。为了反映可再生能源发电并网对电力系统频率响应能力的影响，需要对系统的惯性水平进行准确的评估。在电力系统出现有功功率差额时，频率波动特性受系统惯性水平的影响。单台同步发电机组的惯性水平可以由其惯性时间常数来表征，但是系统整体惯性水平受多种因素影响，并不是各台同步发电机组惯性水平的简单加和。在可再生能源发电比例不断增加的趋势下，对电力系统整体惯性水平进行准确评估，增强系统频率响应能力，保证系统安全稳定运行，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，本专利技术根据慢同调理论对电力系统同步发电机组进行分群，选取各机群中起主导作用的机组，确定主导机组相关参变量与有功功率差额之间的关系，利用各主导机组的广域信息，得到系统总有功功率差额的估计值，评估电力系统整体惯性水平。一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，包括以下步骤：步骤1：根据慢同调理论，将电力系统同步发电机组分为多个慢同调机群；步骤2：对每个慢同调机群，计算其包含的同步发电机组的参与因子和相关因子，选择起主导作用的机组，获得该机组的惯性时间常数；步骤3：根据慢同调机群主导机组转子运动方程，确定主导机组电角速度、电角速度变化率、惯性时间常数与有功功率差额之间的关系；步骤4：根据主导机组有功功率差额与惯性时间常数等参数间的关系，利用各慢同调机群主导机组的广域信息，包括电角速度、电角速度变化率，得到系统总有功功率差额的估计值，用来评估电力系统整体惯性水平。进一步的，所述步骤1，根据慢同调理论，将电力系统同步发电机组分为多个慢同调机群的具体步骤为：步骤1.1：根据同步发电机二阶经典模型，构造收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵，并在此基础上求取系统状态矩阵；步骤1.2：根据步骤1.1中所求系统状态矩阵，求其特征值与特征向量，并在此基础上确定慢同调分群数，选取慢同调分群的参考机组，计算分群矩阵，得到慢同调机群。进一步的，所述步骤1.1中，构造收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵的具体步骤为：在不计入同步发电机内电势节点时，设系统共计有m+n个节点，其中，前m个节点为同步发电机端节点，后n个节点为其他节点，系统节点导纳矩阵可以写为：其中，YA、YB、YC、YD分别为同步发电机端节点的自导纳矩阵、同步发电机端节点与其他节点的互导纳矩阵、其他节点与同步发电机端节点的互导纳矩阵、其他节点的自导纳矩阵。计入同步发电机内电势节点，并将负荷表示为等值导纳的形式，形成增广节点导纳矩阵为：其中，Ym为由同步发电机的等值导纳构成的对角子矩阵，Ym的对角线元素为Ymi＝1/jx'd，x'd为同步发电机暂态电抗；YLm与YLn分别为由同步发电机端节点所连接负荷和其他节点所连接负荷的等值导纳构成的对角子矩阵，定义为：其中Pli+jQli为第i个节点的负荷功率，Uli为第i个节点的电压幅值；为求出收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵，将前述增广节点导纳矩阵表示为：其中，Y1＝Ym，Y2＝[-Ym0]，对应的网络方程为：其中，为同步发电机内电势节点的注入电流向量，为同步发电机内电势节点的电压向量，为网络节点电压向量。仅保留m个同步发电机内电势节点，由得到等值导纳矩阵：YR＝Y1-Y2Y4-1Y3其中，YR即为收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵，导纳矩阵元素为Yij＝Gij+jBiji，j＝1，2，…，m，其中，当i＝j时，Yij＝Yii表示矩阵YR的自导纳元素，当i≠j时，Yij表示矩阵YR的互导纳元素，Gij、Bij分别为相应导纳元素的电导和电纳。进一步的，所述步骤1.1中，求取系统状态矩阵的步骤为：忽略阻尼常数，将同步发电机转子运动方程在其功率及角度稳态值附近线性化，可得计入同步发电机惯性时间常数后的系统状态矩阵A的表达式为：A＝T-1K其中，T为同步发电机惯性时间常数的对角阵，K为系统状态矩阵，矩阵元素为：其中，Ei'和E'j分别表示第i台和第j台同步发电机暂态电抗后的电势相量和的幅值，δi和δj分别为第i台和第j台同步发电机的转子电角度，Yij＝Gij+jBij为收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵元素，m为同步发电机的台数。进一步的，所述步骤1.2中，确定慢同调分群数及其参考机组的具体步骤为：求取状态矩阵A的m个特征值λ1,λ2,…,λm，按照特征值绝对值的大小进行排序，依次为|λ1|,|λ2|,…,|λm|，令则r即为慢同调分群数目，并可获得慢模式组σr＝{λ1,λ2,…,λr}以及对应的右特征向量矩阵Ur＝[u1,u2,…,ur]，其中，ui满足方程Aui＝λiuii＝1,2,…r。对右特征向量矩阵Ur采用列主元高斯消去法，可得r组线性无关的向量，对应的同步发电机定为慢同调分群的参考机组，并将Ur中对应的r行提取形成参考机组向量空间U1。进一步的，所述步骤1.2中，获取分群矩阵并得到慢同调分群的具体步骤为：将右特征向量矩阵Ur提取参考机组向量空间U1后剩下的m-r行特征向量提取形成矩阵U2，即U＝[U1U2]T，定义分群矩阵为：L＝U2U1-1，根据分群矩阵L中每行的最大值，将剩余同步发电机组归类到对应的参考机组中，形成慢同调机群。进一步的，所述步骤2，计算同步发电机组参与因子和相关因子并选取主导机组的具体步骤为：vi和ui分别是步骤1.1中状态矩阵的特征值λi的左特征向量和右特征向量，则相对应的参与因子Pi和相关因子Cki定分别定义为：Pi＝viTuiCki＝|vkiuki/(viTui)|vki和uki分别为vi和ui的第k个元素，参与因子Pi表征状态模式中变量的相对参与程度，相关因子Cki值的大小反映了状态量对相应特征值的能观性和能控性。进一步的，所述步骤3，确定主导机组电角速度、电角速度变化率、惯性时间常数与有功功率差额之间的关系的具体步骤为：慢同调机群中主导机组的转子运动方程为：其中，J为转子转动惯量，单位为kg·m2；Ω是转子机械运动角速度，单位为rad/s；M为作用在转子上所有转矩的代数和；主导机组的转子机械惯性时间常数可利用其额定转速下存储的动能与额定视在功率的比值来定义：Ω0为同步发电机转子额定转速，SN为额定容量。同步发电机电角速度ω与机械转速Ω之间的关系为：ω＝pΩ其中，p为同步发电机极对数。综合上述三式，考虑到同步发电机有功功率等于其转速与转矩的乘积，从而将同步发电机电角速度、电角速度变化率与惯性时间常数的关系表示为：其中，ω*为同步发电机电角速度标幺值，ΔP为同步发电机有功功率差额。进一步的，所述步骤4，根据主导机组有功功率差额与惯性时间常数等参数间的关系，利用各慢同调机群主本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1：根据慢同调理论，将电力系统同步发电机组分为多个慢同调机群；步骤2：对每个慢同调机群，计算其包含的同步发电机组的参与因子和相关因子，选择起主导作用的机组，获得该机组的惯性时间常数；步骤3：根据慢同调机群主导机组转子运动方程，确定主导机组电角速度、电角速度变化率、惯性时间常数与有功功率差额之间的关系；步骤4：根据主导机组有功功率差额与惯性时间常数参数间的关系，利用各慢同调机群主导机组的广域信息，包括电角速度、电角速度变化率，得到电力系统总有功功率差额的估计值，用来评估电力系统整体惯性水平。

【技术特征摘要】
1.一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1：根据慢同调理论，将电力系统同步发电机组分为多个慢同调机群；步骤2：对每个慢同调机群，计算其包含的同步发电机组的参与因子和相关因子，选择起主导作用的机组，获得该机组的惯性时间常数；步骤3：根据慢同调机群主导机组转子运动方程，确定主导机组电角速度、电角速度变化率、惯性时间常数与有功功率差额之间的关系；步骤4：根据主导机组有功功率差额与惯性时间常数参数间的关系，利用各慢同调机群主导机组的广域信息，包括电角速度、电角速度变化率，得到电力系统总有功功率差额的估计值，用来评估电力系统整体惯性水平。2.如权利要求1所述的一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，其特征是，所述步骤1，根据慢同调理论，将电力系统同步发电机组分为多个慢同调机群的具体步骤为：步骤1.1：根据同步发电机二阶经典模型，构造收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵，并在此基础上求取系统状态矩阵；步骤1.2：根据步骤1.1中所求系统状态矩阵，求其特征值与特征向量，并在此基础上确定慢同调分群数，选取慢同调分群的参考机组，计算分群矩阵，得到慢同调机群。3.如权利要求2所述的一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，其特征是，所述步骤1.1中，构造收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵的具体步骤为：在不计入同步发电机内电势节点时，设系统共计有m+n个节点，其中，前m个节点为同步发电机端节点，后n个节点为其他节点，系统节点导纳矩阵可以写为：其中，YA、YB、YC、YD分别为同步发电机端节点的自导纳矩阵、同步发电机端节点与其他节点的互导纳矩阵、其他节点与同步发电机端节点的互导纳矩阵、其他节点的自导纳矩阵；计入同步发电机内电势节点，并将负荷表示为等值导纳的形式，形成增广节点导纳矩阵为：其中，Ym为由同步发电机的等值导纳构成的对角子矩阵，Ym的对角线元素为Ymi＝1/jx′d，x′d为同步发电机暂态电抗；YLm与YLn分别为由同步发电机节点所连接负荷和其他节点所连接负荷的等值导纳构成的对角子矩阵，定义为：其中Pli+jQli为第i个节点的负荷功率，Uli为第i个节点的电压幅值；为求出收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵，将前述增广节点导纳矩阵表示为：其中，Y1＝Ym，Y2＝[-Ym0]，对应的网络方程为：其中，为同步发电机内电势节点的注入电流向量，为同步发电机内电势节点的电压向量，为网络节点电压向量；仅保留m个同步发电机内电势节点，由得到等值导纳矩阵：YR＝Y1-Y2Y4-1Y3其中，YR即为收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵，导纳矩阵元素为Yij＝Gij+jBiji，j＝1，2，…，m，其中，当i＝j时，Yij＝Yii表示矩阵YR的自导纳元素，当i≠j时，Yij表示矩阵YR的互导纳元素，Gij、Bij分别是相应的导纳元素的电导和电纳。4.如权利要求2所述的一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，其特征是，所述步骤1.1中，求取系统状态矩阵的步骤为：忽略阻尼常数，将同步发电机转子运动方程在其功率及角度稳态值附近线性化，可得计入同步发电机惯性时间常数后的系统状态矩阵A的表达式为：A＝T-1K其中，T为同步发电机惯性时间常数的对角阵，K为系统状态矩阵，矩阵元素为：其中，E′i和E′j分别表示第i台和第j台同步发电机暂态电抗后的电势相量和的幅值，δi和δj分别为第i台和第j台同步发电机的转子电角度，Yij＝Gij+jBij为收缩到同步发电机内电势节点的导纳矩阵元素，m为同步发电机的台数。5.如权利要求2所述的一种基于广域信息的电力系统惯性水平评估方法，其特征是，所述步骤1.2中，确定慢同调分群数及其参考机组的具体步骤为：求取状态矩阵A的m个特征值λ1,λ2,…,λm，按照特征值绝对值的大小进行排序，依次为|λ1|,|λ2|,…,|λm|，令则r即为慢同调分群数目，并可获...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚晓东，黄昊怡，张磊，
申请(专利权)人：山东大学，国网山东省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37