一种确定新能源电力系统状态空间方程的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种确定新能源电力系统状态空间方程的方法及系统，包括：根据电力系统拓扑对电力系统进行分割，确定主网子系统和至少一个新能源场站子系统，并建立所述主网子系统和新能源场站子系统间的接口变量；基于所述主网子系统和新能源场站子系统确定系统的状态变量和输入变量；分别确定主网子系统基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程；基于基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程以及系统的状态变量和输入变量，确定电力系统的状态空间方程，以基于所述电力系统的状态空间方程进行系统稳定性的分析。方程进行系统稳定性的分析。方程进行系统稳定性的分析。

【技术实现步骤摘要】
一种确定新能源电力系统状态空间方程的方法及系统


[0001]本专利技术涉及电力系统小扰动稳定的建模分析
，并且更具体地，涉及一种确定新能源电力系统状态空间方程的方法及系统。

技术介绍

[0002](1)状态空间模型简介
[0003]特征值分析方法是研究电力系统小扰动稳定性的有效方法之一，在电力系统的低频振荡、次/超同步振荡等研究中得到了广泛的应用。状态空间方程是特征值分析所采用的系统模型，其通用表达式为：
[0004][0005]其中，X
s
为状态变量组成的列向量，U
s
为输入变量组成的列向量，Y
s
为输出变量组成的列向量，A
s
、B
s
、C
s
和D
s
为实参数矩阵。在低频振荡的研究中，一般仅对同步发电机等设备采用微分方程描述并线性化得到相应的状态空间方程，而对于电力网络方程则采用代数方程进行描述，不计及其动态特性的影响。但对于含次/超同步及中、高频段的宽频带振荡(一般指5～4000Hz范围)，电力电网的动态特性对于振荡存在一定影响，需建立含电力网络在内的全系统状态空间方程。
[0006](2)新能源系统的状态空间模型
[0007]对于含新能源场的复杂电力网络而言，节点电压、支路电流间通过电网元件的串、并联关系建立联系，并满足基尔霍夫定律约束。因此需对电力网络进行拓扑分析，确定系统的独立状态变量，然后消去全部中间变量，最终获取全系统的状态空间模型。该过程中，确定电网内的状态变量是较为复杂的。
[0008]复杂多新能源场站并网系统的一种典型结构如图1所示，其中多个新能源场站分散接入网状系统中，电网元件包括节点间的电阻/电感支路、串联补偿电容、节点对地并联电阻/电感/电容支路，等等。对于电感设备，其在dq同步坐标系下的状态空间方程为：
[0009][0010]其中，i
L
为电感电流，是状态变量；v
L
为电感电压，是输入变量；L为电感值；w0为工频角频率；J为虚数运算矩阵，其表达式为
[0011][0012]对于电容设备，其在dq同步坐标系下的状态空间方程为：
[0013][0014]其中，v
C
为电容电压，是状态变量；，i
C
为电容电流，是输入变量；C为电容值。对于新能源场站，则由多个新能源机组通过汇流线路连接组成，通常会等效为1台等值机组，该机
组的状态空间方程需由其各电气、控制环节的线性化微分方程联立构成。其中新能源场站的电流，既是状态变量之一，也作为输出变量给入交流电网模型中；而新能源场站的电压，是输入变量之一，由交流电网模型得到。
[0015]在由上述设备组成的系统中，新能源场站将从交流电网中获取的端口电压作为输入，并输出端口电流至交流电网；电感设备将从交流电网中获取的两端电压差作为输入，并输出自身电流至交流电网；电容设备将从交流电网中获取的自身电流作为输入，并输出其自身电压至交流电网。
[0016](3)基于图论的电网络分析基础
[0017]对电网进行拓扑分析时，常通过关联矩阵A描述各节点与各支路的关联关系；当采用回路法进行分析时，常通过回(基本回路)—支(路)关联矩阵B描述各基本回路与各支路的关联关系；电网电压、电流满足基尔霍夫定律，即
[0018][0019]其中，i
b
为支路电流列向量，u
b
为支路电压列向量，i
l
为回路电流列向量。形成基本回路的过程中，常将电网支路划分为树枝和连枝；若电网节点数为N+1，其中含独立节点数N个、地节点1个，支路数为b，则电网的树枝数为N，连枝数L＝b
‑
N；由一条连枝和多条树枝组成的回路称为基本回路，其数量等于连枝数。
[0020]对电力系统进行特征值分析时，需在对系统作线性化的基础上建立状态空间方程。对于含多个新能源场的复杂电力网络而言，需进行拓扑分析，确定系统的独立状态变量，然后消去全部中间变量，最终获取全系统的状态空间模型。其中，如何确定状态变量、如何形成独立的状态空间方程，是建模工作的主要难点。

技术实现思路

[0021]本专利技术提出一种确定新能源电力系统状态空间方程的方法及系统，以解决如何确定状态空间方法的问题。
[0022]为了解决上述问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种确定新能源电力系统状态空间方程的方法，所述方法包括：
[0023]根据电力系统拓扑对电力系统进行分割，确定主网子系统和至少一个新能源场站子系统，并建立所述主网子系统和新能源场站子系统间的接口变量；
[0024]基于所述主网子系统和新能源场站子系统确定系统的状态变量和输入变量；
[0025]分别确定主网子系统基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程；
[0026]基于基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程以及系统的状态变量和输入变量，确定电力系统的状态空间方程，以基于所述电力系统的状态空间方程进行系统稳定性的分析。
[0027]优选地，其中所述根据电力系统拓扑对电力系统进行分割，确定主网子系统和至少一个新能源场站子系统，并建立所述主网子系统和新能源场站子系统间的接口变量，包括：
[0028]将电力系统中独立节点间电容支路作为I型状态支路；将独立节点与地节点间电容支路作为II型状态支路；将新能源场站视为与电压有关的受控电流源，并作为III型状态
支路；其中，若某一新能源场站并网节点与地节点间无电容支路，则在此处增加一个电容支路；
[0029]根据电力系统拓扑，将电力系统分割为主网子系统和多个新能源场站子系统，将全部的独立节点间阻感支路、I型状态支路、独立节点与地节点间的阻感支路，合并为初步的主网子系统；
[0030]对主网子系统构造基本回路集，将主网子系统的全部支路划分为树枝和连枝；其中，I型状态支路必须为连枝，并由每一条连枝和若干条树枝组成一个基本回路；将II型状态支路，以连枝形式追加到主网子系统中；
[0031]在主网子系统内原各新能源并网节点处，将对地电容替换为受控电压源，作为新的II型状态支路，控制电压值等于该对地电容的电压；在各新能源场站子系统内原并网节点处，增加该对地电容，并增加受控电流源，其电流值等于II型状态支路流过的回路电流，以建立子系统间的接口变量。
[0032]优选地，其中所述基于所述主网子系统和新能源场站子系统确定系统的状态变量和输入变量，包括：
[0033]将主网基本回路电流i
l
、I型状态支路电压v
sc
、II型状态支路电流i
G
及其附属状态变量X
G
，以及III型状态支路电压v
pc
，合并为系统的状态变量
[0034]将各恒定工频电压源e
s
、恒定工频电流源i
s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种确定新能源电力系统状态空间方程的方法，其特征在于，所述方法包括：根据电力系统拓扑对电力系统进行分割，确定主网子系统和至少一个新能源场站子系统，并建立所述主网子系统和新能源场站子系统间的接口变量；基于所述主网子系统和新能源场站子系统确定系统的状态变量和输入变量；分别确定主网子系统基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程；基于基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程以及系统的状态变量和输入变量，确定电力系统的状态空间方程，以基于所述电力系统的状态空间方程进行系统稳定性的分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电力系统拓扑对电力系统进行分割，确定主网子系统和至少一个新能源场站子系统，并建立所述主网子系统和新能源场站子系统间的接口变量，包括：将电力系统中独立节点间电容支路作为I型状态支路；将独立节点与地节点间电容支路作为II型状态支路；将新能源场站视为与电压有关的受控电流源，并作为III型状态支路；其中，若某一新能源场站并网节点与地节点间无电容支路，则在此处增加一个电容支路；根据电力系统拓扑，将电力系统分割为主网子系统和多个新能源场站子系统，将全部的独立节点间阻感支路、I型状态支路、独立节点与地节点间的阻感支路，合并为初步的主网子系统；对主网子系统构造基本回路集，将主网子系统的全部支路划分为树枝和连枝；其中，I型状态支路必须为连枝，并由每一条连枝和若干条树枝组成一个基本回路；将II型状态支路，以连枝形式追加到主网子系统中；在主网子系统内原各新能源并网节点处，将对地电容替换为受控电压源，作为新的II型状态支路，控制电压值等于该对地电容的电压；在各新能源场站子系统内原并网节点处，增加该对地电容，并增加受控电流源，其电流值等于II型状态支路流过的回路电流，以建立子系统间的接口变量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述主网子系统和新能源场站子系统确定系统的状态变量和输入变量，包括：将主网基本回路电流i
l
、I型状态支路电压v
sc
、II型状态支路电流i
G
及其附属状态变量X
G
，以及III型状态支路电压v
pc
，合并为系统的状态变量X＝[i
l v
sc i
G X
G ν
pc
]
T
；将各恒定工频电压源e
s
、恒定工频电流源i
s
和/或全部新能源场站的输入变量U
G
，合并为系统的输入变量U＝[e
s i
s U
G
]
T
。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别确定主网子系统基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程，包括：基本回路集对应的状态空间方程为：I型状态支路集对应的状态空间方程为：
II型状态支路集对应的状态空间方程为：III型状态支路集对应的状态空间方程为：其中，Z
b
、L
b
、R
b
分别为电网支路阻抗、支路电感、支路电阻矩阵；B为主网基本回路
‑
支路关联矩阵；M
b
‑
sc
为电网支路对I型状态支路的关联矩阵，M
b
‑
pc
为电网支路对II型状态支路的关联矩阵，M
b
‑
es
为电网支路对含电压源支路的关联矩阵，M
b
‑
is
为电网支路对含电流源支路的关联矩阵；C
pc
为II型状态支路集的电容系数矩阵，M
pc
‑
G
为II型状态支路对III型状态支路的关联矩阵；III型状态支路集状态空间方程的系数矩阵为：III型状态支路集状态空间方程的系数矩阵为：该系数矩阵分别由每个新能源场站的内部状态空间方程中的系数矩阵按照新能源场站序号重组得到。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于基本回路集和不同支路集对应的状态空间方程以及系统的状态变量和输入变量，确定电力系统的状态空间方程，以基于所述电力系统的状态空间方程进行系统稳定性的分析，包括：确定电力系统的状态方程为：确定电力系统的状态方程为：
其中，X为系统的状态变量；U为系统的输入变量；A
s
和B
s
为系数矩阵；基于所述电力系统的状态空间方程，计算矩阵As的特征值和相关因子，并根据矩阵As的特征值和相关因子进行系统稳定性的分析。6.一种确定新能源电力系统状态空间方程的系统，其特征在于，所述系统包括：分割单元，用于根据电力系统拓扑对电力系统进行分...

【专利技术属性】
技术研发人员：周佩朋，孙华东，宋瑞华，李亚楼，刘涛，向玮华，任必兴，李强，孙蓉，沈琳，胡建勇，韩亚楠，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院国网江苏省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：