一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法及设备

摘要

本发明实施例提供一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法及设备。所述方法包括：当风电功率固定为初始风电功率值时，利用风火打捆送出系统模型获取系统稳定时的最大火电功率值；其中，所述风电功率和火电功率为所述风火打捆送出系统模型的输入参数；以所述初始风电功率值为风电功率起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为火电功率起点减小火电功率，利用所述风火打捆送出系统模型判断系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的安全域边界。本发明实施例所述方法简单快速，且能够准确的计算出风火打捆送出系统的安全域边界，保障电网安全。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及电力系统分析领域，更具体地，涉及一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法及设备。

背景技术

近年来我国风电发展迅速，装机容量快速上升，北方地区形成了大量风电和火电打捆送出的电力系统。

针对传统的纯火电送出的系统，一般通过监视控制系统中火电的总功率不超过安全稳定极限保障系统的安全性。风火打捆送出系统中，风电的动态特性和火电存在很大区别，对系统安全稳定的影响也完全不同，对两者的功率需要分别监视控制，系统的安全稳定极限是火电功率、风电功率构成平面上的安全域边界，运行点位于边界内系统稳定，边界外系统不稳定。

因此，找到一种合理的方法计算风火打捆的电力系统的安全域边界，对系统的安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的风火打捆送出系统安全域边界的计算方法及设备。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法，包括：

当风电功率固定为初始风电功率值时，利用风火打捆送出系统模型获取系统稳定时的最大火电功率值；其中，所述风电功率和火电功率为所述风火打捆送出系统模型的输入参数；

以所述初始风电功率值为风电功率起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为火电功率起点减小火电功率，利用所述风火打捆送出系统模型判断系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；

基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的安全域边界。

进一步，所述以所述初始风电功率值为风电功率起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为火电功率起点减小火电功率，利用所述风火打捆送出系统模型判断系统失稳条件，依次获取多个边界点，进一步包括：

基于上一个边界点，固定所述上一个边界点中的火电功率值，以所述上一个边界点中的风电功率值为本次风电功率起点增加风电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的风电功率值作为本次风电功率值；

固定所述本次风电功率值，以所述上一个边界点中的火电功率值为本次火电功率起点减小火电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的火电功率值作为本次火电功率值；

根据所述本次风电功率值和所述本次火电功率值获取本次边界点；

若所述本次火电功率值小于火电功率下限，则已获得的所有边界点为系统安全域边界的多个边界点，其中所述多个边界点包括初始边界点，所述初始边界点由所述初始风电功率值和所述最大火电功率值组成，计算结束；否则，以所述本次边界点为上一个边界点继续获取边界点。

进一步，所述以所述上一个边界点中的风电功率值为本次风电功率起点增加风电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的风电功率值作为本次风电功率值，进一步包括：

以所述上一个边界点中的风电功率值b_i为本次风电功率起点，以预设风电搜索步长h_w增加风电功率至b_i+(k+1)*h_w时系统失稳，则获取b_i+k*h_w为本次风电功率值；

所述以所述上一个边界点中的火电功率值为本次火电功率起点减小火电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的火电功率值作为本次火电功率值，进一步包括：

以所述上一个边界点中的火电功率值a_i为本次火电功率起点，与预设火电搜索步长h_t减小火电功率至a_i-n*h_t时系统失稳，则获取a_i-(n-1)*h_t为本次火电功率值；

相应的，所述本次边界点为(a_i+1,b_i+1)，a_i+1＝a_i-n*h_t，b_i+1＝b_i+(k+1)*h_w。

具体的，所述初始风电功率值为0MW；所述火电功率下限根据系统的最小火电开机方式确定。

具体的，所述风火打捆送出系统模型的拓扑结构为：一台风电与一台火电接入到一条公共母线，公共母线通过一回线与无穷大母线相连；

故障前后风火打捆送出系统的动态模型为：

0＝E*V/X₁₂*cos(θ-δ)-E²/X₁₂+V*U/X₂₃*cosθ-U²/X₂₃；

b＝E*V/X₁₂*sin(δ-θ)+E*U/X₁₃*sinδ；

故障中风火打捆送出系统的动态模型为：

i_{dr_ref}＝V/(ω_N*L_m)；

i_{qr_ref}＝-2*b*L_s/(3*V*L_m)；

θ′＝-arctan(i_{dr_ref}/i_{qr_ref})；

其中：

X₁₂＝X₁+X₂+X₁*X₂/X₃；

X₂₃＝X₃+X₂+X₃*X₂/X₁；

X₁₃＝X₁+X₃+X₁*X₃/X₂；

X₁为火电内电势与公共母线之间的电抗，X₂为风电机端与公共母线之间的电抗，X₃为无穷大母线与公共母线之间的电抗；

X₁₂、X₁₃、X₂₃为X₁、X₂、X₃经星形-三角形变换后所得电抗，T_J为同步机惯性时间常数，δ为同步机转子角，ω为同步机转子角速度，为同步机转子角速度对时间的导数，为同步机转子角对时间的导数，ω_N为同步机额定转子角速度，E为同步机内电势，a、b分别为火电、风电有功功率，P_e为同步机电磁功率；L_s为风电定子同步电感，L_m为风电定转子互感，i_{dr_ref}、i_{qr_ref}分别为风电d、q轴转子电流指令值，V、θ分别为故障前后风电机端电压幅值与相角，V′、θ′分别为故障中风电等效电压源电压幅值与相角；U为无穷大母线电压幅值。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种风火打捆送出系统安全域边界的计算装置，包括：

初始模块，用于当风电功率固定为初始风电功率值时，利用风火打捆送出系统模型获取系统稳定时的最大火电功率值；其中，所述风电功率和火电功率为所述风火打捆送出系统模型的输入参数；

边界点模块，用于以所述初始风电功率值为风电功率起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为火电功率起点减小火电功率，利用所述风火打捆送出系统模型判断系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；

安全域模块，用于基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的安全域边界。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种风火打捆送出系统安全域边界的计算设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行本发明实施例风火打捆送出系统安全域边界的计算方法及其任一可选实施例的方法。

根据本发明的另一个方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行本发明实施例风火打捆送出系统安全域边界的计算方法及其任一可选实施例的方法。

本发明实施例提出一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法，从初始条件出发，采用对风电功率一直增加、对火电功率一直减小的方法，获得增加和减小的过程中系统稳定的多个临界点，即可得到系统的安全域边界。本发明实施例所述方法简单快速，且能够准确的计算出风火打捆送出系统的安全域边界，保障电网安全。

附图说明

图1为本发明实施例一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法流程示意图；

图2为本发明实施例安全域边界的计算方法流程图；

图3为本发明实施例风火打捆送出系统安全域边界的计算设备的框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法流程示意图，如图1所示，一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法，包括：

S100，当风电功率固定为初始风电功率值时，利用风火打捆送出系统模型获取系统稳定时的最大火电功率值；其中，所述风电功率和火电功率为所述风火打捆送出系统模型的输入参数；

本发明实施例所述风火打捆送出系统模型是电网运行部门的必备基础数据模型，可直接获取，包括系统中各元件如发电机、网络、风电场的模型。一般的，发电机采用带详细励磁系统的六阶模型，网络模型为节点导纳矩阵，风电场模型种类很多，可根据实际风电场情况选择合适的模型。

本发明实施例所述系统稳定时，其中，所述系统指风火打捆送出系统，所述系统稳定是指系统安全运行的稳定状态。

具体的，所述初始风电功率值为0MW，即风电系统没有运行；可理解，此时获取的最大火电功率值为火电系统单独运行时的最大功率。

S200，以所述初始风电功率值为风电功率起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为火电功率起点减小火电功率，利用所述风火打捆送出系统模型判断系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；

本发明实施例从初始风电功率值、最大火电功率值为起点，即风电功率为0，火电功率最大为初始边界点，分别按风电功率、火电功率进行调节；由于风电功率初始已经最低，火电供电初始已经最高，因此调节过程是对风电功率逐步增加，对火电功率逐步减小，通过这种方式可以获得系统稳定的多个临界点。

本发明实施例所述系统失稳条件，包括：系统在给定的初始运行条件下受到扰动后不能回到平衡状态，或者某些系统变量不能保持有界甚至破坏了全系统的完整性。

S300，基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的安全域边界。

本发明实施例的每个边界点由风电功率值和火电功率值组成，则以火电和风电为横纵坐标，则将所有边界点依次相连，可以获取火电功率和风电功率构成的平面上的安全域边界。当风火打捆送出系统的火电功率和风电功率位于所述安全域边界内时，系统稳定，否则系统不稳定。

本发明实施例提出一种风火打捆送出系统安全域边界的计算方法，从初始条件出发，采用对风电功率一直增加、对火电功率一直减小的方法，获得增加和减小的过程中系统稳定的多个临界点，即可得到系统的安全域边界。本发明实施例所述方法简单快速，且能够准确的计算出风火打捆送出系统的安全域边界，保障电网安全。

在一个可选的实施例中，步骤S200，所述以所述初始风电功率值为风电功率起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为火电功率起点减小火电功率，利用所述风火打捆送出系统模型判断系统失稳条件，依次获取多个边界点，进一步包括：

基于上一个边界点，固定所述上一个边界点中的火电功率值，以所述上一个边界点中的风电功率值为本次风电功率起点增加风电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的风电功率值作为本次风电功率值；

固定所述本次风电功率值，以所述上一个边界点中的火电功率值为本次火电功率起点减小火电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的火电功率值作为本次火电功率值；

根据所述本次风电功率值和所述本次火电功率值获取本次边界点；

若所述本次火电功率值小于火电功率下限，则已获得的所有边界点为系统安全域边界的多个边界点，其中所述多个边界点包括初始边界点，所述初始边界点由所述初始风电功率值和所述最大火电功率值组成，计算结束；否则，以所述本次边界点为上一个边界点继续获取边界点。

本发明实施例是一个循环计算步骤，循环计算第一个的上一个边界点即是初始边界点，然后每次计算得到的边界点作为下一次计算的上一个边界点；依次交替调节风电功率和火电功率，每次调节风电功率至系统失稳，调节火电功率至系统失稳，即可得一对失稳临界点功率，包括风电功率值和火电功率值，即获得一个边界点。

由于火电系统有一个功率下限，火电功率从最低火电功率一直下调，不能比其功率下限更低，因此火电功率值小于火电功率下限时，循环计算即可停止，获得系统稳定运行的所有边界点。

基于上师实施例，所述以所述上一个边界点中的风电功率值为本次风电功率起点增加风电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的风电功率值作为本次风电功率值，进一步包括：

以所述上一个边界点中的风电功率值b_i为本次风电功率起点，以预设风电搜索步长h_w增加风电功率至b_i+(k+1)*h_w时系统失稳，则获取b_i+k*h_w为本次风电功率值；

所述以所述上一个边界点中的火电功率值为本次火电功率起点减小火电功率直至系统失稳，获取系统失稳前的火电功率值作为本次火电功率值，进一步包括：

以所述上一个边界点中的火电功率值a_i为本次火电功率起点，与预设火电搜索步长h_t减小火电功率至a_i-n*h_t时系统失稳，则获取a_i-(n-1)*h_t为本次火电功率值；

相应的，所述本次边界点为(a_i+1,b_i+1)，a_i+1＝a_i-n*h_t，b_i+1＝b_i+(k+1)*h_w。

具体的，所述初始风电功率值为0MW；所述火电功率下限根据系统的最小火电开机方式确定。

基于上述实施例，所述风火打捆送出系统模型的拓扑结构为：一台风电与一台火电接入到一条公共母线，公共母线通过一回线与无穷大母线相连。

故障前后风火打捆送出系统的动态模型为:

0＝E*V/X₁₂*cos(θ-δ)-E²/X₁₂+V*U/X₂₃*cosθ-U²/X₂₃(3)

b＝E*V/X₁₂*sin(δ-θ)+E*U/X₁₃*sinδ(4)

故障中风火打捆送出系统的动态模型为：

i_{dr_ref}＝V/(ω_N*L_m)(7)

i_{qr_ref}＝-2*b*L_s/(3*V*L_m)(8)

θ′＝-arctan(i_{dr_ref}/i_{qr_ref})(10)

式(1)、(2)、(5)、(6)均为同步机转子运动方程组；

式(3)、(4)为风电定功率控制决定的功率约束方程组；

式(7)和式(8)分别为风电功率解耦特性所计算出的转子d、q轴电流指令值；

式(9)和式(10)分别为诺顿等效电路形式的风电模型转化为戴维南等效电路后所得等效电压源的电压幅值与相角。

其中：

X₁₂＝X₁+X₂+X₁*X₂/X₃；

X₂₃＝X₃+X₂+X₃*X₂/X₁；

X₁₃＝X₁+X₃+X₁*X₃/X₂；

X₁为同步机内电势与公共母线之间的电抗，X₂为风电机端与公共母线之间的电抗，X₃为无穷大母线与公共母线之间的电抗；

X₁₂、X₁₃、X₂₃为X₁、X₂、X₃经星形-三角形变换后所得电抗，T_J为同步机惯性时间常数，δ为同步机转子角，ω为同步机转子角速度，为同步机转子角速度对时间的导数，为同步机转子角对时间的导数，ω_N为同步机额定转子角速度，E为同步机内电势，a、b分别为火电、风电有功功率，P_e为同步机电磁功率；L_s为风电定子同步电感，L_m为风电定转子互感，i_{dr_ref}、i_{qr_ref}分别为风电d、q轴转子电流指令值，V、θ分别为故障前后风电机端电压幅值与相角，V′、θ′分别为故障中风电等效电压源电压幅值与相角；U为无穷大母线电压幅值。

如图2所示，在一个具体实施例中，所述安全域边界的计算方法的流程包括：

S1)获取待分析风火打捆送出系统的稳定计算模型，设定模型的火电功率下限P_t0、搜索步长h_t、风电功率下限P_w0和搜索步长h_w；

典型的，风电功率下限P_w0取为0MW，火电功率下限根据实际系统中的最小火电开机方式确定。

S2)将风火打捆送出系统中风电功率固定为P_w0，从P_t0出发以步长h_t增加火电功率直到系统失稳，设火电功率等于P_t0+n*h_t时系统稳定，等于P_t0+(n+1)*h_t时系统不稳定，获得火电功率、风电功率构成的平面上第1个安全域边界点(a₁,b₁)，a₁＝P_t0+n*h_t，b₁＝P_w0；

增加火电功率有不同方式，典型的所有在运行的火电机组均匀增加出力，也可以根据实际情况设定不同的火电功率增加方式。系统稳定指在所研究的风电、火电功率情况下，风火打捆送出系统在所设定的故障情况下保持稳定；系统失稳/不稳定指在所研究的风电、火电功率情况下，风火打捆送出系统在所设定的故障情况下失去稳定。稳定与否采用电力系统分析领域常用的方法和判据，一般通过时域仿真判断。

S3)从上一个边界点(a_i,b_i)出发，固定火电功率为a_i，以步长h_w增加风电功率直到系统失稳，设风电功率等于b_i+k*h_w时系统稳定，等于b_i+(k+1)*h_w时系统不稳定；

增加风电功率有不同方式，典型的所有在运行的风电场均匀增加出力，也可以根据实际情况设定不同的风电功率增加方式。

S4)固定风电功率为b_i+(k+1)*h_w，以步长h_t减少火电功率直到系统稳定，设火电功率等于a_i-n*h_t时系统稳定，等于a_i-(n-1)*h_t时系统不稳定，获得新的安全域边界点(a_i+1,b_i+1)，a_i+1＝a_i-n*h_t，b_i+1＝b_i+(k+1)*h_w；

S5)重复S3～S4，直到边界点处火电功率小于下限，将边界点相连，即获得火电功率、风电功率构成平面上的安全域边界。

综上所述，本发明实施例所述风火打捆送出系统安全域边界的计算方法，从初始条件出发，采用对风电功率一直增加、对火电功率一直减小的方法，获得增加和减小的过程中系统稳定的多个临界点，即可得到系统的安全域边界。本发明实施例所述方法简单快速，且能够准确的计算出风火打捆送出系统的安全域边界，为风火打捆送出系统安全域边界的计算提供工具，实现风火打捆送出系统的安全监控，保障电网安全。

本发明实施例还提供一种风火打捆送出系统安全域边界的计算装置，包括：

初始模块，用于基于所述风火打捆送出系统的模型，当风电功率固定为初始风电功率值时，获取系统稳定时的最大火电功率值；

边界点模块，用于以所述初始风电功率值为起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为起点减小火电功率，根据系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；以及

安全域模块，用于基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的平面上的安全域边界。

本发明实施例所述的风火打捆送出系统安全域边界的计算装置，是与本发明实施例所述的风火打捆送出系统安全域边界的计算方法完全对应的装置权利要求，具有本发明实施例所述的风火打捆送出系统安全域边界的计算方法完全相同的技术特征和技术效果，在此不再赘述。

图3示出了本发明实施例风火打捆送出系统安全域边界的计算设备的框架示意图。

参照图3，所述设备，包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；

其中，所述处理器601和存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；

所述处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于所述风火打捆送出系统的模型，当风电功率固定为初始风电功率值时，获取系统稳定时的最大火电功率值；以所述初始风电功率值为起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为起点减小火电功率，根据系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的平面上的安全域边界。

本发明另一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于所述风火打捆送出系统的模型，当风电功率固定为初始风电功率值时，获取系统稳定时的最大火电功率值；以所述初始风电功率值为起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为起点减小火电功率，根据系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的平面上的安全域边界。

本发明另一实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于所述风火打捆送出系统的模型，当风电功率固定为初始风电功率值时，获取系统稳定时的最大火电功率值；以所述初始风电功率值为起点增加风电功率，以所述最大火电功率值为起点减小火电功率，根据系统失稳条件，依次获取多个边界点；其中，所述边界点由风电功率值和火电功率值组成；基于所述多个边界点，获取火电功率和风电功率构成的平面上的安全域边界。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述设备实施例或方法实施例仅仅是示意性的，其中所述处理器和所述存储器可以是物理上分离的部件也可以不是物理上分离的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。