一种光伏占比与电力系统功角稳定性的关联分析方法与流程

本发明属于电力系统稳定性分析，具体涉及一种光伏占比与电力系统功角稳定性的关联分析方法。

背景技术：

1、我国光伏发电产业发展极为迅速，总装机容量不断提高。光伏的大规模接入对电力系统原有的暂态稳定造成极大影响，光伏具有与传统火电机组不同的机电特性，光伏接入比例对系统暂态稳定性的影响不容忽视，研究光伏接入比例与系统暂态稳定性的关系具有重要意义。

2、针对光伏接入对电力系统暂态稳定性的影响已有相关的研究，并取得了一定的成果。现已有学者定义新能源的等效功角，并研究新能源等效功角暂态特性与同步机功角暂态特性的不同点，但是没有具体分析这种不同对同步机组稳定性的影响；还有学者提出了基于等效阻抗模型和功角特性方程，认为当利用等容量的光伏替换系统中的同步机组时，将提高系统的暂态稳定性。但关于不同光伏比例接入电力系统带来的稳定性影响还没有确定的结论。

3、尽管现在有研究通过对不同并网控制方式下光伏与火电打捆联合外送系统运行振荡的研究，分析了大型光伏电站并网后发生振荡的方式及其影响机理，但并未考虑到光伏机组发生故障时的无功输出能力。分析光伏接入比例对系统暂态稳定性的影响时，需根据光伏的机电解耦特性明确其通过输出功率影响系统功角稳定性的机理，在此基础上若能理清光伏接入比例对于系统暂态稳定性的影响，则能对系统中光伏接入情况的合理配置提供理论指导。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种光伏占比与电力系统功角稳定性的关联分析方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，通过将光伏等值为接地导纳模型和对节点导纳矩阵的收缩，通过扩展等面积法则分析光伏接入后的电磁功率变化判断系统稳定性的影响，推导出了光伏接入后电磁功率与光伏接入比例的关系表达式，并以此确定了最有利于电力系统稳定性的最佳光伏接入比例。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种光伏占比与电力系统功角稳定性的关联分析方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，通过将光伏等值为接地导纳模型和对节点导纳矩阵的收缩；

5、步骤s2，通过扩展等面积法则分析光伏接入后的电磁功率变化判断系统稳定性的影响；

6、步骤s3，推导出光伏接入后电磁功率与光伏接入比例的关系表达式；

7、步骤s4，确定最有利于电力系统稳定性的最佳光伏接入比例。

8、进一步的，步骤s1具体如下：

9、光伏机组在故障期间通过输出功率改变系统潮流，使同步机输出电磁功率改变，进而影响系统暂态功角稳定性；研究新能源机组在故障期间对同步机的功角问题造成的影响；光伏机组在故障期间通过输出功率改变系统潮流，使同步机输出电磁功率改变，进而影响系统暂态功角稳定性；因此在研究包含光伏接入的新能源电力系统的暂态功角稳定时，只需考虑光伏机组发出总的有功、无功输出功率的影响；将光伏机组进行等效替换，等效为一条接地导纳之路；

10、等效导纳与新能源出力与电压有关：

11、式中，ypv是光伏机组等效导纳的大小，ppv,qpv是光伏机组输出的有功功率和无功功率，u为光伏机组并网点的电压大小。

12、进一步的，步骤s2具体如下：

13、通过扩展等面积法则，将多机系统转化为双机系统，研究光伏机组接入两台同步机互联的简单系统的暂态稳定机理；

14、对系统节点电压方程进行等效变换，将除同步机节点以外的其余节点进行收缩处理；通过收缩负荷节点至a节点、b节点与pv节点中，得到如下方方程：

15、

16、式中,yaa,ybb,ypv分别表示a节点，b节点，光伏pv节点的自导纳，yab,yap,ybp分别表示a,b,pv节点之间的互导纳,ea,eb,upv分别表示各自节点的电压大小,ia,ib,ipv分别表示各自节点的电流大小；

17、通过之前的等效在推导时可将光伏等效为并联导纳模型，经过转化以后，光伏并网节点类型相当于由发电机节点转为无源负荷节点，同时会带来光伏节点自导纳的变化；

18、ypv'＝ypv+ypv   (2)

19、原来的节点方程将为转化为：

20、

21、为计算光伏接入后的同步机电磁功率变化，对上式进行收缩变换，消去等效后注入电流为0的量，则得到光伏接入后的节点导纳该变量；

22、

23、

24、节点注入功率方程求出含光伏机组的同步机输出的电磁功率；

25、pe1＝e12g11+e1e2b12cosδ+e1e2g12sinδ   (6)

26、pe2＝e22g22+e1e2b12cosδ-e1e2g12sinδ   (7)

27、在此基础上，据扩展等面积定则的变换原则，将原双机系统等值为单机无穷大系统，并列写出系统的等效转子运动方程：

28、

29、

30、式中，ma,mb表示的时a,b同步机的惯量大小，pm表示的时同步及的机械功率大小，pe表示的是同步机的电磁功率大小，δ表示的是同步机间的功角差。

31、进一步的，步骤s3具体如下：

32、根据节点注入功率的方程可得光伏机组接入带来的电磁功率变化：

33、δpe＝e12δg11+e1e2δb12cosδ+e1e2δg12sinδ＝e12δg11   (10)

34、光伏接入比例为火电替代比例，即在发电量不变的情况下，光伏比例的增加/减小时分别通过减少/增加相对应比例的火电来维持系统发用电平衡，则光伏在系统中接入比例不同时，系统总的转动惯量及稳态时输入的同步机机械功率也会因此而变化；同时同步机组暂态时的电磁功率也受光伏机组暂态输出功率的影响，而光伏机组在故障期间输出的功率除低电压穿越特性有关外，与接入比例也呈正比关系；

35、令无光伏机组接入时的同步机a的惯量和输出机械功率分别为ma0,pm0,a,则当光伏机组介入比例为k时，光伏机组输出有功功率ppv为：

36、ppv＝kpm0,a   (11)

37、此时的同步机a的惯量和输出机械功率分别减小为：

38、

39、计算出等效单机系统总的的转动惯量和机械功率；

40、

41、设光伏机组正常运行时输出的有功、无功功率分别为pepv,qepv，故障期间光伏机组输出的有功，无功功率分别为pf,qf则故障期间光伏机组单台机组输出的有功和无功功率分别为：

42、

43、带入光伏机组等效接地导纳的式子，从而得出系统故障期间接入比例为k时的等效节点自导纳变为

44、

45、此时将含有光伏接入比例参数的等效导纳模型代入电磁功率变化量δpe*进行整理:

46、

47、经过计算可得关于δpe*的详细表达式：

48、

49、式中，e1为节点a的电压大小，u为光伏机组并网节点的电压大小，s为节点网络参数，pf,qf为光伏机组在故障期间的输出有功，无功功率；

50、

51、根据扩展等面积定则，电力系统的暂态稳定性可用系统等值功角的运动情况来反映；而等值功角的运动特性一方面由其系统中折算出的等效系统机械/电磁功率决定；另一方面，其变化又与系统等值惯量有关；

52、

53、进一步的，步骤s4具体如下：

54、通过eeac来判定暂态功角的稳定性变化，当光伏机组接入比例k变化时，会带来电磁功率δpe的变化，进而影响到加速面积和减速面积的增减，从而影响到功角稳定性的变化；δpe>0时，加速面积减小，减速面积增大，说明功角稳定性增强；δpe＞0δpe<0时，加速面积增大，减速面积减小，说明功角稳定性减弱；

55、根据电磁功率变化量的式子可看出δpe与光伏替代比例k之间存在非线性关系，涉及到的参数包括光伏接入位置、故障时的有功、无功输出能力以及网络拓扑参数；

56、功角稳定性整体呈现一个先增强后减弱的趋势；当δpe与k呈正相关，此时随着k的增加使得加速面积减小，减速面积增大，增强系统的功角稳定行；反之当δpe随着k的增加而减小时，则恶化系统的功角稳定性；

57、通过分析不同光伏接入比例下系统加速面积的变化可得到风电接入比例对系统暂态稳定性的影响规律，此时简化δpe的式子为：

58、

59、式中:

60、

61、则可通过求导以此求得功角加速度关于k的偏导数：

62、

63、此时令偏导数等于0，可求得：

64、

65、此时可知，在0＜k1＜k的范围内，随着k的增加使得加速面积减小，减速面积增大，增强系统的功角稳定性；当k＜k1＜1，随着k的增加而减小时，则恶化系统的功角稳定性；

66、因此，考虑系统暂态稳定性的最佳光伏接入比例，可为系统中新能源的规划配置提供理论指导。

67、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

68、本方案其中一个有益效果在于，通过将光伏等值为接地导纳模型和对节点导纳矩阵的收缩，通过扩展等面积法则分析光伏接入后的电磁功率变化判断系统稳定性的影响，推导出了光伏接入后电磁功率与光伏接入比例的关系表达式，并以此确定了最有利于电力系统稳定性的最佳光伏接入比例。