新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與小擾動(dòng)穩(wěn)定分析

任健銘

【摘要】：電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到各種不確定性因素的影響，如負(fù)荷的波動(dòng)、系統(tǒng)元件參數(shù)的變化、線路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等。尤其是風(fēng)力發(fā)電新能源的接入，由于風(fēng)速、風(fēng)向具有隨機(jī)性和不確定性，其作為一種擾動(dòng)注入電力系統(tǒng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大影響?；ヂ?lián)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各種隨機(jī)擾動(dòng)也愈加頻繁，都會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】：新能源電力；運(yùn)行；小擾動(dòng)穩(wěn)定

1、新能源電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析動(dòng)態(tài)

伴隨著風(fēng)電、光伏等新能源電源得快速發(fā)展，一方面，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、潮流等將會(huì)發(fā)生重大改變，對(duì)電力系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響；另一方面，新能源電源自身的波動(dòng)性、隨機(jī)性以及相關(guān)聯(lián)的電力電子變化裝置，均使得新能源電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性呈現(xiàn)出了新的特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)新能源電力系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性做了大量研究。

2、小干擾穩(wěn)定性分析方法

2.1確定性分析方法

2.1.1特征值分析法

首先建立電力系統(tǒng)的模型，然后在平衡點(diǎn)處作線性化處理，并用狀態(tài)方程形式表示電力系統(tǒng)的線性模型，得到系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣求出其狀態(tài)矩陣的特征值和特征向量，進(jìn)而依照前面的小干擾穩(wěn)定性分析判據(jù)判斷出小干擾作用下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它是以線性系統(tǒng)理論與李亞普諾夫第一定理為理論依據(jù)，難點(diǎn)在于建立電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模龐大時(shí)狀態(tài)矩陣大且不易求取，要求狀態(tài)矩陣非奇異。特征值分析法可用于系統(tǒng)振蕩模式和阻尼特性的研究、阻尼控制器安裝地點(diǎn)確定和參數(shù)優(yōu)化及電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析等方面。

2.1.2時(shí)域分析法

時(shí)域仿真分析屬于直接法，首先建立電力系統(tǒng)各個(gè)元件的數(shù)學(xué)模型從而得到整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后采用適當(dāng)?shù)姆抡嫠惴ㄇ蟪鲭娏ο到y(tǒng)在小干擾作用隨時(shí)間變化的軌跡曲線，可直觀反映出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此方法積分速度慢，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)計(jì)算工作量大，適用于任何電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。如果電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的元件數(shù)學(xué)模型足夠準(zhǔn)確，并且選取適當(dāng)?shù)姆抡嫠惴▽?duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域仿真，那么可得到系統(tǒng)運(yùn)行的真實(shí)曲線。

2.1.3 頻域分析法

頻域分析法是在頻域或復(fù)域內(nèi)進(jìn)行電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析。首先確定在小干擾作用下系統(tǒng)的輸入量和輸出量，然后建立起系統(tǒng)頻域數(shù)學(xué)模型得到系統(tǒng)的頻率特性，判斷電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；或在復(fù)域內(nèi)得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)求出傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，根據(jù)其極點(diǎn)分布利用穩(wěn)定性分析原理以多變量Nyquist穩(wěn)定準(zhǔn)則來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種方法，適用于大規(guī)模電力系統(tǒng)，可用于電力系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性分析。

2.2 概率性分析方法

由于間歇性電源大量接入電力系統(tǒng)，增加了大量隨機(jī)干擾，但確定性方法不能客觀反映系統(tǒng)各種小干擾的本質(zhì)及小擾動(dòng)后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和整體水平。電力系統(tǒng)小擾動(dòng)概率穩(wěn)定分析方法從統(tǒng)計(jì)角度根據(jù)主要隨機(jī)因素的統(tǒng)計(jì)特征來(lái)確定系統(tǒng)小擾動(dòng)作用下系統(tǒng)穩(wěn)定性的概率特性。影響系統(tǒng)小擾動(dòng)功角穩(wěn)定性的主要隨機(jī)因素包括元件參數(shù)、負(fù)荷水平、發(fā)電方式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。概率性分析方法一般分為解析法和蒙特卡羅法兩大類(lèi)。

2.3小干擾穩(wěn)定裕度分析方法

2.3.1直接法

直接法先構(gòu)建電力系統(tǒng)的拓展模型，通過(guò)求解非線性方程組得到系統(tǒng)崩潰點(diǎn)參數(shù)，從而得到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。直接法需要計(jì)算系統(tǒng)崩潰點(diǎn)，計(jì)算工作量大，非線性系統(tǒng)初值的選擇會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，選擇不當(dāng)會(huì)使算法發(fā)散或收到到無(wú)意義的物理解。因此，實(shí)際研究中大多以蒙特卡洛法為主。

2.3.2能量函數(shù)法

能量函數(shù)法通過(guò)采用Lyapunov方法直接估算動(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，可避免直接法的大量計(jì)算。系統(tǒng)運(yùn)行中影響穩(wěn)定性的因素很多，要考慮選取對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用的特征，來(lái)構(gòu)造適當(dāng)?shù)哪芰亢瘮?shù)計(jì)算出狀態(tài)空間中的能量勢(shì)阱，得到能量勢(shì)阱的邊界從而估計(jì)系統(tǒng)受到小干擾后的穩(wěn)定域，表明系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)與系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)點(diǎn)之間的距離，以此來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定度量。

2.3.3分岔理論

分岔理論是分析非線性問(wèn)題的理論方法，主要研究系統(tǒng)因參數(shù)改變引起解的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的變化過(guò)程。假設(shè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程表示如下：

其中x表示狀態(tài)向量，υ表示參數(shù)向量。

若（x0，υ0）為動(dòng)態(tài)方程的一個(gè)解，則在參數(shù)向量υ0作用下系統(tǒng)處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，由于系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用，參數(shù)向量發(fā)生變化，則方程的平衡點(diǎn)數(shù)目會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)也可能會(huì)發(fā)生變化，甚至引起系統(tǒng)失穩(wěn)，此過(guò)程稱為分岔，這些產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生變化的臨界參數(shù)所對(duì)應(yīng)的平衡點(diǎn)稱為分岔點(diǎn)。

分岔理論包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。靜態(tài)分岔指平衡點(diǎn)的數(shù)目和穩(wěn)定性隨參數(shù)變化而變化，如鞍節(jié)分岔SNB。鞍節(jié)分岔指參數(shù)達(dá)到分岔點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)和不穩(wěn)定平衡點(diǎn)重合；如果參數(shù)再增大系統(tǒng)的平衡點(diǎn)消失，電壓崩潰系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)雅可比矩陣有一個(gè)零特征值。若分岔參數(shù)取恒功率負(fù)荷時(shí)，SNB點(diǎn)對(duì)應(yīng)PU或QU曲線的拐點(diǎn)，系統(tǒng)傳輸功率達(dá)到最大值。動(dòng)態(tài)分岔是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)界定穩(wěn)定性，如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，任何一個(gè)小干擾都會(huì)破壞系統(tǒng)的軌線拓?fù)洹?dòng)態(tài)分岔分為局部分岔和整體分岔兩類(lèi)。局部分岔又稱平衡點(diǎn)分岔，由于平衡點(diǎn)類(lèi)型改變而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化，典型的有霍普夫分岔Hopf、閉軌分岔等非雙曲平衡點(diǎn)?；羝辗蚍植硐到y(tǒng)處于平衡點(diǎn)，如果出現(xiàn)干擾系統(tǒng)呈現(xiàn)周期振蕩或者振幅不斷加大而導(dǎo)致最終失穩(wěn)，霍普夫分岔點(diǎn)的雅可比矩陣特征值位于虛軸上。

結(jié)語(yǔ)

隨著多種新能源接入電力系統(tǒng)，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，各種小干擾作用到電力系統(tǒng)中影響其運(yùn)行穩(wěn)定性。本文從小干擾電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法、穩(wěn)定域的分析方法幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述，其中小干擾穩(wěn)定域的研究還處于起步階段；小擾動(dòng)穩(wěn)定分析大都運(yùn)用特征值分析法，需要建立電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，而電力系統(tǒng)元件龐雜，建立較為精確的系統(tǒng)模型實(shí)屬不易，可將智能方法引入到小干擾穩(wěn)定性分析中。另外特征值分析大中型電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型都要選擇合適的降階方法進(jìn)行降維處理。現(xiàn)有的小擾動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定研究大都使用離線分析的方法，開(kāi)展在線小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析也是以后進(jìn)一步研究小干擾穩(wěn)定性的方向。

【參考文獻(xiàn)】：

[1]谷玉寶，宋墩文，李月喬.風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響綜述[J].智能電網(wǎng)，2016（01）：45-47.