一种基于出力拓扑优化的新能源场站宽频振荡稳定性提高方法及系统

本发明涉及新能源并网系统稳定性分析与运行优化，尤其涉及一种基于出力拓扑优化的新能源场站宽频振荡稳定性提高方法及系统。更具体地，本发明涉及新能源机组多工况宽频阻抗建模、新能源场站等效阻抗计算、基于广义奈奎斯特稳定判据的宽频振荡稳定性评估，以及在给定有功功率调度指令下，以新能源场站整体增益裕度为优化目标，对场站内新能源机组的投切状态和出力配置进行优化。

背景技术：

1、随着光伏发电、风力发电等新能源的大规模并网，电力系统中电力电子设备的占比不断提高，电力系统逐渐呈现高比例新能源和高比例电力电子设备的运行特征。与传统同步发电机相比，并网逆变器的惯量和阻尼特性较弱，并且并网逆变器控制环节、滤波环节、集电线路、升压变压器以及外部电网之间存在多时间尺度动态耦合，容易引发次同步振荡、中高频振荡及其他宽频振荡问题。

2、现有提高新能源并网系统宽频振荡稳定性的技术主要包括：修改并网逆变器内部控制结构或控制参数，以改善并网逆变器的阻抗特性；或者在新能源场站、公共耦合点及输电线路中增加附加阻尼装置，以抑制特定频段的振荡。

3、但是，对于已投入运行的大规模新能源场站，商业化新能源机组的控制算法和关键控制参数通常已经固化，场站运行人员难以直接修改新能源机组内部控制结构。同时，配置附加阻尼装置会增加新能源场站的建设成本、改造成本和运行维护成本，且附加阻尼装置通常针对特定振荡模式设计，当场站拓扑、机组运行工况或外部电网强度发生变化时，其适用范围可能受到限制。

4、新能源场站通常包括多台新能源机组，各新能源机组经多条集电馈线汇流后，通过升压变压器接入公共耦合点。即使新能源场站的总有功出力保持不变，不同新能源机组的投切组合以及各新能源机组在不同运行工况下的出力配置，也会改变新能源场站的等效宽频阻抗，进而改变新能源场站与外部电网之间的阻抗交互特性。

5、现有技术通常依据新能源机组距公共耦合点的远近、线路损耗或机组可用功率确定机组投运顺序，未充分考虑不同出力拓扑对新能源场站宽频振荡稳定裕度的影响，也未将场站总有功出力要求、单个新能源机组稳定性以及馈线载流能力共同纳入场站出力拓扑优化模型。

6、因此，需要提供一种在不改变新能源机组内部控制结构、不额外配置附加阻尼设备的情况下，利用新能源场站现有的机组投切和出力调节能力，提高新能源场站宽频振荡稳定性的方法。上传的资料提出了以场站整体增益裕度为目标，在功率平衡、单机稳定性和馈线载流能力约束下，利用遗传算法获得最优出力拓扑的总体方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于解决现有新能源场站宽频振荡稳定性提高方案需要修改新能源机组内部控制参数、增加附加阻尼装置，以及未考虑机组投切组合对场站等效宽频阻抗影响的问题，提供一种基于出力拓扑优化的新能源场站宽频振荡稳定性提高方法及系统。

2、本发明在给定新能源场站有功功率调度指令的条件下，将新能源机组的投切状态和出力配置作为出力拓扑决策变量，通过计算不同候选出力拓扑对应的场站等效阻抗和场站整体增益裕度，求取兼顾场站整体稳定性、单机稳定性、功率平衡和馈线载流能力的最优出力拓扑。

3、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供一种基于出力拓扑优化的新能源场站宽频振荡稳定性提高方法，包括以下步骤：

5、s1，获取新能源场站的场站拓扑数据、各新能源机组的运行工况数据、外部电网阻抗、上级调度下发的场站有功功率指令以及各馈线的额定运行参数，并建立各新能源机组在不同运行工况下的宽频阻抗模型。

6、s2，将各新能源机组的投切状态和出力配置作为出力拓扑决策变量，针对由出力拓扑决策变量形成的候选出力拓扑，根据各新能源机组的宽频阻抗模型、场站拓扑数据以及各新能源机组的投切状态，建立新能源场站的节点导纳矩阵，并根据节点导纳矩阵确定新能源场站在公共耦合点处的场站等效阻抗。

7、s3，根据外部电网阻抗与场站等效阻抗构建系统阻抗比矩阵，利用广义奈奎斯特稳定判据确定系统阻抗比矩阵的特征值奈奎斯特曲线，并根据特征值奈奎斯特曲线与负实轴的交点计算候选出力拓扑对应的场站整体增益裕度。

8、s4，以场站整体增益裕度相对于预设增益裕度目标区域的偏差最小为优化目标，以新能源场站的总有功出力满足场站有功功率指令、各投入运行的新能源机组保持稳定以及各馈线满足载流能力要求为约束条件，建立新能源场站出力拓扑优化模型。

9、s5，采用遗传算法对新能源场站出力拓扑优化模型进行求解，获得满足约束条件且对应优化目标值最优的新能源场站最优出力拓扑方案，并按照最优出力拓扑方案确定各新能源机组的投切状态和出力配置。

10、进一步地，新能源机组包括光伏发电机组和风力发电机组中的至少一种。

11、进一步地，根据新能源机组并网端口的电压扰动响应和电流扰动响应，采用黑箱辨识方式、灰箱辨识方式或数据与模型融合的辨识方式，建立新能源机组在不同运行工况下的宽频阻抗模型。

12、进一步地，所述不同运行工况至少包括不同有功出力水平对应的运行工况，还可以包括不同无功功率、公共耦合点电压、外部电网强度或控制模式对应的运行工况。

13、进一步地，第

i台新能源机组在频率

f处的dq坐标系阻抗矩阵为：

14、（1）

15、第

i台新能源机组在频率

f处的dq坐标系导纳矩阵为：

16、（2）

17、其中，、、和分别为第

i台新能源机组的阻抗矩阵元素，、、和分别为第

i台新能源机组的导纳矩阵元素。

18、进一步地，第

i台新能源机组接入新能源场站后的等效导纳为：

19、（3）

20、其中，为第

i台新能源机组在时刻

t的投切状态变量，且：；

21、当时，表示第

i台新能源机组投入运行；当时，表示第

i台新能源机组切除。

22、进一步地，将公共耦合点对应的节点作为外部端口节点，将新能源场站中的其余节点作为内部节点，按照外部端口节点和内部节点对新能源场站的节点导纳矩阵进行分块，得到：

23、（4）

24、其中，和分别为公共耦合点的端口电流向量和端口电压向量；和分别为内部节点注入电流向量和内部节点电压向量；、、和为节点导纳矩阵的分块矩阵。

25、在内部节点无独立外部注入电流的情况下，令，通过网络约简得到新能源场站在公共耦合点处的场站等效导纳：

26、（5）

27、新能源场站在公共耦合点处的场站等效阻抗为：

28、（6）

29、进一步地，建立新能源场站并网系统的阻抗等效模型，将外部电网等效为外部电网阻抗，并将新能源场站等效为场站等效阻抗。

30、外部电网阻抗与场站等效阻抗构成的系统阻抗比矩阵为：

31、（7）

32、其中，

s为拉普拉斯复变量；为系统阻抗比矩阵。

33、计算系统阻抗比矩阵的各特征值：

34、（8）

35、其中，为系统阻抗比矩阵的第

k个特征值，表示提取矩阵的第

k个特征值。

36、根据广义奈奎斯特稳定判据绘制各特征值对应的奈奎斯特曲线。当所有特征值奈奎斯特曲线均不包围复平面上的临界点时，判定新能源场站并网系统稳定；当至少一条特征值奈奎斯特曲线按照不满足稳定条件的方式包围临界点时，判定新能源场站并网系统存在失稳风险。

37、在特征值奈奎斯特曲线上搜索虚部为零且位于负实轴上的交点，将对应交点实部中的最小值确定为负实轴交点值，即：

38、（9）

39、其中，为角频率；表示取实部；表示取虚部。

40、场站整体增益裕度按照下式计算：

41、（10）

42、当时，表示负实轴交点位于临界点的右侧，对应新能源场站并网系统稳定；当时，表示负实轴交点越过临界点，对应新能源场站并网系统不稳定；越大，表示新能源场站的宽频振荡稳定裕度越大。

43、进一步地，将新能源场站的运行状态划分为增益裕度目标区域、振荡风险预警区域和不稳定区域。增益裕度目标区域由预设的增益裕度下限和增益裕度上限确定；振荡风险预警区域对应增益裕度大于零但低于预设增益裕度下限的运行状态；不稳定区域对应增益裕度小于零的运行状态。

44、设负实轴交点目标区间为：；其中，为负实轴交点目标区间的下限，为负实轴交点目标区间的上限。所述负实轴交点目标区间与增益裕度目标区域具有如下对应关系：

45、（11）

46、（12）

47、其中，和分别为增益裕度目标区域的下限和上限。

48、候选出力拓扑相对于负实轴交点目标区间的偏差为：

49、（13）

50、由此构建新能源场站出力拓扑优化模型的目标函数：

51、（14）

52、当位于负实轴交点目标区间内时，；当位于负实轴交点目标区间外时，通过目标函数驱动候选出力拓扑对应的负实轴交点向目标区间移动。

53、在其他实施方式中，也可以直接以场站整体增益裕度最大作为优化目标，或者以场站整体增益裕度与预设目标增益裕度之间的偏差最小作为优化目标。

54、进一步地，新能源场站的功率平衡约束为：

55、（15）

56、其中，

n为新能源场站内新能源机组的总数量；为第

i台新能源机组在候选出力配置下的有功出力；为上级调度下发的场站有功功率指令。

57、当考虑新能源机组的可调出力范围时，还满足：

58、（16）

59、其中，和分别为第

i台新能源机组投入运行时允许的最小有功出力和最大有功出力。当第

i台新能源机组切除时，。

60、进一步地，对每一台投入运行的新能源机组分别建立单机阻抗比矩阵，计算其特征值奈奎斯特曲线与负实轴的交点值，并设置单机稳定性约束：

61、（17）

62、其中，为第

i台新能源机组对应的单机阻抗比矩阵特征值奈奎斯特曲线与负实轴的交点值。

63、进一步地，第

l条馈线的载流能力约束为：

64、（18）

65、其中，为接入第

l条馈线的新能源机组集合；为第

i台新能源机组的额定视在功率；为第

l条馈线的额定线电压；为第

l条馈线允许长期通过的最大电流。

66、当接入同一馈线的新能源机组具有相同的额定视在功率

s时，第

l条馈线允许投入的同型新能源机组最大数量为：

67、（18）

68、对应的馈线载流能力约束简化为：

69、（19）

70、其中，表示向下取整运算。

71、综合上述目标函数和约束条件，新能源场站出力拓扑优化模型表示为：

72、

73、]

74、（21）

75、

76、

77、其中，s为由各新能源机组投切状态变量构成的状态向量；p为由各新能源机组有功出力构成的出力向量；

l为新能源场站内馈线的数量。

78、进一步地，采用遗传算法对新能源场站出力拓扑优化模型进行求解。每一个候选个体对应一种新能源场站出力拓扑方案，候选个体至少包括表示各新能源机组投切状态的二进制基因。

79、当新能源机组的有功出力由预设工况确定时，染色体可以表示为：

80、（22）

81、当新能源机组的有功出力可在预设范围内调节时，染色体还包括各新能源机组的出力基因，表示为：

82、（23）

83、对每一个候选个体，按照对应的新能源机组投切状态和出力配置调用各新能源机组相应运行工况下的宽频阻抗模型，计算新能源场站的节点导纳矩阵、场站等效阻抗、系统阻抗比矩阵、负实轴交点值和场站整体增益裕度，并计算目标函数值。

84、对不满足功率平衡约束、单机稳定性约束或馈线载流能力约束的候选个体施加罚函数，得到候选个体的适应度评价值。例如，带罚函数的评价函数为：

85、（24）

86、其中，为带罚函数的评价函数；、和分别为功率平衡约束、单机稳定性约束和馈线载流能力约束对应的罚系数；、和分别为对应约束的违反程度。

87、功率平衡约束的违反程度可以表示为：

88、（25）

89、单机稳定性约束的违反程度可以表示为：

90、（26）

91、馈线载流能力约束的违反程度可以表示为：

92、（27）

93、遗传算法通过选择操作保留适应度较高的候选个体；通过交叉操作交换不同候选个体的部分基因，以组合不同出力拓扑方案的优良特征；通过变异操作改变至少一个新能源机组的投切状态或者出力配置，以增加种群多样性并降低算法陷入局部最优解的概率。

94、当达到最大迭代次数、连续预设代数的最优适应度变化量小于预设阈值，或者已经获得满足增益裕度目标区域及全部约束条件的候选个体时，终止遗传算法，并将适应度最优的候选个体确定为新能源场站最优出力拓扑方案。

95、第二方面，本发明提供一种基于出力拓扑优化的新能源场站宽频振荡稳定性提高系统，包括数据获取模块、阻抗建模模块、稳定性评估模块、优化模型构建模块、拓扑优化模块和拓扑执行模块。

96、数据获取模块用于获取新能源场站的场站拓扑数据、各新能源机组的运行工况数据、外部电网阻抗、场站有功功率指令以及各馈线的额定运行参数。

97、阻抗建模模块用于建立各新能源机组在不同运行工况下的宽频阻抗模型，并针对候选出力拓扑建立新能源场站的节点导纳矩阵以及确定新能源场站在公共耦合点处的场站等效阻抗。

98、稳定性评估模块用于构建外部电网阻抗与场站等效阻抗的系统阻抗比矩阵，根据系统阻抗比矩阵的特征值奈奎斯特曲线计算场站整体增益裕度。

99、优化模型构建模块用于以场站整体增益裕度相对于预设增益裕度目标区域的偏差最小为优化目标，并以场站总有功出力、单机稳定性和馈线载流能力为约束条件，建立新能源场站出力拓扑优化模型。

100、拓扑优化模块用于采用遗传算法求解新能源场站出力拓扑优化模型，获得新能源场站最优出力拓扑方案。

101、拓扑执行模块用于根据新能源场站最优出力拓扑方案确定各新能源机组的投切状态和出力配置，并向新能源场站的场站控制器或新能源机组控制器输出对应的投切指令和出力设定值。

102、本发明的有益效果在于：

103、（1）本发明不需要修改商业化新能源机组内部的控制结构和控制参数，而是利用新能源场站现有的机组投切和出力调节能力改善场站等效宽频阻抗，降低对新能源机组控制器开放程度的要求，适用于已投运新能源场站的稳定性提升。

104、（2）本发明无需额外配置附加阻尼装置，能够降低新能源场站进行宽频振荡治理时的硬件改造成本、建设成本和运行维护成本。

105、（3）通过建立新能源机组多工况宽频阻抗模型，并针对每一种候选出力拓扑重新计算新能源场站的节点导纳矩阵和场站等效阻抗，能够反映机组投切状态、机组出力水平、馈线连接关系以及外部电网阻抗对新能源场站宽频振荡稳定性的共同影响。

106、（4）采用场站整体增益裕度量化新能源场站的宽频振荡稳定水平，并将场站总有功出力约束、单机稳定性约束和馈线载流能力约束共同纳入出力拓扑优化模型，避免仅提高场站整体稳定裕度而导致局部机组失稳、调度功率不满足要求或者馈线过载。

107、（5）采用遗传算法对新能源机组投切状态对应的离散组合优化问题进行求解，适用于目标函数非线性、非凸和不可导的新能源场站出力拓扑优化问题，能够在较大的候选拓扑空间中搜索稳定裕度较高的出力拓扑方案。

108、（6）能够在新能源场站总有功出力保持不变的条件下，仅通过改变投入运行的新能源机组组合和各新能源机组的出力配置，提高新能源场站整体增益裕度，从而提高新能源场站宽频振荡稳定性。

109、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。