评估新能源多场站送出系统静态电压稳定的裕度比指标研究

风电、光伏等新能源场站远距离、大规模的并网,导致场站并网点电压稳定较弱,严重制约电力系统的安全稳定运行。为此,该文提出一种能够评估新能源多场站送出系统静态电压稳定性的裕度比(static voltage stability margin ratio,SVSMR)指标。该指标根据不同场站送出功率的分配对多场站送出系统进行电抗拆分,基于单点静态电压稳定极限公式,解析推导出多场站送出系统静态电压稳定功率极限,进而得到适应新能源多场站接入场景的SVSMR指标。该指标是多点静态电压稳定功率极限的解析表达,直观体现了短路容量、新能源功率和不同新能源间电气距离对静态电压稳定性的影响,同时能够反映系统不同功率增长方式下静稳极限的变化。最后,使用PSD-BPA对所提指标进行了时域仿真验证,算例结果表明SVSMR可以准确衡量新能源多场站送出系统的静态电压稳定性及稳定裕度变化。

电网的分散负荷安全域及其应用(二):线路静态失稳的边界-本质-形态及负荷安全域的稳定裕度

交流线路承载的静态稳定边界问题一直悬而未决。负荷安全域可约束线路压差、维持多级电网电压安全水平,但稳定裕度未知。传统静态功角稳定与电压稳定的概念、机理及分析方法都不相同。研究发现,针对线路两种静态稳定可形成统一的概念、机理,而全网静态稳定的充要条件是每条支路都满足静态稳定。基于线路的复变量状态方程,得到末端的复功率-电压(即P_(j)-Q_(j)-U_(j))、复功率-功角(即P_(j)-Q_(j)-θ_(ij))的独立方程;通过可解条件分析、偏导证明,得到唯一的P_(j)-Q_(j)稳定边界及其特征,证明两种失稳的同质性;通过解析几何分析,推导U_(j)和θ_(ij)的稳定边界及其特征,得到符合实际情况的失稳形态解释。基于P_(j)-Q_(j)稳定边界,提出线路负荷安全域的稳定裕度指标以及电压安全水平的修正方法。理论验证基于首端参考系线路模型分析的可行性,提出电网上下级拓扑的稳定域匹配方法。最后,基于状态可观性判据、方程独立性以及平衡点生成原理,分析线路功-角特性的局限性。算例表明,所提的稳定边界、稳定域匹配方法都与PSASP程序收敛性结果吻合。在新能源大量接入导致线路潮流波动性大的背景下,该研究更具理论价值及现实意义。

基于公式化限额和最小裕度最大化的电网热稳定限额计算

编制热稳定控制限额是电网调度控制中心的重要工作,也是保障电网安全运行的重要手段。针对新能源大规模并网后潮流不确定性大导致热稳定限额制定难度增大的问题,以预想故障分析为基础计算潮流转移关系并建立电网安全约束,进而提出了基于公式化限额和最小裕度最大化的三阶段电网热稳定限额计算方法,实现了热稳定限额的批量自动计算。第1阶段对输电通道限额进行初始化,第2阶段对故障后易过载的通道按照故障后不超瓶颈设备短时载流能力制定公式化限额要求,第3阶段对转移关系约束存在耦合的通道集合逐次按最小裕度最大化原则计算通道控制限额。对输电资源紧张的通道同时采用公式化限额和通道控制限额要求可以减小保守性,充分释放通道输电能力;对其余通道只采用通道控制限额要求,可减少并简化控制要求。以某区域电网2023年夏季高峰运行方式为例,限额自动计算结果与稳定规程的一致性较好,验证了所提方法的有效性。

考虑新能源高阶不确定性的交直流混联电网静态电压稳定裕度计算

随着大量新能源场站接入交直流混联电网,系统的静态电压稳定裕度(static voltage stability margin,SVSM)水平具有很大的不确定性,需要研究考虑新能源场站高阶不确定性的交直流混联电网SVSM计算方法。针对此问题,首先建立了交直流混联电网SVSM计算模型,模型中考虑了直流换流站控制方式随负荷增长的切换;采用概率盒模型描述风速与光照强度的随机波动,提出了改进区间半不变量法以获得更准确的SVSM概率盒,该方法通过K-means++聚类算法将随机变量样本划分为多个波动范围较小的样本集,以降低半不变量的线性化计算带来的误差;并结合Gram-Charlier级数展开和概率加权和计算得到考虑新能源场站高阶不确定性的系统SVSM概率盒。通过对修改的IEEE-39节点交直流系统和南方电网两个算例的分析,并与区间半不变量法和双层蒙特卡洛法比较,验证了所提出方法获得的SVSM概率盒具有较高的计算精度和效率。

基于裕度因子的多风电场站集群频率协调控制策略

为提升高比例电力电子装备电力系统的涉网频率性能,提出了一种基于裕度因子的多风电场站集群频率协调控制方法。对于多风电场站集群系统一次调频功率的分配问题,综合考虑转子转速及变流器容量运行条件后,利用等比例裕度因子的一次调频功率分配方法,将有功功率指令下发给各风电场站。针对各风电场站中虚拟惯量、虚拟阻尼系数的制定问题,研究了一种基于可释放动能的频率调节参数分区设置方法。将各风电场站运行状态通过频率响应的变化趋势进行分区,并在此基础上结合可用调频动能对频率调节参数进行合理灵活的设置。仿真结果表明所提方法充分利用了各风电场站的调频资源,提高了高比例电力电子装备电力系统的频率稳定性,为新型电力系统的频率安全性提供了相应的技术保障。

基于暂态稳定裕度灵敏度的多直流送出能力提升控制方法

多直流送端系统内某一直流线路发生闭锁故障后,可以通过对其他非故障直流进行紧急功率支援(emergency DC power support,EDCPS)控制来提升系统受扰后的稳定性。如何有效量化EDCPS对系统稳定性的改善效果,从而提高安稳控制的效率,目前缺少相应的指标;现有研究也尚未解决如何利用EDCPS最大程度提升多直流综合送出能力的问题。应用扩展等面积法(extended equal area criterion,EEAC)定量分析了EDCPS提升多直流送端系统暂态稳定性的机理;以两送出直流系统为例,推导了基于EEAC的暂态稳定裕度η对EDCPS的灵敏度公式;在此基础上,提出一种在不增加相关设备投入的前提下利用系统中现有稳控措施并结合暂态稳定裕度灵敏度的多直流送出能力提升控制方法,通过计算备选直流的暂态稳定裕度灵敏度,可以完整反映系统在遭受大扰动后的动态特性以及定量评估EDCPS对系统受扰后稳定性的改善效果,避免过去仅凭运行人员经验选取支援直流的问题,提高计算效率;最后,选取西北电网实际算例对所提出的多直流送出能力提升控制方法有效性进行仿真验证,以期为从事交直流混联电力系统稳定性分析与控制的学者和工程师们提供有益的参考。

二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度研究

为了研究内收缩比和来流马赫数对二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度的影响规律及失稳机制,采用二维非定常仿真方法研究了内收缩比(ICR)为1.04~1.25的进气道在来流马赫数Ma0为2.4的条件下,以及内收缩比为1.08的进气道在来流马赫数为2.2~2.8条件下,其由稳态向失稳状态转变的过程。研究结果表明:(1)当Ma0=2.4时,在1.04≤ICR≤1.12内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度ζ减小;1.16≤ICR≤1.25内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度增大。(2)在内收缩比为1.08的条件下,马赫数变化引起的分离激波角和分离包再附压升两个关键因素变化共同主宰着进气道亚临界稳定裕度的变化趋势。(3)总体上,根据稳定亚临界初始状态的三相点无量纲高度?b是否大于1可将进气道的亚临界稳定裕度变化情形分为两类,当?b<1时,ζ随着?b的增加而减小;当?b> 1时,ζ随着?b的增加而增加。

阻抗模裕度指标在新能源多馈入系统静态电压稳定评估的适应性分析

集中送出的新能源场站大多位于电网末端,随着其有功出力的增加,易出现静态电压失稳。该文将传统的阻抗模指标的应用对象由负荷推广至新能源场站,丰富了该指标在静态电压稳定评估方面的适用性场景,包括含无功补偿的新能源系统、新能源集群馈入系统、以及新能源多机多馈入系统。具体地,首先,分析新能源单馈入系统的临界静态电压稳定条件,并据此给出用于评估新能源场站静态电压稳定性的阻抗模裕度指标及稳定判据;其次,通过将无功补偿设备并入系统阻抗,分析无功补偿对于指标的影响;再次,证明在新能源的集群馈入系统中,公共耦合点(point of common coupling,PCC)的电压失稳将发生在单个新能源场站之前,并据此确定PCC点作为指标的计算节点;之后,为考虑多机多馈入系统中不同新能源场站间的影响,在指标的计算过程中,保留待评估的关键新能源场站,将其他新能源场站等值为阻抗,并入节点阻抗矩阵中,实现方法在多机多馈入系统中的扩展应用。最后,基于PSD-BPA中建立的单机单馈入系统、多机多馈入系统、以及某省实际大电网算例验证指标的有效性。

考虑功率可调节裕度的综合能源系统云边协同优化

区域综合能源系统(RIES)集群协同优化可以实现跨区域能量共享,提高系统的灵活性。针对RIES集群多主体难管控的问题,提出了一种考虑功率可调节裕度的云边协同优化调度模型。首先,对不可控设备和可控设备的可调节能力进行建模,并在此基础上建立RIES主动调节能力综合指标的数学模型;其次,建立能量管理云平台和RIES双层能量优化模型,能量管理云平台以降低整个系统对外部能源需求为目的对区域间能量互济进行调控;然后,引入交替方向乘子法对模型进行求解,协调能源信息交互;最后,通过云边协同优化方法对RIES集群运行进行了仿真验证。结果表明:各RIES对内部能量进行优化,实现了低碳经济运行,并提高了系统的功率可调节裕度。由能量管理云平台和RIES协同交互完成的优化过程,提高了RIES集群的自给能力和主动调节能力,减少了系统运行成本和碳排放。

基于全纯嵌入及帕德近似零极点侦测的电压稳定裕度评估算法

针对电力系统电压稳定裕度评估问题,在预测校正框架下,提出了基于全纯嵌入方法以及帕德近似零极点侦测的电压稳定裕度快速计算方法。算法主要步骤包括预测、步长选择、校正、帕德近似及其零极点计算。在预测和步长选择步骤,采用变步长可拓展全纯嵌入法实现其他运行工况下的电压值预测,并基于预测误差分析选择合适步长。在校正步骤,当预测电压达到设定误差限值后采用灵活全纯嵌入对电压进行校正,提升算法的收敛性;最后求取电压幂级数的帕德近似的最小零极点,以实现快速的电压稳定裕度计算。此外,通过预测步骤获得的发电机无功出力的幂级数,可预判发电机无功出力越限,实现节点类型的快速转换。在多个IEEE标准算例中进行测验并与常用的连续潮流方法进行对比,验证了算法的准确性及计算快速性。

考虑储能灵活性裕度的新能源微网智能优化运行方法

推动微网等新形态电网的建设发展,是构建以新能源为主体的新型电力系统、实现双碳目标的重要支撑。该文提出了一种考虑储能灵活性裕度的微网日前智能优化运行方法,以实现对新能源微网经济运行与平抑源荷随机功率波动能力的兼顾。首先,总结了微网中可再生电源、可控电源、储能、柔性负荷等设备的成本模型,并根据储能系统运行特性对现有电力系统灵活性指标进行拓展,提出了考虑充放电功率裕度和荷电状态裕度的储能灵活性裕度指标;然后,以微网日运行成本最低和储能灵活性裕度指标最高为目标,建立了考虑储能灵活性裕度的微网日前多目标优化运行模型;最后,结合混沌理论对非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)进行了改进,并对上述多目标优化问题进行了求解。算例结果表明,所提方法在保障经济运行的同时可有效提高储能的灵活性裕度,降低日内运行时微网与上层电网的联络线功率波动。

高流量裕度离心压气机叶片表面微坑结构研究

压气机工作稳定性对发动机整机的工作稳定性及性能影响有诱导及放大作用,因此要求压气机的流量裕度越宽越好,以适应发动机变工况下的工作稳定性。基于“高尔夫球效应”提出一种在主流叶片吸力面部位分布微坑的新型叶片结构,采用CFX流体动力学软件对某型离心式压气机叶轮流动进行数值模拟,研究在主流叶片吸力面不同部位添加半径为0.25~0.30 mm的微坑结构对结构性能及流量裕度的影响。结果表明:在主流叶片吸力面前缘和尾缘添加微坑可提升流量裕度,当微坑半径为0.30 mm时流量裕度效果最好,分别提升3.01%和3.15%;新结构叶片结构的使用增加了压气机流量裕度,为离心压气机叶轮的设计提供参考依据。

“变电+充电”多功能站的负荷安全裕度评估方法

随着电动汽车快速发展,城市大型充电站的站址愈发紧张,与110 kV或35 kV变电站集成的“变电+充电”多功能站(简称变充电多功能站)可以充分利用已有变电站的空间资源,成为一种可行选择。然而,快速普及的电动汽车-电网互动技术为变充电多功能站的安全评估引入了新的边界条件,传统的变电站负荷裕度评估方法已不再适用。文章提出一种考虑车网互动以及N–1准则的变充电多功能站负荷安全裕度评估方法,首先构建了变充电多功能站的系统安全模型,然后采用降维投影可视化方法,进一步提出变压器负荷安全裕度的指标,最后结合实际电网算例验证方法有效性。本文方法为以变充电多功能站及其所属的城市配电网安全分析提供了理论基础。

基于风-荷典型日聚类的电力系统静态稳定裕度评估

随着新能源占比的提升,在确定电网典型运行方式时,必须考虑风-荷典型日的选取及其波动性对电力系统静态稳定裕度的评估,以保证电网稳定运行。提出一种基于风-荷典型日聚类分析的电力系统静态稳定裕度研究方法;给出了一种基于动态时间弯曲和密度冠层的改进K-means的聚类分析方法来确定风-荷的典型波动特性;采用改进二分法搜索连续潮流法,建立了考虑典型日源荷波动的电力系统静态稳定裕度指标体系,以定量评价并确定风-荷波动对系统稳定性的影响,从而为准确辨识系统薄弱点及确定运行方式提供依据。经修改后的IEEE 39节点系统验证,对比分析了不同典型日、不同风电渗透率下电网静态稳定裕度变化趋势与薄弱点,验证了所提方法的准确性和有效性。

叶顶喷气对跨音速轴流压气机稳定裕度影响的数值研究

为了研究叶顶喷气机匣处理方式对轴流压气机稳定裕度的影响,针对Rotor37开展了叶顶喷气的定常数值研究。相关文献指出,喷嘴出口气流角、喷嘴轴向位置、喷嘴覆盖比率及喷嘴进口总压4个参数对稳定裕度的影响最为显著。因此,本文着重对这四个参数构建响应面,同时结合主流的单通道计算模型,详细分析了它们之间的交互关系及相应的参数变化对压气机稳定性的影响,并拟合出回归方程。结果显示,在最佳参数设置下,单通道计算模型中压气机的稳定裕度最大可以增加8%左右。在此基础上,又对四通道压气机计算模型进行了气动计算与分析,发现叶顶喷气射流会按照与压气机旋转相反的方向作用于相邻的叶片流道,抑制该流道泄漏涡的产生,进而改善该流道内的流动。研究表明,采用叶顶喷气方法可以降低叶片前缘载荷,改变压气机的失速类型,从而增加压气机的稳定裕度。

基于连续潮流模型的直流配电网负荷裕度分析

直流配电网由于能灵活接纳分布式电源和直流负荷,是未来智能配电网的发展趋势。随着直流配电网中负荷需求的不断增加,系统会由于静态电压失稳而崩溃。因此,研究直流配电网的负荷裕度对保障系统安全可靠运行至关重要。文中建立直流配电网的潮流模型,并将含双有源桥DC-DC变换器的潮流模型嵌入到直流配电网潮流模型中,提出了基于连续潮流法的直流配电网负荷裕度计算方法。通过两类典型的拓扑结构的直流配电网仿真,结果表明直流配电网在减小网络损耗和提高供电能力方面明显优于交流配电网,而且DC-DC变换器变比增加有助于负荷裕度提升。

电流裕度控制在多端直流风电并网中的应用

文章构建了多端直流系统的风电并网模型,采用电流裕度控制策略解决电能的稳定问题,利用PSCAD进行仿真验证。当逆变侧换流器发生短路故障时,系统能够快速响应具有故障穿越能力,为今后的风电并网研究提供了参考。

基于累积贡献率和可解释人工智能的静态电压稳定裕度估计特征量筛选方法

利用海量量测数据估计大规模互联电网静态电压稳定裕度时,合理地选择输入量测信号和裕度估计算法是实现高质量裕度估计的基础。提出了一种基于累积贡献率和可解释人工智能的关键特征量筛选方法。给出了基于沙普利值加性解释理论可解释模型的输入特征贡献值量化方法,并依据贡献值大小对特征降序排列;采用基于累积贡献率增量的循环优化过程剔除冗余特征,形成关键特征子集;在系统关键特征优选的基础上,采用轻量梯度提升机算法实现静态电压稳定裕度在线估计。所提方法在保证估计精度的同时,大幅降低初始样本维度,解决特征过拟合问题,有效提升静态电压稳定裕度估计在线性能。基于WECC 3机9节点系统、IEEE 10机39节点系统以及IEEE 300节点系统的仿真分析验证了所提关键特征量筛选方法在电力系统静态电压稳定裕度估计中的有效性。

高比例新能源电力系统静态电压稳定裕度在线概率评估

新能源的随机性、波动性及弱调节特性给电力系统静态电压的安全及稳定性带来了挑战。针对此问题,提出一种考虑源荷双侧不确定性的高比例新能源电力系统静态电压稳定裕度在线概率评估方法。首先,基于新能源无功调节特性与传统机组的差异,分析了大量新能源替代传统机组对稳定裕度的影响。然后,分析了新能源出力不确定性对稳定裕度分布范围的影响,并建立源荷不确定性模型以生成典型场景。最后,为了应对新能源快速波动性给稳定裕度带来的影响,提出基于优化ELM-KDE的稳定裕度在线概率评估方法。利用优化极限学习机(extreme learning machine,ELM)预测典型场景稳定裕度并通过核密度估计(kernel density estimation,KDE)准确获得其概率分布函数。构建了静态电压稳定期望裕度和静态电压稳定风险度两个指标对结果进行表征。分别在New England 39和IEEE300节点系统进行了仿真测试,并将结果与传统蒙特卡洛方法计算结果对比,验证了所提方法的有效性。

考虑新能源不确定波动的交直流混联电网静态电压稳定裕度区间计算

随着新能源发电技术与直流输电技术在大电网中的广泛应用,需要提出含新能源的交直流混联电网静态电压稳定分析方法。为此,该文针对含常规直流输电和多端柔性直流输电的交直流混联电网,采用区间数描述新能源电站出力的不确定波动,建立了交直流混联电网静态电压稳定裕度(static voltage stability margin,SVSM)区间计算的2个双层最优潮流模型,即计算SVSM区间上界的min-min模型和计算SVSM区间下界的max-min模型。计算区间SVSM上界的min-min双层优化模型可直接合并为单层优化模型求解。计算SVSM区间下界的max-min模型需要先通过二阶锥松弛和凸包络松弛等方法将内层模型转化为凸规划模型,并通过对偶优化理论得到内层凸规划模型的对偶规划模型,进而转化为单层优化模型求解。通过对修改后的IEEE-39节点系统和南方电网2个交直流混联电网算例的计算分析,并与蒙特卡洛抽样法和拉丁超立方抽样法的计算结果比较,验证了所提出方法的正确性与高效性。