本发明属于高比例新能源电力系统稳定性判断技术领域，尤其涉及一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法。该方法包括：将电力系统进行简化；建立简化电力系统的节点电压方程；建立消去系统参考节点后的节点电压方程；在节点电压方程基础上消去常规机组部分，得到系统导纳元素与新能源注入功率之间关系式；根据导纳性质与网络变换，推导出系统导纳元素与新能源注入功率之间简化关系式；通过判断简化关系式中变量在复平面的位置，推导出该关系式成立的条件，得到常规电源由新能源替代的最大可替换容量。本发明可准确地推导出新能源替换常规电源后系统失稳的临界条件，快速确定常规电源可由新能源替换的最大容量，具有较高应用价值。
1.一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：将电力系统等效为常规机组节点、新能源机组节点和参考机组节点构成的3节点系统；
步骤2：利用节点电压法，列出3节点电力系统的节点电压方程；
步骤3：利用消元法，得到消去系统参考节点后的节点电压方程；
步骤4：在步骤3所建方程基础上，代入新能源等效导纳并对新能源节点电压取近似值，消去常规机组部分，得到系统导纳元素与新能源注入功率之间的关系式；
步骤5：根据导纳性质与网络变换，推导出系统导纳元素与新能源注入功率之间的简化关系式；
步骤6：通过判断步骤5所得关系式中变量在复平面的位置，推导出该关系式成立的条件，从而得到常规电源由新能源替换的最大可替换容量。
2.根据权利要求1所述的一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，其特征在于，所述步骤1中将电力系统进行简化的方法为：将所有常规机组和新能源机组分别等效为一台发电机组，其容量等于所有同类型机组容量之和，操作时可集中到容量最大的机组，忽略接入位置对系统的影响；对移除发电机的节点进行消去操作，即假设节点k是移除发电机后的节点，与其相连的节点为i(i＝1,2,…,N)，节点k与节点i之间线路导纳为Yki，则消去节点k后，节点m与节点n(m，n∈i且m≠n)之间导纳变为Ymn＝(Ymk×Ykn)/∑Yki，重复上面操作直至常规发电机组只剩下等效发电机组，对于新能源替换节点，进行类似操作，直至剩下等效新能源机组；经过以上方法，将电力系统简化为3节点系统，其中S节点为等效为无穷大母线的参考发电机，G节点为常规机组群，W节点为替换常规电源后的新能源机组群，将新能源机组与同一母线的负荷均用PQ节点进行等效，负荷节点与新能源替换容量同步变化，保持潮流平衡。
3.根据权利要求1所述的一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，其特征在于，所述步骤2中利用节点电压法得到的3节点系统节点电压方程为：其中，YGG、YWW、YSS分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的自导纳，YGW与YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳，YGS与YSG为常规电源节点与参考节点间的互导纳，YWS与YSW分别为新能源节点与参考节点间的互导纳， 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压， 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的注入电流。
4.根据权利要求1所述的一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，其特征在于，所述步骤3中利用消元法，消去系统参考节点得到节点电压方程的具体步骤为：消去参考节点得到网络方程如下：
其中，YGG和YWW分别为常规电源节点和新能源节点的自导纳，YGW与YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳，YGS为常规电源节点与参考节点间的互导纳，YWS为新能源节点与参考节点间的互导纳， 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压，分别为常规电源节点、新能源节点的注入电流；
在经典二阶模型下， 可用常规机组的诺顿等效电流 表示：
其中，EGG为常规等效机组端电压，x'd为常规等效机组直轴暂态电抗，δ为常规等效机组功角；
其中，YW为新能源等效导纳且 PW为新能源节点注入的有功功率，QW
为新能源节点注入的无功功率，方向取流出节点为正，流入节点为负，UW为新能源节点电压的幅值；
5.根据权利要求1所述的一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，其特征在于，所述步骤4中消去常规机组部分，得到系统导纳元素与新能源注入功率之间的关系式的具体步骤为：将新能源等效导纳YW以注入功率形式表示，代入步骤4所得关系式中可得：
其中，YGG和YWW分别为常规电源节点和新能源节点的自导纳，YGW与YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳，YGS为常规电源节点与参考节点间的互导纳，YWS为新能源节点与参考节点间的互导纳， 和 分别为常规电源节点和参考节点的电压，UW为新能源节点电压的幅值，θW为新能源节点电压的相角，PW为新能源节点注入的有功功率，QW为新能源节点注入的无功功率，方向取流出节点为正，流入节点为负，EGG为常规等效机组端电压，x'd为常规等效机组直轴暂态电抗，δ为常规等效机组功角；
6.根据权利要求1所述的一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，其特征在于，所述步骤5的具体方法为：由于输电网络中，支路电阻远小于电抗，其支路导纳中，实部绝对值远小于虚部绝对值，YWS与 具有相同的数值属性，因此忽略等号右边第2项，其中，YGG和YWW分别为常规电源节点和新能源节点的自导纳，YGW与YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳，YGS为常规电源节点与参考节点间的互导纳，YWS为新能源节点与参考节点间的互导纳，θW为新能源节点电压的相角，PW为新能源节点注入的有功功率，QW为新能源节点注入的无功功率，方向取流出节点为正，流入节点为负，EGG为常规等效机组端电压，x'd为常规等效机组直轴暂态电抗，δ为常规等效机组功角；
换后消去了G节点群后的等效网络的节点导纳矩阵，其对称性、对角占优性、实虚部大小关系变换前后保持不变；
则由以上简化，可得到系统导纳元素与新能源注入功率之间的简化关系式为：
其中，G′WW和B′WW分别为上述简化条件下的新能源节点电导和电纳。
7.根据权利要求1所述的一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，其特征在于，所述步骤6的具体方法为：由于YGW实部小于0，虚部大于0，且虚部绝对值远大于实部绝对值，故YGW位于复平面第二象限且偏向于虚轴， 的实部虚部均大于0，一般情况下其虚部亦大于实部，故 位于复平面第一象限且偏向于虚轴，故当常规发电机功角处于未失稳但可能失稳区域，即180°＞δ＞90°时，右端量大概率位于复平面的第一象限，
其中，YGW为常规电源节点与新能源节点间的互导纳，YGG为常规电源节点的自导纳，θW为新能源节点电压的相角，PW为新能源节点注入的有功功率，QW为新能源节点注入的无功功率，方向取流出节点为正，流入节点为负，EGG为常规等效机组端电压，x'd为常规等效机组直轴暂态电抗，δ为常规等效机组功角，G'WW和B'WW分别为简化的新能源节点导纳电导和电纳，且G'WW＝YWW， YWW为新能源节点的自导纳；
正常情况下方程解满足-90°＜θW＜90°，因此只有当G'WW+Pw+j(B'WW-Qw)位于复平面的第2、4象限时才能满足基本条件，考虑到PW＜0,QW＜0，当|G'WW|＜|PW|，且风电场无功调节能力不足时，则有可能使得G 'WW+PW+j(B 'WW-Qw) 位于复平面第3象限，此时无解，系统电压失稳，因此常规电源由
新能源替代的最大可替换容量等于系统收缩到新能源馈入母线节点导纳矩阵的实部，即：|PW|MAX＝|G′WW|；
其中，|PW|MAX为常规电源由新能源替代的最大可替换容量。
一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法
技术领域
[0001] 本发明属于高比例新能源电力系统稳定性判断技术领域，尤其涉及一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法。
背景技术
[0002] 在环保问题和能源危机日益严重的背景下，大力发展以风电和光伏发电为代表的新能源，实现能源与经济的可持续发展，是我国未来电力系统必然的发展趋势。然而，新能源发电具有随机性和波动性，随着新能源并网比例逐步提高，电网的源端和荷端不确定性会显著增大，电力系统的运行形态更加复杂，此外新能源并网将引入更多的电力电子化设备，由此造成电力系统惯性越来越小，因此新能源并网将对电力系统稳定性产生较大影响。
[0003] 在用电负荷保持平稳的前提下，将常规电源替换为新能源是实现可持续发展的有效途径。然而随着外送新能源比例的增大，越来越多地区的电网呈现出“准受端”特点，既有别于送端电网，也区别于完全的受端系统，因此传统稳定性分析方法很难适用。针对“准受端系统”，对新能源并网点稳定水平进行研究具有重要意义。目前大多数研究通过仿真分析，已经证明随着新能源替换常规电源比例的增大，系统稳定性将逐渐改善，到达一定程度后，稳定性不再改善，反而出现恶化趋势，但是如何确定可替换的最大容量，目前的研究并未得到有效结论。
[0004] 因此，有必要从新能源替换常规电源后系统变化机理出发，得出新能源替换常规电源后系统失稳的临界条件，从而寻找出一种能够快速、有效确定新能源最大可替换容量的方法。
发明内容
[0005] 为解决在满足电力系统电压和功角稳定的要求下，常规电源由新能源替换比例难以确定的问题，本发明提出了一种常规能源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，能够准确地推导新能源替换常规电源后系统失稳的临界条件，从而快速确定常规电源可由新能源替换的最大容量。
[0006] 为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案。
[0007] 一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法，具体包括以下步骤：
[0008] 步骤1：将电力系统进行简化；
[0009] 步骤2：建立简化电力系统的节点电压方程；
[0010] 步骤3：通过消元，得到消去系统参考节点后的节点电压方程；
[0011] 步骤4：在步骤3所建方程基础上，消去常规机组部分，得到系统导纳元素与新能源注入功率之间的关系式；
[0012] 步骤5：根据导纳性质与网络变换，推导出系统导纳元素与新能源注入功率之间的简化关系式；
[0013] 步骤6：通过判断步骤5所得关系式中变量在复平面的位置，推导出该关系式成立的条件，从而得到常规电源由新能源替换的最大可替换容量。
[0014] 进一步，所述步骤1中所述电力系统简化方法为：
[0015] 将所有常规机组和新能源机组分别等效为一台发电机组，其容量等于所有同类型机组容量之和，操作时可集中到容量最大的机组，忽略接入位置对系统的影响；对移除发电机的节点进行消去操作，即假设节点k是移除发电机后的节点，与其相连的节点为i(i＝1,2,…,N)，节点k与节点i之间线路导纳为Yki，则消去节点k后，节点m与节点n(m，n∈i且m≠n)之间导纳变为Ymn＝(Ymk×Ykn)/∑Yki，重复上面操作直至常规发电机组只剩下等效发电机组，对于新能源替换节点，进行类似操作，直至剩下等效新能源机组。经过以上方法，将电力系统简化为3节点系统，其中S节点为参考发电机(相当于无穷大母线)，G节点为常规机组(群)，W节点为替换常规电源后的新能源机组(群)，将新能源机组与同一母线的负荷均用PQ节点进行等效，负荷节点与新能源替换容量同步变化，保持潮流平衡。
[0016] 进一步，所述步骤2中所述简化电力系统的节点电压方程为：
[0017]
[0018] 其中，YGG、YWW、YSS分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的自导纳；YGW与YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳；YGS与YSG为常规电源节点与参考节点间的互导纳；YWS与YSW分别为新能源节点与参考节点间的互导纳； 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压； 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压； 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的注入电流。
[0019] 进一步，所述步骤3中消去系统参考节点后的节点电压方程为：
[0020]
[0021] 其中，YGG为常规电源节点自导纳，YGW和YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳，YGS为常规电源节点与参考节点间的互导纳，YWS为新能源节点与参考节点间的互导纳，YWW为新能源替换前该节点的自导纳，YW为新能源等效导纳，分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压； 为常规机组的诺顿
等效电流，
[0022] 进一步，所述步骤4中消去常规机组部分后得到的系统导纳元素与新能源注入功率之间的关系式为：
[0023]
[0024] 其中，Pw和Qw分别为新能源注入的有功功率和无功功率(流出节点为正，流入节点为负)；θW为新能源节点电压相角；EGG为常规发电机电动势；x′d为常规发电机直轴暂态电抗；δ为常规发电机功角。
[0025] 进一步，所述步骤5的具体方法为：由于输电网络中，支路电阻远小于电抗，其支路导纳中，实部绝对值远小于虚部绝对值，YWS与 具有相同的数值属性，因此忽略步骤4所得关系式等号右边第2项。
[0026] 令 通过证明可知YW′W相当于是原始网络经星网变换后消去了G节点群后的等效网络的节点导纳矩阵，其性质(对称性、对角占优性、实虚部大小关系)变换前后保持不变。
[0027] 则由以上简化，可得到系统导纳元素与新能源注入功率之间的简化关系式为[0028]
[0029] 其中，G′WW和B′WW分别为上述简化条件下的新能源节点电导和电纳。
[0030] 进一步，所述步骤6的具体方法为：由于YGW实部小于0，虚部大于0，且虚部绝对值远大于实部绝对值，故YGW位于复平面第二象限且偏向于虚轴， 的实部虚部均大于0，一般情况下其虚部亦大于实部，故 位于复平面第一象限且偏向于虚轴，故当常规发电机功角处于未失稳但可能失稳区域，即180°＞δ＞90°时，步骤5所得关系式右端量大概率位于复平面的第一象限。
[0031] 对于步骤5所得关系式的左端，由于G′WW＞0,B′WW＜0，正常情况下方程解满足-90°＜θ＜90°，因此只有当G′WW+Pw+j(B′WW-Qw)位于复平面的第2、4象限时才能满足基本条件。考虑到PW＜0,QW＜0，当|G′WW|＜|PW|，且风电场无功调节能力不足时，则有可能使得G′WW+PW+j(B′WW-QW)位于复平面第3象限，此时步骤5所得关系式无解，系统电压失稳。因此常规电源由新能源替代的最大可替换容量等于系统收缩到新能源馈入母线节点导纳矩阵的实部，即：
[0032] |PW|MAX＝|G′WW|
[0033] 其中，|PW|MAX为常规电源由新能源替代的最大可替换容量。
[0034] 本发明的有益效果：
[0035] 本发明方法从机理上分析了新能源并网后电力系统的稳定特性，准确有效地推导出新能源替换常规电源后系统失稳的临界条件，从而可快速确定常规电源可由新能源替换的最大容量，为高比例新能源电力系统稳定性分析提供了理论指导，具有较高应用价值。
附图说明
[0036] 图1为本发明所述一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量确定方法的流程图。
[0037] 图2为本发明所建立的简化电力系统示意图。
[0038] 图3为本发明判断导纳元素与新能源注入功率简化关系式中变量在复平面位置的示意图。
[0039] 图4为本发明具体实施例中系统稳定情况示意图，其中图(a)为系统功角稳定情况，图(b)为系统电压稳定情况。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0041] 如图1所示，本发明所述一种常规电源由新能源替代的最大可替换容量的确定方法，具体实施步骤如下：
[0042] (1)将电力系统进行简化：将所有常规机组和新能源机组分别等效为一台发电机组，其容量等于所有同类型机组容量之和，操作时可集中到容量最大的机组，忽略接入位置对系统的影响；对移除发电机的节点进行消去操作，即假设节点k是移除发电机后的节点，与其相连的节点为i(i＝1,2,…,N)，节点k与节点i之间线路导纳为Yki，则消去节点k后，节点m与节点n(m，n∈i且m≠n)之间导纳变为Ymn＝(Ymk×Ykn)/∑Yki，重复上面操作直至常规发电机组只剩下等效发电机组，对于新能源替换节点，进行类似操作，直至剩下等效新能源机组。经过以上方法，将电力系统简化为3节点系统，其中S节点为参考发电机(相当于无穷大母线)，G节点为常规机组(群)，W节点为替换常规电源后的新能源机组(群)，将新能源机组与同一母线的负荷均用PQ节点进行等效，负荷节点与新能源替换容量同步变化，保持潮流平衡。
[0043] (2)建立简化电力系统的节点电压方程：
[0044]
[0045] 其中，YGG、YWW、YSS分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的自导纳；YGW与YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳；YGS与YSG为常规电源节点与参考节点间的互导纳；YWS与YSW分别为新能源节点与参考节点间的互导纳； 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压； 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压； 分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的注入电流。
[0046] (3)通过消元，得到消去系统参考节点后的节点电压方程：
[0047]
[0048] 其中，YGG为常规电源节点自导纳，YGW和YWG为常规电源节点与新能源节点间的互导纳，YGS为常规电源节点与参考节点间的互导纳，YWS为新能源节点与参考节点间的互导纳，YWW为新能源替换前该节点的自导纳，YW为新能源等效导纳，分别为常规电源节点、新能源节点、参考节点的电压； 为常规机组的诺顿
等效电流，
[0049] (4)在步骤(3)所建方程基础上，消去常规机组部分，得到系统导纳元素与新能源注入功率之间的关系式：
[0050]
[0051] 其中，Pw和Qw分别为新能源注入的有功功率和无功功率(流出节点为正，流入节点为负)；θW为新能源节点电压相角；EGG为常规发电机电动势；x′d为常规发电机直轴暂态电抗；δ为常规发电机功角。
[0052] (5)根据导纳性质与网络变换，推导出系统导纳元素与新能源注入功率之间的简化关系式：
[0053] 由于输电网络中，支路电阻远小于电抗，其支路导纳中，实部绝对值远小于虚部绝对值，YWS与 具有相同的数值属性，因此忽略步骤(4)所得关系式等号右边第2项。
[0054] 令 通过证明可知Y′WW相当于是原始网络经星网变换后消去了G节点群后的等效网络的节点导纳矩阵，其性质(对称性、对角占优性、实虚部大小关系)变换前后保持不变。
[0055] 则由以上简化，可得到系统导纳元素与新能源注入功率之间的简化关系式为[0056]
[0057] 其中，G′WW和B′WW分别为上述简化条件下的新能源节点电导和电纳。
[0058] (6)通过判断步骤(5)所得关系式中变量在复平面的位置，推导出该关系式成立的条件，从而得到常规电源由新能源替换的最大可替换容量：
[0059] 由于YGW实部小于0，虚部大于0，且虚部绝对值远大于实部绝对值，故YGW位于复平面第二象限且偏向于虚轴， 的实部虚部均大于0，一般情况下其虚部亦大于实部，故位于复平面第一象限且偏向于虚轴，故当常规发电机功角处于未失稳但可能失稳区域，即180°＞δ＞90°时，步骤(5)所得关系式右端量大概率位于复平面的第一象限。
[0060] 对于步骤(5)所得关系式的左端，由于G′WW＞0,B′WW＜0，正常情况下方程解满足-90°＜θ＜90°，因此只有当G′WW+Pw+j(B′WW-Qw)位于复平面的第2、4象限时才能满足基本条件。考虑到PW＜0,QW＜0，当|G′WW|＜|PW|，且风电场无功调节能力不足时，则有可能使得G′WW+PW+j(B′WW-QW)位于复平面第3象限，此时步骤(5)所得关系式无解，系统电压失稳。因此常规电源由新能源替代的最大可替换容量，等于系统收缩到新能源馈入母线节点导纳矩阵的实部，即：
[0061] |PW|MAX＝|G′WW| (5)
[0062] 其中，|PW|MAX为常规电源由新能源替代的最大可替换容量。
[0063] 下面进一步通过一具体实施例对本发明作介绍。经过本发明所述简化方法，将某系统简化为3机9节点系统，假设图2所示简化电力系统中G节点接入的常规发电机组有功功率为150MW，将W节点接入的常规机组替换为新能源机组，替换容量分别为80MW、90MW和100MW，基准值为100MW。表1为系统收缩到新能源馈入母线节点导纳矩阵。
[0064] 表1系统收缩到新能源馈入母线节点导纳矩阵
[0065]
[0066] 根据本发明提供的方法，新能源替换常规电源的最大容量为103MW。从仿真结果来看，当新能源替换容量为80MW和90MW时，系统功角和电压均保持稳定；当新能源替换容量为100MW时，系统功角和电压均失稳，由此验证了本发明方法的正确性(由于本发明推导过程中进行了若干简化，实际结果与计算结果间可能存在微小误差)。
[0067] 以上所述仅为本发明较优的具体实施方案，但本发明的使用范围并不局限于此，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。因此，本发明的适用范围应该以权利要求的适用范围为准。
