CN104882905B - 一种考虑暂态安全约束的新能源接纳能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑暂态安全约束的新能源接纳能力评估方法，属于新能源接纳能力评估领域。本发明基于EEAC理论将暂态安全约束加入到现有新能源接纳能力评估方法中，在以调峰调频约束为基准的现有评估方法上，充分考虑外送通道的暂态安全稳定约束，量化暂态功角稳定裕度、暂态电压安全裕度及暂态频率跌落可接受性裕度，依照失稳模态下的新能源机组出力调整灵敏度高低确定机组调整次序。本发明能实现暂态失稳限制故障集下新能源机组出力的最优调整，在满足电网安全稳定运行的同时实现对新能源并网的最大接纳。

Description

一种考虑暂态安全约束的新能源接纳能力评估方法

技术领域

本发明属于新能源接纳能力评估领域，具体涉及一种从电网暂态安全稳定角度评估电网对新能源大规模并网接纳能力的评估方法。

背景技术

近年来，风电光伏新能源装机并网规模迅猛增长，新能源的大规模开发利用一定程度上缓解了传统能源枯竭和环境污染问题。然而，以风电光伏为代表的新能源具有出力不确定性、随机性、反调峰的特点，其并网接入对电网的规划运行及调度安排带来了不小困难。此外，由于风电光伏机组转速与电网频率解耦、隐含惯量的特点，其大规模集中并网对系统特性带来了改变，给电网安全稳定运行带来了更大风险和挑战。因此，有必要研究电网如何在满足安全稳定运行的同时实现对新能源的最大接纳能力。

目前电力规划和调度部门主要基于电力系统调峰约束和频率约束计算新能源的接纳能力，也有基于经济调度和基于稳定的接纳能力评估等方法。然而，基于调峰调频约束的评估方法只简单从全网调峰调频需求考虑了峰谷差系数、强迫出力容量、区域交换功率等常规因素，忽略了新能源并网点网架结构的约束；基于经济调度评估方法从新能源并网综合经济效益视角评估其最优接纳容量。这些方法或计及到调峰调频但忽略了通道约束，或单纯从经济性指标入手评估新能源的接纳能力，对新能源接纳能力的衡量都比较片面和局限，没有全面系统地从全网约束和局部安稳校核予以通盘评估，因此有待进一步完善。

发明内容

本发明目的是：为了克服上述现有评估方法的不足，提出一种考虑暂态安全约束的新能源接纳能力评估方法，该方法以整体调峰约束为基准明确全网新能源开机投运边界，以暂态安全约束为深化进一步校核新能源各接入点及其外送通道最大输电能力。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：

1)统计电网内电源、负荷及风电特性，得到系统有功平衡基值；结合系统备用安排，确定电网最大负荷时的电源开机方式，并依据电网实际运行经验对负荷峰谷差予以预测，全面考虑各影响因素计算低谷负荷时满足系统调峰调频约束的新能源接纳量的初值，以得到的新能源接纳量的初值作为新能源并网值的初值；

2)基于新能源并网值及其送出通道的网架结构特点设定预想事故集并进行暂态稳定安全评估，利用安全稳定量化分析算法EEAC对各预想事故集暂稳校核结果进行分析，得到各预想事故集下的暂态功角稳定裕度η_d、暂态电压安全裕度η_v及暂态频率偏移可接受性裕度η_f；

3)选取暂态功角稳定裕度、暂态电压安全裕度和暂态频率偏移可接受性裕度中的最小值作为暂态安全裕度η：

η＝min(η_d,η_v,η_f)

然后对各预想事故集下暂态安全裕度值按从小到大的次序排列，其中暂态安全裕度值为0代表临界稳定、为负值代表暂态不稳定、为正值代表稳定且绝对值越大稳定度越高；

4)若所有预想事故集下暂态安全裕度值均大于等于零，则系统是暂态安全的，认为步骤1)中满足调峰调频约束的新能源并网值能全部消纳，结束本方法；若存在暂态安全裕度值小于零的预想事故集，则该新能源并网值不能满足系统暂稳约束条件，进入下一步；

5)选出所有暂态安全裕度值为负值的预想事故集组成限制性故障集，进入下一步；

6)计算新能源机组出力调整的灵敏度系数：

其中，k_mi为第i个失稳模态方式下第m个新能源机组的出力调整的灵敏度系数、用第i个失稳模态方式下调整第m个新能源机组的出力所导致系统暂态安全裕度变化量与新能源机组出力变化量的比值表示，Δη_i表示调整新能源机组出力所引起系统暂态安全裕度的变化量，ΔP_m表示第m个新能源机组的出力变化量，灵敏度系数k_mi越高，代表调整该新能源机组出力对失稳模态的回稳控制效果越明显；

按照计算出的灵敏度系数由高到低排列确定新能源机组的出力调整次序，进入下一步；

7)按照上步确定的新能源机组出力调整次序依次调整新能源机组出力，以EEAC理论和暂态电压及频率安全裕度的灵敏度分析为基础进行极限搜索计算，求取参数稳定极限，得到控制新能源机组及其出力调整的优化调整方案，返回步骤2)重新对预想事故集进行暂态稳定安全评估，直至所有预想事故集暂态安全，调整后的新能源机组总出力即为考虑暂态安全的新能源接纳量。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中暂态功角稳定裕度η_d、暂态电压安全裕度η_v及暂态频率偏移可接受性裕度η_f的具体计算过程如下：

2-1)首先考量暂态功角稳定裕度η_d，该裕度值计算方法如下：

A_dec代表EEAC理论暂态过程中的动能减少面积，A_inc代表动能增加面积；A_dec＞A_inc则系统功角稳定，A_dec＝A_inc时为临界稳定，η_d为负值时则代表暂态功角失稳；

2-2)计算暂态电压安全裕度η_v：首先分别计算暂态电压稳定裕度η_vs和暂态电压偏移可接受性裕度η_vd：

η_vd＝[V_ext-(V_cr-k₁T_cr)]×100％

其中，H、S和M_m分别为感应电动机的惯性时间常数、转差和机械功率；V_cr和T_cr分别是母线的电压偏移门槛值和临界电压偏移持续时间，V_ext指暂态过程中母线电压的极值，k₁为把临界电压偏移持续时间换算成电压的折算因子；η_vs为正值代表感应电动机稳定，η_vd为正值表示电压偏移能够接受。

暂态电压安全裕度η_v定义为η_vs和η_vd之间的小者：

η_v＝min(η_vs,η_vd)

2-3)计算暂态频率偏移可接受性裕度η_f：

η_f＝[f_ext-(f_cr-k₂T_cr)]×100％

其中f_cr和T_cr分别是母线的频率偏移门槛值和临界频率偏移持续时间，f_ext指暂态过程中母线频率的极值，k₂为把临界频率偏移持续时间换算成频率的折算因子；η_f为正值表示频率偏移可接受。

本发明的有益效果如下：本发明以系统调峰调频要求为基准约束初步确定新能源并网值，进一步以暂态稳定安全性约束条件评估该新能源并网值下多个预想故障集下电网的安全稳定特性，从整体调峰到局部安稳校核全方位对新能源接纳能力进行了量化评估，比现有的评估方法更加具体和全面；通过功角稳定裕度、电压安全裕度及频率偏移可接受性裕度三个量化指标，可以直观地衡量新能源消纳规模对电网暂稳能力影响的大小，为大型新能源基地规划建设提供直观参考；依照失稳模态下的新能源机组出力调整的灵敏度确定新能源机组出力调整次序，调整后利用极限搜索能达到极限稳定状态，使新能源机组总体调整量最小，最大限度地提高了新能源接纳能力，能为调度运行人员提供切实可行的调控指导。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

如图1，一种考虑暂态安全约束的新能源接纳能力评估方法，包括以下步骤：

步骤1是基于现有成熟的调峰计算方法初步计算得到满足系统调峰调频约束的新能源接纳量，将其作为并网值，以此为基准深化校核局部安稳约束下的接纳能力。具体而言，包括以下内容：统计电网内电源、负荷、风电特性，得到系统有功平衡基值；结合系统备用安排(充分考虑自备电源、抽水蓄能容量等强迫出力容量)确定电网最大负荷时的电源开机方式，并依据电网实际运行经验对负荷峰谷差予以预测，全面考虑各影响因素计算低谷负荷时满足系统调峰调频约束的新能源接纳量的初值，以得到的新能源接纳量的初值作为新能源并网值的初值。

步骤2是以局部安稳约束涵盖新能源外送通道热稳、暂稳、动稳各受限条件尤其以暂稳约束作为限制条件，充分考虑多种预想事故集，量化各预想事故集下的暂态功角稳定裕度、暂态电压安全裕度及暂态频率跌落可接受性裕度，帮助运行规划人员对新能源并网消纳后对电网的冲击影响有直观清晰地认识。具体而言，包括以下内容：基于新能源并网值及其送出通道的网架结构特点设定预想事故集并进行暂态稳定安全评估，利用EEAC安全稳定量化分析算法对各预想事故集暂稳校核结果进行分析，得到各预想事故集下的暂态功角稳定裕度η_d、暂态电压安全裕度η_v及暂态频率偏移可接受性裕度η_f。

暂态功角稳定裕度η_d、暂态电压安全裕度η_v及暂态频率偏移可接受性裕度η_f值的具体计算过程如下：

步骤2-1：优先考量暂态功角稳定裕度η_d，该裕度值计算方法如下：

A_dec代表EEAC理论暂态过程中的动能减少面积，A_inc代表动能增加面积；A_dec＞A_inc则系统功角稳定，A_dec＝A_inc时为临界稳定，η_d为负值时则代表暂态功角失稳。

步骤2-2：计算暂态电压安全裕度η_v，暂态电压安全特性不仅要考虑系统受扰动后维持母线电压稳定运行的能力，还要考虑用户对暂态过程中电压跌落可接受性的要求。因此，需要先计算暂态电压稳定裕度η_vs和暂态电压偏移可接受性裕度η_vd。

暂态电压稳定裕度η_vs定义为：

其中，H、S和M_m分别为感应电动机的惯性时间常数、转差和机械功率，η_vs为正值代表感应电动机稳定。

暂态电压偏移可接受性裕度η_vd的计算方法如下：

η_vd＝[V_ext-(V_cr-k₁T_cr)]×100％

其中V_cr和T_cr分别是母线的电压偏移门槛值和临界电压偏移持续时间，V_ext指暂态过程中母线电压的极值，k₁为把临界电压偏移持续时间换算成电压的折算因子。η_vd为正值表示电压偏移可接受。

暂态电压安全裕度η_v定义为η_vs和η_vd之间的小者，即

η_v＝min(η_vs,η_vd)

步骤2-3用于计算暂态频率偏移可接受性裕度η_f，表示暂态过程中系统对频率跌落可接受性的要求。由于负荷在不同频率偏移值下允许的持续时间不同，因而暂态过程中频率异常的时间历程必须针对不同的频率偏移值用不同的最大持续时间来约束。

暂态频率偏移可接受性裕度的计算方法如下：

η_f＝[f_ext-(f_cr-k₂T_cr)]×100％

其中，f_cr和T_cr分别是母线的频率偏移门槛值和临界频率偏移持续时间，f_ext指暂态过程中母线频率的极值，k₂为把临界频率偏移持续时间换算成频率的折算因子；η_f为正值表示频率偏移可接受。

步骤3：选取暂态功角稳定裕度、暂态电压安全裕度和暂态频率偏移可接受性裕度中的最小值作为暂态安全裕度η：

η＝min(η_d,η_v,η_f)

然后对各预想事故集下暂态安全裕度值按从小到大的次序排列，其中暂态安全裕度值为0代表临界稳定、为负值代表暂态不稳定、为正值代表稳定且绝对值越大稳定度越高。

步骤4：若所有预想事故集下暂稳裕度均大于等于零，则系统是暂态安全的，认为步骤1中调峰调频约束下的新能源并网值能全部消纳，流程结束；若存在暂态安全裕度小于零的事故预想集，则该新能源并网值不能满足系统暂稳约束条件，进入下一步。

步骤5：选出所有暂态安全裕度为负值的预想事故集组成限制性故障集，进入下一步。

步骤6：计算新能源机组出力调整的灵敏度系数：

其中，k_mi为第i个失稳模态方式下第m个新能源机组的出力调整的灵敏度系数、用第i个失稳模态方式下调整第m个新能源机组的出力所导致系统暂态安全裕度变化量与新能源机组出力变化量的比值表示，Δη_i表示调整新能源机组出力所引起系统暂态安全裕度的变化量，ΔP_m表示第m个新能源机组的出力变化量，灵敏度系数k_mi越高，代表调整该新能源机组出力对失稳模态的回稳控制效果越明显。按照灵敏度系数由高到低排列确定新能源机组的出力调整次序，进入下一步。

步骤7：按照上步确定的新能源机组出力调整次序依次调整新能源机组出力，以EEAC理论和暂态电压及频率安全裕度的灵敏度分析为基础进行极限搜索计算，求取参数稳定极限，得到控制新能源机组及其出力调整的优化调整方案。返回步骤2重新对事故集进行暂态稳定安全评估，直至所有预想事故集暂态安全，调整后的新能源机组总出力即为考虑暂态安全的新能源接纳量。

总而言之，该方法充分考虑新能源并网对电网的安全稳定性影响，整体调峰调频约束可实现对区域新能源并网消纳量的初步规模判别，利用局部暂稳校核结果进一步明确各新能源并网点的实际接纳能力，并利用功角稳定裕度、电压安全裕度及频率跌落可接受性裕度三个量化指标和失稳模态下的风电机组出力调整性能指标为调度运行人员提供切实可行的调控指导，遵循确定的调整次序不断修正新能源出力直至达到极限稳定状态。该方法能使新能源机群总体调整量最小，最大限度地提高了风电并网消纳能力，从而能使系统运行在较高安全稳定水平的同时实现对新能源的最大接纳。由于本发明充分考虑新能源并网对电网的安全稳定性影响，对于配套电源及基础设施建设严重滞后新能源装机规模的千万千瓦级大型风光基地(如西北敦煌风电基地、青海鱼卡光伏、新疆风光基地等)尤为适用。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (2)

1.一种考虑暂态安全约束的新能源接纳能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)统计电网内电源、负荷及风电特性，得到系统有功平衡基值；结合系统备用安排，确定电网最大负荷时的电源开机方式，并依据电网实际运行经验对负荷峰谷差予以预测，全面考虑各影响因素计算低谷负荷时满足系统调峰调频约束的新能源接纳量的初值，以得到的新能源接纳量的初值作为新能源并网值的初值；

2)基于新能源并网值及其送出通道的网架结构特点设定预想事故集并进行暂态稳定安全评估，利用安全稳定量化分析算法EEAC对各预想事故集暂稳校核结果进行分析，得到各预想事故集下的暂态功角稳定裕度η_d、暂态电压安全裕度η_v及暂态频率偏移可接受性裕度η_f；

3)选取暂态功角稳定裕度、暂态电压安全裕度和暂态频率偏移可接受性裕度中的最小值作为暂态安全裕度η：

η＝min(η_d,η_v,η_f)

然后对各预想事故集下暂态安全裕度值按从小到大的次序排列，其中暂态安全裕度值为0代表临界稳定、为负值代表暂态不稳定、为正值代表稳定且绝对值越大稳定度越高；

4)若所有预想事故集下暂态安全裕度值均大于等于零，则系统是暂态安全的，认为步骤1)中满足调峰调频约束的新能源并网值能全部消纳，结束本方法；若存在暂态安全裕度值小于零的预想事故集，则该新能源并网值不能满足系统暂稳约束条件，进入下一步；

5)选出所有暂态安全裕度值为负值的预想事故集组成限制性故障集，进入下一步；

6)计算新能源机组出力调整的灵敏度系数：

$k_{mi}=\frac{{\mathrm{\Δ\η}}_i}{{\mathrm{\ΔP}}_m}$

其中，k_mi为第i个失稳模态方式下第m个新能源机组的出力调整的灵敏度系数、用第i个失稳模态方式下调整第m个新能源机组的出力所导致系统暂态安全裕度变化量与新能源机组出力变化量的比值表示，Δη_i表示调整新能源机组出力所引起系统暂态安全裕度的变化量，ΔP_m表示第m个新能源机组的出力变化量，灵敏度系数k_mi越高，代表调整该新能源机组出力对失稳模态的回稳控制效果越明显；

按照计算出的灵敏度系数由高到低排列确定新能源机组的出力调整次序，进入下一步；

7)按照上步确定的新能源机组出力调整次序依次调整新能源机组出力，以EEAC理论和暂态电压及频率安全裕度的灵敏度分析为基础进行极限搜索计算，求取参数稳定极限，得到控制新能源机组及其出力调整的优化调整方案，返回步骤2)重新对预想事故集进行暂态稳定安全评估，直至所有预想事故集暂态安全，调整后的新能源机组总出力即为考虑暂态安全的新能源接纳量。

2.根据权利要求1所述的考虑暂态安全约束的新能源接纳能力评估方法，其特征在于，所述步骤2)中暂态功角稳定裕度η_d、暂态电压安全裕度η_v及暂态频率偏移可接受性裕度η_f的具体计算过程如下：

2-1)首先考量暂态功角稳定裕度η_d，该裕度值计算方法如下：

A_dec代表EEAC理论暂态过程中的动能减少面积，A_inc代表动能增加面积；A_dec＞A_inc则系统功角稳定，A_dec＝A_inc时为临界稳定，η_d为负值时则代表暂态功角失稳；

2-2)计算暂态电压安全裕度η_v：首先分别计算暂态电压稳定裕度η_vs和暂态电压偏移可接受性裕度η_vd：

${\mathrm{\η}}_{vs}=H\×\frac{-dS/dt}{M_m}\×100\%$

η_vd＝[V_ext-(V_cr-k₁T_cr)]×100％

其中，H、S和M_m分别为感应电动机的惯性时间常数、转差和机械功率；V_cr和T_cr分别是母线的电压偏移门槛值和临界电压偏移持续时间，V_ext指暂态过程中母线电压的极值，k₁为把临界电压偏移持续时间换算成电压的折算因子；η_vs为正值代表感应电动机稳定，η_vd为正值表示电压偏移能够接受；

暂态电压安全裕度η_v定义为η_vs和η_vd之间的小者：

η_v＝min(η_vs,η_vd)

2-3)计算暂态频率偏移可接受性裕度η_f：

η_f＝[f_ext-(f_cr-k₂T_cr)]×100％

其中，f_cr和T_cr分别是母线的频率偏移门槛值和临界频率偏移持续时间，f_ext指暂态过程中母线频率的极值，k₂为把临界频率偏移持续时间换算成频率的折算因子；η_f为正值表示频率偏移可接受。