CN105162164B - 一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，在传统低阶动态频率响应模型基础上，将接入的风电机组看作为“负的负荷”,并忽略风电机组自身动态特性以及小时间常数环节，从而可推导并建立一种新的低阶动态频率响应模型。该模型能够帮助调度部门快速而又精确地获取风电并网系统的动态频率下响应曲线，并评估四个重要动态频率特性指标，这将对含风电并网系统的低频减载技术等研究与实施带来很大便利。

Description

一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法

技术领域

本发明涉及一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，属于电网动态频率分析领域。

背景技术

根据最新的“十三五”规划，到2020年我国累计风电装机容量将至少达到2亿千瓦。然而由于风电机组出力波动性与随机性，而且风电机组多采用了电力电子器件，导致其发电机转子转速与电网频率解耦，那么随着大量的风电机组接入电网，势必改变传统电网的频率动态特性。然而电力系统动态频率特性对电能质量与电网安全稳定有着重要的影响，因此基于含风电并网系统动态频率响应特性的研究是非常迫切且意义重大的。

Johan Morren等人在期刊IEEE trans on power system中发表的文章《Windturbines emulating inertia and supporting primary frequency control》，提出了在变速风电机组转子侧变流器中增加经典的比例微分额外控制环，给出了变速风电机组惯性响应和一次频率响应的控制基本雏形，后来很多研究都是在该文献基础上展开的。但目前国、内外大量的文献都是致力于风电机组频率控制技术的研究，关于风电场接入电网后对系统频率响应特性的影响却还处于初期研究阶段。

由于风电不断接入传统电网，已导致电网动态频率特性发生改变，传统电网的低阶频率响应模型已不再适用。因此为了快速又较为精确地获取含风电并网系统的动态频率特性，那么建立一种新的低阶动态频率响应模型是目前需要解决的重要技术问题。

发明内容

本发明的目的在于建立一种含风电并网系统的低阶动态频率响应模型，该模型能够帮助调度部门快速而又精确地获取风电并网系统的动态频率下响应曲线，并评估四个重要动态频率特性指标。

本发明为解决以上技术问题采用以下技术方案：

一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，包括以下步骤：

1)假定装机额定容量为S_N的传统电网由火电机组为主导，现有占传统总电网装机容量比例为L_p的风电机组替代同等容量的火电机组接入传统电网中，则此时火电机组的额定容量减小为S_N(1-L_P)；

2)假定风电场内风电机组均采用比例-微分PD频率辅助控制器，且风电机组在频率控制过程中不会发生过度响应，将风电机组看作为负的负荷，则可得到含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的传递函数；

3)根据含风电并网系统的低阶频率响应模型传递函数，通过拉斯反变换，推导出含风电并网系统的低阶频率响应模型的时域解析表达式以及电网动态频率的四个重要特性指标。

前述的步骤3)中，含风电并网系统的低阶频率响应模型的时域解析表达式的推导，包括以下步骤：

3-1)含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的传递函数的复数域关系如式(1)所示：

其中，ΔP′_step为风电接入后电网有功功率瞬时增量；ΔP_step为原传统电网有功功率瞬时增量，Δω(s)为电网频率增量，H为传统电网等值惯性时间常数，D为传统电网等值阻尼，R传统电网调速器调差系数，K_m为与发电机功率因数和备用系数相关的系数，由调度部门设定，F_HP为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出功率的百分比，T_R为中压缸再热蒸汽容积时间常数，k_p和k_d为比例-微分PD频率辅助控制器的比例系数和微分系数，s为拉普拉斯算子；

3-2)根据式(1)得到传递函数关系如下：

将式(2)变为标准形式：

其中，

K'_m＝K_m(1-L_p)；H'＝H(1-L_p)；D'＝D(1-L_p) (6)

3-3)对式(3)进行拉斯反变换，得到含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的时域解析表达式Δω(t)为：

其中，

t表示时间。

前述的步骤3)中，电网动态频率的四个重要特性指标为：初始频率变化率、最大频率偏移发生时间、最大频率偏移、准稳态频率偏差。

前述的初始频率变化率，即频率发生扰动初始时刻t＝0₊时电网频率的变化率，记为ROCOF：

前述的最大频率偏移发生时间，即电网频率偏移最大对应的时刻，记为t_MFD，当电网动态频率偏移最大时，此时电网动态频率变化率则最大频率偏移发生时间t_MFD为：

前述的最大频率偏移Δω_max为：

前述的准稳态频率偏移Δf_qss为：

采用本发明方法所建立的模型能够帮助调度部门快速而又精确地获取风电并网系统的动态频率下响应曲线，并评估四个重要动态频率特性指标，这将对含风电并网系统的低频减载技术等研究与实施带来很大便利。

附图说明

图1为变速风电机组采用的经典PD频率辅助控制器框图；

图2为含风电并网系统的低阶动态频率响应模型传递函数框图；

图3为含风电并网系统的低阶动态频率响应模型递函数等效简化图；

图4为实施例中进行低阶动态频率响应模型验证时所建立的基础仿真模型；

图5为实施例中采用本发明后低阶频率动态响应模型与详细模型结果对比图；其中，图5(a)为完整动态频率特性曲线图；图5(b)为初始频率变化局部放大图；图5(c)为最大频率偏移局部放大图；图5(d)为准稳态频率局部放大图。实线代表本发明方法仿真结果，虚线代表详细模型仿真结果。

具体实施方式

上述部分对本发明技术核心以及主要实现步骤进行了阐述，为了能更加清晰的了解本发明的技术手段，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明建立了一种含风电并网系统的低阶频率响应模型，由于变速风电机组的转子转速与电网频率完全解耦，在建立含风电并网系统的低阶频率响应模型时，仅需考虑频率动态响应过程中变速风电机组向电网提供的额外有功功率，而并不需要关心变速风电机组自身的动态行为，通过将传统电网的变速风电机组视为“负的负荷”，并忽略变速风电机组在频率扰动期间自身动态响应过程以及小时间惯性常数环节，从而可以建立新的低阶动态频率下响应模型的传递函数。然后再将建立的新的传递函数进行拉斯反变换，最终求解出含风电并网系统低阶频率响应模型的时域解析表达式，以及四个重要动态频率特性指标的计算式。

本发明建立含风电并网系统的低阶频率响应模型的方法，步骤如下：

步骤1，假定装机额定容量为S_N的传统电网由火电机组为主导，现有占传统总电网装机容量比例为L_p的风电机组替代同等容量的火电机组接入传统电网中，那么此时火电机组的额定容量减小为S_N(1-L_P)；

步骤2，再假定风电场内风电机组均采用了经典的比例-微分PD频率辅助控制器，且变速风电机组在频率控制过程中不会发生过度响应。如图1所示，其中比例系数为k_p，微分系数为k_d；T_L为低通滤波器时间常数，f_sys、f_N、Δf分别为电网实测频率、额定频率、实时频率偏差；P_e0、ΔP_g、P_gen、P_ref分别为变速风电机组初始有功功率参考值、额外增加有功功率、实时有功功率、实时有功功率参考值，i_qref为q轴转子电流参考值。

由于变速风电机组中均装备了电力电子变流器，可以实现对风电机组实时有功功率参考值的快速且准确的跟踪控制。因此在建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型时，仅需关心变速风电机组在频率扰动时向电网提供的额外增加的有功功率ΔP_g；至于变速风电机组自身的动态行为，并不需要关心。

将风电机组看作为“负的负荷”，则可以得到图2所示的含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的传递函数框图，其中，P₀为调度部门设定的火电机组有功命令值变化量，一般不考虑，即取值为零。

步骤3，根据如图2所建立的低阶动态频率响应模型传递函数框图，可以写出复数域关系如式(1)所示：

其中，ΔP′_step为风电接入后电网有功功率瞬时增量；ΔP_step为原传统电网有功功率瞬时增量；Δω(s)为电网频率增量；H为传统电网等值惯性时间常数；D为传统电网等值阻尼；R传统电网调速器调差系数；K_m为与发电机功率因数和备用系数相关的系数，由调度部门设定；F_HP为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出功率的百分比；T_R为中压缸再热蒸汽容积时间常数，s为拉普拉斯算子。

步骤4，将图2的低阶动态频率响应模型传递函数框图简化为图3所示，这样，根据式(1)可以进一步得到传递函数关系式:

步骤5，为了方便对式(2)建立的传递函数进行拉斯反变换，需要变为标准形式，如式(3)所示：

其中，

K'_m＝K_m(1-L_p)；H'＝H(1-L_p)；D'＝D(1-L_p) (6)

步骤6，对式(3)进行拉斯反变换，就可以推导得到含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的时域解析表达式Δω(t)为：

其中，

t表示时间。

步骤7，在推导出含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的时域解析式(7)的基础上，则可以进一步推导出四个重要的动态频率特性特性指标：初始频率变化率、最大频率偏移发生时间、最大频率偏移、准稳态频率偏差；

步骤8，首先求取含风电并网系统的动态频率特性指标一：初始频率变化率，即频率发生扰动初始时刻t＝0₊时电网频率的变化率，记为ROCOF，那么可以得到：

从式(11)可以看出：含风电并网系统的初始频率变化率ROCOF仅与扰动大小ΔP_step、传统电网等值惯性时间常数H、风电装机容量占传统电网总装机容量比L_p以及变速风电机组中PD频率辅助控制器的微分系数k_d有关，而与其中的比例系数k_p无关。

步骤9，再求取含风电并网系统的动态频率特性指标二：最大频率偏移发生时间，即电网频率偏移最大对应的时刻，记为t_MFD。根据典型动态频率响应特性曲线可知，当电网动态频率偏移最大时，此时电网动态频率变化率则可以求解出最大频率偏移发生时间t_MFD为：

步骤10，把式(12)代入式(7),则可以求解出对应的最大频率偏移Δω_max为：

步骤11，最后再根据拉斯变换终值定理可以求解出准稳态频率偏移，记为Δf_qss：

从式(14)中，可以看出，变速风电机组中的PD频率辅助控制器中的比例系数k_p对改善准稳态频率偏移有效果，但其中微分系数k_d则对没有准稳态频率偏差的改善毫无作用。

所建立的模型精确性与有效性验证步骤如下：

(1)在软件PSCAD/EMTDC上建立如图4所示的基础仿真模型，其中基础仿真模型中所涉及的主要参数有：传统电网额定装机容量为10MW,一台单机容量为1.5MW的双馈风电机组替代同等容量的火电机组并接入电网中，传统电网原有负荷为5MW,并设置在5s时刻发生有功负荷扰动，负荷扰动大小为0.3MW，T_CH＝0.1s，T_R＝12s，T_CO＝0.1s，H＝5s，F_HP:F_IP:F_LP＝0.3:0.4:0.3，F_IP、F_LP分别为中、低压缸稳态输出功率占火电机组输出总功率百分比，T_CH、T_CO分别为高、低压缸蒸汽溶剂时间常数，R＝0.05，D＝0，K_m＝0.95，T_L＝0.1s。

(2)根据给定系统详细参数，求解给定的含风电并网系统的低阶动态频率响应模型，具体按照下式(7)，并获取频率响应特性曲线：

(3)然后再采用详细的物理模型进行仿真计算；

(4)将本发明建立的含风电并网系统低阶动态频率响应模型获取的动态频率特性曲线与详细的物理模型获取的动态频率特性曲线进行比较，则可以对本发明提出的模型进行有效性验证。如图5所示，其中，实线是采用本发明提出的模型获取的仿真计算结果，虚线为采用详细模型获取的仿真计算结果。从图5(a)、(b)、(c)、(d)可以看出本发明提出的含风电并网系统低阶动态频率响应模型与详细模型获取的频率响应曲线以及初始频率变化、最大频率偏移发生时间、最大频率偏移以及准稳态频率偏移四个重要频率特性指标都具备良好的吻合度，其中两者的初始频率变化率和准稳态频率偏移的吻合度能够达到98％以上；最大频率偏移吻合度能够达到96％；而最大频率偏移发生时间吻合度可以达到93％，稍微差些，这是由于本发明提出的低阶动态频率响应模型是基于忽略小惯性时间常数环节所导致的固有模型误差。

(5)再采用详细的物理模型，进一步通过分别改变变速风电机组PD频率辅助控制器比例系数k_p以及微分系数k_d，来验证由本发明基于含并网风电系统低阶动态频率响应模型基础上所推导后的结论：k_p对于抑制电网动态频率的最大频率偏差以及准稳态频率偏差有效果，但对于电网初始频率变化率的抑制无任何作用；反之k_d对于抑制电网初始频率变化率以及最大频率偏差有效果，但对于抑制准稳态频率偏差毫无作用。

(6)在验证本发明提出的含风电并网系统低阶动态频率响应模型的精确性以及有效性后，则可具体将本发明提出的模型用于调度部门作为一种快速计算并获取电网动态频率响应曲线以及动态频率特性指标的工具。

Claims (5)

1.一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)假定装机额定容量为S_N的传统电网由火电机组为主导，现有占传统总电网装机容量比例为L_p的风电机组替代同等容量的火电机组接入传统电网中，则此时火电机组的额定容量减小为S_N(1-L_P)；

2)假定风电场内风电机组均采用比例-微分PD频率辅助控制器，且风电机组在频率控制过程中不会发生过度响应，将风电机组看作为负的负荷，则可得到含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的传递函数；

3)根据含风电并网系统的低阶频率响应模型传递函数，通过拉斯反变换，推导出含风电并网系统的低阶频率响应模型的时域解析表达式以及电网动态频率的四个重要特性指标；

所述含风电并网系统的低阶频率响应模型的时域解析表达式的推导，包括以下步骤：

3-1)含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的传递函数的复数域关系如式(1)所示：

其中，ΔP_s'_tep为风电接入后电网有功功率瞬时增量；ΔP_step为原传统电网有功功率瞬时增量，Δω(s)为电网频率增量，H为传统电网等值惯性时间常数，D为传统电网等值阻尼，R传统电网调速器调差系数，K_m为与发电机功率因数和备用系数相关的系数，由调度部门设定，F_HP为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出功率的百分比，T_R为中压缸再热蒸汽容积时间常数，k_p和k_d为比例-微分PD频率辅助控制器的比例系数和微分系数，s为拉普拉斯算子；

3-2)根据式(1)得到传递函数关系如下：

将式(2)变为标准形式：

其中，

K'_m＝K_m(1-L_p)；H'＝H(1-L_p)；D'＝D(1-L_p) (6)

3-3)对式(3)进行拉斯反变换，得到含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的时域解析表达式Δω(t)为：

其中，

t表示时间；

所述电网动态频率的四个重要特性指标为：初始频率变化率、最大频率偏移发生时间、最大频率偏移、准稳态频率偏差。

2.根据权利要求1所述的一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，其特征在于，所述初始频率变化率，即频率发生扰动初始时刻t＝0₊时电网频率的变化率，记为ROCOF：

3.根据权利要求1所述的一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，其特征在于，所述最大频率偏移发生时间，即电网频率偏移最大对应的时刻，记为t_MFD，当电网动态频率偏移最大时，此时电网动态频率变化率则最大频率偏 移发生时间t_MFD为：

4.根据权利要求1所述的一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，其特征在于，所述最大频率偏移Δω_max为：

5.根据权利要求1所述的一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，其特征在于，所述准稳态频率偏移Δf_qss为：