CN108830013A - 一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，包括：在电力系统的扰动下，一次调频还未响应时，假设系统中有功功率的缺额完全由发电机旋转机构所释放的动能来弥补，利用动能定理得到电力系统的惯性时间常数。与现有技术相比，本发明将动能定理与传统的惯量评估方式相结合，不需要对频率变化率进行滤波取值即可获得较为准确的系统惯性时间常数值，而且也可以减小由于扰动发生时间的不精确测量带来的误差，降低了对电网惯量评估的复杂程度，具有良好的实用性。

Description

一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行分析领域，尤其是涉及一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法。

背景技术

为了解决能源危机和气候问题，各国政府加大了对新能源发电的投资力度，风力发电、太阳能发电的渗透率逐年上升，与此同时，新能源发电对电网产生的不良影响也日益凸显。

相对于传统的发电方式，新能源发电有着很大的区别。首先，新能源发电存在着间歇性，这使得电网波动越来越大，对整个电网的稳定性产生了影响。其次，新能源发电一般会经过电力电子器件和大电网进行并网，这造成了发电机部分和电网的解耦，使得发电机部分的惯量无法传递到电网中。研究发现，惯量越低的系统受扰动影响越大，频率跌落越快，电网稳定性更差，因此计算出整个系统的惯性时间常数是很有必要的。

惯性时间常数H定义为发电机仅通过释放旋转机构中存储的动能提供发电机额定功率的时间，一般单位为秒。

目前计算系统惯性时间常数最为常见的方式是在已知的系统扰动下利用发电机摇摆方程计算系统惯性时间常数。公式表达如式(1)所示

式(1)中，H_sys为电力系统的惯性时间常数；S_sys为系统发电机总容量；f为系统当前频率值；f_n为系统的额定频率值；P_m为系统总的发电机机械功率；P_e为系统里发电机发出的总电磁功率；ΔP为系统总的有功功率缺额值。

其中，

式(2)中，H_SG为单台发电机的惯性时间常数值，S_SG为单台发电机容量。

但是，利用这种方式计算惯性时间常数的复杂程度也是很大的。为了获得系统的惯性时间常数值，就必须要先获得已知扰动下某一个节点的频率曲线，根据频率曲线计算得到频率变化率的曲线，并对其进行滤波取值代入式(1)进行计算。在此基础上，扰动发生时间的不精确测定会给频率变化率曲线带来影响，从而增加惯量评估的误差，无论是在扰动发生时间的精确测定上，还是在频率变化率的滤波取值上，都给计算系统惯性时间常数带来了难度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，包括：

在电力系统的扰动下，一次调频还未响应时，假设系统中有功功率的缺额完全由发电机旋转机构所释放的动能来弥补，利用动能定理得到电力系统的惯性时间常数。

优选的，所述利用动能定理得到的电力系统的惯性时间常数为：

其中，H_sys为电力系统的惯性时间常数，ΔP为电力系统发生扰动后一次调频未切入时的有功功率缺额值，S_sys为电力系统的发电机容量，f_n为电力系统的额定频率值，t₀为电力系统扰动发生时或之后的某一时刻，t₁为电力系统一次调频切入时刻或选取的一次调频响应前的某一时刻，t₀<t₁，f₁、f₀分别为t₁、t₀时刻对应的系统频率值。

优选的，所述t₀为电力系统扰动发生时刻。

优选的，所述t₁为电力系统一次调频切入时刻。

优选的，所述t₁为电力系统扰动发生后1秒时刻。

优选的，所述电力系统的扰动包括发电机故障切除。

与现有技术相比，本发明将动能定理与传统的惯量评估方式相结合，不需要对频率变化率进行滤波取值即可获得较为准确的系统惯性时间常数值，而且也可以减小由于扰动发生时间的不精确测量带来的误差，降低了对电网惯量评估的复杂程度，具有良好的实用性。

附图说明

图1为实施例中新英格兰10机39节点系统结构示意图；

图2为实施例中切除发电机G03时母线BUS01上频率仿真结果图；

图3为实施例中切除发电机G06时母线BUS01上频率仿真结果图；

图4为实施例中切除发电机G09时母线BUS01上频率仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，包括：

在电力系统不同程度的扰动基础上，忽略负荷的频率特性，在一次调频还未响应时，假设系统中有功功率的缺额完全由发电机旋转机构所释放的动能来弥补，利用动能定理得到电力系统的惯性时间常数。

本方法假定扰动发生后一次调频未响应时刻，忽略负荷频率特性的基础上，发电机通过释放旋转机构存储的动能完全弥补了系统的有功功率缺额，利用动能定理得到表达式如下：

上式中，P_inertia为发电机在t₀到t₁时段内释放旋转机构中存储的动能所提供的有功功率值；ΔP为系统发生扰动后一次调频未切入时的有功功率缺额值；W_inertia为发电机在t₀到t₁时段内做的功；ΔE为t₀到t₁时段内释放的动能值；J_SG为整个系统中同步电机的转动惯量值；w₁为t₁时刻的系统角频率值，w₀为t₀时刻的系统角频率值；t₁为电力系统一次调频切入时刻或选取的一次调频响应前的某一时刻，t₀为扰动发生时或之后的某一时刻，应保证t₀<t₁且t₀到t₁的时间范围在扰动发生到一次调频切入的时间范围内。

惯性时间常数的定义为：

式中，H_sys为电力系统的惯性时间常数。

将式(4)代入式(3)得到式(5)：

式中，S_sys为电力系统的发电机容量。

整理上式，得到的电力系统的惯性时间常数为：

其中，f_n为电力系统的额定频率值，f₁、f₀分别为t₁、t₀时刻对应的系统频率值。

从式(6)可以看出惯性时间常数直接与频率联系，不需要考虑频率变化率的滤波取值，同时也减小了扰动发生时刻的不精确测量对惯量评估带来的误差影响，提高了计算惯性时间常数的速度，降低了惯量评估的复杂程度，具有一定的实用性。

本实施例中，采用新英格兰10机39节点系统(其负荷均设置为恒功率负荷模型)在DIgSILENT PowerFactory仿真软件中进行验证，该系统的拓扑结构如图1所示。验证方法为：设置不同程度的发电机扰动事件，按照公式(2)计算出系统惯性时间常数的实际值，然后在母线上获取合适的t₀和t₁值以及相对应的频率值，结合扰动后有功功率缺额和系统的发电机容量、额定频率，按照本方法中公式(6)得到惯性时间常数的计算值，将惯性时间常数的计算值和实际值进行比对，计算误差绝对值，若误差绝对值很小，则说明本方法计算得到的惯性时间常数值和系统实际惯性时间常数值基本一致，从而验证了本方法的正确性。

为了验证本方法的正确性，本实施例中设置了3种不同的发电机扰动事件：

扰动事件1：在仿真t＝2s时刻对发电机G03进行切机；

扰动事件2：在仿真t＝2s时刻对发电机G06进行切机；

扰动事件3：在仿真t＝2s时刻对发电机G09进行切机。

参数设置：取t₀为扰动发生时刻，即t₀＝2s时刻，t₁为扰动发生后1秒时刻，即t₁＝3s，频率值均在母线BUS01上取值。

上述3个扰动事件相应的BUS01上频率曲线仿真图分别如图2～4所示，由图中可以得到不同的发电机扰动事件对应的t＝3s时刻频率值分别为59.738HZ、59.746HZ、59.666HZ，结合不同扰动事件的有功功率缺额值、系统的发电机容量值、系统额定频率值可以得到惯性时间常数的计算值。经过对比发现，本方法得到的扰动下惯性时间常数计算值相比于系统的惯性时间常数实际值误差较小，说明惯性时间常数计算值与实际值基本一致。

通过上述验证过程可以得出，本方法能较为准确的计算出系统的惯性时间常数并且相对于传统的惯量评估方法，本方法复杂程度较低，计算速度较快，具有良好的实用价值。

Claims (6)

1.一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，其特征在于，包括：

在电力系统的扰动下，一次调频还未响应时，假设系统中有功功率的缺额完全由发电机旋转机构所释放的动能来弥补，利用动能定理得到电力系统的惯性时间常数。

2.根据权利要求1所述的一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，其特征在于，所述利用动能定理得到的电力系统的惯性时间常数为：

其中，H_sys为电力系统的惯性时间常数，ΔP为电力系统发生扰动后一次调频未切入时的有功功率缺额值，S_sys为电力系统的发电机容量，f_n为电力系统的额定频率值，t₀为电力系统扰动发生时或之后的某一时刻，t₁为电力系统一次调频切入时刻或选取的一次调频响应前的某一时刻，t₀<t₁，f₁、f₀分别为t₁、t₀时刻对应的系统频率值。

3.根据权利要求2所述的一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，其特征在于，所述t₀为电力系统扰动发生时刻。

4.根据权利要求2所述的一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，其特征在于，所述t₁为电力系统一次调频切入时刻。

5.根据权利要求2所述的一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，其特征在于，所述t₁为电力系统扰动发生后1秒时刻。

6.根据权利要求1所述的一种基于动能定理的系统扰动下惯性时间常数评估方法，其特征在于，所述电力系统的扰动包括发电机故障切除。