CN108879688A - 一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法。利用传统机组的惯性时间常数，调速器响应时间以及调速器下垂系数三个参数搭建模型。包括3个步骤：1)忽略电网结构，根据传统发电机组的惯性时间常数建立同步机组等值模型，将调速器结构等值为一阶惯性环节，将其接入同步机等值模型中，构建完整的电力系统频率响应等值模型；2)将风电出力简化为正弦出力，得到风电波动下的系统频率变化规律；3)利用风机正弦出力进行等值模型的参数辨识。本发明在风机并网运行的情况下，实现电力系统频率响应等值模型的建立。考虑风电波动对系统频率的影响，使得此模型可适用于风电并网运行的系统。

Description

一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法

技术领域

本发明属于电力系统频率响应分析领域，特别是一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法。

背景技术

随着全球能源危机的到来，以风电为主的新能源发电方式开始并网运行，但由于风速的持续波动，风电出力也处于不断变化中，对电网稳定运行的影响也越来越大。随着大容量风电机组在电网中比例的不断增加和用户对电能质量要求的提高，风电出力的波动对电网频率稳定的影响已不可忽视，电网频率稳定性问题越来越被重，电网运行的安全性成为了一个巨大挑战。为保证电网运行的稳定，分析研究系统频率变化是关键，建立含风电的电力系统频率响应模型是研究系统频率变化的首要条件，目前风机并网运行的电力系统频率响应模型还未完全建立，主要研究方向是建立针对切机切负荷的系统频率响应模型，事实上风电出力的波动也是影响频率稳定的重要因素，但是鲜有报道。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法，包括以下步骤：

步骤一、将原有风电并网系统等值为一阶惯性环节的控制系统，同步机组等值主要由惯性时间常数所决定，调速器的等值则由响应时间和下垂系数决定。惯性时间常数是发电机运行的一个重要参数，也是与系统频率息息相关的参数，所以频率响应等值模型中的同步机组一阶惯性环节就由惯性时间常数构成。调速器的重要参数为下垂系数和响应时间，所以由这两种参数构成调速器等值一阶惯性环节。

步骤二、在原有风电并网系统中，将风速定义为正弦信号，则风电出力可简化为正弦波出力，仿真得到正弦风波动下系统频率响应。不进行切机切负荷，只考虑风电波动对系统频率的影响，将风速定义为正弦信号，风电出力就可简化为正弦出力，通过仿真，可以得到系统频率波动规律。正弦风电出力的波动频率会影响系统频率变化规律，但事实上实际风速的频率分布范围固定，所以所得风电正弦出力的波动频率分布也处于固定状态，此时，风电固定频率波动下的系统频率变化很大。

步骤三、将风电正弦出力信号作为输入，风电波动下的系统频率变化作为输出，进行等值模型中各参数的辨识。为保证系统处于平衡状态，潮流计算结果正确，控制系统中风机正弦出力与发电机固定出力的和为系统总负荷。保证等值模型中调速器参数不变，辨识出等值惯性时间常数是由原系统中的各台发电机惯性时间常数及其额定功率所决定；保证等值模型中的惯性时间常数不变，辨识出等值模型中调速器下垂系数和惯性时间常数与原系统中各调速器参数有关。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)考虑同步机组惯性时间常数以及调速器下垂系数和响应时间建立一阶惯性环节的电力系统频率响应模型，此模型的仿真计算更加简洁，分析研究更加方便；(2)考虑风电波动对系统频率的影响，使得此模型可适用于风电并网运行的系统；(3)本发明的方法考虑风电并网运行时的系统频率变化，在此频率响应模型基础上分析风电高占比电网的频率响应，可靠性更高。

附图说明

图1为考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法流程图。

图2为考虑风电波动的电网频率响应等值模型具体结构图。

图中编号所代表的含义为：1为建立一阶惯性环节的等值频率响应模型，2为风电出力正弦化，得到系统频率变化规律，3为频率响应等值模型的参数辨识。

具体实施方式

本发明的一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法，包括以下步骤：

步骤1、将同步机组及调速器等值成一个控制系统，其中等值同步机组的参数包括惯性时间常数，调速器的参数包括响应时间和下垂系数；

所述同步机组的等值和调速器的等值均为一阶惯性环节；同步机组的一阶惯性环节等值是由惯性时间常数构成，调速器的一阶惯性环节由下垂系数和响应时间构成；所述同步机组等值模型由惯性时间常数构成，其传递函数为：

式中H是等值同步机组惯性常数，D为阻尼系统；

调速器等值模型由下垂系数和响应时间构成，其传递函数为：

式中T为调速器响应时间，k为调速器的下垂系数；

同步机组等值模型与调速器等值模型结合后整个等值模型系统的传递函数为：

步骤2、在含风机的系统中，将风机出力简化成一个正弦信号，由此得到风电波动系统频率变化；

所述风电波动下的系统频率变化是原系统在风电正弦出力下的频率变化，将风电出力简化为正弦信号，风电正弦化后的出力为：

ΔP_W(t)＝M sin(ω_Wt)

式中ω_W是风电波动频率。

步骤3、在等值系统中，将风机正弦出力作为输入信号，系统频率变化作为输出信号，进行等值模型中参数辨识，得到等值参数。

进行参数辨识时，保证调速器参数不变，进行等值模型中惯性时间常数的辨识；之后保证同步机组惯性时间常数不变，进行等值模型中调速器参数的辨识；等值模型中的惯性时间常数是与原系统中各台发电机惯性时间常数及其额定功率有关，等值模型中的调速器参数与原系统中各台调速器相应参数有关；

所述等值模型中惯性时间常数为：

式中H_system为等值模型中的惯性时间常数，S_B为等值系统基准功率，S_Ni为第i台发电机额定功率，H_i为第i台发电机惯性时间常数；

等值模型中调速器响应时间为：

T_sys＝T

式中，T_sys为等值模型中的调速器响应时间，T为原系统中调速器响应时间。

本发明的方法考虑风电并网运行时的系统频率变化，在此频率响应模型基础上分析风电高占比电网的频率响应，可靠性更高。

下面进行更详细的描述。

本发明所述的一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法流程图如图1，包括以下步骤：

步骤一、由惯性时间常数，调速器下垂系数，调速器响应时间三个参数建立一阶惯性环节的系统频率响应等值模型，同步机组等值模型主要参数为惯性时间常数，调速器等值模型主要参数为下垂系数和响应时间。

构建的一阶惯性环节的电网频率响应等值模型如图2所示：同步机组等值模型由惯性时间常数构成，其传递函数为：

式中H是等值同步机组惯性常数，D为阻尼系统，一般取1。

调速器等值模型是由下垂系数和响应时间构成，其传递函数为：

式中T为调速器响应时间，k为调速器的下垂系数。

同步机组等值模型与调速器等值模型结合后整个等值模型系统的传递函数为：

步骤二、将风速定义为一个正弦函数，则得到正弦化的风电出力，在原有含风电的系统中，仿真得到风电正弦出力波动下的系统频率响应。

风速的变化无法预测，风电输出功率具有很强的波动性，这种波动是无规律的，为方便计算，将风电出力简化为正弦信号，风电正弦化后的出力为：

ΔP_W(t)＝M sin(ω_Wt) (4)

式中ω_W是风电波动频率。

系统频率的变化，即为发电机转速变化，在同一系统中，所有发电机转速的变化规律都一致，所以在风电正弦波动下的系统频率变化是选择系统中任意一台发电机的转速变化来体现。

步骤三、将正弦风电出力作为输入信号，将系统频率变化作为输出信号，利用参数辨识得到等值模型中惯性时间常数、下垂系数、响应时间等参数的等值计算方法。

如图2所示，ΔP_W即为风电正弦出力，P_M为同步发电机固定出力，P_D为系统总负荷。电力系统在进行潮流计算时必须保证整个系统功率的平衡为保证这一要求，控制系统中的三种参数应满足：

P_D＝P_M+ΔP_W (5)

将正弦风出力信号作为控制系统输入，系统频率变化作为控制系统输出，利用参数辨识，可得到等值模型中惯性时间常数为：

式中H_system为等值模型中的惯性时间常数，S_B为等值系统基准功率，S_Ni为第i台发电机额定功率，H_i为第i台发电机惯性时间常数。

等值系统中的基准功率与原系统基准功率有关，计算公式为：

S_B＝nS_b (7)

式中n为发电机台数，S_b为原系统基准功率，一般取100MW。

为方便计算调速器的等值参数，原系统中所有发电机调速器完全相同，当原系统中所有调速器都相同时，等值模型中调速器下垂系数为：

式中k_sys为等值模型中的调速器下垂系数，k为原系统中调速器下垂系数。

当原系统中所有调速器都相同时，等值模型中调速器响应时间为：

T_sys＝T (9)

式中T_sys为等值模型中的调速器响应时间，T为原系统中调速器响应时间。

本发明的方法考虑同步机组惯性时间常数以及调速器下垂系数和响应时间建立一阶惯性环节的电力系统频率响应模型，此模型的仿真计算更加简洁，分析研究更加方便。

Claims (4)

1.一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将同步机组及调速器等值成一个控制系统，其中等值同步机组的参数包括惯性时间常数，调速器的参数包括响应时间和下垂系数；

步骤2、在含风机的系统中，将风机出力简化成一个正弦信号，由此得到风电波动系统频率变化；

步骤3、在等值系统中，将风机正弦出力作为输入信号，系统频率变化作为输出信号，进行等值模型中参数辨识，得到等值参数。

2.如权利要求1所述的一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法，其特征在于，步骤1中同步机组的等值和调速器的等值均为一阶惯性环节；同步机组的一阶惯性环节等值是由惯性时间常数构成，调速器的一阶惯性环节由下垂系数和响应时间构成；所述同步机组等值模型由惯性时间常数构成，其传递函数为：

式中H是等值同步机组惯性常数，D为阻尼系统；

调速器等值模型由下垂系数和响应时间构成，其传递函数为：

式中T为调速器响应时间，k为调速器的下垂系数；

同步机组等值模型与调速器等值模型结合后整个等值模型系统的传递函数为：

3.如权利要求1所述的一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法，其特征在于，步骤2中风电波动下的系统频率变化是原系统在风电正弦出力下的频率变化，将风电出力简化为正弦信号，风电正弦化后的出力为：

ΔP_W(t)＝Msin(ω_Wt)

式中ω_W是风电波动频率。

4.如权利要求1所述的一种考虑风电波动的电网频率响应等值模型建立方法，其特征在于，步骤3进行参数辨识时，保证调速器参数不变，进行等值模型中惯性时间常数的辨识；之后保证同步机组惯性时间常数不变，进行等值模型中调速器参数的辨识；等值模型中的惯性时间常数是与原系统中各台发电机惯性时间常数及其额定功率有关，等值模型中的调速器参数与原系统中各台调速器相应参数有关；

所述等值模型中惯性时间常数为：

式中H_system为等值模型中的惯性时间常数，S_B为等值系统基准功率，S_Ni为第i台发电机额定功率，H_i为第i台发电机惯性时间常数；

等值模型中调速器响应时间为：

T_sys＝T

式中，T_sys为等值模型中的调速器响应时间，T为原系统中调速器响应时间。