CN108964032A - 一种建立含风电的系统频率响应模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含风电的系统频率响应模型，在传统系统频率响应模型的基础上，引入模拟惯量控制和下垂控制使风电参与系统频率调节，从而得到风电并网后的电力系统频率响应模型。该模型有助于分析风电接入电网对系统频率的影响，包括渗透率、虚拟惯量常数以及虚拟阻尼系数等因素，在一定程度上可以对低频减载方案的整定提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，属于电力系统频率动态分析的范畴。
背景技术
截至2017年底，我国可再生能源发电装机达到6.5亿千瓦，约占全部电力装机的36.6％，可再生能源的清洁能源替代作用日益突显。随着新能源的发展，常规机组逐渐被替代，风电在电网中的渗透率不断提高，电力系统安全稳定运行面临着一系列新的挑战。
近年来风电发展迅猛，在电力系统中的比重日益增加，风机与电网的联系更加紧密。风电出力的随机性和波动性，将给电网运行带来一定的冲击，影响到系统有功功率平衡，导致频率稳定性遭到破坏。同时，风电与电网频率之间基本没有耦合，系统惯量降低。针对以上问题，文献《Review of contribution to frequency control through variablespeed wind turbine》将同步发电机的惯性响应和一次调频能力引入其控制环节中，从而模拟常规机组的频率响应特性，提出风电机组频率响应模型。
随着风电并网程度的提高，传统的系统频率响应模型已经不能满足系统频率动态分析的需求，因此建立含风电的系统频率响应模型成为目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于建立一种含风电的系统频率响应模型，该模型有助于分析风电接入电网对系统频率的影响，在一定程度上可以对低频减载方案的整定提供理论依据，并提供衡量频率动态的重要指标。
本发明为解决以上技术问题采用以下技术方案：
一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，包括以下步骤：
1)大规模风电接入系统，将对系统频率动态特性造成较大的影响。其中，风电波动ΔPw将与负荷波动ΔPd产生叠加，进而增加系统中不平衡功率的波动；风电的弱惯量性会导致整个系统的等效旋转惯量下降，从而使得系统在受到扰动时对频率的控制能力减弱，当系统中风电的渗透率为αw时，则原有常规机组的惯量系数H减小为α1H，发电机阻尼因子D减小为α1D，其中α1+αw＝1。
2)调整风力发电机的控制策略，将同步发电机的惯性响应和一次调频能力引入其控制环节中，从而模拟常规机组的频率响应特性。风电机组的调频控制技术，通常基于以下两种方式：模拟惯量控制，即“虚拟同步机”思想，通过控制风机的旋转动能使其参与频率调节，实现对系统的惯性支持；下垂控制，通过控制风电机组的出力随系统频率变化，使风电机组参与一次调频控制，实现风机有功与系统频率的下垂控制特性。
3)在传统系统频率响应模型的基础上加入风电参与调频措施，从而得到含风电的系统频率响应模型，推导含风电的系统频率响应模型的传递函数，进行拉普拉斯反变换，从而得出含风电的系统频率响应模型的时域表达式以及衡量频率动态的重要指标。
前述步骤3)的含风电的系统频率响应模型的传递函数的具体推导过程，包括以下步骤：
3-1)推导出含风电的系统频率响应模型的传递函数为：
其中，ΔPd为系统功率扰动；Δω为系统平均转速偏差；H为发电机惯量常数；D为发电机阻尼因子；Km为机械功率增益系数；FH为原动机高压缸做功比例；TR为原动机再热时间常数；R为调速器调差系数，αw表示系统中风电的渗透率，α1表示系统中常规机组所占的比例，α1+αw＝1；Hw为风力发电机组的虚拟惯量常数，Dw为风力发电机组的虚拟阻尼。
3-2)整理得到以下标准形式：
其中：
3-3)在初始时刻t＝0时，系统受到扰动且假设扰动为一阶跃函数，即
对上式进行拉普拉斯反变换，得到含风电的系统频率响应模型的时域表达式：
其中：
前述的当系统受到扰动时初始时刻t＝0时，系统的频率变化率为ROCOF(Rate ofChange of Frequency)，则
前述的根据频率响应曲线，当频率下降至最低值时，此时对应的频率变化率为0，即：
由此可知，频率从50Hz下降至最低值的时间tmin。
前述的根据终值定理，可以得到风电并网后系统稳态频率偏差Δωs，即
附图说明
图1为含风电的系统频率响应模型；
图2为风电机组参与频率控制措施；
图3为系统频率响应模型；
图4为风电接入对系统频率的影响；
图5为不同风电渗透率下的系统频率响应图；
图6为风电机组虚拟惯量常数对扰动后系统频率动态的影响图；
图7为风电机组虚拟阻尼对扰动后系统频率动态的影响图。
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，为了能更加清晰地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。
本发明提出了一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，在传统系统频率响应模型的基础上，将风电机组的出力视为“负”的负荷，并考虑风电参与调频控制措施，引入模拟惯量控制和下垂控制使风电参与系统频率调节，从而得到风电并网后的电力系统频率响应模型。
本发明建立一种含风电的系统频率响应模型的方法，步骤如下：
步骤1，大规模风电接入系统，将对系统频率动态特性造成较大的影响。其中，风电波动ΔPw将与负荷波动ΔPd产生叠加，进而增加系统中不平衡功率的波动；风电的弱惯量性会导致整个系统的等效旋转惯量下降，从而使得系统在受到扰动时对频率的控制能力减弱，当系统中风电的渗透率为αw时，则原有常规机组的惯量系数H减小为α1H，发电机阻尼因子D减小为α1D，其中α1+αw＝1，如图4所示。
步骤2，调整风力发电机的控制策略，将同步发电机的惯性响应和一次调频能力引入其控制环节中，从而模拟常规机组的频率响应特性。风电机组的调频控制技术，通常基于以下两种方式：模拟惯量控制，即“虚拟同步机”思想，通过控制风机的旋转动能使其参与频率调节，实现对系统的惯性支持；下垂控制，通过控制风电机组的出力随系统频率变化，使风电机组参与一次调频控制，实现风机有功与系统频率的下垂控制特性，如图2所示，其中Hw为风力发电机组的虚拟惯量常数，Dw为风力发电机组的虚拟阻尼，ΔPw为风力发电机参与调频的有功增量。
步骤3，在传统系统频率响应模型(见图3)的基础上加入风电参与调频措施，从而得到含风电的系统频率响应模型，如图1所示，推导出含风电的系统频率响应模型的传递函数为：
其中，ΔPd为系统功率扰动；Δω为系统平均转速偏差；H为发电机惯量常数；D为发电机阻尼因子；Km为机械功率增益系数；FH为原动机高压缸做功比例；TR为原动机再热时间常数；R为调速器调差系数，αw表示系统中风电的渗透率，α1表示系统中常规机组所占的比例，α1+αw＝1。
步骤4，将式(1)整理得到以下标准形式：
其中：
步骤5，在初始时刻t＝0时，系统受到扰动且假设扰动为一阶跃函数，即
对式(2)进行拉普拉斯反变换，得到含风电的系统频率响应模型的时域表达式：
其中：
通过式(6)，可以发现风电并网后系统频率动态呈阻尼正弦波动，且与风电渗透率以及风机调频控制参数密切相关；当风电接入电网后，会取代一部分常规机组，从而导致系统总体惯量的减少。
步骤6，首先求取风电并网后的初始频率变化率，当系统受到扰动时初始时刻t＝0时，系统的频率变化率为ROCOF(Rate of Change of Frequency)，则
由式(10)可以发现，风电的渗透率影响系统初始频率变化率的变化；系统有功功率缺额越大，频率跌落的越快。
步骤7，根据频率响应曲线，当频率下降至最低值时，此时对应的频率变化率为0，即：
由此可知，频率从50Hz下降至最低值的时间tmin。
步骤8，根据终值定理，可以得到风电并网后系统稳态频率偏差Δωs，即
从式(13)可以看出，在系统功率扰动确定的情况下，稳态频率偏差由常规机组调差系数以及阻尼因子和风电机组调频参数所决定。
所提出的方法的适应性与有效性验证步骤如下：
(1)在软件MATLAB中建立如图1所示的仿真模型，选取典型值R＝0.05，H＝4.0s，Km＝0.95，FH＝0.3，TR＝8.0s，D＝1.0，Hw＝1s，Dw＝1，当受到扰动ΔPstep＝-0.1时，系统在不同风电渗透率下的频率动态曲线如图5所示，重要特性参数的变化值见表1。随着风电在系统中占比提高，有功频率调节能力减弱，在遭受扰动一定的情况下，系统最大频率偏移值会变得越大，初始频率变化率越大，且扰动后系统稳态频率值越低。在电网中风电比例较高情况下，若系统遭受严重故障造成大量的有功缺额时，初始时刻的频率变化率很大，频率迅速跌落，低频减载装置可能没有足够的时间来切除负荷以保持系统频率稳定，因此高渗透率风电对电网的频率稳定构成了严重挑战。
表1渗透率不同对频率响应曲线的影响
(2)将本发明建立的含风电的系统频率响应模型，保持其它参数不变，改变风电机组虚拟惯量常数，验证其对系统频率响应的影响。如图6所示，风电机组的虚拟惯量常数，对扰动后系统的稳态频率基本没有影响，而对系统的最低频率及下降时间都有影响；随着风电机组虚拟惯量常数的增大，系统从50Hz下降到最低点的时间越长，系统最大频率偏差会越小。
(3)将本发明建立的含风电的系统频率响应模型，保持其它参数不变，改变风电机组的虚拟阻尼系数，验证其对系统频率响应的影响。如图7所示，风电机组的虚拟阻尼系数，对系统扰动后的下降至最低频率的时间基本没有影响，但是对于系统的最低频率以及稳态频率会产生较为明显的影响。风电机组的虚拟阻尼系数越大，扰动后系统的最低频率值越大，稳态频率值越高。
Claims (5)
1.一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)大规模风电接入系统，将对系统频率动态特性造成较大的影响。其中，风电波动ΔPw将与负荷波动ΔPd产生叠加，进而增加系统中不平衡功率的波动；风电的弱惯量性会导致整个系统的等效旋转惯量下降，从而使得系统在受到扰动时对频率的控制能力减弱，当系统中风电的渗透率为αw时，则原有常规机组的惯量系数H减小为α1H，发电机阻尼因子D减小为α1D，其中α1+αw＝1。
2)调整风力发电机的控制策略，将同步发电机的惯性响应和一次调频能力引入其控制环节中，从而模拟常规机组的频率响应特性。风电机组的调频控制技术，通常基于以下两种方式：模拟惯量控制，即“虚拟同步机”思想，通过控制风机的旋转动能使其参与频率调节，实现对系统的惯性支持；下垂控制，通过控制风电机组的出力随系统频率变化，使风电机组参与一次调频控制，实现风机有功与系统频率的下垂控制特性。
3)在传统系统频率响应模型的基础上加入风电参与调频措施，从而得到含风电的系统频率响应模型，推导含风电的系统频率响应模型的传递函数，进行拉普拉斯反变换，从而得出含风电的系统频率响应模型的时域表达式以及衡量频率动态的重要指标。
2.根据权利要求1所述的一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，其特征在于，步骤3)的含风电的系统频率响应模型的传递函数的具体推导过程，包括以下步骤：
1)推导出含风电的系统频率响应模型的传递函数为：
其中，ΔPd为系统功率扰动；Δω为系统平均转速偏差；H为发电机惯量常数；D为发电机阻尼因子；Km为机械功率增益系数；FH为原动机高压缸做功比例；TR为原动机再热时间常数；R为调速器调差系数，αw表示系统中风电的渗透率，α1表示系统中常规机组所占的比例，α1+αw＝1；Hw为风力发电机组的虚拟惯量常数，Dw为风力发电机组的虚拟阻尼。
2)整理得到以下标准形式：
其中：
3)在初始时刻t＝0时，系统受到扰动且假设扰动为一阶跃函数，即
对上式进行拉普拉斯反变换，得到含风电的系统频率响应模型的时域表达式：
其中：
3.根据权利要求2所述的一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，其特征在于，所述当系统受到扰动时初始时刻t＝0时系统的频率变化率为ROCOF(Rate of Change ofFrequency)，则
4.根据权利要求2所述的一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，其特征在于，所述根据频率响应曲线，当频率下降至最低值时，此时对应的频率变化率为0，即：
由此可知，频率从50Hz下降至最低值的时间tmin。
5.根据权利要求2所述的一种建立含风电的系统频率响应模型的方法，其特征在于，所述根据终值定理，可以得到风电并网后系统稳态频率偏差Δωs，即
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