CN109066746B - 一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法 - Google Patents

一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法 Download PDF

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Abstract

一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，涉及电力系统转动惯量等效领域。本发明是为了解决目前缺乏对电力系统中储能系统转动惯量等效方法的问题。本发明所述的一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，首先建立电力系统中每个储能系统的模型，根据储能系统的模型求取各储能系统的等效惯量时间常数；然后建立电力系统的模型，根据电力系统的模型求取电力系统的总等效惯量时间常数；最后将储能系统模型的等效惯量时间常数等效为电力系统模型的等效惯量时间常数，获得含有储能系统时，电力系统的总等效惯性时间常数。适用于超级电容储能系统进行等效。

Description

一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法
技术领域
本发明属于电力系统中储能系统，尤其涉及转动惯量等效方法。
背景技术
电力系统转动惯量是影响电力系统稳定性的重要指标。转动惯量是刚体绕轴转动时惯性的量度。对于电力系统来说，转动惯量表明了系统中出现扰动时，系统维持原来运动状态的能力。电力系统转动惯量越大，在扰动下，系统维持自身稳定的能力越强，电力系统稳定性越好。对于电力系统来说，等效惯性时间常数是系统转动惯量的体现。
在风电等新能源大规模并网环境下，随着新能源渗透率的不断提高，同步发电机的比例逐渐减小。随着风电等新能源发电系统在电力系统中的比重不断上升，会导致系统等效惯量减小，从而影响系统的频率稳定性。如果缺失的这部分惯量得不到补充，将使系统在扰动下的频率变化率增加、频率最低点降低、稳态频率偏差增加，发生的频率稳定性问题更频繁。
与此同时，随着能源结构的变更与调整，电力系统中的储能系统也逐渐涌现。储能系统可以实现电力系统能量的存储和释放，从而有助于维持系统的能量动态平衡。在系统出现能量缺额时，储能系统放出能量；当系统出现能量过剩的情况时，储能系统吸收并将这部分能量存储起来。储能系统的存在对于提高电力系统的转动惯量具有重要的意义。
目前对于储能系统在电力系统中的等效转动惯量模拟研究较少，对于储能系统惯量等效的方法几乎空白。
发明内容
本发明是为了解决目前缺乏对电力系统中储能系统转动惯量等效方法的问题，现提供一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法。
一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，包括以下步骤：
步骤一：建立电力系统中每个储能系统的模型；
步骤二：根据储能系统的模型求取各储能系统模型的等效惯量时间常数；
步骤三：建立电力系统的模型；
步骤四：根据电力系统的模型求取电力系统模型的总等效惯量时间常数；
步骤五：将储能系统模型的等效惯量时间常数等效为电力系统模型的等效惯量时间常数，获得含有储能系统时，电力系统模型的总等效惯性时间常数。
步骤一中，依据储能系统的工作原理推导其等效系统模型，所述储能系统适用于转动惯量等效。
步骤二中，储能系统模型的等效惯量时间常数为：额定条件下，储能系统由充满能量的状态到放空所有能量的状态所经历的时间。
步骤三中，根据电网调频原理、机组种类建立用于电力系统调频分析的电力系统模型。
步骤四中，电力系统模型的总等效惯量时间常数为：
Figure GDA0002969145910000021
其中，TαΣ表示不含储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；αi表示第i台发电机组所占电力系统的功率份额；Tai表示第i台发电机组自身的等效惯性时间常数；M表示电力系统中机组的总数量；i＝1,2,3,...,M。
步骤五中，含有储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数为：
Figure GDA0002969145910000022
其中，TαΣ1表示含有储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；λess表示储能系统总容量占电力系统总容量的份额系数；βj表示第j个储能系统占所有储能系统总容量的份额系数；Tαessj表示第j个储能系统模型的等效惯量时间常数；Ta∑表示不含储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；N表示电力系统中储能系统的总数量；j＝1,2,3,...,N。
本发明所述的一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，建立了储能系统等效模型，求取了储能系统等效惯量时间常数，进而获得了含有储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数。按本发明所述建模方法对超级电容储能系统进行等效，在含大规模风电电力系统中，系统频率波动范围下降了约13％，常规机组出力范围下降了约7％，系统的频率稳定性及常规机组的负担均有所下降。
附图说明
图1为超级电容单体的等效电路图；
图2为超级电容放电过程能量变化曲线图；
图3为用于电网调频分析的单区域电力系统模型图；
图4为某日某电网24h实际负荷曲线图；
图5为某日某电网24h预测负荷曲线图；
图6为某日某电网24h风电负荷曲线图，其中实线表示风电实际负荷曲线，虚线表示风电预测负荷曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式仅考虑电力系统中仅含有超级电容储能系统。超级电容由于其电化学特性，具备短时间快速充放电的特点，适用于电力系统转动惯量等效。本实施方式所述的一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，包括以下步骤：
步骤一：依据储能系统的工作原理推导建立出其等效系统的模型。
超级电容储能系统由多个超级电容储能模块组成，超级电容储能模块又由多个超级电容单体通过串并联组成。超级电容单体由一个RC串联环节和两个RC并联环节组成。如图1所示，其中电阻R0和电容C0构成RC串联环节，电阻R1和电容C1、电阻R2和电容C2分别构成两个RC并联环节，图中具体参数值如表1所示：
表1超级电容单体模型参数值
Figure GDA0002969145910000031
6个超级电容单体并联形成超级电容包模块，74个超级电容包模块串联形成超级电容柜模块，2个超级电容柜模块并联形成超级电容储能系统，即构建出了储能系统的模型。其中，超级电容储能系统的额定电压为199.8V，总电容为56.8F，总容量为293Wh。
步骤二：根据储能系统模型求取各储能系统模型的等效惯量时间常数。
同步发电机转子惯性时间常数是指当将额定转矩施加在转子上后，转子由停机到转换到以额定功率转动所经历的时间。即转子的惯性时间常数TJ可以表示为：
Figure GDA0002969145910000032
其中，Pn表示发电机额定功率。
对于储能系统来说，在额定条件下，由充满能量的状态到放空所有能量的状态所经历的时间，为储能系统惯性时间常数。对超级电容储能系统的充放电过程进行模拟，得到超级电容储能系统能量变化曲线，如图2所示。根据等效惯量时间常数的定义，在额定功率下，超级电容储能系统由充满电的状态逐渐放电至完全放电所经历的时间为20s，确定储能系统自身等效惯量时间常数为20s。
步骤三：建立电力系统模型。
分析电网调频原理及过程，根据系统中不同种类机组份额系数及种类，采用一阶惯性环节分别对不统计组的调速器、原动机、转子方程等环节进行模拟，推导其传递函数，建立用于电力系统调频分析的机组模型。
本实施例基于电网一二次调频原理，考虑常规水火电机组及电动汽车集群，建立了包含凝汽式汽轮机、中间再热式汽轮机及功频调节式汽轮机共三种火电机组，以及水轮机组和电动汽车能量源系统的单区域电网调频模型，如图3所示。对于常规水火电机组，采用一阶惯性环节分别对不同机组的调速器、原动机、转子方程等环节进行模拟，推导其传递函数，建立用于电网调频分析的常规机组模型。
图3中，实线表示一次调频通道，虚线表示二次调频通道；具体参数为：PID表示包含有比例环节、微分环节和积分环节的控制器；XPY(S)表示电力系统预测负荷；XPL(S)表示电力系统实际负荷；Xf(S)表示电力系统频率偏差；β∑表示电力系统的等效自平衡常数；δ1表示凝汽式汽轮机组调差系数，α1表示凝汽式汽轮机组所占电力系统的功率份额，Gt1(s)表示凝汽式汽轮机组传递函数；δ2表示中间再热式汽轮机组调差系数，α2表示中间再热式汽轮机组所占电力系统的功率份额，Gt2(s)表示中间再热式汽轮机组传递函数；δ3表示功频调节式汽轮机组调差系数，α3表示功频调节式汽轮机组所占电力系统的功率份额，Gt3(s)表示功频调节式汽轮机组传递函数；δ4表示水轮机调差系数，α4表示水轮机所占电力系统的功率份额，Gt4(s)表示水轮机传递函数。
具体的，考虑电网容量为600MW，使用Matlab/Simulink仿真平台，搭建仅含常规水火电机组的电网模型。其中凝汽式汽轮机、再热式汽轮机、功频调节型汽轮机与水轮机的功率份额系数均为0.2。系统二次调频通道比例环节与积分环节参数设置分别为0.15和0.6。采样保持器时间常数取15s。系统总等效惯性时间常数为10s。
步骤四：根据电力系统模型求取电力系统模型的总等效惯量时间常数，如下式所示：
Figure GDA0002969145910000041
其中，TαΣ表示不含储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；αi表示第i台发电机组所占电力系统的功率份额；Tai表示第i台发电机组自身的等效惯性时间常数；M表示电力系统中机组的总数量；i＝1,2,3,...,M。
具体的，凝汽式汽轮机、再热式汽轮机、功频调节型汽轮机与水轮机的功率份额系数均为0.2。考虑各机组等效惯性时间常数均为10s，则系统总等效惯性时间常数为10s。在此基础上，考虑风电大规模并网对系统等效惯性影响，在风电渗透率达到50％的条件下，由于风机与系统频率的解耦，风机提供的转动惯量几乎为0。采用式(2)中方法进行计算，系统总等效惯性时间常数下降为5s。
步骤五：将储能系统模型的等效惯量时间常数等效为电力系统模型的等效惯量时间常数，获得含有储能系统时，电力系统模型的总等效惯性时间常数，如下式所示：
Figure GDA0002969145910000051
其中，TαΣ1表示含有储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；λess表示储能系统总容量占电力系统总容量的份额系数；βj表示第j个储能系统占所有储能系统总容量的份额系数；Tαessj表示第j个储能系统模型的等效惯量时间常数；Ta∑表示不含储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；N表示电力系统中储能系统的总数量；j＝1,2,3,...,N。
采用式(3)方法求得考虑储能系统等效转动惯量后，系统总惯性时间常数为8s。
根据上述具体实施方式记载的方案，以某电网及风电场一天的实际运行数据进行仿真，其中考虑风电渗透率为0.5，负荷数据分别如图4、图5和图6所示。
对比有、无考虑超级电容虚拟惯量的高风电渗透率电网频率偏差。在未考虑超级电容等效惯量的情况下，系统频率偏差波动的标准偏差为0.0003316p.u.，系统频率偏差的波动范围0.004657p.u.，即0.23Hz。当考虑超级电容等效惯量后，系统频率偏差波动的标准偏差为0.0003323p.u.，系统频率偏差的波动范围为0.004082p.u.，即0.20Hz。在考虑超级电容等效虚拟惯量后，在系统频率偏差波动标准偏差相当的情况下，系统频率的波动范围下降了约13％。系统总等效惯性时间常数的提高增强了系统频率的稳定性。
对比有、无超级电容等效虚拟惯量作用下的常规机组出力曲线。在未考虑超级电容等效虚拟惯量作用的情况下，常规机组一次调频出力波动标准偏差为0.00595p.u.，出力范围为0.06542p.u.。在考虑超级电容等效虚拟惯量作用后，常规机组一次调频出力波动标准偏差为0.005607p.u.，出力范围为0.06106p.u.，其出力范围下降了7％。在超级电容等效虚拟惯量作用下，在出力波动标准偏差相当的情况下，常规机组一次调频出力有所下降。超级电容的加入提高了系统频率的稳定性，同时降低了常规机组的调频负担。

Claims (5)

1.一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立电力系统中每个储能系统的模型；
步骤二：根据储能系统的模型求取各储能系统模型的等效惯量时间常数；
步骤三：建立电力系统的模型；
步骤四：根据电力系统的模型求取电力系统模型的总等效惯量时间常数；
步骤五：将储能系统模型的等效惯量时间常数等效为电力系统模型的等效惯量时间常数，获得含有储能系统时，电力系统模型的总等效惯性时间常数；
步骤五中，含有储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数为：
Figure FDA0002969145900000011
其中，TαΣ1表示含有储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；λess表示储能系统总容量占电力系统总容量的份额系数；βj表示第j个储能系统占所有储能系统总容量的份额系数；Tαessj表示第j个储能系统模型的等效惯量时间常数；Ta∑表示不含储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；N表示电力系统中储能系统的总数量；j＝1,2,3,...,N。
2.根据权利要求1所述的一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，其特征在于，步骤一中，依据储能系统的工作原理推导其等效系统模型，所述储能系统适用于转动惯量等效。
3.根据权利要求1所述的一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，其特征在于，步骤二中储能系统模型的等效惯量时间常数为：额定条件下，储能系统由充满能量的状态到放空所有能量的状态所经历的时间。
4.根据权利要求1所述的一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，其特征在于，步骤三中，根据电网调频原理、机组种类建立用于电力系统调频分析的电力系统模型。
5.根据权利要求1所述的一种含有储能系统的电力系统惯性时间常数获得方法，其特征在于，步骤四中，电力系统模型的总等效惯量时间常数为：
Figure FDA0002969145900000012
其中，TαΣ表示不含储能系统时电力系统模型的总等效惯性时间常数；αi表示第i台发电机组所占电力系统的功率份额；Tai表示第i台发电机组自身的等效惯性时间常数；M表示电力系统中机组的总数量；i＝1,2,3,...,M。
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