CN109449937B - 一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，包括：当系统发生功率扰动后，不断改变该模型中的新能源发电机组所承担负载比例和等值惯性时间常数后进行仿真，以得到不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，直至新能源渗透率同时满足：当前新能源渗透率下系统的最低频率≥系统频率稳定约束中的最低频率下限值＞当前新能源渗透率增加预定百分比数值后系统的最低频率，且当前新能源渗透率下系统的最大频率变化率≤系统频率稳定约束中的最大频率变化率上限值＜当前新能源渗透率增加预定百分比数值后系统的最大频率变化率，再计算出当前新能源渗透率与系统发生功率扰动前总负载的乘积，即为电网新能源承载力。本发明能快速、准确地确定出电网新能源承载力的定量评估结果。

Description

一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法

技术领域

本发明涉及电网新能源承载力技术领域，尤其涉及一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法。

背景技术

风电光伏等新能源大规模接入电网，给电网的安全稳定运行带来挑战，新能源发电系统的弱惯量或无惯量特性及其最大功率跟踪运行特点给电网的频率安全稳定控制带来的影响日益明显。同时大规模特高压交直流输电网络建设中，系统输送容量巨大，发生大规模功率扰动的概率大幅增加，出现低频减载和高频切机的风险增加，因此考虑系统频率稳定约束的电网新能源承载力对新能源发展至关重要。

目前，现有的对电网新能源承载力定量评估的方法大多是从调峰能力或者电压稳定方面进行考量：在调峰能力方面，一般要考虑新能源发电在不同季节、不同时刻输出功率的波动特性、电网的备用容量等约束；在电压稳定方面，一般要考虑新能源发电接入点处短路容量的限制。而在系统频率稳定方面，目前通过分析系统频率响应进而研究电网新能源承载力一般通过建立全网仿真模型，采用时域仿真获取频率响应。当系统运行方式改变时，需要调整运行方式进行仿真计算。如采用PSASP(Power System Analysis SoftwarePackage，电力系统分析综合程序)电力系统分析软件对电力系统出现功率扰动后的频率变化情况进行仿真，不仅需要设置非常多的仿真参数，而且仿真过程需要耗费很长时间才能得出电网新能源承载力的定量评估结果，工作量较大且繁琐。

发明内容

针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，不仅能快速获得不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，从而能快速确定出电网新能源承载力的定量评估结果，而且其仿真参数的设置数量大幅减少，其仿真过程耗费时间大幅缩短，其定量评估结果准确度高，能够很好地反映出电力系统出现功率扰动后的频率响应特性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，包括：

当系统发生功率扰动后，运用系统频率响应综合模型，并不断改变该模型中的新能源发电机组所承担负载比例和等值惯性时间常数后进行仿真，以得到不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，直至新能源渗透率同时满足：当前新能源渗透率下系统的最低频率≥系统频率稳定约束中的最低频率下限值＞当前新能源渗透率增加预定百分比数值后系统的最低频率，且当前新能源渗透率下系统的最大频率变化率≤系统频率稳定约束中的最大频率变化率上限值＜当前新能源渗透率增加预定百分比数值后系统的最大频率变化率，则将当前新能源渗透率作为电网达到频率稳定极限的最大新能源渗透率，再计算出当前新能源渗透率与系统发生功率扰动前总负载的乘积，即为电网新能源承载力；

其中，所述的系统频率响应综合模型包括负荷阻尼常数、等值惯性时间常数、新能源发电机组所承担负载比例和各类传统发电机组模型，并且每类传统发电机组模型均根据该类传统发电机组所承担负载比例建立而成。

所述系统频率响应综合模型满足以下公式：

公式1中，M表示系统的等值惯性时间常数，dΔf/dt表示频率变化率，D表示系统的负载阻尼常数，Δf表示频率偏移量，ΔP表示系统功率不平衡量，P_传统表示传统发电机组的输出功率，P_新能源表示新能源发电机组的输出功率，P_负载表示系统中的总负载。

所述系统的等值惯性时间常数M的计算公式如下：

公式2中，M表示系统的等值惯性时间常数，其取值由系统中参与发电的发电机的等值转子惯性时间常数T_Jeq决定，T_J1、T_J2…T_Jn表示系统中参与发电的单台发电机组的转子惯性时间常数，S_B1、S_B2…S_Bn表示系统中参与发电的单台发电机组的基准容量，S_N表示系统中参与发电的发电机总容量，T_Jn和S_Bn中n的取值为1、2…N。

所述单台发电机组的转子惯性时间常数的计算公式如下：

公式3中，T_J表示单台发电机组的转子惯性时间常数，ω_mB表示单台发电机组的额定机械转速，W_K表示单台发电机组的转子动能，S_B表示单台发电机组的基准容量。

在公式1中，所述传统发电机组的输出功率P_传统是各类传统发电机组共同的输出功率，并且所述传统发电机组包括非再热式汽轮机组、再热式汽轮机组、水轮机组中的至少一种；

①当所述传统发电机组包括非再热式汽轮机组时，非再热式汽轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机调差系数以及非再热式汽轮机组所承担负载比例，并且非再热式汽轮机模型的发电机传递函数满足以下公式：

公式4中，ΔP_mf表示非再热式汽轮机组的输出功率变化量，ΔY_f表示非再热式汽轮机的气门开度变化量，s表示频域算子，T_CH表示高压缸蒸汽容积时间常数，其取值范围为0.1～0.4s；

②当所述传统发电机组包括再热式汽轮机组时，再热式汽轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机速度调节系数以及再热式汽轮机组所承担负载比例，并且再热式汽轮机模型的发电机传递函数满足以下公式：

公式5中，ΔP_mz表示再热式汽轮机组的输出功率变化量，ΔY_z表示再热式汽轮机的气门开度变化量，s表示频域算子；F_HP为再热系数，表示高压缸稳态输出功率与汽轮机总输出功率的比值，其取值范围为汽轮机总功率的0.2～0.3倍；T_CH表示高压缸蒸汽容积时间常数，其取值范围为0.1～0.4s；T_RH表示再热时间常数，其取值范围为4～11s；

③当所述传统发电机组包括水轮机组时，水轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机速度调节系数以及水轮机组所承担负载比例，并且水轮机模型的发电机传递函数满足以下公式：

公式6中，ΔP_ms表示水轮机组的输出功率变化量，ΔY_s表示导水叶开度变化量，s表示频域算子，T_w表示水锤时间常数。

对于每类传统发电机组，该类发电机组模型的调速器传递函数和发电机传递函数中的各参数分别进行等值聚合，聚合公式如下：

公式7中，A_eq表示各参数的等值聚合后参数，n表示该类发电机组的台数，S_N表示n台该类发电机组的总容量，S_k表示该类发电机组中第k台发电机组的容量和输出功率，A_k表示该类发电机组中第k台发电机组对应的实际参数，k的取值为1、2…n。

当传统发电机组与新能源发电机组的发电效率一致时，改变后的新能源渗透率与改变后的等值惯性时间常数满足以下公式：

M_eq＝M_传统*(1-ρ) 公式8

公式8中，M_eq表示改变后的等值惯性时间常数，M_传统表示系统发生功率扰动前传统发电机组的等值惯性时间常数，ρ为系统中新能源渗透率。

所述系统频率稳定约束中的最低频率下限值为49.8Hz，所述系统频率稳定约束中的最大频率变化率上限值为0.5Hz/s。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所提供的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法运用了包括等值惯性时间常数、负荷阻尼常数、新能源发电机组所承担负载比例和各类传统发电机组模型在内的系统频率响应综合模型，并不断改变该模型中的新能源发电机组所承担负载比例和等值惯性时间常数后进行仿真，以快速获得不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，同时与系统频率稳定约束中的最低频率下限值和最大频率变化率上限值进行对比，直至确定出新能源渗透率的最大取值，从而计算当前新能源渗透率与系统发生功率扰动前总负载的乘积即可快速得到电网新能源承载力的定量评估结果。本发明不仅仿真参数的设置数量大幅减少，其仿真过程耗费时间大幅缩短，而且其定量评估结果准确度高，能够很好地反映出电力系统出现功率扰动后的频率响应特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例中电力系统典型频率下降曲线。

图2为本发明实施例中的非再热式汽轮机组模型框图。

图3为本发明实施例中的再热式汽轮机组模型框图。

图4为本发明实施例中的水轮机组模型框图。

图5为本发明实施例中的系统频率响应综合模型框图。

图6为本发明实施例中四机系统拓扑图。

图7为本发明实施例中对频率响应综合模型的验证图，即四机系统频率响应曲线图。

图8为本发明实施例中新能源渗透率分别为16％、30％、40％时，实例电网对应的频率曲线图。

图9为本发明实施例中新能源渗透率分别为16％、30％、40％时，实例电网对应的频率变化率曲线图。

图10为本发明实施例中新能源渗透率分别为35％、36％、37％时，实例电网对应的频率变化率曲线图。

图11为本发明实施例中新能源渗透率分别为35％、36％、37％时，实例电网对应的频率变化率最大处图像。

图12为本发明实施例中实例电网负载减小情况下的频率曲线图。

图13为本发明实施例中实例电网负载减小情况下的频率变化率曲线图。

图14为本发明实施例中实例电网负载减小情况下的频率变化率最大处曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明提供的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，可以包括：

当系统发生功率扰动后，运用系统频率响应综合模型，并不断改变(如增加)模型中的新能源发电机组所承担负载比例(新能源发电机组所承担负载比例就是新能源渗透率，新能源渗透率＝新能源发电机组的输出功率/总负载)和等值惯性时间常数后进行仿真，以得到不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，直至新能源渗透率同时满足：当前新能源渗透率下系统的最低频率≥系统频率稳定约束中的最低频率下限值＞当前新能源渗透率增加预定百分比数值(如一个百分比或两个百分比等)后系统的最低频率，且当前新能源渗透率下系统的最大频率变化率≤系统频率稳定约束中的最大频率变化率上限值＜当前新能源渗透率增加预定百分比数值(如一个百分比或两个百分比等)后系统的最大频率变化率，则将当前新能源渗透率作为电网达到频率稳定极限的最大新能源渗透率，再计算出当前新能源渗透率与系统发生功率扰动前总负载的乘积，即为电网新能源承载力。

其中，所述的系统频率响应综合模型包括负荷阻尼常数、等值惯性时间常数、新能源发电机组所承担负载比例和各类传统发电机组模型，并且每类传统发电机组模型均根据该类传统发电机组所承担负载比例建立而成。例如：所述系统频率响应综合模型最好满足以下公式：

公式1中，M表示系统的等值惯性时间常数，dΔf/dt表示频率变化率，D表示系统的负载阻尼常数，由系统中的负荷确定，Δf表示频率偏移量，ΔP表示系统功率不平衡量，P_传统表示传统发电机组的输出功率，P_新能源表示新能源发电机组的输出功率，P_负载表示系统中的总负载。

具体地，本发明所提供的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法可以包括以下实施方案：

(1)接入新能源发电机组后的电力系统具有以下两个系统频率特性：

①在这种电力系统中，新能源发电机组通常一直工作在最大功率跟踪状态，因此新能源发电机组的输出功率不响应系统频率变化。

②在这种电力系统中，系统的等值惯性时间常数M由传统发电机组的等值惯性时间常数M_传统和新能源发电机组的等值惯性时间常数M_新能源这两部分组成；由于新能源发电机组对系统表现出弱惯性或无惯性特征，因此通常取新能源发电机组的等值惯性时间常数M_新能源＝0，从而系统的等值惯性时间常数M等于传统发电机组的等值惯性时间常数M_传统；当新能源发电机组所承担负载比例增大而传统发电机组所承担负载比例减少时，传统发电机组的等值惯性时间常数M_传统会下降，而系统的等值惯性时间常数M等于传统发电机组的等值惯性时间常数M_传统，因此系统的等值惯性时间常数M也会下降，这会影响系统发生功率扰动后的频率响应。

如图1所示，在上述这两个系统频率特性基础上，结合上述公式1可以看出：当系统发生功率不平衡扰动后，引起系统频率下降(图中的Δfn为稳态频率偏差，而Δf表示频率偏差)，在频率变化的开始阶段，此时频率偏移量(即频率偏差)Δf还非常小，系统中的频率变化率dΔf/dt将主要与系统不平衡功率量ΔP和系统的惯性时间常数M有关，当新能源发电机组所承担负载比例增大而传统发电机组所承担负载比例减少时，系统的等值惯性时间常数M会下降，系统初始的频率变化率dΔf/dt增大。而另一个重要指标——系统最大频率偏移量将取决于系统的负荷阻尼常数D和系统不平衡功率量ΔP，考虑系统中的负荷无明显变化，可以取系统的负荷阻尼常数D不变，则系统最大频率偏移量主要与系统不平衡功率量ΔP相关，而系统中参与频率调节的发电机的调速器特性会对系统不平衡功率量ΔP＝P_传统+P_新能源-P_负载产生影响，考虑到新能源发电机组通常一直工作在最大功率跟踪状态，因此取新能源发电机组的输出功率P_新能源不变，当新能源发电机组所承担负载比例增大时，系统不平衡功率量ΔP会变大，从而会使系统中最大频率偏移量增大。综上所述，当新能源发电机组所承担负载比例增大而传统发电机组所承担负载比例减少时，将使得系统出现功率扰动后的频率变化率和最大频率偏移量增大。

(2)在公式1中，所述系统的等值惯性时间常数M可以采用如下公式进行计算：

公式2中，M表示系统的等值惯性时间常数，其取值由系统中参与发电的发电机的等值转子惯性时间常数T_Jeq决定，T_J1、T_J2…T_Jn表示系统中参与发电的单台发电机组的转子惯性时间常数，S_B1、S_B2…S_Bn表示系统中参与发电的单台发电机组的基准容量，S_N表示系统中参与发电的发电机总容量，T_Jn和S_Bn中n的取值为1、2…N。而所述单台发电机组的转子惯性时间常数可以采用如下公式计算：

公式3中，T_J表示单台发电机组的转子惯性时间常数，ω_mB表示单台发电机组的额定机械转速，W_K表示单台发电机组的转子动能，S_B表示单台发电机组的基准容量。在实际应用中，由于新能源发电机组对系统表现出弱惯性或无惯性特征，因此通常取新能源发电机组的等值惯性时间常数M_新能源＝0，即采用公式2便可计算出系统的等值惯性时间常数。

(3)在公式1中，所述传统发电机组的输出功率P_传统是各类传统发电机组共同的输出功率，并且所述传统发电机组包括非再热式汽轮机组、再热式汽轮机组、水轮机组中的至少一种。这些传统发电机组的的机组模型可采用如下方案：

①当所述传统发电机组包括非再热式汽轮机组时，如图2所示，非再热式汽轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机调差系数及非再热式汽轮机组所承担负载比例，并且非再热式汽轮机模型的发电机传递函数最好满足以下公式：

公式4中，ΔP_mf表示非再热式汽轮机组的输出功率变化量，ΔY_f表示非再热式汽轮机的气门开度变化量，s表示频域算子，T_CH表示高压缸蒸汽容积时间常数，其取值范围为0.1～0.4s。

②当所述传统发电机组包括再热式汽轮机组时，如图3所示，再热式汽轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机速度调节系数以及再热式汽轮机组所承担负载比例，并且再热式汽轮机模型的发电机传递函数最好满足以下公式：

公式5中，ΔP_mz表示再热式汽轮机组的输出功率变化量，ΔY_z表示再热式汽轮机的气门开度变化量，s表示频域算子F_HP为再热系数，表示高压缸稳态输出功率与汽轮机总输出功率的比值，其取值范围为汽轮机总功率的0.2～0.3倍；T_CH表示高压缸蒸汽容积时间常数，其取值范围为0.1～0.4s；T_RH表示再热时间常数，其取值范围为4～11s。

③当所述传统发电机组包括水轮机组时，如图4所示，水轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机速度调节系数以及水轮机组所承担负载比例，并且水轮机模型的发电机传递函数最好满足以下公式：

公式6中，ΔP_ms表示水轮机组的输出功率变化量，ΔY_s表示导水叶开度变化量，s表示频域算子，T_w表示水锤时间常数。

(4)一般情况下，电网中每类发电机组都有多台，因此每类传统发电机组均需要对其机组模型的调速器传递函数和发电机传递函数(即公式4、公式5、公式6)中的各参数分别进行等值聚合，例如：可以采用加权(对数)平均法进行等值聚合，聚合公式如下：

公式7中，A_eq表示各参数的等值聚合后参数，n表示该类发电机组的台数，S_N表示n台该类发电机组的总容量，S_k表示该类发电机组中第k台发电机组的容量和输出功率，A_k表示该类发电机组中第k台发电机组对应的实际参数，k的取值为1、2…n。在实际应用中，各类传统发电机组模型的调速器传递函数和发电机传递函数中可以包括速度调节系数R、调速器时间常数T_G、再热系数F_HP、再热时间系数T_RH、汽轮机汽容时间常数T_CH、水轮机下垂系数T_W、水轮机复位时间T_R、永久下降率R_p、暂时下降率R_T等参数。

(5)模型建立：以上述公式1为基础，结合公式2、公式3、公式4、公式5、公式6、公式7以及图2所示的非再热式汽轮机组模型、图3所示的再热式汽轮机组模型和图4所示的水轮机组模型，从而可以利用MATLAB/Simulink软件建立如图5所示的系统频率响应综合模型。在图5所示的系统频率响应综合模型中，ΔP_L是对于电网频率变化不敏感的负荷变化量，系统频率响应综合模型的发电部分由新能源发电机组所承担负载比例和三类传统发电机组模型构成，并且每类传统发电机组模型中均引入了该类传统发电机组所承担负载比例，而系统频率响应综合模型的控制部分引入了系统的等值惯性时间常数M_eq(即上述公式1中的M)和负载阻尼常数D_eq(即上述公式1中的D)，系统的等值惯性时间常数M_eq代表了发电机对系统频率变化的响应，负载阻尼常数D_eq代表了对频率敏感的负荷对系统频率变化的响应。由于新能源发电机组通常工作在最大功率跟踪状态，而且新能源发电机组对系统表现出弱惯量或无惯量特征，因此在系统频率响应综合模型中取新能源发电机组的输出功率不变，而系统的等值惯性时间常数M_eq等于传统发电机组的等值惯性时间常数M_传统。

(6)模型验证：针对如图5所示的系统频率响应综合模型，搭建如图6所示的四机模型系统，分别用图5所示的系统频率响应综合模型和现有技术中的PSASP电力系统分析软件对图6所示四机系统出现功率扰动后的频率变化情况进行仿真，从而来验证图5所示的系统频率响应综合模型的可行性和准确性。

如图6所示，四机模型系统共有四台等值发电机组，其中G1为额定容量800MW的等值非再热式汽轮机，G2为额定容量850MW的等值再热式汽轮机，G3为额定容量900MW的等值水轮机，G4为额定容量900MW的等值新能源机组；四机模型系统的总负载为2700MW，各发电机组承担的负荷如下：G1:581MW、G2:700MW、G3:700MW、G4:719MW；等值负载阻尼常数D_eq＝18；各发电机组参数如表1所示：

表1

按照上述公式2和公式3计算出，系统发生功率扰动前电网中的等值惯性时间常数M_eq＝6.65s。当系统中分别发生135MW(0.05pu)、300MW(0.11pu)功率扰动(负荷突增)时，分别用图5所示的系统频率响应综合模型和现有技术中的PSASP电力系统分析软件进行仿真，从而可以得到如图7所示的这两种仿真方法在两种扰动情况下的频率响应曲线。将上述系统频率响应综合模型的仿真结果与PSASP电力系统分析软件的仿真结果进行对比可知：在系统不平衡功率量分别为135MW和300MW时，两种方式得到的频率响应曲线较为接近，系统的初始频率变化率、最低频率基本相同，到达最低频率的时间、最终稳定频率相差较小。由仿真结果的对比可以看出：上述系统频率响应综合模型能较好的反映出系统出现功率扰动后的频率响应特性，可以将它用于电网中的频率特性研究，来分析系统中频率响应的影响因素及对频率响应的影响。

(7)当传统发电机组与新能源发电机组的发电效率一致时，改变后新能源渗透率与改变后等值惯性时间常数满足以下公式：

M_eq＝M_传统*(1-ρ) 公式8

公式8中，M_eq表示系统的等值惯性时间常数，M_传统表示系统发生功率扰动前传统发电机组的等值惯性时间常数，ρ为系统中新能源渗透率。

进一步地，本发明中采用最低频率下限值和最大频率变化率上限值作为系统频率稳定约束，并且系统频率稳定约束中的最低频率下限值要求不低于49.8Hz，系统频率稳定约束中的最大频率变化率上限值最好控制为0.5Hz/s，从而以此系统频率稳定约束为基础确定出的电网新能源承载力可以有效保障电力系统中的保护元件和控制装置在系统发生功率扰动后安全稳定地运行。

与现有技术中采用PSASP电力系统分析软件对电力系统出现功率扰动后的频率变化情况进行仿真相比，本发明所提供的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法至少具有以下优点：

(1)本发明所提供的方法能快速获得不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，而且这曲线与PSASP电力系统分析软件仿真得到的系统频率响应曲线较为接近，系统的初始频率变化率、最低频率基本相同，到达最低频率的时间、最终稳定频率相差较小，因此本发明所提供的方法能够很好地反映出电力系统出现功率扰动后的频率响应特性。

(2)本发明所提供的方法以快速获得的不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线为基础，并通过与系统频率稳定约束中的最低频率下限值和最大频率变化率上限值进行对比，从而快速确定出电网新能源承载力的定量评估结果，这可以有效保障电力系统中的保护元件和控制装置在系统发生功率扰动后安全稳定地运行。

(3)本发明所提供的方法仿真参数的设置数量比PSASP电力系统分析软件至少减少三分之二，并且本发明所提供的方法仿真过程耗费时间比PSASP电力系统分析软件至少缩短少三分之二。

综上可见，本发明实施例不仅能够快速获得不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，从而能快速确定出电网新能源承载力的定量评估结果，而且其仿真参数的设置数量大幅减少，其仿真过程耗费时间大幅缩短，其定量评估结果准确度高，能够很好地反映出电力系统出现功率扰动后的频率响应特性。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法进行详细描述。

实施例1

采用本发明所提供的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法对某地区实际电网总负载为33850MW的电力系统进行处理；系统频率稳定约束中的最低频率下限值控制为49.8Hz，最大频率变化率上限值控制为0.5Hz/s。该电力系统中各类发电机输出功率及占比如表2所示：

表2

运用上述公式7分别对非再热式汽轮机组、再热式汽轮机组、水轮机组的各参数进行等值聚合，从而得到如表3所示的等值聚合后参数：

表3

运用上述公式2和公式3进行计算，从而得到系统发生功率扰动前传统发电机组的等值惯性时间常数M_传统＝6.65s。

取传统发电机组与新能源发电机组的发电效率一致，则可以采用上述公式8计算出系统的等值惯性时间常数M_eq的对应值；例如新能源渗透率与系统的等值惯性时间常数M_eq具有如下表4的对应值：

表4

具体地，该电力系统与外界电网存在功率交换，将与外界电网的功率交换计入负荷中，并且正常运行时与外界电网相连的最大联络线功率为2000MW。当该电力系统中该与外界电网相连的联络线发生故障时，系统发生功率扰动，出现2000MW的系统不平衡功率量ΔP，则运用如图5所示的系统频率响应综合模型，并按照表4中数值改变该模型中的新能源发电机组所承担负载比例和等值惯性时间常数后进行仿真，从而可以得到如图8所示的新能源渗透率分别为16％、30％、40％时的频率曲线图以及如图9所示的新能源渗透率分别为16％、30％、40％时的频率变化率曲线图；由图8和图9可以得出如表5所示的新能源渗透率分别为16％、30％、40％时的最低频率和最大频率变化率：

表5

将表5中数值与系统频率稳定约束中的最低频率下限值和最大频率变化率上限值进行对比可知：当系统不平衡功率量ΔP＝2000MW且新能源渗透率达到30％时，最低频率达到49.85Hz，最大频率变化率为-0.4620Hz/s，均未超过系统频率稳定约束中的限制；而当系统不平衡功率量ΔP＝2000MW且新能源渗透率达到40％时，最低频率达到48.4Hz，最大频率变化率为-0.5186Hz/s，最低频率超过了系统频率稳定约束中最低频率下限值49.8Hz的限制，最大频率变化率也超过了系统频率稳定约束中最大频率变化率上限值为0.5Hz/s的限制，因此需要将新能源渗透率在30％至40％之间调整。

进一步地，将新能源渗透率改变为30％至40％之间的值，并采用上述公式8计算出系统的等值惯性时间常数M_eq的对应值；例如新能源渗透率与系统的等值惯性时间常数M_eq具有如下表6的对应值：

表6

然后运用如图5所示的系统频率响应综合模型，并按照表5中数值改变该模型中的新能源发电机组所承担负载比例和等值惯性时间常数后进行仿真，从而可以得到如图10所示的新能源渗透率分别为35％、36％、37％时的频率变化率曲线图以及如图11所示的新能源渗透率分别为35％、36％、37％时的频率变化率最大处图像；由图8的仿真结果可以得到新能源渗透率为35％、36％、37％(低于40％)时系统的最低频率均大于49.8Hz,满足最低频率下限要求。由图10和图11可以得出如表7所示的新能源渗透率分别为35％、36％、37％时的最大频率变化率：

表7

将表7中数值与系统频率稳定约束中的最低频率下限值和最大频率变化率上限值进行对比可知：当系统不平衡功率量ΔP＝2000MW且新能源渗透率达到36％时，最大频率变化率为-0.4969Hz/s，未超过系统频率稳定约束中的限制；当系统不平衡功率量ΔP＝2000MW且新能源渗透率达到37％时，最大频率变化率为-0.5011Hz/s，超过了系统频率稳定约束中最大频率变化率上限值为0.5Hz/s的限制；因此该地区电网达到频率稳定极限的最大新能源渗透率为36％。

对该实例电网设置发生同样比例的负荷减少故障，即发电机输出功率大于负载功率，系统频率上升的情况，最终得到的结果如图12、图13、图14所示，与系统中出现功率缺额的分析一致，最终得到当系统中ΔP＝2000MW且新能源渗透率达到36％时，最大频率变化率未超过系统频率稳定约束中的限制；当系统不平衡功率量ΔP＝2000MW且新能源渗透率达到37％时，最大频率变化率超过了系统频率稳定约束中限值为0.5Hz/s的限制，因此该地区电网达到频率稳定极限的最大新能源渗透率为36％。综上可见，本发明实施例不仅能够快速获得不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，从而能快速确定出电网新能源承载力的定量评估结果，而且其仿真参数的设置数量大幅减少，其仿真过程耗费时间大幅缩短，其定量评估结果准确度高，能够很好地反映出电力系统出现功率扰动后的频率响应特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，其特征在于，包括：

当系统发生功率扰动后，运用系统频率响应综合模型，并不断改变该模型中的新能源发电机组所承担负载比例和等值惯性时间常数后进行仿真，以得到不同新能源渗透率下的系统频率响应曲线，直至新能源渗透率同时满足：当前新能源渗透率下系统的最低频率≥系统频率稳定约束中的最低频率下限值＞当前新能源渗透率增加预定百分比数值后系统的最低频率，且当前新能源渗透率下系统的最大频率变化率≤系统频率稳定约束中的最大频率变化率上限值＜当前新能源渗透率增加预定百分比数值后系统的最大频率变化率，则将当前新能源渗透率作为电网达到频率稳定极限的最大新能源渗透率，再计算出当前新能源渗透率与系统发生功率扰动前总负载的乘积，即为电网新能源承载力；

其中，所述的系统频率响应综合模型包括负荷阻尼常数、等值惯性时间常数、新能源发电机组所承担负载比例和各类传统发电机组模型，并且每类传统发电机组模型均根据该类传统发电机组所承担负载比例建立而成；

所述系统频率响应综合模型满足以下公式：

公式1中，M表示系统的等值惯性时间常数，dΔf/dt表示频率变化率，D表示系统的负载阻尼常数，Δf表示频率偏移量，ΔP表示系统功率不平衡量，P_传统表示传统发电机组的输出功率，P_新能源表示新能源发电机组的输出功率，P_负载表示系统中的总负载；

所述系统的等值惯性时间常数M的计算公式如下：

公式2中，M表示系统的等值惯性时间常数，其取值由系统中参与发电的发电机的等值转子惯性时间常数T_Jeq决定，T_J1、T_J2…T_Jn表示系统中参与发电的单台发电机组的转子惯性时间常数，S_B1、S_B2…S_Bn表示系统中参与发电的单台发电机组的基准容量，S_N表示系统中参与发电的发电机总容量，T_Jn和S_Bn中n的取值为1、2…N。

2.根据权利要求1所述的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，其特征在于，所述单台发电机组的转子惯性时间常数的计算公式如下：

公式3中，T_J表示单台发电机组的转子惯性时间常数，ω_mB表示单台发电机组的额定机械转速，W_K表示单台发电机组的转子动能，S_B表示单台发电机组的基准容量。

3.根据权利要求1所述的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，其特征在于，在公式1中，所述传统发电机组的输出功率P_传统是各类传统发电机组共同的输出功率，并且所述传统发电机组包括非再热式汽轮机组、再热式汽轮机组、水轮机组中的至少一种；

①当所述传统发电机组包括非再热式汽轮机组时，非再热式汽轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机调差系数以及非再热式汽轮机组所承担负载比例，并且非再热式汽轮机模型的发电机传递函数满足以下公式：

公式4中，ΔP_mf表示非再热式汽轮机组的输出功率变化量，ΔY_f表示非再热式汽轮机的气门开度变化量，s表示频域算子，T_CH表示高压缸蒸汽容积时间常数，其取值范围为0.1～0.4s；

②当所述传统发电机组包括再热式汽轮机组时，再热式汽轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机速度调节系数以及再热式汽轮机组所承担负载比例，并且再热式汽轮机模型的发电机传递函数满足以下公式：

公式5中，ΔP_mz表示再热式汽轮机组的输出功率变化量，ΔY_z表示再热式汽轮机的气门开度变化量，s表示频域算子；F_HP为再热系数，表示高压缸稳态输出功率与汽轮机总输出功率的比值，其取值范围为汽轮机总功率的0.2～0.3倍；T_CH表示高压缸蒸汽容积时间常数，其取值范围为0.1～0.4s；T_RH表示再热时间常数，其取值范围为4～11s；

③当所述传统发电机组包括水轮机组时，水轮机组模型包括调速器传递函数、发电机传递函数、发电机速度调节系数以及水轮机组所承担负载比例，并且水轮机模型的发电机传递函数满足以下公式：

公式6中，ΔP_ms表示水轮机组的输出功率变化量，ΔY_s表示导水叶开度变化量，s表示频域算子，T_w表示水锤时间常数。

4.根据权利要求3所述的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，其特征在于，对于每类传统发电机组，同一类发电机组模型的调速器传递函数和发电机传递函数中的各参数分别进行等值聚合，聚合公式如下：

公式7中，A_eq表示各参数的等值聚合后参数，n表示同一类发电机组的台数，S_N表示n台同一类发电机组的总容量，S_k表示同一类发电机组中第k台发电机组的容量和输出功率，A_k表示同一类发电机组中第k台发电机组对应的实际参数，k的取值为1、2…n。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，其特征在于，当传统发电机组与新能源发电机组的发电效率一致时，改变后的新能源渗透率与改变后的等值惯性时间常数满足以下公式：

M_eq＝M_传统*(1-ρ) 公式8

公式8中，M_eq表示改变后的等值惯性时间常数，M_传统表示系统发生功率扰动前传统发电机组的等值惯性时间常数，ρ为系统中新能源渗透率。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的通过系统频率稳定约束确定电网新能源承载力的方法，其特征在于，所述系统频率稳定约束中的最低频率下限值为49.8Hz，所述系统频率稳定约束中的最大频率变化率上限值为0.5Hz/s。

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