CN110492523A - 新能源高占比系统的低频减载优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源高占比系统的低频减载优化方法，包括频率响应模型，所述频率响应模型包括前项环节、负荷频率特性反馈环节以及发电机频率特性环节，包括如下步骤：搭建加入低频减载反馈环节的单机带负荷频率响应模型；输入扰动造成的功率缺额量，获取扰动后频率斜率最大值；根据频率斜率最大值闭锁低频减载相应轮次。优点：设计了适用于低频减载整定计算的频率响应模型，此模型可以精简的计算分析出扰动后考虑低频减载装置系统的频率变化情况。在此模型的基础上分析得出了传统低频减载方案对新能源高占比系统的适应性较差的结论；提出了基于df/dt的低频减载闭锁优化策略，可有效缓解电网中新能源占比较高时电网的低频减载负荷过切现象。

Description

新能源高占比系统的低频减载优化方法

技术领域

本发明涉及一种新能源高占比系统的低频减载优化方法，属于电力系统技术领域。

背景技术

近年来，我国新能源持续迅猛发展，在电网中渗透率日益增大。但因其随机性和不稳定性，导致电网引发频率安全稳定等各方面的问题。由于接入新能源的电力电子器件是非旋转的静止元件，随着接入规模的增大并替换常规电源，系统等效转动惯量降低，恶化了系统应对功率缺额和功率波动的能力，极端工况下频率急剧变化，频率跌落速率及深度极可能触发低频减载、高频切机等第三道防线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种新能源高占比系统的低频减载优化方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种新能源高占比系统的低频减载优化方法，包括频率响应模型，所述频率响应模型包括前项环节、负荷频率特性反馈环节以及发电机频率特性环节；

所述前项环节用于输入系统受到的功率缺额扰动大小，所述负荷频率特性反馈环节用于表示负荷功率随系统频率的变化而变化的特性，所述发电机频率特性环节用于表示发电功率随系统频率的变化而变化的特性；

其特征在于，包括如下步骤：

1)搭建加入低频减载反馈环节的单机带负荷频率响应模型；

2)输入扰动造成的功率缺额量，获取扰动后频率斜率最大值；

3)根据频率斜率最大值闭锁低频减载相应轮次。

进一步的，所述步骤1)中，低频减载反馈环节的控制过程为：

低频减载输入Δf，判断Δf＞Δf_i是否成立，若成立则低频减载延时Δt_i输出ΔP_i到前项环节；

其中，Δf表示系统的频率偏差量，Δt_i表示低频减载第i轮的延时，ΔP_i表示低频减载第i轮的切负荷量，Δf_i表示第i轮的整定值。

进一步的，所述发电机频率特性环节中加设限幅环节，所述限幅环节用于模拟发电机备用容量。

进一步的，所述限幅环节用于限制发电机功率输出的最大值和最小值。

进一步的，所述步骤2)中，新能源高占比系统的频率动态过程是一条幅值以时间常数1/α衰减的震荡曲线，在扰动初始瞬间具有最大下降速率，即为扰动后频率斜率最大值。

进一步的，所述步骤3)中，在发生较大功率缺额时，根据频率变化斜率把相应的低频减载轮次闭锁，防止高新能源占比系统中的低频减载过切现象。

本发明所达到的有益效果：

(1)本发明设计了适用于低频减载整定计算的频率响应模型，此模型可以精简的计算分析出扰动后考虑低频减载装置系统的频率变化情况。在此模型的基础上分析得出了传统低频减载方案对新能源高占比系统的适应性较差的结论；

(2)提出了基于df/dt的低频减载闭锁优化策略。通过仿真对比验证了所提方案的可行性与适应性。可有效缓解电网中新能源占比较高时电网的低频减载负荷过切现象。

附图说明

图1是本发明的工作过程流程图；

图2是加入低频减载反馈环节的单机带负荷频率响应模型图；

图3是低频减载控制(UFLS(under frequency load shedding))流程图；

图4是频率响应模型与BPA程序频率动态过程对比图；

图5是相同功率缺额下不同新能源占比频率变化图；

图6是考虑到低频减载的相同功率缺额下不同新能源占比频率变化图；

图7是优化方案发生22％功率缺额时频率对比图；

图8是优化方案发生27％功率缺额时频率对比图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种新能源高占比系统的低频减载优化方法，包括频率响应模型，所述频率响应模型包括前项环节、负荷频率特性反馈环节以及发电机频率特性环节；

所述前项环节用于输入系统受到的功率缺额扰动大小，所述负荷频率特性反馈环节用于表示负荷功率随系统频率的变化而变化的特性，所述发电机频率特性环节用于表示发电功率随系统频率的变化而变化的特性；

其特征在于，包括如下步骤：

1)搭建加入低频减载反馈环节的单机带负荷频率响应模型；

2)输入扰动造成的功率缺额量，获取扰动后频率斜率最大值；

3)根据频率斜率最大值闭锁低频减载相应轮次。

一、适用于频率紧急控制的频率响应模型。

当系统发生大的扰动，出现有功功率不平衡时，在紧急控制的过程中，系统频率的动态响应主要由发电机惯量、有功不平衡量、调速器和汽轮机调节特性、负荷的频率特性决定。我国《电力系统自动低频减负荷技术规定》推荐采用单机带集中负荷的模型计算系统的平均频率的动态变化过程。

机组的投退、负荷的扰动、联络线的开断所引起的不平衡功率ΔP主要依靠发电机转子吸收/释放的动能K_W，负荷的频率调节效应ΔP_D以及发电机组一次调频措施ΔP_G来调节。

其中前向环节表示等值发电机的转子运动方程。两个反馈环节表示负荷和发电机的频率特性。可以列出系统的状态方程如(2)式：

式中，K_D表示系统负荷频率调节效应系数，T_S表示系统等值惯性时间常数，K_G表示发电机的功率频率静态特征系数，T_G表示发电机的调速器和原动机的综合时间常数，Δf表示频率偏差量，ΔP_OL表示机组与负荷共同作用后功率缺额量，ΔP_G表示发电机组一次调频措施，ΔP_D表示负荷的频率调节效应，ΔP_OLO表示故障扰动造成的功率缺额大小。

为了能使其更好适应紧急频率控制过程，对发电机频率特性环节加入限幅环节来模拟发电机备用容量，并且加入低频减载反馈环节，如图2所示。

所搭建的频率响应模型能模拟电网频率动态过程，低频减载环节如图3所示：低频减载反馈环节的控制过程为：

低频减载输入Δf，判断Δf＞Δf_i是否成立，若成立则低频减载延时Δt_i输出ΔP_i到前项环节减少功率缺额量；

其中，Δf表示什么，Δt_i表示低频减载第i轮的延时，ΔP_i表示低频减载第i轮的切负荷量，Δf_i表示第i轮的整定值。

当系统中有新能源并入电网时，新能源电源不为系统提供惯性支撑，随着新能源并入电网，系统T_S减小。T_S设置为3，代表电网中有较多新能源并入电网，其余参数按典型参数设置。

UFLS控制模块中各个参数按照下表设置，各个参数设置结果如下：

同理Δf₂＝0.024，Δf₃＝0.028，Δf₄＝0.032，Δf₅＝0.036，Δt₁＝Δt₂＝Δt₃＝Δt₄＝Δt₅＝0.2，Δp₁＝Δp₂＝Δp₃＝Δp₄＝Δp₅＝0.06。

将本申请的频率响应模型与BPA仿真软件中搭建的单机模型进行对比，两者采用相同的运行参数，应用相同的低频减载方案，同样施加相同30％功率缺额扰动，得到如图4所示频率响应曲线：

由图4可以看出两种仿真程序下低频减载动作了相同的轮次。该文所提出的等值模型计算所得系统频率曲线与BPA所得基本相同。虽然在频率恢复过程中频率曲线有所差异，但能基本正确反应系统发生功率缺额时的频率动态过程。

二、新能源高占比系统频率特性

(a)新能源并网对系统频率特性的影响

然而，随着新能源电源的不断增加，相比于传统同步发电机，基于换流器的新能源发电单元虽然控制灵活、响应快速，但是几乎没有惯性和阻尼特性。一旦发生失去大容量发电厂，联络线三相短路或者直流线路双极闭锁等极端故障时，系统的频率下降速度将会更快，留给系统反应的时间将会更少，直接威胁到电网的安全稳定运行。

发电机转子运动方程

式中，W_K——系统中火电机组发电机动能，S_B——系统电源总体装机容量

当系统中有新能源并入电网时，新能源电源不为系统提供惯性支撑，随着新能源并入电网，S_B增大，造成系统T_S减小。例如在系统等值惯性时间常数T_S为10s的系统中，当增加与火电机组等量的新能源电源后，系统中新能源占比为50％，系统中火电机组发电机动能W_K不变，电源总体装机容量S_B为原来的2倍，这时系统的等值惯性时间常数T_S为5s，即随着新能源电源占比的提高，系统等效惯性时间常数减小。

大规模新能源并入电网后系统等值惯性时间常数可以简单的用(4)式来表示：

式中，k——新能源电源在系统中的占比。

在所搭建的频率响应模型中模拟火电机组电网系统和50％新能源占比系统发生5％功率缺额扰动，图5为两种系统条件下频率下降曲线：

由图5可知当系统中新能源占比高时，系统频率下降程度更深，下降速度更快，系统频率安全稳定问题更加突出。

(b)传统低频减载方案对高新能源系统的适应性

传统的低频减载整定方法没有考虑到系统惯性的影响，导致当系统新能源占比高时，可能不满足系统频率安全的要求。表1为用传统低频减载整定方法设计的一套经典的低频减载方案：

表1

图6为在火电机组系统(系统惯性时间常数为10)和新能源70％占比系统(系统惯性时间常数为3)分别发生相同的22％功率缺额时频率变化情况：

在T_S为3的系统低频减载动作了四轮，切掉了24％负荷，发生了过切现象，在T_S为10的系统低频减载动作了三轮，切掉了18％负荷，系统稳态频率恢复到49.5Hz～50Hz之间。相同的低频减载方案在新能源占比高系统中适应性变差。需要考虑新的控制措施。

大规模新能源并网后,在相同的功率缺额下,随着系统新能源比例的增大,系统频率的下降幅度和下降速度将增大,低频减载动作轮数将增加,总的切负荷量增加。所以新能源占比较高时,系统惯性较低,发生大的功率缺额时低频减载很容易发生严重过切现象,此时初始方案已不能满足设计要求。

(3)针对新能源高占比系统的低频减载控制方法

大规模新能源并入电网后，电网系统惯性降低，发生极端严重故障后低频减载措施很容易发生过切。需要新的思路来设计低频减载方案以适应高新能源占比电网。

大规模新能源接入电网系统后最大的问题就是系统等效惯性低，系统频率对功率扰动反应灵敏，从而低频减载极易发生过切现象。在发生较大功率缺额时系统可以根据频率变化斜率把相应的低频减载轮次闭锁，防止高新能源占比系统中的低频减载过切现象。

当考虑调速系统影响时，单机模型下系统的频率动态过程是一条幅值以时间常数1/α衰减的震荡曲线，在扰动初始瞬间具有最大下降速率：

根据公式(5)可知当系统发生大功率扰动时，系统的功率缺额越大，频率下降斜率就越大，如果已知T_S，便可以根据估计出ΔP_OLO。然后提前对低频减载相应轮次进行闭锁，当满足时将系统的第i轮闭锁，防止过量的切除负荷。例如在惯性时间常数为3s时，系统的低频减载闭锁方案，表2为优化低频减载方案表。

表2

模拟惯性时间常数为3的系统，当发生相同功率缺额时，图7和图8为两种低频减载方案频率曲线变化图：

当系统发生22％和27％功率缺额时传统低频减载方案分别动作了四轮和五轮，共切掉24％和30％负荷，系统频率上升到了51.5Hz以上，发生了过切现象。闭锁整定方案共动作了三轮和四轮，共切掉18％和24％负荷，系统频率恢复到49.5～50Hz之间,没有发生超调现象。在两种功率缺额扰动下，新的方案相比于传统方案使电网少损失了6％的负荷，系统的经济性和安全性都有很大的提高。所以新设计的低频减载方案对新能源占比高的系统具有更好的适应性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种新能源高占比系统的低频减载优化方法，包括频率响应模型，所述频率响应模型包括前项环节、负荷频率特性反馈环节以及发电机频率特性环节；

所述前项环节用于输入系统受到的功率缺额扰动大小，所述负荷频率特性反馈环节用于表示负荷功率随系统频率的变化而变化的特性，所述发电机频率特性环节用于表示发电功率随系统频率的变化而变化的特性；

其特征在于，包括如下步骤：

1)搭建加入低频减载反馈环节的单机带负荷频率响应模型；

2)输入扰动造成的功率缺额量，获取扰动后频率斜率最大值；

3)根据频率斜率最大值闭锁低频减载相应轮次。

2.根据权利要求1所述的新能源高占比系统的低频减载优化方法，其特征在于，所述步骤1)中，低频减载反馈环节的控制过程为：

低频减载输入Δf，判断Δf＞Δf_i是否成立，若成立则低频减载延时Δt_i输出ΔP_i到前项环节；

其中，Δf表示系统频率偏差量，Δt_i表示低频减载第i轮的延时，ΔP_i表示低频减载第i轮的切负荷量，Δf_i表示第i轮的整定值。

3.根据权利要求1所述的新能源高占比系统的低频减载优化方法，其特征在于，所述发电机频率特性环节中加设限幅环节，所述限幅环节用于模拟发电机备用容量。

4.根据权利要求3所述的新能源高占比系统的低频减载优化方法，其特征在于，所述限幅环节用于限制发电机功率输出的最大值和最小值。

5.根据权利要求1所述的新能源高占比系统的低频减载优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，新能源高占比系统的频率动态过程是一条幅值以时间常数1/α衰减的震荡曲线，在扰动初始瞬间具有最大下降速率，即为扰动后频率斜率最大值。

6.根据权利要求1所述的新能源高占比系统的低频减载优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，在发生较大功率缺额时，根据频率变化斜率把相应的低频减载轮次闭锁，防止高新能源占比系统中的低频减载过切现象。