CN111276973A - 一种计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法，首先在典型频率响应模型中，改变电力系统等效惯性时间常数得到不同的系统频率响应曲线，分析系统频率特性，获得受电力系统惯量影响的频率响应指标；结合风功率波动性，得到系统功率波动概率函数，并以此建立电力系统频率响应综合模型；以步骤1获得的频率响应指标作为约束条件，评估电力系统的惯量需求，进而评估高比例新能源系统需要风电提供的额外惯量需求。该方法在考虑风功率波动性的基础上准确评估系统惯量需求，对于确保新能源的有效利用和系统的安全稳定运行具有重要意义。

Description

一种计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法

技术领域

本发明涉及电力系统惯量需求评估技术领域，尤其涉及一种计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法。

背景技术

随着新能源接入电网的规模扩大，新能源机组替代同步机组，导致电力系统等效惯量减小，为消除风电机组无惯量响应能力引起的频率快速变化，维持系统频率稳定性，需要风电机组参与系统调频。目前对于高比例新能源系统频率稳定的研究主要侧重于新能源参与系统调频的控制策略开发，以充分挖掘风电机组的调频能力，从而改善系统的频率响应特性，而对于由新能源接入引起的额外惯量需求评估方面的研究尚有不足。如果能够对含高比例风电系统惯量需求进行评估，获得何种风电占比下需要风电机组参与调频，以及需要风电机组提供的额外惯量大小，就能够确保新能源的有效利用，对高比例新能源接入系统的安全稳定运行具有重要意义。

另外，由于并网风功率具有间歇性、波动性的特点，且难以准确预测会打破电网原有功率供需平衡，引起系统频率波动甚至越限，危及电网安全运行。目前许多风电场实际的年平均发电量与预测值相差较大，一个重要原因就是风能预测精度问题，据统计我国风电预测省网级误差约10％～25％，风电场误差约10％～30％，因此如何基于频率约束条件对电力系统的惯量需求进行准确评估，确定系统需要风电提供的额外惯量成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法，该方法在考虑风功率波动性的基础上准确评估系统惯量需求，对于确保新能源的有效利用和系统的安全稳定运行具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法，所述方法包括：

步骤1、在典型频率响应模型中，改变电力系统等效惯性时间常数得到不同的系统频率响应曲线，分析系统频率特性，获得受电力系统惯量影响的频率响应指标；

步骤2、结合风功率波动性，得到系统功率波动概率函数，并以此建立电力系统频率响应综合模型；

步骤3、以步骤1获得的频率响应指标作为约束条件，评估电力系统的惯量需求，进而评估高比例新能源系统需要风电提供的额外惯量需求。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法在考虑风功率波动性的基础上准确评估系统惯量需求，对于确保新能源的有效利用和系统的安全稳定运行具有重要意义。

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为本发明实施例提供的计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法流程示意图；

图2为本发明实施例仿真使用的典型频率响应模型示意图；

图3为本发明实施例所提供的频率响应曲线示意图；

图4为本发明实施例所搭建的系统频率响应模型的示意图；

图5为本发明所举实例不同风电渗透率下的最大频率偏差曲线示意图；

图6为本发明所举实例不同风电渗透率下的最大频率变化率曲线示意图。

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。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、在典型频率响应模型中，改变电力系统等效惯性时间常数得到不同的系统频率响应曲线，分析系统频率特性，获得受电力系统惯量影响的频率响应指标；

在该步骤中，首先发电机惯性时间常数与电力系统中参与运行的发电机转子转动惯量有关，定义如下：

其中，H是发电机惯性时间常数；J是发电机转子转动惯量；ω_m是发电机额定机械转速；S_B是机组基准容量；

对一个具有多台同步发电机组的系统来说，其等效转动惯量定义如下：

T_Jeq＝T_J1S_B1+T_J2S_B2+…+T_JnS_Bn

其中，T_Jeq为系统等效转动惯量；T_J1、T_J2、…、T_Jn为系统中参与发电的单台同步发电机组的转动惯量；S_B1、S_B2、…、S_Bn为系统中参与发电的单台同步发电机组的基准容量；

电力系统等效惯性时间常数能够反映系统惯量大小，其与系统等效转动惯量T_Jeq的关系为：

其中，H_eq为电力系统等效惯性时间常数；S_N为电力系统中发电机总容量；

电力系统中通常用最大频率偏差Δf_max，最大频率变化率dΔf/dt，稳态频率偏差Δf_n和频率下降时间T_nadir等指标反映系统的频率响应特性，当高比例新能源接入后，新能源机组替代同步机组，新能源机组转动惯量为0，因此系统等效转动惯量T_Jeq减小，通过改变电力系统等效惯性时间常数H_eq，分析系统频率响应指标的变化，获得受电力系统惯量影响的频率响应指标，具体为：最大频率偏差Δf_max和最大频率变化率dΔf/dt。

举例来说，如图2所示为本发明实施例仿真使用的典型频率响应模型示意图，通过改变系统等效惯性时间常数2H分别设为6s、8s、10s，得到如图3所示的频率响应曲线，由仿真结果可以看出：随着系统惯性时间常数的减小，最大频率偏差增大，最大频率变化率增大，而稳态频率偏差基本不变。因此受惯量影响较大的频率响应指标为最大频率偏差Δf_max和最大频率变化率dΔf/dt，上述两个指标对于系统的频率稳定十分重要，通常作为电网中的保护元件以及控制装置的输入信号，因此以这两个指标对系统惯量需求进行评估。

步骤2、结合风功率波动性，得到系统功率波动概率函数，并以此建立电力系统频率响应综合模型；

在该步骤中，具体过程为：

风功率波动X_w、负荷波动X_L服从正态分布，分别满足：

系统功率波动X满足：

其中，

σ_s、σ₁、σ₂分别为系统功率波动、风电功率波动、负荷波动的标准差；

系统功率波动X的置信区间[-R，R]，满足P{|X≤R|}＝p，由正态分布知识可得R＝Z_ασ_s，则置信区间边界值的表达式为：

Z_α为标准正态分布上的α分位点，α满足p＝1-2α；

对于风功率波动X_w，同样有P{|X_w≤R_w(S_w)|}＝p，且同时满足以下公式：

R_w(S_w)＝Z_α1σ₁

S_w为风电额定容量；a、b由风电功率波动历史数据统计得到；

因此能够求得：

将上述置信区间边界值的表达式改写为关于风电额定容量S_w的函数R(S_w)：

电力系统中负荷出力P_L与风电额定容量S_w、常规机组额定容量S_G以及二者出力水平λ₁、λ₂有如下关系：

P_L＝λ₁S_W+λ₂S_G

根据风电占比定义可知：

将上述置信区间边界值的表达式改写为关于风电占比η的函数R(η)，并以P_L为基准值标幺化，得到系统功率波动概率函数表示为：

其中，

为负荷波动标准差的标幺值；

上述函数为系统功率波动关于风电占比的函数，除风电占比外的其余参数可通过历史数据统计或系统实际参数获得，在Matlab/Simulink中搭建系统频率响应模型，如图4所示为所搭建的系统频率响应模型的示意图，建模完成后，将所述功率波动概率函数作为输入，模型参数由实际系统参数等值聚合或历史数据统计得到，以此建立考虑风电波动性的电力系统频率响应综合模型。

步骤3、以步骤1获得的频率响应指标作为约束条件，评估电力系统的惯量需求，进而评估高比例新能源系统需要风电提供的额外惯量需求。

在该步骤中，评估电力系统的惯量需求的过程包括：

1、确定何种风电占比下系统需要额外惯量支撑，具体过程为：

获得的频率响应指标为最大频率偏差Δf_max和最大频率变化率dΔf/dt，以此为约束条件，改变系统风电占比，当频率响应指标达到限值时的风电占比即为需要额外惯量支撑时的风电占比；

2、评估系统对风电机组需要提供的额外惯量支撑的需求，具体过程为：

当系统中风电占比高于上述第一点中的占比时，需要风电机组参与调频，在频率响应指标达到边界值时，若最大频率偏差Δf_max约束下的系统等效惯性时间常数为H₁，最大频率变化率dΔf/dt约束下的系统等效惯性时间常数为H₂，则系统等效惯性时间常数H_eq为：

H_eq＝max{H₁,H₂}

风电参与系统调频后，系统等效惯性时间常数H_eq发生改变，则系统等效惯性时间常数H_eq的表达式为：

其中，常规机组等效惯性时间常数表示为：

风电机组额外提供的等效惯性时间常数表示为：

其中，H_eq为系统等效惯性时间常数；H_常规为常规机组等效惯性时间常数；ΔH为风电机组额外提供的等效惯性时间常数；H_ci为第i台常规机组惯性时间常数；S_ci为第i台常规机组额定容量；H_wi为参与调频的第i台风电机组惯性时间常数；S_w1i为参与调频的第i台风电机组的额定容量；S_w0为不参与调频的风电机组的额定容量。

由于各类机组额定容量已知，常规机组等效惯性时间常数H_常规已知，因此得到系统等效惯性时间常数H_eq，进一步获得风电机组额外提供的等效惯性时间常数ΔH，从而获得系统的惯量需求以及风电机组需要提供的额外惯量需求，风电机组额外提供的等效惯性时间常数ΔH为：

ΔH＝H_eq-H_常规

具体实现中，还可以根据国家标准GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》选取最大频率偏差Δf_max的限值为±0.2Hz。对于最大频率变化率dΔf/dt的限值，我国未针对该指标提出具体的标准，一些国家对该指标提出了低于0.4Hz/s和0.6Hz/s的标准，本实施例选择0.4Hz/s作为最大频率变化率的限值。

下面以具体的实例对上述方法的实施过程进行详细描述，在本实例中建立了一个10机39节点系统的实施例，以证明本方法的有效性，系统同步机组额定容量为6196.00MW，风电机组和常规机组出力水平分别为0.35和0.8，系统参数如下表1所示：

表1实施例的系统参数汇总表

步骤1：确定的受系统等效惯量影响的频率响应指标为最大频率偏差和最大频率变化率。

步骤2：建立频率响应综合模型，将功率波动概率函数作为系统输入，模型参数由实际系统加权聚合得到，参数a、b由实际风功率波动数据统计得到。

在所述的频率响应综合模型中，改变风电占比，得到最大频率偏差和最大频率变化率的曲线，如图5所示为本发明所举实例不同风电渗透率下的最大频率偏差曲线示意图，如图6所示为本发明所举实例不同风电渗透率下的最大频率变化率曲线示意图。

步骤3：以频率响应指标作为约束条件，评估电力系统的惯量需求，进而评估高比例新能源系统需要风电提供的额外惯量需求。

A.选取频率响应指标限值。

根据国家标准GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》选取最大频率偏差Δf_max的限值为±0.2Hz，对于最大频率变化率dΔf/dt的限值，我国未针对该指标提出具体的标准，一些国家对该指标提出了低于0.4Hz/s和0.6Hz/s的标准，本发明选择0.4Hz/s作为最大频率变化率的限值。

B.评估需要风电机组参与调频的风电占比。

结合图5、图6看出，全部机组参与调频时，当系统中风电占比达到43％时，最大频率偏差Δf_max超过0.2Hz，会有0.01％的可能发生最大频率偏差越限，而最大频率变化率dΔf/dt未越限。当风电占比继续增加，惯性时间常数减小，最大频率偏差将进一步增大，因此该系统风电渗透率达到43％以上时，系统惯量不足，需要风电机组参与调频。

C.评估系统需要风电机组提供的额外惯量需求。

以风电占比为70％为例，对系统的额外惯量需求进行评估，结合公式：

系统中风电占比为43％时，对应的等效惯性时间常数约为5.4s，即式中H_eq＝5.4s。

风电占比70％需要风电机组参与调频，此时对应的H_常规＝2.85s，求得需要风电机组提供的额外惯量支撑对应的的惯性时间常数ΔH＝2.55s。

由上述实例可知，本发明所提的方法能够确定需要风电参与调频时的风电占比η₀，并评估系统的惯量需求，当实际系统风电占比低于η₀时，不需要风电机组参与调频，有利于充分利用风能，提高风电场效益。评估系统的惯量需求能够获得系统需要风电机组提供的额外惯量，能够为风电机组频率控制参数的选择提供参考，有利于充分发挥风电机组的调频能力，有利于系统的安全稳定运行，并且建模过程中考虑了风功率波动性，评估结果更加准确。

值得注意的是，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。

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 (4)

1.一种计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、在典型频率响应模型中，改变电力系统等效惯性时间常数得到不同的系统频率响应曲线，分析系统频率特性，获得受电力系统惯量影响的频率响应指标；

步骤2、结合风功率波动性，得到系统功率波动概率函数，并以此建立电力系统频率响应综合模型；

步骤3、以步骤1获得的频率响应指标作为约束条件，评估电力系统的惯量需求，进而评估高比例新能源系统需要风电提供的额外惯量需求。

2.根据权利要求1所述计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：

首先发电机惯性时间常数与电力系统中参与运行的发电机转子转动惯量有关，定义如下：

其中，H是发电机惯性时间常数；J是发电机转子转动惯量；ω_m是发电机额定机械转速；S_B是机组基准容量；

对一个具有多台同步发电机组的系统来说，其等效转动惯量定义如下：

T_Jeq＝T_J1S_B1+T_J2S_B2+…+T_JnS_Bn

其中，T_Jeq为系统等效转动惯量；T_J1、T_J2、…、T_Jn为系统中参与发电的单台同步发电机组的转动惯量；S_B1、S_B2、…、S_Bn为系统中参与发电的单台同步发电机组的基准容量；

电力系统等效惯性时间常数能够反映系统惯量大小，其与系统等效转动惯量T_Jeq的关系为：

其中，H_eq为电力系统等效惯性时间常数；S_N为电力系统中发电机总容量；

当高比例新能源接入后，新能源机组替代同步机组，新能源机组转动惯量为0，因此系统等效转动惯量T_Jeq减小，通过改变电力系统等效惯性时间常数H_eq，分析系统频率响应指标的变化，获得受电力系统惯量影响的频率响应指标，具体为：最大频率偏差Δf_max和最大频率变化率dΔf/dt。

3.根据权利要求1所述计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：

风功率波动X_w、负荷波动X_L服从正态分布，分别满足：

系统功率波动X满足：

其中，

σ_s、σ₁、σ₂分别为系统功率波动、风电功率波动、负荷波动的标准差；

系统功率波动X的置信区间[-R，R]，满足P{|X≤R|}＝p，由正态分布知识可得R＝Z_ασ_s，则置信区间边界值的表达式为：

Z_α为标准正态分布上的α分位点，α满足p＝1-2α；

对于风功率波动X_w，同样有P{|X_w≤R_w(S_w)|}＝p，且同时满足以下公式：

R_w(S_w)＝Z_α1σ₁

S_w为风电额定容量；a、b由风电功率波动历史数据统计得到；

因此能够求得：

将上述置信区间边界值的表达式改写为关于风电额定容量S_w的函数R(S_w)：

电力系统中负荷出力P_L与风电额定容量S_w、常规机组额定容量S_G以及二者出力水平λ₁、λ₂有如下关系：

P_L＝λ₁S_W+λ₂S_G

根据风电占比定义可知：

将上述置信区间边界值的表达式改写为关于风电占比η的函数R(η)，并以P_L为基准值标幺化，得到系统功率波动概率函数表示为：

其中，

为负荷波动标准差的标幺值；

在Matlab/Simulink中搭建系统频率响应模型，将所述功率波动概率函数作为输入，模型参数由实际系统参数等值聚合或历史数据统计得到，以此建立考虑风电波动性的电力系统频率响应综合模型。

4.根据权利要求1所述计及风功率波动的电力系统惯量需求评估的方法，其特征在于，在所述步骤3中，评估电力系统的惯量需求包括：

1、何种风电占比下系统需要额外惯量支撑，具体过程为：

获得的频率响应指标为最大频率偏差Δf_max和最大频率变化率dΔf/dt，以此为约束条件，改变系统风电占比，当频率响应指标达到限值时的风电占比即为需要额外惯量支撑时的风电占比；

2、系统对风电机组需要提供的额外惯量支撑的需求，具体过程为：

当系统中风电占比高于上述第一点中的占比时，在频率响应指标达到边界值时，若最大频率偏差Δf_max约束下的系统等效惯性时间常数为H₁，最大频率变化率dΔf/dt约束下的系统等效惯性时间常数为H₂，则系统等效惯性时间常数H_eq为：

H_eq＝max{H₁,H₂}

风电参与系统调频后，系统等效惯性时间常数H_eq发生改变，则系统等效惯性时间常数H_eq的表达式为：

其中，常规机组等效惯性时间常数表示为：

风电机组额外提供的等效惯性时间常数表示为：

其中，H_eq为系统等效惯性时间常数；H_常规为常规机组等效惯性时间常数；ΔH为风电机组额外提供的等效惯性时间常数；H_ci为第i台常规机组惯性时间常数；S_ci为第i台常规机组额定容量；H_wi为参与调频的第i台风电机组惯性时间常数；S_w1i为参与调频的第i台风电机组的额定容量；S_w0为不参与调频的风电机组的额定容量；

由于各类机组额定容量已知，常规机组等效惯性时间常数H_常规已知，因此得到系统等效惯性时间常数H_eq，进一步获得风电机组额外提供的等效惯性时间常数ΔH，从而获得系统的惯量需求以及风电机组需要提供的额外惯量需求，风电机组额外提供的等效惯性时间常数ΔH为：

ΔH＝H_eq-H_常规。

Images