CN111756038B - 考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，设置频率启动门槛值，频差和迭代终止门槛；将频率达到启动门槛值的时刻记为t1，按照等频差原则确定时刻t2和t3；分别获取三个时刻所有新能源机组有功出力之和、负荷有功需求之和及系统频率变化率；将同步机转子运动方程拓展为含新能源出力的形式，经多次做差得到消去调频系数的新能源电力系统惯量；持续迭代计算，直到满足终止条件，从而确定新能源电力系统的同步机惯量。本发明方法仅需要新能源机组出力、负荷需求和系统频率响应等信息，并考虑同步机的一次调频特性，能够在新能源机组出力变化、负荷需求波动等因素影响下准确实时估计系统惯量，对电力系统的频率稳定控制具有重要意义。

Description

考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法
技术领域
本发明属于新能源电力系统技术领域，具体涉及一种考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法。
背景技术
推动能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，已成为我国能源行业发展的重要战略和规划。为实现这一目标，必须大幅提高新能源和可再生能源比重，使清洁能源满足未来新增能源需求。然而，由于新能源机组本身不具备旋转惯量，则高比例的新能源接入必然会导致系统惯量水平显著下降，使得系统的频率稳定性变差。针对此类问题，研究人员已从系统角度或新能源发电角度出发，不断探索系统的频率稳定分析和控制方法。其中，如何准确获得新能源电力系统的惯量是一个极其关键而重要的问题。
然而，目前针对新能源电力系统惯性的研究难以准确估计系统惯量，其主要表现在：首先，新能源机组通过电力电子变换器大量接入电网，使得系统惯性在特点及形式上发生新的变化，无法通过传统的转子运动方程来计算新能源电力系统的惯量。其次，电网运行部门要求同步机具有参与系统一次调频的能力，因此调速器影响同步机有功出力的能力不容忽视，但现有的惯量估测方法往往忽略同步机的一次调频特性，从而导致系统惯量的估测误差较大。综上，必须充分考虑新能源出力的影响及同步机的调频特性，才能准确估计新能源电力系统的惯量，这对增强系统的频率支撑能力，保障电网的安全稳定运行和优化调度具有重要意义。
发明内容
为了解决上述由于新能源的高比例接入而导致惯量估计困难的问题，本发明目的是提供一种考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法。该方法通过实时量测新能源机组的有功出力、负荷需求和系统频率响应等信息，并考虑到同步机的一次调频特性，在新能源机组出力随机性变化、负荷需求波动等不良因素的影响下，准确实时地估计新能源电力系统的同步机惯量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，包括如下步骤：
步骤1：设置频率启动门槛值fst，频差Δf和迭代终止门槛ε；
步骤2：判断当前新能源电力系统的频率f是否达到频率启动门槛值，如达到，将频率达到频率启动门槛值的时刻设定为t1，并按照“等频差”的条件确定时刻t2和t3；否则，重复进行步骤2；
步骤3：分别获取t1、t2和t3三个时刻新能源电力系统所有风机的有功出力之和PW、所有光伏机组的有功出力之和PPV、所有母线负荷的有功需求之和PL以及新能源电力系统频率变化率
Figure BDA0002577530280000021
步骤4：将同步机的转子运动方程拓展为含风电和光伏机组出力的形式，并列写t1,t2,t3三个时刻的频率暂态方程，然后对三个频率暂态方程两两做差；
步骤5：考虑到同步机的一次调频特性，采取再次做差的方式消去同步机的调频系数KSG，从而得到新能源电力系统的同步机惯量观测值Ti；
步骤6：持续迭代计算新能源电力系统的同步机惯量观测值，直到满足计算终止条件|Ti-Ti-1|＜ε，最终确定新能源电力系统的同步机惯量TSG＝Ti。
步骤2中的“等频差”条件如式(1)所示：
f1-f2＝f2-f3＝Δf (1)。
拓展后的含风电和光伏机组出力形式的同步机转子运动方程，如式(2)：
Figure BDA0002577530280000031
式中：TSG为同步机的惯性时间常数；PSG为同步机的机械功率；PW为风机的有功功率；PPV为光伏机组的有功功率；PL为负荷的有功功率；PLoss为系统网损；fcoi为新能源电力系统惯性中心的频率。
由同步机一次调频特性所引起的t1、t2和t3三个时刻同步机的出力变化，如式(3)所示：
Figure BDA0002577530280000032
式中：KSG为同步机的调频系数。
新能源电力系统的同步机惯量观测值，如式(4)所示：
Figure BDA0002577530280000033
优选地，频率启动门槛值fsh的取值参照低频切负荷控制的动作门槛值，频差Δf的取值范围为0.1-0.2Hz，迭代终止门槛ε的取值为5％。
本发明方法首先需要预设频率启动门槛值fst，频差Δf和迭代终止门槛ε；其次，将频率f达到启动门槛值的时刻设定为t1，并按照频差相等的条件确定时刻t2和t3；再次，通过量测得到三个时刻所有风机的有功出力之和PW、所有光伏机组的有功出力之和PPV、所有母线负荷的有功需求之和PL以及系统频率变化率
Figure BDA0002577530280000041
然后，将同步机的转子运动方程拓展为含新能源出力的形式，并对三个时刻的转子运动方程两两做差；之后，考虑到同步机的一次调频特性，采取再次做差的方式消去同步机调频系数KSG，从而得到新能源电力系统的惯量观测值Ti；最后，持续迭代计算系统惯量的观测值，直到满足计算终止条件|Ti-Ti-1|＜ε，确定新能源电力系统的同步机惯量TSG＝Ti；本发明方法仅需要新能源机组出力、负荷需求和系统频率响应等量测信息，并在惯量估计方法中考虑到同步机的一次调频特性，能够在新能源机组出力随机性变化、负荷需求波动等不良因素的影响下，准确实时地估计系统惯量，对电力系统的频率稳定控制提供指导意见。
附图说明
图1是实现本发明方法的流程图。
图2是IEEE-39节点系统的算例拓扑图。
图3是模拟的同步机调速器特性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，包括如下步骤：
步骤1：设置频率启动门槛值fst，频差Δf和迭代终止门槛ε；其中频率启动门槛值fst可参照低频切负荷控制的动作门槛值，频差Δf取值范围为0.1-0.2Hz，迭代终止门槛ε可取5％；
步骤2：判断当前新能源电力系统的频率f是否达到频率启动门槛值，如达到，将频率达到频率启动门槛值的时刻设定为t1，并按照“等频差”的条件f1-f2＝f2-f3＝Δft，确定时刻t2和t3；否则，重复进行步骤2；
步骤3：分别获取t1、t2和t3三个时刻新能源电力系统所有风机的有功出力之和PW、所有光伏机组的有功出力之和PPV、所有母线负荷的有功需求之和PL以及新能源电力系统频率变化率
Figure BDA0002577530280000051
步骤4：考虑到以风电和光伏为代表的新能源机组出力形式，对同步机的转子运动方程拓展为
Figure BDA0002577530280000052
并列写t1,t2,t3三个时刻的频率暂态方程，然后对三个暂态方程两两做差得到：
Figure BDA0002577530280000053
Figure BDA0002577530280000054
步骤5：考虑到同步机的一次调频特性
Figure BDA0002577530280000055
式中KSG为同步机的调频系数，采取再次做差的方式消去同步机的调频系数KSG，从而得到新能源电力系统的同步机惯量观测值Ti；
Figure BDA0002577530280000056
步骤6：持续迭代计算新能源电力系统的同步机惯量观测值，直到满足计算终止条件|Ti-Ti-1|＜ε，最终确定新能源电力系统的同步机惯量TSG＝Ti。
实施例：
以高风电渗透率下的IEEE-39节点系统为例说明本发明方案的可行性。如图2所示，将发电机G-36设置为双馈式风力发电机，其不具备旋转惯量；设置系统故障为线路15-16，16-17在t＝0.5s时刻断开，34号机组跳闸，损失出力508MW，系统形成局部孤网；将风速设置为随机噪声风；其余机组均为常规汽轮机组并配备标准调速器，其调速特性如图3所示；系统中新能源发电的占比为30.4％，其具体参数如表1所示：
表1各发电机的惯量
Figure BDA0002577530280000061
当系统在t＝0.5s受到扰动后，系统的惯量由发电机组G-33、G-35共同提供，此时系统实际惯量为TSG＝T33+T35＝126.8s；然后将本发明方法的频率启动门槛值fst设置为59.9Hz，频率间隔Δft设置为0.1Hz，迭代终止条件设置为|Ti+1-Ti|＜5％；以固定的频率间隔Δft在时间轴上不断滑动，持续计算受扰后系统暂态过程中的同步机观测惯量Ti，直到满足迭代误差小于5％。经过多次迭代计算后，得到系统的同步机惯量TSG为126.72s，与系统的真实惯量126.8s接近。因此，利用本发明的估计方法，能够在新能源机组出力变化、量测数据噪声等不良因素的影响下，准确实时地估计系统惯量，对电力系统的频率稳定控制提供指导意见。

Claims (6)

1.考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：设置频率启动门槛值fst，频差Δf和迭代终止门槛ε；
步骤2：判断当前新能源电力系统的频率f是否达到频率启动门槛值，如达到，将频率达到频率启动门槛值的时刻设定为t1，并按照“等频差”的条件确定时刻t2和t3；否则，重复进行步骤2；
步骤3：分别获取t1、t2和t3三个时刻新能源电力系统所有风机的有功出力之和PW、所有光伏机组的有功出力之和PPV、所有母线负荷的有功需求之和PL以及新能源电力系统频率变化率
Figure FDA0002577530270000011
步骤4：将同步机的转子运动方程拓展为含风电和光伏机组出力的形式，并列写t1,t2,t3三个时刻的频率暂态方程，然后对三个频率暂态方程两两做差；
步骤5：考虑到同步机的一次调频特性，采取再次做差的方式消去同步机的调频系数KSG，从而得到新能源电力系统的同步机惯量观测值Ti；
步骤6：持续迭代计算新能源电力系统的同步机惯量观测值，直到满足计算终止条件|Ti-Ti-1|＜ε，最终确定新能源电力系统的同步机惯量TSG＝Ti。
2.如权利要求1所述的考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，其特征在于，步骤2中的“等频差”条件如式(1)所示：
f1-f2＝f2-f3＝Δf (1)。
3.如权利要求1所述的考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，其特征在于，拓展后的含风电和光伏机组出力形式的同步机转子运动方程，如式(2)：
Figure FDA0002577530270000021
式中：TSG为同步机的惯性时间常数；PSG为同步机的机械功率；PW为风机的有功功率；PPV为光伏机组的有功功率；PL为负荷的有功功率；PLoss为系统网损；fcoi为新能源电力系统惯性中心的频率。
4.如权利要求1所述的考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，其特征在于，由同步机一次调频特性所引起的t1、t2和t3三个时刻同步机的出力变化，如式(3)所示：
Figure FDA0002577530270000022
式中：KSG为同步机的调频系数。
5.如权利要求1所述的考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，其特征在于，新能源电力系统的同步机惯量观测值，如式(4)所示：
Figure FDA0002577530270000023
6.如权利要求1所述的考虑调频特性的新能源电力系统等频差惯量估计方法，其特征在于，频率启动门槛值fsh的取值参照低频切负荷控制的动作门槛值，频差Δf的取值范围为0.1-0.2Hz，迭代终止门槛ε的取值为5％。
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