CN112736988A - 考虑一次调频和下垂控制影响的新能源电力系统惯量估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑同步发电机一次调频和新能源机组下垂控制影响的新能源电力系统惯量估计方法，其具体步骤如下：首先确定系统受扰前频率值f_n、时间点t_n，受扰后频率最低点f_nadir、时间点t_nadir和频率恢复点f_re、时间点t_re；其次，初始化参数f_r和Δf_d；然后，当f_r＜f_re时进行循环计算：确定[t_n,t_re]时间段内系统频率为f_r的时间点t_de和t_in，获得这两时刻的负荷有功P_ΣL及系统的频率变化率

根据考虑一次调频和下垂控制影响的惯量估计公式，获得系统惯量的观测值H_e，令f_r＝f_r+Δf_d，持续迭代计算，直至不满足迭代条件；最后，分析惯量观测值序列，最终确定系统惯量的估计值H_est。本方法仅需要系统受扰后负荷有功功率以及频率的变化信息，就可以在考虑一次调频和下垂控制的影响下，精确地估计新能源电力系统的惯量。

Description

考虑一次调频和下垂控制影响的新能源电力系统惯量估计 方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种考虑同步发电机组一次调频以及新能源机组下垂控制影响的新能源电力系统惯量估计方法。

背景技术

为解决日益增长的能源危机以及环境污染问题，实现能源转型，大量新能源机组如光伏、风电不断接入电网，替代了传统的同步发电机发电。然而，新能源机组通过电力电子器件接入电网，无法直接提供惯性支撑，导致系统惯性水平显著降低，容易引发严重的频率稳定性问题。因此，为保证可再生能源系统稳定运行，有必要研究建立有效的频率控制体系。其中，准确估计新能源电力系统的惯量是实现频率稳定性控制的首要任务。

近年来，针对新能源电力系统的惯量估计已有大量研究。然而，现有的研究方法中既没有考虑同步发电机组一次调频的影响，也未考虑新能源发电机组的下垂控制的作用。鉴于一次调频和下垂控制在新能源电力系统频率稳定控制中的作用越来越重要，忽略其影响必将导致系统惯量估计出现较大偏差。因此，必须充分考虑一次调频以及下垂控制的影响，寻求一种更加精确的新能源电力系统惯量估计方法，这对提高电力系统频率稳定性，保证系统安全可靠的运行具有重要作用。

发明内容

为更加精确地估计新能源电力系统的惯量，本发明提出了一种考虑了同步机一次调频以及新能源机组下垂控制影响的新能源电力系统惯量估计方法。该方法仅需要新能源电力系统受扰后的负荷频率响应数据，就可以在考虑到一次调频和下垂控制的影响下准确实时地估计出新能源电力系统的惯量值。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

考虑一次调频和下垂控制影响的新能源电力系统惯量估计方法，具体步骤如下:

步骤1：确定新能源电力系统受扰动前频率值f_n、受扰动前时间点t_n，受扰动后频率最低点f_nadir、受扰动后时间点t_nadir和频率恢复值f_re、频率恢复时间点t_re；

步骤2：初始化迭代频率f_r和迭代频率步长Δf_d，其中f_r＝f_nadir+Δf_d，Δf_d∈[0，f_re-f_nadir]；

步骤3：当f_r小于f_re时执行以下计算：在时间区间[t_n,t_re]内分别确定频率下降阶段和频率恢复阶段中频率值为f_r的时刻t_de和t_in，读取这两个时间点总负荷的有功功率P_ΣL以及系统频率变化率

步骤4：在考虑了同步发电机组的一次调频以及新能源机组的下垂控制的影响后，利用惯量估计公式得到频率为f_r时的新能源电力系统惯量观测值H_e：

其中，

为t_de时刻的负荷总有功功率和频率变化率，

为t_in时刻的负荷总有功功率和频率变化率；

步骤5：令f_r＝Δf_d+f_r，继续迭代计算新能源电力系统的惯量观测值，直到不满足迭代条件f_r＜f_re为止，跳出迭代运算；

步骤6：分析得到的所有惯量估计观测值，计算其平均值作为新能源电力系统的最终惯量估计值H_est＝avg(H_e)。

步骤3中在频率下降阶段和恢复阶段确定t_de和t_in的原则如(2)所示:

f_de＝f_in＝f_r (2)

其中，f_de、f_in分别为频率下降阶段和频率上升阶段中频率为f_r的频率，t_de和t_in为对应这两个频率的时刻。

惯量估计公式的推导过程如下：对三个时间点拓展含有新能源出力形式的转子运动方程，并两两进行差值运算得到：

其中，

是t_nadir时刻的同步发电机总有功出力、新能源机组总有功出力；

是t_de时刻的同步发电机总有功出力和新能源机组总有功出力；

是时刻t_in的同步发电机总有功出力和新能源机组总有功出力；

是时刻t_nadir的负荷总有功以及频率变化率；

同步机组的一次调频和新能源机组的下垂控制的原理相似，在[t_n,t_re]时间区间中的频率下降阶段和频率恢复阶段，考虑同步发电机组一次调频出力变化分别如(5)，(6)所示；同样，考虑新能源机组下垂控制的出力变化分别如(7)，(8)所示：

其中，K_SG为同步发电机的一次调频系数；K_RE为新能源机组的下垂控制系数；

分别将式(5)-(8)代入式(3)和(4)，得到(9)和(10)：

将(9)，(10)相加，最终得到考虑同步机一次调频以及新能源下垂控制影响的电力系统惯量估计表达式(1)。

本发明的方法首先需要确定系统受扰动前频率值f_n、受扰动前时间点t_n、受扰后频率最低点f_nadir、受扰动后时间点t_nadir和频率恢复值f_re、频率恢复时间点t_re；对迭代频率以及迭代频率步长进行初始化，其中，f_r＝f_nadir+Δf_d，且Δf_d∈[0,f_re-f_nadir]。开始进行以下循环：判断此时的f_r是否小于f_re。如是，则分别在频率下降阶段和频率恢复阶段找到频率值等于f_r的时间点t_de和t_in，读取这两个时间点总负荷的有功功率P_ΣL以及系统频率变化率

通过本发明所提出的考虑同步机一次调频以及新能源机组下垂控制影响的惯量估计表达式，得到在频率f_r下的惯量观测值H_e；令f_r＝Δf_d+f_r，继续进行迭代运算，直到不满足计算条件f_r＜f_re为止，跳出运算；分析得到的所有惯量估计观测值，以其平均值作为最终的新能源电力系统惯量估计值H_est＝avg(H_e)。本发明仅需要知道系统受到扰动后负荷的频率响应数据，就可以在考虑了同步机组一次调频以及新能源机组下垂控制的影响下，精确、实时地估计新能源电力系统的惯量，为后续的频率稳定控制分析奠定基础。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图。

图2是IEEE-39节点系统的算例拓扑图。

图3是算例中系统受扰后的频率响应曲线。

图4是计算得到的新能源电力系统惯量观测图。

具体实施方式

下面利用算例仿真对本发明进一步说明。

如图1所示，为考虑了同步机一次调频以及新能源机组下垂控制影响的新能源发电机组惯量估计方法流程图，其具体步骤如下：

步骤1：首先确定新能源电力系统受扰动前频率值f_n、受扰动前时间点t_n，受扰动后频率最低点f_nadir、受扰动后时间点t_nadir和频率恢复值f_re、频率恢复时间点t_re；

步骤2：初始化迭代频率f_r和迭代频率步长Δf_d，其中f_r＝f_nadir+Δf_d，Δf_d∈[0,f_re-f_nadir]；

步骤3：当f_r小于f_re时执行以下计算：在时间区间[t_n,t_re]内分别确定频率下降阶段和频率恢复阶段中频率值为f_r的时刻t_de和t_in，读取这两个时间点总负荷的有功功率P_ΣL以及系统频率变化率

步骤4：根据本发明所提出的考虑同步机一次调频以及新能源机组下垂控制影响的惯量估计公式：

得到在频率f_r下的新能源电力系统惯量观测值H_e。其中，

为t_de时刻的负荷总有功功率以及频率变化率，

为t_in时刻的负荷总有功功率以及频率变化率。

步骤5：令f_r＝Δf_d+f_r，继续迭代计算新能源电力系统的惯量观测值，直到不满足迭代条件f_r＜f_re为止，跳出迭代运算；

步骤6：将得到的所有新能源电力系统惯量观测值进行分析，计算其平均值作为最后的惯量估计值H_est＝avg(H_e)。

仿真实例

在本发明中，仿真工作是在PSASP 7.0软件上进行的，并且选择了IEEE-39节点系统作为测试系统，系统拓扑如图2所示。在算例系统中，发电机35和36是风力发电机(WTG)，其余都是同步发电机。WTG采用DFIG模型，包括风速模型，恒定功率因数控制，高/低压穿越(HVRT/LVRT)模块，尤其是下垂控制以提供有功功率支持。所有同步发电机均采用四阶模型，配备标准电压调节器和线性调速器。最后，所有负载模型都采用恒定阻抗模型。

为了验证所提出方法的有效性，在IEEE-39系统中测试的情况考虑了一次调频控制和下垂控制的影响。

在开始时断开总线2-25和26-27，将系统分为两部分。图3显示了系统受到扰动后的频率响应曲线。频率在受到扰动后首先开始下降，然后在一次调频控制和下垂控制的功率支持下缓慢恢复。在这个动态过程中的频率最低点f_nadir为59.6349Hz，t_nadir为5.91s，频率恢复值f_re为59.6649Hz，t_re为9.52s。

迭代条件设置为f_r＜f_re，分别在频率下降阶段和恢复阶段确定频率值为f_r的时间点t_de和t_in，读取负荷有功功率以及系统频率变化率，按照本方法最终的惯量估计公式计算系统的惯量观测值H_e；不断迭代计算，直到不满足迭代条件，跳出运算，分析得到的所有惯量估计观测值，如图4所示，以其平均值作为最终的惯量估计值。

所测得的新能源电力系统受到扰动后的惯量H_est为701.55s，与系统惯量的实际值723.9s相比，误差较小，具体结果如表1所示。

表1系统惯量估计值与误差

	惯量实际值	惯量估计值
			H<sub>est</sub>(s)	723.9	701.55
误差	-	3.087％

根据上述算例的分析，利用本发明所提方法对新能源电力系统的惯量进行估计，可以在考虑了同步机一次调频和新能源机组下垂控制的影响下，精确、实时地估计新能源电力系统的惯量值，这对新能源电力系统的频率控制系统具有重要意义。

Claims (3)

1.考虑一次调频和下垂控制影响的新能源电力系统惯量估计方法，其特征在于：具体步骤如下:

步骤1：确定新能源电力系统受扰动前频率值f_n、受扰动前时间点t_n，受扰动后频率最低点f_nadir、受扰动后时间点t_nadir和频率恢复值f_re、频率恢复时间点t_re；

步骤2：初始化迭代频率f_r和迭代频率步长Δf_d，其中f_r＝f_nadir+Δf_d，Δf_d∈[0，f_re-f_nadir]；

步骤3：当f_r小于f_re时执行以下计算：在时间区间[t_n,t_re]内分别确定频率下降阶段和频率恢复阶段中频率值为f_r的时刻t_de和t_in，读取这两个时间点总负荷的有功功率P_ΣL以及系统频率变化率

步骤4：在考虑了同步发电机组的一次调频以及新能源机组的下垂控制的影响后，利用惯量估计公式得到频率为f_r时的新能源电力系统惯量观测值H_e：

其中，

为t_de时刻的负荷总有功功率和频率变化率，

为t_in时刻的负荷总有功功率和频率变化率；

步骤5：令f_r＝Δf_d+f_r，继续迭代计算新能源电力系统的惯量观测值，直到不满足迭代条件f_r＜f_re为止，跳出迭代运算；

步骤6：分析得到的所有惯量估计观测值，计算其平均值作为新能源电力系统的最终惯量估计值H_est＝avg(H_e)。

2.如权利要求1所述的新能源电力系统惯量估计方法，其特征在于：步骤3中在频率下降阶段和恢复阶段确定t_de和t_in的原则如(2)所示:

f_de＝f_in＝f_r (2)

其中，f_de、f_in分别为频率下降阶段和频率上升阶段中频率为f_r的频率，t_de和t_in为对应这两个频率的时刻。

3.如权利要求1所述的新能源电力系统惯量估计方法，其特征在于：惯量估计公式的推导过程如下：对三个时间点拓展含有新能源出力形式的转子运动方程，并两两进行差值运算得到：

其中，

是t_nadir时刻的同步发电机总有功出力、新能源机组总有功出力；

是t_de时刻的同步发电机总有功出力和新能源机组总有功出力；

是时刻t_in的同步发电机总有功出力和新能源机组总有功出力；

是时刻t_nadir的负荷总有功以及频率变化率；

同步机组的一次调频和新能源机组的下垂控制的原理相似，在[t_n,t_re]时间区间中的频率下降阶段和频率恢复阶段，考虑同步发电机组一次调频出力变化分别如(5)，(6)所示；同样，考虑新能源机组下垂控制的出力变化分别如(7)，(8)所示：

其中，K_SG为同步发电机的一次调频系数；K_RE为新能源机组的下垂控制系数；

分别将式(5)-(8)代入式(3)和(4)，得到(9)和(10)：

将(9)，(10)相加，最终得到考虑同步机一次调频以及新能源下垂控制影响的电力系统惯量估计表达式(1)。

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