CN112865071A - 直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法，该方法包括如下步骤：(S1)基于平均系统频率模型，将所有调速系统的模型替换为一阶等效模型，获取电网频率响应的表达式；(S2)对步骤(S1)得到的频率响应表达式进行求解，获取电网频率响应初始曲线；(S3)断电网频率是否触发分布式光伏低频保护整定值；(S4)判断电网频率是否触发低频减载；(S5)修正电网频率响应初始曲线，并输出结果。通过上述方案，本发明达到了电网频率预测的结果更加全面与准确的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法
技术领域
本发明属于光伏测试技术领域，具体地讲，是涉及直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法。
背景技术
近年来，我国分布式光伏发展迅速。但是，分布式光伏机组不具备一次调频能力，光伏机组为非旋转的静止元件，通过换流器并网，自身无转动惯量，大量替代常规电源后，降低了系统等效转动惯量，这会恶化受端电网应对有功功率缺额的能力，在相同的边界条件下系统频率可能下跌得更低。并且，光伏对系统频率和电压波动的耐受能力较差，易发生脱网，这会增加诸如直流闭锁故障后的功率缺额，造成频率进一步下跌，可能引发低频减载动作，造成连锁故障。
目前，常用的电网频率偏移分析方法可分为基于模型分析的解析法、基于量测数据和系统辨识方法的时域仿真法和智能算法三大类。基于模型分析的解析法主要是对系统进行单机等值，常用的等值模型主要有平均系统频率模型(average system frequencymodel，ASF)、系统频率响应模型(system frequency response model，SFR)。基于量测数据和系统辨识方法的时域仿真法主要是建立多机系统频率响应等值聚合的仿真模型，然后通过仿真分析各类非线性环节对系统频率动态的影响。基于智能算法的电网频率预测主要是以扰动量、扰动前稳态信息和扰动后瞬间机组功率变化等为输入特征，通过神经网络和支持向量回归等方法对扰动后的电网最低频率、最大频率变化率和准稳态频率进行预测。
虽然上述研究能在传统电力系统发生扰动后对系统频率有较精确的预测，但是仍存在以下问题：1.在电网发生扰动后对分布式光伏高渗透下的直流受端电网进行频率预测时，没有考虑光伏低频耐受能力对暂态频率偏移的影响，即光伏脱网后造成频率进一步下降的情况，导致预测结果过于乐观，预测误差将增大；2.没有考虑直流闭锁造成大量有功功率缺失时，受端电网在光伏大面积低频脱网后可能引发的低频减载动作，导致预测结果误差进一步增大。因此如何解决现有技术中存在的问题是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法，解决了传统预测结果过于乐观、预测误差很大的问题，使得电网频率预测的结果更加全面与准确。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法，包括如下步骤：
(S1)基于平均系统频率模型，将所有调速系统的模型替换为一阶等效模型，获取电网频率响应的表达式；
(S2)对步骤(S1)得到的频率响应表达式进行求解，获取电网频率响应初始曲线；
(S3)断电网频率是否触发分布式光伏低频保护整定值；
(S4)判断电网频率是否触发低频减载；
(S5)修正电网频率响应初始曲线，并输出结果。
具体地，所述步骤(S4)判断电网频率是否触发低频减载，如果不是，执行步骤(S5)，如果是执行步骤(S2)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出了直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法，该方法基于目前电网频率预测的技术，进一步考虑了分布式光伏高渗透下直流受端电网可能发生的光伏大面积脱网和系统低频减载情况，构建了分布式光伏高渗透下直流受端电网扰动后多阶段频率预测模型，解决了传统预测结果过于乐观、预测误差很大的问题，使得电网频率预测的结果更加全面与准确。
(2)本发明在电网发生扰动后对分布式光伏高渗透下直流受端电网进行频率预测时，考虑光伏因低频脱网后造成频率进一步下降的情况，以传统频率预测模型为基础新增光伏脱网预测阶段，构建了考虑光伏脱网的简化频率预测模型；
(3)本发明考虑了直流闭锁造成大量有功功率缺失时，受端电网在光伏脱网后引发低频减载动作的情况，新增低频减载预测阶段，构建了考虑低频减载的简化频率预测模型。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明39节点系统接线图
图3为本发明电网频率响应初始的时域图。
图4为本发明修正后的电网频率响应时域图。
图5为本发明低频减载后的电网频率响应时域图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图5所示，步骤(S1)：基于平均系统频率模型，将所有调速系统的模型替换为一阶等效模型，获取电网频率响应的表达式；
平均系统频率模型将系统所有发电机组的调速器原动机系统的机械输出施加于一个等值转子上，该转子是由系统中所有发电机进行转子等值聚合所得，计算公式为：
Figure BDA0002866951530000031
式中，N为发电机数，Si为第i台机组的额定容量，Hi为第i台机组的惯性时间常数。
光伏脱网和低频减载动作主要取决于系统频率最低点和最低频率出现时间，采取一阶等效模型来描述受端电网大功率缺失后的频率下降过程。通常受端电网大功率缺失后最低频率出现在功率缺失后大约5s内，直流闭锁导致的功率缺失近似为阶跃信号，取调速系统动态模型阶跃响应前5s的数据进行一阶等效模型拟合。电网内所有调速系统可等效为一阶调速模型：
Figure BDA0002866951530000041
式中，K为增益倍数，T为调速器惯性时间常数，s是拉普拉斯逆变换后时域t对应的频域变量s。
对于一个含有N台发电机组的电网，简化后的电网频率响应表达式为：
Figure BDA0002866951530000042
式中，H为系统等值转子惯性时间常数，D为系统发电机转子阻尼系数，ΔPL为扰动造成的不平衡功率，Ki、Ti分别为第i台机组调速系统的增益倍数和惯性时间常数。
步骤(S2)：对步骤(S1)得到的频率响应表达式进行求解，获取电网频率响应初始曲线；
拉普拉斯逆变换可以表示为已知函数f(t)的拉普拉斯变换F(s)，求原函数f(t)的运算。将步骤(S1)中通过对调速系统化简得到的电网频率响应表达式，进行拉普拉斯逆变换即可得到电网频率响应初始的时域表达式如下所示：
Figure BDA0002866951530000043
式中，α为一个使得Δω(s)的积分路径在收敛域内的实数，j为虚数单位，α、β、st为公式和函数的变量，L-1为拉普拉斯逆变换符号。
步骤(S3)：判断电网频率是否触发分布式光伏低频保护整定值；
光伏机组对系统频率和电压波动的耐受能力较差。当电网频率低于某一定值fpv,cut时，光伏配备的低频保护将动作，导致光伏大量脱网，给电网频率稳定造成冲击，频率恢复更加困难。
假设电网在频率达到最低点前的
Figure BDA0002866951530000057
时刻的频率
Figure BDA0002866951530000058
等于低频保护整定值fpv,cut，光伏的低频保护动作，切除光伏机组造成新的有功缺失为ΔPpv，则系统当前的频率响应表达式为：
Figure BDA0002866951530000051
式中H为系统等效的转子惯性时间常数，D为系统发电机转子阻尼系数。
进行拉普拉斯逆变换即可得到tcut时刻后的电网频率响应初始的时域表达式如下所示：
Figure BDA0002866951530000052
步骤(S4)：判断电网频率是否触发低频减载；
在大功率缺失扰动和光伏大规模脱网双重影响下，电网频率将进一步加速下跌，最终触发电网低频减载动作。
假设电网在频率达到最低点前的
Figure BDA0002866951530000053
时刻的频率
Figure BDA0002866951530000054
等于低频减载整定值fload,cut，电网低频减载动作，按照预先设置的轮次逐一削减负荷造成新的有功变化为ΔPL,cut，ΔPL,cut与电网缺失功率ΔPL符号相反，二者相加即可得到第一轮低频减载后的不平衡功率为
Figure BDA0002866951530000056
则系统当前的频率响应表达式为：
Figure BDA0002866951530000055
若电网频率继续下降，则依次触发低频减载各个轮次，仅需要对上式不断进行时刻和初值的修正即可得到最终的Δω(3)(s)，再对其进行拉普拉斯逆变换得到最终修正后的电网频率响应时域函数和波形。
Figure BDA0002866951530000061
步骤(S5)：修正电网频率响应初始曲线，并输出结果。
综合上述步骤(S1)～(S1)，可得到分布式光伏高渗透下的直流受端电网扰动后多阶段频率响应预测结果，对结果分时段组合即可得到修正后的电网频率响应曲线。
具体实施例为：
以图2中10机39母线系统对所提的方法进行验证，假定31号节点为平衡节点，并将G2发电机视为直流馈入的等效机组，如图2所示。假设原系统负荷水平下旋转备用约为机组最大出力的15％，得到各个机组额定容量。维持该系统原总发电功率6297MW，其中常规机组发电功率为5297MW，额定有功功率为7300MW，分布式光伏机组发电容量达到1000MW。由资料获取的所有发电机组的惯量时间常数和调速系统等效后一阶等效模型的参数如表1所示。
表1发电机组的惯量时间常数和调速系统等效后一阶等效模型的参数
Figure BDA0002866951530000062
根据国家标准《分布式电源并网技术要求》(GB/T 33593-2017)对光伏频率保护的要求，光伏的低频保护定值分为两类：
(1)接入用户侧的光伏在频率低于49.5Hz、高于50.2Hz10个周波后切除。
(2)接入公共连接点的光伏在频率超过48Hz、高于50.5Hz1个周波后切除。
本实施例以第一类光伏低频保护定值为准。
仿真系统采用五级低频减载：
第一级减负荷：频率降低至49Hz，经过15个周波时延后向断路器发送信号，断路器接收信号经历10个周波时延后动作，切除3％的负荷；
第二级减负荷：频率降低至48.75Hz，经过15个周波时延后向断路器发送信号，断路器接收信号经历10个周波时延后动作，切除5％的负荷；
第三级减负荷：频率降低至48.5Hz，经过15个周波时延后向断路器发送信号，断路器接收信号经历10个周波时延后动作，切除5％的负荷；
第四级减负荷：频率降低至48.25Hz，经过15个周波时延后向断路器发送信号，断路器接收信号经历10个周波时延后动作，切除5％的负荷；
第五级减负荷：频率降低至48Hz，经过15个周波时延后向断路器发送信号，断路器接收信号经历10个周波时延后动作，切除4％的负荷；
由表1各个发电机组的H、D和机组容量计算得到H＝3.1567，D＝2。当系统发生直流闭锁故障，电网功率缺额为1177MW，电网频率响应初始的时域图形如图3所示。通过计算可以得到电网最低频率为49.44Hz，可以看出此时电网频率将会使光伏机组低频保护，若以此预测结果作为最终结果则会存在较大误差，根据步骤(S3)可以得到修正后的电网频率响应时域图形如图4所示。可以看出，考虑了光伏脱网后的电网频率下降的情况更加恶劣，电网最低频率为48.96Hz，将触发电网第一轮的低频减载，考虑了低频减载后最终的电网频率响应时域图形如图5所示。综上可以看出，在对分布式光伏高渗透下直流受端电网进行频率预测时，若不考虑光伏大规模脱网和低频减载，将增大频率预测结果的误差，使得预测结果过于乐观，而本发明提出的多阶段频率预测方法可以反映光伏低频脱网和低频减载两个极端情况。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)基于平均系统频率模型，将所有调速系统的模型替换为一阶等效模型，获取电网频率响应的表达式；
(S2)对步骤(S1)得到的频率响应表达式进行求解，获取电网频率响应初始曲线；
(S3)断电网频率是否触发分布式光伏低频保护整定值；
(S4)判断电网频率是否触发低频减载；
(S5)修正电网频率响应初始曲线，并输出结果。
2.根据权利要求1所述的直流受端电网分布式光伏高渗透下频率偏移预测方法，其特征在于，所述步骤(S4)判断电网频率是否触发低频减载，如果不是，执行步骤(S5)，如果是执行步骤(S2)。
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