CN114123233B - 含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法 - Google Patents

含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于新能源技术领域的一种含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，根据二元表判据划分频段并给予权重系数的思路，考虑系统频率运行规程要求和光伏机组保护措施，细化各频段的权重系数，构建计及扰动瞬间频率偏移量的改进频率稳定裕度指标。该方法给出允许波动频段(49.5～50.5Hz)和无延时切机保护对应频段(＜48Hz)的权重系数，适用于光伏含不同并网保护措施的系统暂态频率稳定性评估。改进频率稳定裕度指标计及±0.5Hz范围的偏移量，不仅能定量评估频率偏移量小的低光伏占比系统的暂态频率稳定性，还能区分偏移量小持续时间长和偏移量大持续时间短的频率响应，提高了暂态频率稳定性评估的准确性。

Description

含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法。
背景技术
随着当前环境的恶化和传统化石能源的枯竭，作为清洁高效的可再生能源，特别是太阳能得到了规模化利用。光伏发电已呈现规模化并网趋势，装机容量不断提高，系统中光伏渗透率不断提高。然而近年来，含高比例太阳能电网在遭受故障后频发大停电事故。为了深入评估高渗透率光伏并网对系统暂态频率稳定性的影响，应重点关注系统遭受故障后暂态频率响应动态特性，找到有效的量化方法和指标。已有研究通过对比观察不同渗透率系统遭受扰动后，频率最大偏移量和最大频率变化率来分析不同光伏渗透率下系统暂态频率稳定水平。但是该方法仅能定性地判断系统频率稳定性。已有研究认为暂态频率失稳的必要条件是机组因低频保护跳闸而引起有功平衡恶化，提出基于低频保护临界扰动功率的暂态频率稳定指标。考虑了系统保护配置，并实现量化评估暂态频率。但该指标仅从频率尺度判断系统频率的偏移是否可接受，并不能反应频率偏移的程度。已有研究提出用一组包含频率偏移门槛值和最大可持续时间的二元表判据来判断暂态频率偏移可接受性，并基于此判据给出频率偏移可接受性裕度指标，实现量化评估频率稳定性，但该方法仅从时间尺度判断系统频率的偏移是否可接受，并不能反应频率偏移的程度，上述方法均不能全面量化系统暂态频率的可/不可接受程度。为此，已有研究基于频率对时间的累积效应提出新的频率可接受裕度指标。但该方法无法区分持续时间长但偏移量小和短时间内频率严重跌落的频率响应。已有研究进一步提出基于多二元表判据将频率划分为不同的频段，并赋予不同的权重系数，从而构造新的暂态频率稳定裕度指标来定量评估不同跌落深度的频率响应。已有研究将指标扩展到含风电场的大电网和小电网暂态频率稳定性评估。然而这些方法均不计及正常波动范围内频率偏移量，不能反应扰动瞬间频率偏移程度；此外这些方法均没有考虑无延时保护对应频段权重系数的求取方法，不能量化因新能源机组保护跳闸引起有功平衡恶化所对应的严重跌落频段。因此无法精确评估含新能源发电系统的暂态频率稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
A.确定系统的多二元表判据；
B.将系统频率响应曲线可能达到的频率范围分为多个频带并且分配不同的权重系数；
C.构建适用于该系统的暂态频率稳定裕度指标。
所述步骤A中多二元表判据由系统的频率安全运行要求以及系统中配置的频率保护控制措施所确定，包含多个频率跌落门槛值及其对应的频率可接受持续时间。
所述步骤B中各频带由系统多二元判据的频率跌落门槛值来划分；各频段所对应的权重系数求取关键在于确定每个区间范围的临界稳定状态，根据频率对时间的累积公式求得：当系统处于临界稳定状态时，该区间所对应权重系数乘以该区间频率跌落门槛值对时间的累积公式为1；频率跌落越浅，其最大可接受持续时间越长，对应的权重系数就相对较小，反之，频率跌落越深，对应的权重系数相对较大；针对系统中配置的无延时切机保护，该方法采用直接赋值的方式，显著区分频率的不同跌落程度，量化系统暂态频率稳定性。
所述步骤C中暂态频率稳定裕度指标计及频率响应曲线所能达到的各频段内的频率偏移量；当指标大于0时，表示暂态频率属于稳定范围，指标越接近1时表明系统暂态频率越稳定，指标等于1时表示系统未遭受扰动，频率不发生偏移；指标等于0为临界稳定状态；指标小于0时，暂态频率不稳定，指标越小，暂态频率稳定性越差；进而实现从时间和频率的两个尺度，量化频率跌落程度，区别不同跌落深度。
结合系统频率安全运行要求和光伏机组保护措施细化了各频段的权重系数，给出系统允许波动频段(49.5～50.5Hz)和无延时切机保护对应频段(＜48Hz)的权重系数，适用于含不同并网保护措施的光伏系统暂态频率稳定性评估；并且改进的暂态频率稳定裕度指标计及±0.5Hz范围内的频率偏移量，不仅能定量评估频率偏移量小的低光伏占比系统暂态频率稳定性，还能区分偏移量小持续时间长和偏移量大持续时间短的频率响应，提高了不同光伏占比下暂态频率稳定性评估的准确性。
本发明的有益效果解决了不同光伏占比系统中暂态频率稳定性的量化评估问题，本发明实现了以下技术效果：
1.结合系统频率安全运行要求和光伏机组保护措施细化了各频段的权重系数，给出系统允许波动频段(49.5～50.5Hz)和无延时切机保护对应频段(＜48Hz)的权重系数，适用于含不同并网保护措施的光伏系统暂态频率稳定性评估。
2.改进的暂态频率稳定裕度指标计及±0.5Hz范围内的频率偏移量，不仅能定量评估频率偏移量小的低光伏占比系统暂态频率稳定性，还能区分偏移量小持续时间长和偏移量大持续时间短的频率响应，提高了不同光伏占比下暂态频率稳定性评估的准确性。
附图说明
图1为基于多二元表的加权量化分析图。
图2为IEEE39节点系统图。
图3为系统的暂态频率响应图。
具体实施方式
本发明提出一种含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，下面结合附图，对本发明作详细说明。
为了介绍本发明的技术方案，首先对本发明的原理进行说明。
本发明中用到的参数含义为：
η为本发明构造的改进暂态频率稳定裕度指标
t0为系统遭受扰动后频率跌落的初始时刻，
ti’为频率下降过程中低于fcr.i的时刻，
ti”为频率恢复过程中高于fcr.i的时刻，
tN为频率恢复至fN或仿真结束的时刻，
Ki为频率落在第i个频率所对应的权重系数，即K0、K1…Kn分别为频率落在(fN,fcr.1)、(fcr.1,fcr.2)…(fcr.n,-∞)频段的权重系数，
m、n、p分别表示频率落在49～50Hz、48～49Hz、48Hz以下频段的分布时间点集；
nm、nn、np是各点集对应的时间点个数；
Δt是系统采样时间间隔。
在工程实际中，常利用暂态频率偏移某一阈值的持续时间是否超过给定值来判断暂态频率的稳定性，即采用包含频率门槛值以及最大偏移持续时间信息的二元表判据来判断暂态频率偏移可接受性。为了量化频率偏移程度，考虑不同频率跌落深度对频率稳定性的影响，可基于多二元表判据(fN,fcr.1)、(fcr.1,fcr.2)…(fcr.n,Tcr.n)将频率划分为不同的频段，并赋予不同的权重系数，构造暂态频率稳定裕度指标。
附图1为基于多二元表的加权量化分析图。由附图1中曲线3所示，此频率响应曲线落在不同的频段内，各频段对应不同的权重系数。为了量化评估不同光伏渗透下系统频率的稳定性，本发明构造了改进暂态频率稳定裕度指标为：
当指标η>0时，表示暂态频率属于稳定范围，η越接近1时表明系统暂态频率越稳定，η＝1时表示系统未遭受扰动，频率不发生偏移；η＝0为临界稳定状态；η<0时，暂态频率不稳定，η越小，暂态频率稳定性越差。
本发明提出的改进指标考虑了处于正常波动范围内的频率偏移量，即式中的第一个积分(频率开始跌落但未触及第一个二元表)和最后一个积分。已有研究均认为这部分频率波动不需要考虑，但在频率跌落的初期，由于发电机的调频响应会滞后，得依靠系统总的转动惯量来进行频率调整。对于含不同光伏占比的系统而言，它们之间的转动惯量具有很大的差异，因此计及这部分跌落值更能准确地量化评估不同光伏占比对暂态频率稳定性的影响。图3中的曲线1和曲线2表示遭受相同的扰动后，含不同光伏占比系统的暂态频率响应曲线。若已有研究中暂态频率稳定裕度指标进行量化评估，曲线1和曲线2代表的暂态频率都为1，但实际上曲线1的暂态频率比曲线2的暂态频率稳定性高。同时，为了反映系统中频率恢复过程中偏移幅度小但持续时间长的情况，本发明构造了式子的最后一个积分。
根据电力系统安全稳定运行导则的要求，在紧急情况下，系统频率低于49.5Hz的持续时间不得超过10分钟。考虑到本文中低频减载的首轮动作值为49Hz，延时0.2s。而系统频率一旦跌落至48Hz时，光伏机组启动瞬时切机保护。因此按频率稳定安全运行要求和本发明重点关注的频率控制措施可以将暂态频率响应曲线划分49.5～50Hz，49～49.5Hz，48～49以及48Hz以下4个区间。分别赋予权重K0、K1、K2、K3。权重系数的求取关键在于确定每个区间范围的临界稳定状态，使得当频率不满足某一具体要求时指标结果大于1，并且可以区分不同频段范围内的频率偏移。对于频率偏移量很小的频段，其临界稳定情况为频率跌至首个二元表频率阈值(fcr.1)的时间正好为最大持续时间(Tcr.1)。因此结合频率的累积效应，该频段的权重系数计算公式为：
其它频段的权重系数计算方法与已有研究中计算方法相同，因此不再论述。需要注意光伏机组的低频保护，即频率一旦跌落至48Hz时，光伏机组便启动瞬时切机保护。用二元表判据表示即为(48，0)，采用上述方法无法获得落于48Hz以下频段的频率权重系数。考虑落在该区间的频率属于严重跌落范围，为明显区分频率跌落至48Hz以下与未跌落至48Hz的频率响应曲线的稳定裕度指标。本文K3取100。该数值可根据不同系统的情况进行调整。因此，本发明各频段以及对应的权重系数如表1所示。
表1各频段划分及权重系数计算
综上所述，可知本发明采用的暂态频率稳定裕度指标为：
实施例
利用DIgSILENT\PowerFactory仿真软件基于IEEE39节点算例系统构建含不同光伏渗透率的系统。附图2为IEEE39节点系统图。通过系统中母线27处发生10％的负荷突增仿真工况验证所述方法的正确性和有效性。仿真共设置5个场景，如表6所示。
不同渗透率下被替换的同步机组和进行替换的光伏机组以及系统等值参数如表2所示，系统中各同步发电机的参数见表3，各光伏发电系统等值机的参数见表4。采用低频减载如表5所示
表2不同渗透率下被替换的同步机组和进行替换的光伏机组以及系统等值参数
表3同步发电机参数
表4光伏发电站参数
表5低频减载方案
表6负荷突增10％的仿真场景
附图3为系统的暂态频率响应图。从表2可以看出，随着渗透率的提高，系统惯性时间常数不断减少、调频能力变弱。如图3的场景1、2、3所示暂态频率下降速率变快、跌落深度加大。由于光伏机组不能像火力发电机组一样对电网提供无功支撑，系统中无功电源不足，随着渗透率进一步增大，整体电压水平下降。系统遭受同等负荷扰动时，不具有低电压穿越能力的光伏机组会因低电压保护发生脱网事故，如图3中场景4所示。这会加大系统的功率缺额，导致系统频率进一步下降触发低频减载保护动作，造成停电事故。从图3场景5的频率响应曲线可以看出当系统中光伏机组配备低电压穿越能力后，光伏发电机组能保证并网运行，不发生连锁故障，很大程度上改善了系统暂态频率稳定性。场景5中光伏机组虽然具有高低电压穿越能力，但系统转动惯量、一次调频能力仍比场景1、2、3差的，因此系统频率跌落深度、跌落速度仍大于前三个场景。
表7不同场景下系统暂态频率稳定裕度指标
注：表中(×)表明不符合实际。
表7为不同场景下系统暂态频率稳定裕度指标。从表7的裕度指标可知，场景1对应的暂态频率稳定性最好，最次的是场景4。由于场景2光伏渗透率很低，系统惯性时间常数、旋转备用容量均略低于场景1，在遭受较小的负荷扰动时，频率响应相差不大。若仅仅观察频率响应曲线，难以区分。但根据本发明的改进暂态频率稳定裕度指标可以量化得到它们的差异，如表7所示，场景2比场景1稳定性下降了0.03％。场景1、2、3、5的暂态频率偏移量较小，均处于可接受的波动范围内，若采用已有研究提出的稳定裕度指标评价这四种场景时，场景1、2、3、5的暂态频率稳定裕度值均为1，表明系统中不存在偏移现象，明显与实际不符合。而本发明提出的改进暂态频率稳定裕度指标值均大于0，但仍都小于1，表明系统频率处于可接受范围但出现偏移现象。并且随着渗透率的提高，频率稳定裕度指标越来越小，量化得出系统频率偏移程度，准确评估频率稳定下降情况。场景4暂态频率不稳定，对应的改进指标为负值。因此本发明提出的改进暂态频率稳定裕度指标提高了不同光伏占比下系统暂态频率稳定量化评估的准确性。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
A.由频率偏移门槛值fcr.1、fcr.2、……、fcr.n和最大可持续时间确定系统的多二元表判据；
B.将系统频率响应曲线可能达到的频率范围分为(fN,fcr.1)、(fcr.1,fcr.2)、…、(fcr.n,-∞)多个频带并且分配不同的权重系数，Ki为频率落在第i个频率所对应的权重系数，即K0、K1…Kn分别为频率落在(fN,fcr.1)、(fcr.1,fcr.2)…(fcr.n,-∞)频段的权重系数；
C.构建适用于该系统的暂态频率稳定裕度指标η为
式中t0为系统遭受扰动后频率跌落的初始时刻，ti ’为频率下降过程中低于fcr.i的时刻，ti”为频率恢复过程中高于fcr.i的时刻，tN为频率恢复至fN或仿真结束的时刻。
2.根据权利要求1所述含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，其特征在于，所述步骤A中多二元表判据由系统的频率安全运行要求以及系统中配置的频率保护控制措施所确定，包含多个频率跌落门槛值及其对应的频率可接受持续时间。
3.根据权利要求1所述含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，其特征在于，所述步骤B中各频带由系统多二元判据的频率跌落门槛值来划分；各频段所对应的权重系数求取关键在于确定每个区间范围的临界稳定状态，根据频率对时间的累积公式求得：当系统处于临界稳定状态时，该区间所对应权重系数乘以该区间频率跌落门槛值对时间的累积公式为1；频率跌落越浅，其最大可接受持续时间越长，对应的权重系数就相对较小，反之，频率跌落越深，对应的权重系数相对较大；针对系统中配置的无延时切机保护，该方法采用直接赋值的方式，显著区分频率的不同跌落程度，量化系统暂态频率稳定性。
4.根据权利要求1所述含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，其特征在于，所述步骤C中暂态频率稳定裕度指标计及频率响应曲线所能达到的各频段内的频率偏移量；当指标大于0时，表示暂态频率属于稳定范围，指标越接近1时表明系统暂态频率越稳定，指标等于1时表示系统未遭受扰动，频率不发生偏移；指标等于0为临界稳定状态；指标小于0时，暂态频率不稳定，指标越小，暂态频率稳定性越差；进而实现从时间和频率的两个尺度，量化频率跌落程度，区别不同跌落深度。
5.根据权利要求1所述含不同光伏占比系统的暂态频率稳定性量化评估方法，其特征在于，根据电力系统安全稳定运行导则的要求，在紧急情况下，系统频率低于49.5Hz的持续时间不得超过10分钟；低频减载的首轮动作值为49Hz，延时0.2s；系统频率一旦跌落至48Hz时，光伏机组启动瞬时切机保护，按将暂态频率响应曲线划分49.5～50Hz，49～49.5Hz，48～49以及48Hz以下4个区间，分别赋予权重K0、K1、K2、K3；并结合频率的累积效应，权重系数计算公式为
式中Tcr.1为首个二元表频率阈值对应的最大持续时间；
经计算K0为0.0033、K1为0.0033、K2为5、K3为100；
结合系统频率安全运行要求和光伏机组保护措施细化了各频段的权重系数，给出系统允许波动频段(49.5～50.5Hz)和无延时切机保护对应频段(＜48Hz)的权重系数，适用于含不同并网保护措施的光伏系统暂态频率稳定性评估；并且改进的暂态频率稳定裕度指标计及±0.5Hz范围内的频率偏移量，不仅能定量评估频率偏移量小的低光伏占比系统暂态频率稳定性，还能区分偏移量小持续时间长和偏移量大持续时间短的频率响应，提高了不同光伏占比下暂态频率稳定性评估的准确性。
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