CN114301101A - 一种风光储电站虚拟惯量和一次调频系数的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光储电站虚拟惯量与一次调频系数的评估方法，首先基于PMU的量测数据获取风光储电站并网点的频率和有功功率，将采集到的频率和有功功率采用滑动平均的算法进行滤波；接着，由频率的偏差值和频率变化率判断是否进入评估，记录有功功率值和频率值；根据进入评估时刻的有功功率值和频率值，求取评估时段内实测有功与进入评估时刻有功的差值和实测频率与进入评估时刻频率的差值；根据差值计算结果，采用基于滑动数据窗的最小二乘拟合方法计算风光储电站的虚拟惯量和一次调频系数，所需的量为风光储电站并网点扰动后的有功功率和频率。

Description

一种风光储电站虚拟惯量和一次调频系数的评估方法

技术领域

本发明属于新能源电力系统技术领域，具体涉及一种风光储电站虚拟惯量和一次调频系数的评估方法。

背景技术

在我国加快能源转型并提出“双碳”目标的背景下，电力系统中风光等新能源电源开机比例提高，弃风、弃光比例逐年下降。风电、光伏电源受环境因素的影响，出力存在波动性，影响系统有功功率平衡，进而影响系统的频率稳定。同时，传统火电机组的关停以及大量新能源电源取代传统火电机组并入电网，导致电网的惯量和一次调频能力下降，维持系统频率稳定的能力降低。相关文献指出，大量基于换流器并网的新能源电源取代同步机接入电网，将使得系统惯量水平的降低，从而使系统稳态运行时频率波动幅度更大。系统的总惯量体现了系统在出现功率不平衡时抑制频率变化的能力，与电网出现有功缺额时电网频率变化等指标密切相关。系统一次调频能力反映了在出现频率偏差时，系统调整功率输出降低频率偏差的能力。

在高比例新能源接入电网的背景下，为了降低风光波动性对电网的影响，提升风光发电调节能力，将储能装置与风电、光伏相结合，建设风光储电站成为风光的重要开发利用形式。风光储电站一方面利用储能装置的功率调节能力消除风电、光伏输出功率的波动性，另一方面基于换流器控制策略的灵活性，可向电网提供主动的频率支撑。然而，风光储电站受环境因素和运行工况的影响，其频率调节能力在时间尺度上会发生变化，因此评估风光储电站的调频能力，对研究系统的频率动态特性、指导新能源并网具有重要意义。

评估系统调频能力，不仅要确定现存传统具备旋转刚体机组的惯性时间常数，也要确定新能源电源在扰动事件中体现的频率支撑能力，即确定新能源电源的虚拟惯量，一次调频能力。系统发生功率扰动后，当频率越过新能源电源的频率控制门槛值，新能源电源的控制策略响应频率变化，调整输出有功功率。近年来，随着PMU(同步相量测量单元)在电网中的大量装备，能够容易的获取系统运行状态，已有大量文献基于PMU测得的扰动后数据对系统整体和区域惯量进行了评估研究，但是在大量新能源电源接入的背景下，鲜有评估风光储电站的惯量和一次调频能力的研究。

发明目的

本发明的目的即在于解决现有技术所面临的难题，提出一种风光储电站虚拟惯量和一次调频系数的评估方法，获取风光储电站并网点的频率、频率变化率和有功功率数据，将频率和有功功率采用滑动平均的算法进行滤波；由频率的偏差值和频率变化率获取进入评估时刻的有功功率值和频率值；根据进入评估时刻的有功功率值和频率值，求取评估时段内实测有功相对进入评估时刻有功的差值和实测频率相对进入评估时刻频率的差值；根据差值计算结果，采用基于滑动数据窗的最小二乘拟合方法计算风光储电站的虚拟惯量和一次调频系数，所需的量为风光储电站并网点扰动后的有功功率和频率。

发明内容

本发明提出了一种风光储电站虚拟惯量和一次调频系数的评估方法，包括以下步骤：

步骤1：获取风光储电站并网点的频率、频率变化率和有功功率，将所述风光储电站并网点的频率和有功功率采用滑动平均的算法进行滤波；

步骤2：由所述频率变化率和频率的偏差值，获取进入评估时刻的有功功率值和频率值；

步骤3：根据进入评估时刻的有功功率值和频率值，求取评估时段内实测有功功率值相对进入评估时刻有功功率值的差值和实测频率相对进入评估时刻频率的差值；

步骤4：根据步骤3中所获得的差值计算结果，测量风光储电站并网点的有功功率变化和频率变化，对风光储电站进行虚拟惯量和一次调频评估。

优选地，步骤1中基于PMU的量测数据获取风光储电站并网点的频率、频率变化率和有功功率，采用滑动平均算法对风光储电站并网点的有功功率和频率数据进行滤波，以消除PMU测量频带内的噪声的影响，其表达式如式(1) 所示：

式中：P为风光储电站并网点的有功功率，f为风光储电站并网点的频率， f(i)为第i时刻并网点频率值，f(i)’为第i时刻并网点频率的滑动平均值，P(i)为第 i时刻并网点有功功率值，P(i)’为第i时刻并网点有功功率的滑动平均值。

优选地，步骤2中，计算风光储并网点的实测频率与标准频率50Hz的差值，根据频率差值和PMU量测的频率变化率判断是否进行虚拟惯量与一次调频评估，并获取进入评估时刻的有功功率值和频率值。

优选地，步骤3可表示为如式(2)所示：

式中：ΔP为风光储电站并网点的有功功率变化量，Δf为风光储电站并网点的频率变化量，f(i)为第i时刻并网点频率值，f(0)为进入评估时刻并网点频率值， P(i)为第i时刻并网点有功功率值，P(0)为进入评估时刻并网点有功功率值。

所述风光储电站并网点的有功功率变化量与频率偏差和频率变化率关系如式(3)所示：

式中，2H为风光储电站虚拟惯性时间常数，K为风光储电站一次调频系数，Δf为风光储电站并网点频率偏差，ΔP为风光储有功功率变化量；

所述风光储电站并网点有功功率变化量和频率变化率与系统惯量的关系下式所示：

其中，2H为风光储电站虚拟惯性时间常数，

为风光储电站并网点频率变化率，Δf为风光储电站并网点频率偏差，ΔP为风光储虚拟惯量控制有功变化量；

所述风光储电站并网点有功功率变化量量和频率偏差与一次调频系数的关系如下式所示：

ΔP＝-KΔf，

其中，K为风光储电站一次调频系数，Δf为风光储电站并网点频率偏差，ΔP 为风光储一次调频控制有功变化量。

优选地，步骤4中，对于一系列有功增量ΔP(i)、频率变化率

和频率偏差Δf(i)，建立目标函数I如式(4)所示：

式中，n为用于拟合的数据组数，其大小也为滑动数据窗长，i＝1，1，2……n；

当I最小时，所求出的H和K拟合效果最佳，从而转化为求二元函数I(H，K) 的极小值点；所述二元函数I(H，K)的极值必要条件满足式(5)所示方程：

求解即得出虚拟惯量系数H和一次调频系数K。

优选地，风光储电站虚拟惯量系数和一次调频系数的计算公式表示为如式 (6)所示：

附图说明

图1为本发明实现流程图；

图2为实施例中频率图；

图3为实施例中有功功率图。

图4为实施例中虚拟惯量评估结果。

图5为实施例中一次调频评估结果。

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。

如图1所示，为本发明的实现流程。所述方法具体步骤如下：

步骤1：获取风光储电站并网点的频率、频率变化率和有功功率数据，将频率和有功功率采用滑动平均的算法进行滤波。

基于PMU的量测数据获取风光储电站并网点的频率、频率变化率和有功功率，采用滑动平均算法对风光储电站并网点的有功功率和频率数据进行滤波，以消除PMU测量频带内的噪声的影响，其表达式：

式中：P为风光储电站并网点的有功功率，f为风光储电站并网点的频率， f(i)为第i时刻并网点频率值，f(i)’为第i时刻并网点频率的滑动平均值，P(i)为第 i时刻并网点有功功率值，P(i)’为第i时刻并网点有功功率的滑动平均值。

步骤2：由频率变化率和频率的偏差值，获取进入评估时刻的有功功率值和频率值。

实际风光储电站运行过程中，为了避免风光储频繁响应系统频率变化以致影响寿命，通常针对虚拟惯量控制和一次调频控制均会设置死区。当并网点频率变化率和频率偏差超过相应的死区时，风光储才会响应频率变化，参与虚拟惯量和一次调频控制。

步骤3：根据进入评估时刻的有功功率值和频率值，求取评估时段内实测有功相对进入评估时刻有功的差值和实测频率相对进入评估时刻频率的差值，表示为如式(2)所示：

式中：ΔP为风光储电站并网点的有功功率变化量，Δf为风光储电站并网点的频率变化量，f(i)为第i时刻并网点频率值，f(0)为进入评估时刻并网点频率值， P(i)为第i时刻并网点有功功率值，P(0)为进入评估时刻并网点有功功率值。

步骤4：根据差值计算结果，测量风光储电站并网点的有功功率变化和频率变化，对风光储电站进行虚拟惯量和一次调频评估。

当系统发生扰动，出现功率不平衡时，并网点频率将发生变化。当并网点频率和频率变化率达到触发风光储电站虚拟惯量和一次调频功能的限值时，风光储电站将根据频率调节有功功率输出以支撑电网频率稳定，有功功率调节量满足如式(3)所示关系：

式中，2H为风光储电站虚拟惯性时间常数，K为风光储电站一次调频系数，Δf为风光储电站并网点频率偏差，ΔP为风光储有功变化量。

由于并网点实测有功是虚拟惯量控制和一次调频控制增发功率的总和，难以同时对虚拟惯量系数H和一次调频系数K进行计算。本发明采用一种基于滑动数据窗最小二乘拟合的方法对风光储虚拟惯量系数H和一次调频系数K进行计算。对于一系列有功增量ΔP(i)、频率变化率

和频率偏差Δf(i)，建立如下目标函数I：

式中，n为用于拟合的数据组数，其大小也为滑动数据窗长，i＝1，1，2……n。

当I最小时，说明所求出的H和K拟合效果最佳。因此转化为求二元函数I(H，K)的极小值点的问题。由多元函数极值的必要条件，有：

求解此方程组即可解出虚拟惯量系数2H和一次调频系数K。因此风光储电站虚拟惯量和一次调频评估需要的量为风光储电站并网点的有功功率、频率变化率和频率偏差。最终得到风光储电站虚拟惯量系数和一次调频系数的计算公式如下：

由上式可以看到，本发明通过求解方程组，即可获得风光储电站的虚拟惯量系数和一次调频系数，通过调整滑动数据窗的窗长n可以实现不同时间尺度的评估。

下面通过一个具体实例来对本发明所述方法进行说明。如图1所示，为并网点虚拟惯量与一次调频评估算法流程图。如图2、3所示，为经过滤波后并网点的频率和有功功率，对并网点进行虚拟惯量评估和一次调频评估的步骤如下：

1.由频率变化率和频率的偏差值，获取进入评估时刻的有功功率值和频率值。

2.根据进入评估时刻的有功功率值和频率值，求取评估时段内实测有功相对进入评估时刻有功的差值和实测频率相对进入评估时刻频率的差值。

3.根据差值计算结果，测量风光储电站并网点的有功功率变化和频率变化，对风光储电站进行虚拟惯量和一次调频评估。

由图4、5可以看到，利用本发明提出的方法，对风光储的虚拟惯量和一次调频的评估结果均接近其控制的设定值，可以证明本发明能较为准确地计算得到风光储电站的虚拟惯性时间常数和一次调频系数，对风光储的调频能力有一个更加精确的描述。

由实施例可知，本发明所提方法能对风光储的调频能力进行合理的估计。根据并网点采集的频率和有功功率数据，不需要辨识扰动功率大小，评估过程采用基于滑动数据窗的最小二乘拟合方法，即可对风光储电站的虚拟惯量系数和一次调频系数进行评估。

本发明的有益效果：

本发明所提出的一种风光储电站虚拟惯量与一次调频系数的评估方法，能够基于PMU在风光储电站并网点的量测数据，在滤波的基础上，从理论上确定风光储电站虚拟惯量系数和一次调频系数，利用扰动后的数据对风光储电站虚拟惯量和一次调频能力进行评估。对于确定新能源电源的惯量一次调频水平和研究新能源电力系统频率特性具有重要意义。

Claims (7)

1.一种风光储电站虚拟惯量和一次调频系数的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取风光储电站并网点的频率、频率变化率和有功功率，将所述风光储电站并网点的频率和有功功率采用滑动平均的算法进行滤波；

步骤2：由所述频率变化率和频率的偏差值，获取进入评估时刻的有功功率值和频率值；

步骤3：根据进入评估时刻的有功功率值和频率值，求取评估时段内实测有功功率值相对进入评估时刻有功功率值的差值和实测频率相对进入评估时刻频率的差值；

步骤4：根据步骤3中所获得的差值计算结果，测量风光储电站并网点的有功功率变化和频率变化，对风光储电站进行虚拟惯量和一次调频评估。

2.根据权利要求要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤1中基于PMU的量测数据获取风光储电站并网点的频率、频率变化率和有功功率，采用滑动平均算法对风光储电站并网点的有功功率和频率数据进行滤波，以消除PMU测量频带内的噪声的影响，其表达式如式(1)所示：

式中：P为风光储电站并网点的有功功率，f为风光储电站并网点的频率，f(i)为第i时刻并网点频率值，f(i)′为第i时刻并网点频率的滑动平均值，P(i)为第i时刻并网点有功功率值，P(i)′为第j时刻并网点有功功率的滑动平均值。

3.根据权利要求要求2所述的评估方法，其特征在于，步骤2中，计算风光储并网点的实测频率与标准频率50Hz的差值，根据频率差值和PMU量测的频率变化率判断是否进行虚拟惯量与一次调频评估，并获取进入评估时刻的有功功率值和频率值。

4.根据权利要求要求3所述的评估方法，其特征在于，步骤3可表示为如式(2)所示：

式中：ΔP为风光储电站并网点的有功功率变化量，Δf为风光储电站并网点的频率变化量，f(i)为第i时刻并网点频率值，f(O)为进入评估时刻并网点频率值，P(i)为第i时刻并网点有功功率值，P(O)为进入评估时刻并网点有功功率值。

5.根据权利要求要求4所述的评估方法，其特征在于，步骤3中，所述风光储电站并网点的有功功率变化量与频率偏差和频率变化率关系如式(3)所示：

式中，2H为风光储电站虚拟惯性时间常数，K为风光储电站一次调频系数，Δf为风光储电站并网点频率偏差，ΔP为风光储有功功率变化量；

所述风光储电站并网点有功功率变化量和频率变化率与系统惯量的关系下式所示：

其中，2H为风光储电站虚拟惯性时间常数，

为风光储电站并网点频率变化率，Δf为风光储电站并网点频率偏差，ΔP为风光储虚拟惯量控制有功变化量；

所述风光储电站并网点有功功率变化量量和频率偏差与一次调频系数的关系如下式所示：

ΔP＝-KΔf，

其中，K为风光储电站一次调频系数，Δf为风光储电站并网点频率偏差，ΔP为风光储一次调频控制有功变化量。

6.根据权利要求要求5所述的评估方法，其特征在于，步骤4中，对于一系列有功增量ΔP(i)、频率变化率

和顿率偏差Δf(i)，建立目标函数I如式(4)所示：

式中，n为用于拟合的数据组数，其大小也为滑动数据窗长，i＝1，1，2......n；

当I最小时，所求出的H和K拟合效果最佳，从而转化为求二元函数I(H，K)的极小值点；所述二元函数I(H，K)的极值必要条件满足式(5)所示方程：

求解即得出虚拟惯量系数H和一次调频系数K。

7.根据权利要求要求6所述的评估方法，其特征在于，所述风光储电站虚拟惯量系数和一次调频系数的计算公式进一步表示为如式(6)所示：

Images