CN114565229B - 电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法。所述电力系统的转动惯量包括发电机和电动机及其拖动的转动机械的惯量，电源侧常规同步发电机、新能源机组和负荷侧带负载电动机均可为系统提供惯量支撑。本发明以调度快速掌握系统实时转动惯量为出发点，在调度实时掌握当前运行方式机组类型、投入与否、出力、负荷等数据的基础上，利用统计法统计源、荷侧在线机组惯量。以此为线索，从物理构成要素出发，提出了系统整体转动惯量为发电侧发电机与负荷侧电动机惯量之和的物理概念，在理论计算源、荷侧惯量的基础上，推导出一种用统计法累加源、荷侧惯量的系统整体转动惯量在线实用化估计方法。

Description

电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行状态量化评估领域，尤其涉及一种高比例新能源接入和大规模交直流电网结构下的电力系统转动惯量计算评估方法。

背景技术

我国经济正从高速发展转向高质量发展。在能源领域，随着能源生产和消费革命持续推进，生产侧清洁化和消费侧电气化成为当前我国能源体系重要的趋势和特点。2019年国家电网公司提出到2050年我国能源清洁化率达到50％和终端电气化率达到50％的双50％目标，将使我国已形成的世界上规模最大的交直流互联电网动态特性更加复杂、安全稳定运行风险加大。客观上对新形势下电力系统状态，特别是更具时效的转动惯量感知方法、更加精准的转动惯量计算技术和更加可靠的分析评估手段提出更高要求。

一个准确快速的系统惯量在线评估方法是在调控运行中时刻监视系统具有惯量水平的核心内容。关于惯量计算方法，文献均以发生切机扰动为计算前提。文献从模拟电网事故Contingencies角度出发，用扰动法将事故后功率和频率差额带入公式计算转动惯量。然而扰动法存在2个问题：1)只能计算切机事件当时的转动惯量，无法计算正常运行方式的转动惯量；2)需人工设置、整理计算数据，过程繁琐、费时，不满足在线计算需求。

电力系统的转动惯量包括发电机和电动机及其拖动的转动机械的惯量。电源侧常规同步发电机、新能源机组和负荷侧带负载电动机均可为系统提供惯量支撑。以调度快速掌握系统实时转动惯量为出发点，在调度实时掌握当前运行方式机组类型、投入与否、出力、负荷等数据的基础上，利用统计法统计源、荷侧在线机组惯量。以此为线索，从物理构成要素出发，首先提出了系统整体转动惯量为发电侧发电机与负荷侧电动机惯量之和的物理概念。在理论计算源、荷侧惯量的基础上，推导出一种用统计法累加源、荷侧惯量的系统整体转动惯量在线实用化估计方法。

发明内容

本发明针对上述问题，在理论计算源、荷侧惯量的基础上，推导出一种用统计累加源、荷侧惯量的系统整体转动惯量在线实用化估计方法，所提算法可在计划层面对转动惯量进行摸底研究，在运行层面为实时控制策略提供参考，可复制推广性强。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法，其包括：

S1：定义电力系统转动惯量为电源侧常规同步发电机、非同步发电机和负荷侧带负载电动机的转动惯量和；

S2：获取发电机铭牌参数，计算同步发电机单机的转动惯量J_m，其计算公式为：

式中，H_m为国际通用转动惯量时间常数，S_s为系统容量基准值，f₀为系统频率基准值；

S3：计算所有并网发电机的转动惯量和J_sm，其计算公式为：

式中，H₁、H₂、H₃…H_N为发电侧单台同步发电机转动惯量有名值；

S4：计算非同步发电机的转动惯量J_asm，其计算公式为：

J_asm＝K×P_asmp

式中，P_asmp为非同步发电机出力，K为区域电网非同步发电机的“转动惯量/额定功率”经验拟合系数；

S5：计算负荷侧带负载电动机的转动惯量J_pl，其计算公式为：

J_pl＝(g+1)J_mm

式中，g为电动机惯量比，J_mm为电动机自身转动惯量；

S6：计算电力系统转动惯量J_s，其计算公式为：

优选方式下，所述非同步发电机出力P_asmp的计算公式为：

P_asmp＝P_sum×α

式中，P_sum为某一运行方式下的系统总有功出力，α为某一运行方式下系统新能源出力占比。

优选方式下，负荷侧带负载电动机的转动惯量J_pl包括电动机自身转动惯量J_mm以及负载折算在电机转子轴上的转动惯量J_lm；

所述电动机惯量比g的计算公式为：

本发明的有益效果为：本发明所提算法计算得到的转动惯量可有效评估高比例新能源接入下的电网安全水平，即对电网频率调节能力的量化评估；该结果可指导电力系统电源结构比例，可为新能源接入比例的边界控制提供量化依据。

附图说明

图1为本发明的电力系统转动惯量各组成部分示意图。

具体实施方式

理论分析与公式推导：

1、转动惯量的具体组成

转动惯量物理意义是刚体绕轴旋转时惯性的量度，发电机转动惯量是描述发电机或等效发电机所产生的惯性。

发电机单台机的惯性时间常数/标幺值、国际通用转动惯量时间常数/>/标幺值与发电机转动惯量J_m的关系为

实际中，一般用H表示T，二者关系为。

S_m为发电机额定容量，单位MVA；S_s为系统基准值，单位MVA，单位为s，J_m单位为kg.m²。

S_m为单机容量，单位MVA，H_m是发电机惯性时间常数的有名值，单位MW.s。由ω＝2πf得到：

由公式(5)得：

若假设系统S_s为100MVA，100MVA换算成与J_m单位kg.m²对应的数量级是105kW，假设f₀为50Hz，则由式(1)可知，J_m约等于H_m：

根据集总参数电路理论^[2]，可将N个电机组成的系统等效成一个电机模型，此时系统总转动惯量由式(4)单机转动惯量转变为：

ΔP_r为电网发生扰动的瞬间功率变化，其可以是缺额，也可是盈余，J_r为扰动发生的瞬间系统总转动惯量，式(7)即为已知功率变化量和频率变化率后计算系统整体转动惯量的“扰动法”基本原理。

在考虑发电侧的非同步发电机如新能源、储能设备等发电设备转动惯量前提下，电力系统整体转动惯量由发电侧同步发电机、非同步发电机和恒功率负荷组成。

J_t＝J_g+J_l＝J_sm+J_asm+J_pl (8)

式中，J_t为统计法计算出的系统整体转动惯量，J_g为发电侧转动惯量，J_l为负荷侧转动惯量，J_sm为同步发电机转动惯量，J_asm为非同步发电机转动惯量，J_pl为负荷侧恒功率负荷转动惯量。式(8)即为已知发电侧在线发电机参数和负荷侧在线电动机参数后统计计算出的系统整体转动惯量“统计法”基本原理。

根据式(5)(6)(7)，扰动法计算得到的系统整体转动惯量应等于统计计算出的发电侧与负荷可提供的转动惯量之和，即：

J_r＝J_t (9)

2、源侧同步发电机惯量的计算方法

在已知发电机铭牌参数后，首先计算发电机单机转动惯量，将所有并网发电机的转动惯量累加，获得发电侧的转动惯量。利用集总参数电路理论，得：

式中H₁、H₂、H₃…H_N为发电侧单台同步发电机转动惯量有名值。

由于国内目前只对同步发电机有强制甩负荷试验规定，进而给出惯性时间常数，因此式(10)仅能统计累加给定方式下在线同步发电机转动惯量。

3、非同步发电机惯量估计

目前，有若干惯量存在于系统中无法直接计算。如新能源机组，其并网逆变器本身属于不具备转动惯量的静止元件。虚拟同步机可以使并网逆变器具有类似于同步发电机的外特性，从而使逆变器参与调频调节并为电力系统增加虚拟惯量。但虚拟同步机技术存在2个问题：1)注重惯量模拟的控制回路，忽略了惯量模拟的能量来源与时候恢复；2)能够参与调频的逆变器许配备足够的储能。由于定向研究的某区域电网实际投运的虚拟同步机技术和储能设备较少，因此无法直接利用虚拟同步机技术计算新能源机组客观存在的转动惯量。

由文献可知，非同步发电机的虚拟同步机模型中转子运动方程中转动惯量与虚拟同步机输出有功功率正相关，因此区域电网在线非同步发电机总转动惯量J_asm与其额定功率P_asme正相关。根据“最大功率点跟踪”即Maximum Power Point Tracking原理，为了追求经济效益，目前普遍存在风电和光伏为代表的新能源发电机组并网即满发的现象，即

P_asme＝P_asmp (11)

式中P_asme为非同步发电机额定功率，P_asmp为非同步发电机出力，假设系统中非同步发电机出力占比为α，则有

P_asme＝P_asmp＝P_sum×α (12)

P_sum为某一运行方式下，系统总有功出力。α为某一运行方式下系统新能源出力占比。可将区域电网的J_asm与其额定功率P_asme的正相关性简化成倍数关系，即设定一个系数K，由式(8)(9)得：

J_asm＝K×P_sum×α＝J_t-J_sm-J_pl (13)

K为区域电网非同步发电机的“转动惯量/额定功率”经验拟合系数。在给定运行方式下，K可以通过扰动法得到的J_t与J_sm和J_pl之差后计算求得。即可通过大量计算J_sum和同方式下的J_sm、J_pl和P_asm，将K利用历史数据拟合的方式估计出来,得出某区域电网的K值。

4、荷侧电动机惯量的计算方法

负荷是系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和，是所有用户的负荷总加。电力系统综合负荷模型具有区域性和时间性，在没有精确综合负荷模型的情况下，典型区域电网一般按50％恒功率+50％恒阻抗经验值计算。

恒功率负荷模型可以简化成一个电动机带负载。电动机自身转动惯量为J_mm，负载折算在电机转子轴上的转动惯量为J_lm，电动机与负载整体转动惯量为J_pl，3者关系为：

J_pl＝J_mm+J_lm (14)

J_pl与J_mm的比例为电动机惯量比g，单位100％，计算公式为：

进而得恒功率负荷的转动惯量为：

在电机系统选型时，一般要求惯量比g在3-20之间^[8][9][10]。未来需要对负荷侧进行精确建模和实时分类分析，获取动态的、实时的恒功率恒阻抗模型。

5、快速实用化估计方法

若假设f₀为50Hz、S为100MVA，根据式(8)(9)(13)(16)得：

给定运行方式下，扰动法求解J_r时容易受到实际扰动发生次数和仿真软件限制。如图1所示，而快速实用化估计方法求解J_sm、J_asm和J_pl不受外界条件限制，过程简单、快速。因此可采取快速计算系统整体转动惯量J_s的方式替代扰动法求解J_t：

J_s＝J_r＝J_t (18)

式(17)为电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法。

具体实施例：

1、仿真计算拟合求取K

以2019-2020年某区域电网实际数据为基础进行仿真计算，计算转动惯量。

设定1％～10％，每档递增1％的10个新能源占比级别，每个级别配比2019-2020年该区域电网的冬大、冬小、夏大、夏小等10个运行方式，共100个运行方式。用扰动法模拟切除某1000MW级最大转动惯量单台发电机，将电力系统分析综合程序PSASP即Power SystemAnalysis Software Package，仿真得到系统频率变化曲线数据导入Matlab程序，计算J_r。同时，分别将所有并网的同步发电机厂家给定的甩负荷试验得到的值计算出J_sm。进而对未知参数进行拟合。

每个新能源占比对应的10个运行方式的负荷、J_sm、J_pl、J_t及K的平均值，如表1所示为100个运行方式的转动惯量及相关参数，其中每10个为一组求平均值。求得J_t值后，根据式(16)，拟合计算出了K，表中100个方式K的平均经验值为2.303。

编号	占比(％)	负荷平均值(MW)	Jsm平均值(MW.s)	Jpl平均值(MW.s)	Jt平均值(MW.s)	K平均值
							1	1	63723.35	489787.6	254893.4	744963.02	2.01
2	2	51149.79	382966.4	204599.16	589614.48	2.88
							3	3	62003.25	465895.5	248013	719074.61	2.53
4	4	70787	519973.4	283148	810081.75	2.32
							5	5	63523.35	469269.9	254093.4	729570.39	1.94
6	6	59299.89	431544.7	237199.56	677306.64	2.29
							7	7	58355.33	422511.4	233421.32	664840.26	2.09
8	8	55313.85	381974.7	221255.4	613802.68	2.11
							9	9	63520.24	445857	254080.96	715737.66	2.47
10	10	58272	385706.81	233088	642857.11	2.39

2、国内电网仿真算例验证

2019年11月某日，国内某区域电网发生了大容量发电机脱网事件。该机脱网时出力1126MW，造成电网频率由50.05Hz下降至49.90Hz。故障时该全网发电功率6221万千瓦，火电占比69％，新能源占比21％，核电占比9.2％，负荷约58322MW，其不算厂用负荷。故障发生后2秒内df/dt约0.03478Hz/s。扰动法计算得转动惯量J_r为809373MW.s。

2020年7月某日，国内某区域电网再次发生大型单台发电机跳闸事件。该机脱网前出力1031MW。故障时总功率59890.70MW，同步发电机出力55548MW，新能源占比7.25％，负荷约56538MW。电网频率从49.96Hz下降至49.88Hz。故障发生后2秒内df/dt约0.0325Hz/s。扰动法计算得转动惯量J_r为793076MW.s。

将2次事件中实测数据带入式(10)求得J_t，将仿真计算求得的K平均值2.303代入式(17)求J_s，通过对比J_t和J_s，对快速实用化算法进行验证，如表2所示为2019年和2020年系统发生故障时的系统转动惯量及相关参数。2次事故J_s与J_t误差在-0.084％～0.056％之间，误差很小。

2019、2020年故障中，用扰动法计算J_r值后，根据式(17)，计算出了K分别为2.36和2.20，与仿真中计算得到的K值(2.303)相差2.48％和-4.47％，均在±5％之内，证明仿真结果较为准确，式(17)(18)可对该区域转动惯量进行快速、准确的在线计算。

本发明使用的技术术语：

转动惯量：转动惯量是刚体绕轴旋转时惯性的量度，发电机转动惯量是描述发电机或等效发电机所产生的惯性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法，其特征在于，其包括：

S1：定义电力系统转动惯量为电源侧常规同步发电机、非同步发电机和负荷侧带负载电动机的转动惯量和；

S2：获取发电机铭牌参数，计算同步发电机单机的转动惯量J_m，其计算公式为：

式中，H_m为国际通用转动惯量时间常数，S_s为系统容量基准值，f₀为系统频率基准值；

S3：计算所有并网发电机的转动惯量和J_sm，其计算公式为：

式中，H₁、H₂、H₃…H_N为发电侧单台同步发电机转动惯量有名值；

S4：计算非同步发电机的转动惯量J_asm，其计算公式为：

J_asm＝K×P_asmp

式中，P_asmp为非同步发电机出力，K为区域电网非同步发电机的“转动惯量/额定功率”经验拟合系数；

S5：计算负荷侧带负载电动机的转动惯量J_pl，其计算公式为：

J_pl＝(g+1)J_mm

式中，g为电动机惯量比，J_mm为电动机自身转动惯量；

S6：计算电力系统转动惯量J_s，其计算公式为：

2.根据权利要求1所述电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法，其特征在于，所述非同步发电机出力P_asmp的计算公式为：

P_asmp＝P_sum×α

式中，P_sum为某一运行方式下的系统总有功出力，α为某一运行方式下系统新能源出力占比。

3.根据权利要求1所述电力系统转动惯量在线实用化估计核心方法，其特征在于，负荷侧带负载电动机的转动惯量J_pl包括电动机自身转动惯量J_mm以及负载折算在电机转子轴上的转动惯量J_lm；

所述电动机惯量比g的计算公式为：