CN114725939A

CN114725939A - 一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统

Info

Publication number: CN114725939A
Application number: CN202210603071.5A
Authority: CN
Inventors: 孙华东; 王宝财; 李文锋; 赵兵; 杨超; 魏巍
Original assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2042-05-31
Also published as: CN114725939B

Abstract

本发明公开了一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统，包括：获取电网系统的运行参数；基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率；基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值；基于所述统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率。本发明能够准确地评估系统频率稳定约束下的系统电力电子电源临界渗透率，并基于临界渗透率确定可承受的最大扰动功率，能够为系统运行方式和开机安排提供指导，避免大功率扰动触发第三道防线造成切机或切负荷等风险。

Description

一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，并且更具体地，涉及一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统。

背景技术

与传统同步系统相比，高比例电力电子电源系统中大规模新能源接入替代了部分同步机组，新能源电力电子解耦特性及其最大功率跟踪模式，使系统惯量水平逐渐相对减小且调频能力相对减弱。加之特高压大容量跨区直流输电投入使用，阻断了扰动下跨区惯量支撑及功率响应，严重恶化大扰动下系统频率稳定性。

系统惯量相对减小使扰动下频率特性发生巨大变化。一方面，惯量减小导致扰动下频率变化率（rate of change of frequency，RoCoF）增大，增大分布式电源脱网风险的同时也威胁着常规机组安全运行。此外，较大RoCoF可能使同步机产生滑极现象，造成内部结构损坏。另一方面，惯量减小使频率最低点进一步降低，触发第三道防线低频减载的可能性增大，严重情况将导致调速系统尚未动作频率已经崩溃，或通过充足一次调频调节也无法使频率恢复。

为使扰动后RoCoF不超过分布式电源防孤岛保护设定值造成其脱网和损坏同步机，以及频率最大频差不触发第三道防线造成切机/切负荷，需要对电力电子电源接入比例进行约束和限制，并且由国内外几次停电事故可以发现，频率稳定逐渐成为制约临界渗透率的主要因素。同时，为防止扰动下频率指标触发第三道防线，还需要对系统可承受的最大扰动功率进行约束和计算，使当前直流运行功率不超过系统可承受最大扰动功率。对于我国电网，最大扰动通常来自直流闭锁，直流闭锁将会导致严重的送端系统高频和受端系统低频问题，根据计算出的系统可承受最大扰动功率，安排直流运行功率和系统运行方式，保障系统安全稳定运行。

目前考虑频率稳定的临界渗透率研究大多基于时域仿真和复杂模型，缺少解析量化方法，并且尚未有文献从惯量角度对临界渗透率和可承受最大扰动功率进行分析和约束。因此，在考虑频率安全稳定约束的前提下，如何确定系统临界渗透率和可承受最大扰动功率是急需解决的问题。

发明内容

本发明提出一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统，以解决如何确定电网系统可承受的最大扰动功率的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法，所述方法包括：

获取电网系统的运行参数；

基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率；

基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值；

基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率。

优选地，其中所述运行参数，包括：扰动前的系统频率、最小频率约束、故障发生时的扰动功率、故障发生时的扰动功率对应的频率最低点偏差、当前运行状态下的扰动功率和当前运行状态下的渗透率。

优选地，其中所述基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率，包括：

，

其中，k_max为临界渗透率；f₀为扰动前的系统频率；f_min为最小频率；

为故障发生时的扰动功率；

为故障发生时的扰动功率对应的频率最低点偏差；△P_d为电网系统在当前运行状态下的扰动功率；k₀为电网系统在当前运行状态下的渗透率。

优选地，其中所述基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值，包括：

，

其中，

为系统频率强度最小值；S_n为系统容量；k_max为临界渗透率；△P_d为电网系统在当前运行状态下的扰动功率。

优选地，其中所述基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率，包括：

，

其中，

为最大扰动功率；

为系统频率强度最小值；S_n为系统容量；k₀为电网系统在当前运行状态下的渗透率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的系统，所述系统包括：

运行参数获取单元，用于获取电网系统的运行参数；

临界渗透率确定单元，用于基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率；

系统频率强度最小值确定单元，用于基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值；

最大扰动功率确定单元，用于基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率。

优选地，其中在所述运行参数确定单元，所述运行参数，包括：扰动前的系统频率、最小频率约束、故障发生时的扰动功率、故障发生时的扰动功率对应的频率最低点偏差、当前运行状态下的扰动功率和当前运行状态下的渗透率。

优选地，其中所述临界渗透率确定单元，基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率，包括：

，

为故障发生时的扰动功率；

优选地，其中所述系统频率强度最小值确定单元，基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值，包括：

，

其中，

优选地，其中所述最大扰动功率确定单元，基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率，包括：

，

其中，

为最大扰动功率；

本发明提供了一种确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法及系统，包括：获取电网系统的运行参数；基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率；基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值；基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率。本发明能够准确地评估系统频率稳定约束下的系统电力电子电源临界渗透率，并基于临界收投率确定最大扰动功率，能够为系统运行方式和开机安排提供指导，避免大功率扰动触发第三道防线造成切机或切负荷等风险。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的系统频率响应模型的示意图；

图3的（a）和（b）分别为根据本发明实施方式的不同渗透率下的频率曲线图和频率岁渗透率变化的示意图；

图4为根据本发明实施方式的频率曲线与惯量支撑功率关系的示意图；

图5为根据本发明实施方式的临界渗透率随系统容量变化特性示意图；

图6为根据本发明实施方式的临界渗透率与扰动功率关系图；

图7为根据本发明实施方式的渗透率与频率约束关系图；

图8为根据本发明实施方式的确定电网系统可承受的最大扰动功率的系统800的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法，能够准确地评估系统频率稳定约束下的系统电力电子电源临界渗透率，并基于临界收投率确定最大扰动功率，能够为系统运行方式和开机安排提供指导，避免大功率扰动触发第三道防线造成切机或切负荷等风险。本发明实施方式提供的确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法100，从步骤101处开始，在步骤101获取电网系统的运行参数。

在步骤102，基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率。

，

为故障发生时的扰动功率；

在本发明的实施方式中，建立含渗透率k的系统频率响应模型，并基于系统频率响应模型进行推导，从而获取临界渗透率的计算公式。再将获取的系统运行参数代如临界渗透率的计算公式即可得到电网系统的临界渗透率。具体地，包括：

（1）建立含渗透率k的系统频率响应模型。将系统频率响应特性表示为单机带集中负荷模型，其中调速系统描述为超前、滞后环节，可表示不同类型常规机组一次调频特性。如图2所示，模型的表达式为：

（1）

式中，H为系统惯性常数（单位s），△f为惯量中心频率，△P_m为等值发电机机械功率变化量，△P_d为扰动功率，D为负荷频率调节系数，除H为有名值外，其余均为标幺值。

（2）推导含渗透率k的频率指标表达式。基于图2的频率率响应模型，通过拉普拉斯反变换得扰动下频率偏差的时域表达式为：

（2）

式中：

，

，

，

，

。

频率导数为：

（3）

式中，

。

则扰动瞬间频率变化率为：

（4）

令

，得最低点时间：

（5）

代入式（2）得频率最低点偏差：

（6）

频率稳态值为：

（7）

在典型参数下（H=4，D=0，∆P_d=-0.1，R=0.05，T=10，α=0.3），随着渗透率k增加，频率变化如图3所示，其中图3的（a）为不同渗透率下频率曲线，图3的（b）为各项频率指标随渗透率变化曲线。从图3的（a）看出，随着渗透率k增加，频率曲线整体下移，但到达最低点和稳态值时间不变；从图3的（b）可以看出，随着渗透率增加，频率变化率、最低点和稳态值逐渐增大，且与渗透率均呈非线性关系，在渗透率较高情况下，各项频率指标将急剧增大。

在图2的系统频率模型基础上，以功率扰动为输入，惯量支撑功率为输出的闭环传递函数为：

（8）

与发电机频率调节系数1/R相比，负荷频率调节系数D较小，通常小于2，并且随着系统电力电子负荷比例的逐渐增加，此系数将逐渐减小，为简化分析和获得较保守结果，本文忽略较小负荷频率调节系数D，则式（8）可简化为

（9）

可以看出，惯量支撑功率与渗透率k无关，即在系统其它条件相同情况下，不同渗透率对应的惯量支撑功率相同，如图4所示。

（3）推导临界渗透率解析计算表达式。

在t_0~t_nad阶段（扰动发生至频率最大偏差时刻），惯量支撑能量为

（11）

式中，J为系统转动惯量，ω₀为扰动前额定角频率，ω_nad为角频率最低点，∆E_H为t_0~t_nad阶段惯量支撑能量。

假设无新能源接入时系统转动惯量为J₀，考虑渗透率与转动惯量的线性反比关系，当渗透率为k₀时，系统惯量为J₀(1-k₀)，此时惯量支撑能量为：

（12）

假设新能源渗透率增加至k_max时，频率恰好到达约束值ω_min，此时对应系统最小转动惯量J₀ (1-k_max)，表达式为：

（13）

由前述知，不同渗透率下惯量支撑能量相同（即∆E_H0=∆E_H1），联立式（11）和（12），并将角频率转换为频率f=ω/2π，得频率约束下的最小惯量（惯性常数）为：

（14）

进而得临界渗透率为：

（15）

式中，f_nad与k₀为（11）中参数，反映当前系统频率特性，为避免复杂参数计算，可通过实际系统历史扰动数据或时域仿真获得。由式（6）知，扰动功率与频率最低点呈线性比例关系，则可根据已知扰动功率和频率数据按式（16）计算当前运行方式下频率最低点：

（16）

式中，

、

分别为故障发生时的扰动功率和对应的频率最低点偏差，△P_d为电网系统在当前运行状态下的扰动功率，

为扰动前的系统频率（已知，一般为50hz）；f_min=49Hz为最小频率，当前的渗透率为k₀（已知），将式（16）代入式（15）可得当前系统扰动功率下的临界渗透率为：

（17）

为故障发生时的扰动功率；

例如，某受端电网在某个运行方式下的系统容量为216.6GVA，新能源加直流占系统容量约20%，发生8000MW（占系统容量3.69%）馈入直流闭锁后，频率最大偏差为-0.48Hz，根据式（17），得此受端系统临界渗透率为：

，当频率最低点约束为f_min=49.0Hz时，计算得系统临界渗透率为61.4%。基于PSASP仿真平台，采用新能源替代同步机的方式对系统临界渗透率进行验证，相同扰动功率下，当渗透率为63.2%时，频率最低点为49Hz，与理论计算值基本一致，可以验证上述步骤中确定系统频率稳定约束下的系统电力电子电源临界渗透率的方法的准确性。

本发明还可以基于式（17）对影响渗透率的因素进行量化分析，包括：系统容量、扰动功率、频率约束。

（1）系统容量对临界渗透率影响的量化分析

某受端电网在某个运行方式下的系统容量为216.6GVA，新能源加直流占系统容量约20%，发生8000MW（占系统容量3.69%）馈入直流闭锁后，频率最大偏差为-0.48Hz，根据式（17），得此受端系统临界渗透率表达式为：

（18）

在频率约束不变情况下（f_min=49Hz），按式（18）计算不同系统容量下的临界渗透率，如图5所示。

得出结论：在相同扰动功率下，随着系统容量增大，临界渗透率逐渐升高，两者呈非线性关系。

（2）扰动功率对临界渗透率影响的量化分析

在频率约束不变情况下（f_min=49Hz），按式（18）计算不同扰动功率下的临界渗透率，如图6所示，其中系统容量分别为100GVA和200GVA。

得出结论：系统容量不变情况下，随着扰动功率增大，临界渗透率逐渐降低；从提高渗透率角度，降低扰动功率（通常指降低直流输送功率）可提高临界渗透率，且两者呈线性关系。

（3）频率偏差约束对临界渗透率影响的量化分析

在系统容量不变情况下（S_n=200GVA），按式（18）计算不同频率约束下的临界渗透率，如图7所示，其中扰动功率分别为4000MW、8000MW和12000MW。得出结论：相同扰动功率下，临界渗透率随频率最低点约束减小而增大，两者呈非线性关系。相同频率约束下，扰动功率越小，临界渗透率越大。

从提高临界渗透率角度，在频率最低点约束较严格情况下，降低频率约束可大幅提升临界渗透率，但随着频率约束减小，通过放宽频率约束提高电力电子电源渗透率的效果将变得不再显著。

在步骤103，基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值。

，

其中，

在本发明的实施发生中，将

代入式（17），并令其等于零，得满足频率约束的常规机组最小开机容量

为：

（19）

其中，p为扰动功率占系统容量比例。

扰动下频率变化取决于扰动功率和抵抗扰动功率的频率响应能力，因此，系统频率强度可用扰动功率和频率响应能力描述。通常，系统常规机组容量越大，其频率响应能力越强，则可将系统频率强度I_index描述为常规机组容量与扰动功率的比值关系，公式为：

（20）

从式（20）可看出，系统容量S_n越大，渗透率k越低，扰动功率∆P_d越小，对应I_index越大。I_index越大，系统频率强度越高，扰动下各项频率指标越优，反之频率指标较差。

由前述知，对于一定扰动功率的系统，存在满足频率约束的常规机组最小开机容量S_{con_min}，此时对应临界渗透率k_max，代入式（20）可得I_index的临界值为：

（21）

其中，

将式（19）代入式（21）可得临界指标的另一种表示形式：

（22）

可以看出，临界指标取决于频率约束f_min和系统频率调节特性（

、p、k₀）。对于一个系统，其频率约束和频率特性通常是固定的，则I_{ndex_min}基本不变，实际运行时I_index不得小于临界指标I_{index_min}，即I_index≥I_{index_min}。

在步骤104，基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率。

，

其中，

为最大扰动功率；

在本发明的实施方式中，根据系统频率强度最小值I_{index_min}，可得系统在当前运行状态下可承受的最大扰动功率为：

（23）

其中，

为最大扰动功率；

图8为根据本发明实施方式的确定电网系统可承受的最大扰动功率的系统800的结构示意图。如图8所示，本发明实施方式提供的确定电网系统可承受的最大扰动功率的系统800，包括：运行参数获取单元801、临界渗透率确定单元802、系统频率强度最小值确定单元803和最大扰动功率确定单元804。

优选地，所述运行参数获取单元801，用于获取电网系统的运行参数。

优选地，其中在所述运行参数确定单元801，所述运行参数，包括：扰动前的系统频率、最小频率约束、故障发生时的扰动功率、故障发生时的扰动功率对应的频率最低点偏差、当前运行状态下的扰动功率和当前运行状态下的渗透率。

优选地，所述临界渗透率确定单元802，用于基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率。

优选地，其中所述临界渗透率确定单元802，基于所述运行参数确定电网系统在当前扰动功率下的临界渗透率，包括：

，

为故障发生时的扰动功率；

优选地，所述系统频率强度最小值确定单元803，用于基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值。

优选地，其中所述系统频率强度最小值确定单元803，基于所述临界渗透率确定电网系统的系统频率强度最小值，包括：

，

其中，

优选地，所述最大扰动功率确定单元804，用于基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率。

优选地，其中所述最大扰动功率确定单元804，基于所述系统频率强度最小值确定电网系统能够承受的最大扰动功率，包括：

，

其中，

为最大扰动功率；

本发明的实施例的确定电网系统可承受的最大扰动功率的系统800与本发明的另一个实施例的确定电网系统可承受的最大扰动功率的方法100相对应，在此不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。