CN115800260A - 含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法 - Google Patents

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CN115800260A CN202211545807.4A CN202211545807A CN115800260A CN 115800260 A CN115800260 A CN 115800260A CN 202211545807 A CN202211545807 A CN 202211545807A CN 115800260 A CN115800260 A CN 115800260A
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李国庆
辛业春
江守其
闫克菲
刘先超
王威儒
杨博
李华
周沫
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State Grid Corp of China SGCC
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State Grid Corp of China SGCC
Northeast Dianli University
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Abstract

本发明涉及一种含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，属于电力系统稳定分析领域。能够计及风光储设备的频率控制环节，准确刻画含风光储电力系统的频率响应特性。基于风光储的运行特性，分析风光储并网换流器的基本控制方式；根据控制方式的不同，在传统同步电发电机多机系统频率响应模型的基础上，附加风光储设备的频率响应环节，形成改进的多机系统频率响应模型；针对所提出的MM‑SFR模型，采用一种聚合的方法，将其转化为等效的单机SFR模型，即聚合的系统频率响应模型。该模型能够较准确地反映系统频率的各项关键指标，解决了新型电力系统频率特性难以表征的问题，对系统频率响应分析具有普遍适用性。

Description

含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法
技术领域
本发明涉及电力系统稳定分析领域，特别涉及一种含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法。
背景技术
近年来，在能源形式紧张、环境气候问题愈加严峻的背景下，可再生能源发电在世界范围内保持着快速的发展态势，推动能源结构向清洁、低碳、高效转型已成为我国能源系统的重要发展战略。截至2020年底，我国风力发电和太阳能发电装机已分别达2.81亿千瓦和2.53亿千瓦，高比例可再生能源并网成为我国未来电力系统重要的特征。与此同时，风电、光伏和储能等基于换流器并网设备的大规模接入对原有电力系统的动态行为影响较大。同步发电机逐步被电力电子设备替代，系统内的转动惯量水平逐渐降低，传统调频资源逐渐稀缺化，频率稳定问题愈加凸显。通过对并网换流器采取附加的频率控制，可以使风光储(风电、光伏、储能)设备具有一定的频率响应能力，然而，这也导致了这类新型电力系统频率动态特性的表征较为复杂。因此，一个准确的系统频率响应(System FrequencyResponse，SFR)模型对于更好地描述电力系统频率特性至关重要。
SFR模型可以为系统频率稳定性分析的研究提供直接有效的手段，而聚合多机SFR模型的解析方法对于复杂多机电力系统的优化运行也是必要的。在现有研究中，如何充分考虑并网变流器的控制特性，将多类型调频资源的频率响应过程聚合为一个单机SFR模型尚不清楚。由于多类型电源的数量总是根据系统运行方式而改变，这方面技术的缺失将导致无法快速准确的获取系统的频率特性，同时多次采用系统辨识的方法，将导致十分庞大的计算工作量。因此，亟需提出一种新的SFR模型聚合原理。通过将风电、光伏和储能的详细频率控制环节聚合到SFR模型相应的环节中，准确模拟风、光、储换流器对系统频率响应特性的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，解决了现有技术存在的新型电力系统频率特性难以表征的问题，对系统频率响应分析具有普遍适用性。该模型能够较准确地反映系统频率的各项关键指标，能够计及风光储设备的频率控制环节，准确刻画含风光储电力系统的频率响应特性。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，包括以下步骤：
(1)风光储设备的频率响应方式设计；
(2)含风光储的电力系统多机频率响应模型构建；
(3)含风光储的电力系统频率响应模型聚合方法；
(4)基于聚合频率响应模型的频率安全指标计算。
步骤(1)所述的风光储设备的频率响应方式设计是：分别对风电、光伏和储能采用虚拟惯量控制和下垂控制的方式，使其具备快速响应电力系统频率变化的能力。
步骤(2)所述的含风光储的电力系统多机频率响应模型构建是：在步骤(1)的基础上，将风电、光伏、储能频率控制环节的传递函数附加到传统同步发电机频率响应模型上，形成含风光储的多机系统频率响应模型。
步骤(3)所述的含风光储的电力系统频率响应模型聚合方法，采用等效参数方法将大量风光储设备的频率响应过程聚合为单机等效模型。
步骤(4)所述的基于聚合频率响应模型的频率安全指标计算是：在步骤(3)的基础上，计算系统频率变化率、频率最低点和准稳态频率三个关键指标数值。
本发明的有益效果在于：与传统的频率响应模型相比，本发明所提出的系统聚合频率响应模型能够考虑风光储这类非同步电源并网换流器控制方式对系统频率的影响，更为精确地模拟系统的动态频率响应特性。此方法可以有效应用于电力系统的安全优化运行与控制领域，与系统参数辨识方法来比，能更好地应对系统运行方式变化所带来的频率特性计算效率低的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的风电机组的频率控制框图；
图2为单台同步发电机的SFR传递函数模型
图3为本发明的考虑风光储频率控制的多机系统频率响应模型；
图4为本发明的聚合后的系统频率响应模型；
图5为本发明的不同模型的频率响应特性曲线对比图；
图6为本发明的含高比例风光储的系统频率响应模型构建框架图。
具体实施方式
下面将结合附图，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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图6所示，本发明的含高比例新能源(风光储)的电力系统频率响应(System Frequency Response，SFR)模型构建方法，提出了一种计及风光储设备频率控制环节的SFR模型聚合原理，构建等效的聚合频率响应模型，准确刻画含高比例风光储的电力系统频率响应特性。基于风光储的运行特性，分析风光储并网换流器的基本控制方式；根据控制方式的不同，在传统同步电发电机多机系统频率响应模型(Multi-machine SFR，MM-SFR)的基础上，附加风光储设备的频率响应环节，形成改进的多机系统频率响应模型；针对所提出的MM-SFR模型，采用一种聚合的方法，将其转化为等效的单机SFR模型，即聚合的系统频率响应(Aggregated SFR，ASFR)模型。包括如下步骤：
1.风光储设备的频率响应方式
对于风电机组，通过将电网频率变化的微分和比例环节附加到其功率控制回路中，可以实现频率响应，如图1所示。风机可以快速响应频率变化Δf，并通过释放转子动能提供功率支持ΔPW。由于风机处于最大功率追踪模式时无法进行调频，因此风机必须在运行在减载模式，以提供一次调频备用。相应控制环节的频域表达式如(1-1)所示。
Figure BDA0003979772530000041
其中，HW和
Figure BDA0003979772530000042
分别为风机的虚拟惯性常数和下垂控制系数；Δf为系统频率变化量；ΔPW为风电机组的一次调频功率调节量；TW为惯性环节对应的时间常数。
对于容量较小的光伏机组，在不附加储能装置的情况下，通过直流电容或者较小的功率备用来提供频率响应的能量支撑，使光伏具备有功-频率下垂特性。光伏机组的调频特性采用式(1-2)所示的一阶惯性环节来模拟。
Figure BDA0003979772530000043
其中，ΔPPV、RPV和TPV分别为光伏机组的一次调频功率调节量、调差系数以及惯性环节对应的时间常数。
对于独立储能设备(以锂电池为例)，它可以在40毫秒内实现快速一次频率响应，持续时间从几分钟到几小时。与光伏机组类似，一般来说，储能与电网之间有功功率-频率的动态特性也可以用一阶传递函数表示，如(1-3)所示。
Figure BDA0003979772530000044
其中，ΔPE、RE和TE分别为储能装置的一次调频功率调节量、调差系数及惯性环节对应的时间常数。
2.修改的多机系统频率响应模型
在图2所示的传统同步发电机频率响应模型的基础上，增加风机、光伏和储能频率控制环节的传递函数，修改后的MM-SFR模型如图3所示。
3.频率响应模型的聚合方法
大规模发电机和换流器的控制环节会对频率计算带来不可避免的障碍，因此需要通过等效参数方法将大量设备聚合到单机等效模型中，可以构建如图4所示的ASFR模型。其中，HE、DE、FE、RE,、和TE是聚合模型的等效参数。
系统的等效惯量常数HE和阻尼系数DE可以分别通过式(3-1)和(3-2)计算得到。
Figure BDA0003979772530000051
Figure BDA0003979772530000052
其中，Θ表示所有同步发电机组的集合；
Figure BDA0003979772530000053
为系统额定容量；μG.n表示机组n是否提供频率支撑，若提供，则μG.n＝1，反之，μG.n＝0；
Figure BDA0003979772530000054
表示同步机组n的最大响应功率；HG.n和DG,n为机组n的惯性常数和阻尼系数；DL为负荷的阻尼系数。
为了推导等效参数的公式，类比于同步发电机一次调频过程的表达式，将每个风机、光伏和储能设备的频率响应传递函数改写为式(3-3)―(3-5)的形式。
Figure BDA0003979772530000055
Figure BDA0003979772530000056
Figure BDA0003979772530000057
其中，RW,i、
Figure BDA00039797725300000510
和
Figure BDA00039797725300000511
分别为风电、光伏和储能的等效调差系数；FW,i、
Figure BDA00039797725300000512
和
Figure BDA00039797725300000513
分别为风电、光伏和储能的等效功率比例系数。
定义每台机组的增益Km如式(3-6)所示，进而将其等效增益定义为κm。为了简化描述，定义图2中每个分支的归一化增益为λm，且所有λm之和为1，可以用式(3-8)表示。
Figure BDA0003979772530000058
Figure BDA0003979772530000059
Figure BDA0003979772530000061
其中，ΨW、ΨPV和ΨESS分别为所有风电、光伏和储能的集合；μm和
Figure BDA0003979772530000062
表示风电、光伏和储能的调频状态及其对应的最大调频功率。
因此，根据增益λm对所有机组的一次调频参数进行加权求和，以获得ASFR模型的等效频率参数，如(3-9)―(3-11)所示。
Figure BDA0003979772530000063
Figure BDA0003979772530000064
Figure BDA0003979772530000065
其中，KG,n、KW,i、KPV,j和KE,k分别为同步发电机组、风电机组、光伏机组和储能的功率增益，可由式(3-6)计算得到。
4.频率指标计算方法
基于上述ASFR模型，可通过(3-12)―(3-16)计算出反映频率特性的三个关键指标，包括最大频率变化率RoCoFmax、频率最低点fnadir和频率准稳态值fqss。
Figure BDA0003979772530000066
Figure BDA0003979772530000067
Figure BDA0003979772530000068
Figure BDA0003979772530000069
Figure BDA0003979772530000071
其中，f0为系统频率；ΔPL表示系统的有功扰动大小，tnadir表示频率最低点出现的时间；ωn和ξ分别为等效的系统固有振荡频率和阻尼系数。
通过频率响应模型和实际系统仿真得到的频率特性曲线对比图如图5所示，通过上述三个指标计算值与实测值的对比，可以验证频率响应模型的准确性。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）风光储设备的频率响应方式设计；
（2）含风光储的电力系统多机频率响应模型构建；
（3）含风光储的电力系统频率响应模型聚合方法；
（4）基于聚合频率响应模型的频率安全指标计算。
2.根据权利要求1所述的含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，其特征在于：步骤（1）所述的风光储设备的频率响应方式设计是：分别对风电、光伏和储能采用虚拟惯量控制和下垂控制的方式，使其具备快速响应电力系统频率变化的能力。
3.根据权利要求1所述的含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，其特征在于：步骤（2）所述的含风光储的电力系统多机频率响应模型构建是：在步骤（1）的基础上，将风电、光伏、储能频率控制环节的传递函数附加到传统同步发电机频率响应模型上，形成含风光储的多机系统频率响应模型。
4.根据权利要求1所述的含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，其特征在于：步骤（3）所述的含风光储的电力系统频率响应模型聚合方法，采用等效参数方法将大量风光储设备的频率响应过程聚合为单机等效模型。
5.根据权利要求1所述的含高比例新能源的电力系统频率响应建模方法，其特征在于：步骤（4）所述的基于聚合频率响应模型的频率安全指标计算是：在步骤（3）的基础上，计算系统频率变化率、频率最低点和准稳态频率三个关键指标数值。
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