CN116667462A - 一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，属于新型电力系统领域。本发明提出了一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，该方法能够综合考虑调频能力、新能源并网容量和不同类型的功率扰动对系统惯量需求的影响，从而提高了量化的准确性、方法的适用性、系统的稳定性和可靠性。该方法可以适用于风电新能源并网电力系统，具有一定的通用性和适用性。实施本发明的量化方法可以使系统规划者更好地评估新能源发电设备并网的影响，从而合理安排新能源发电设备的规模和比例，提高新能源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，属于新型电力系统领域。
背景技术
惯性是传统电力系统同步发电机所具备的一种固有的物理概念，惯性在电力系统当中表征为抵御电力系统频率波动的一种能力。现代电力系统新能源电源将要占据主体地位，其总体呈现低惯量系统特征，传统电力系统同步电源较多，惯量资源充足，当电力系统受到扰动时，出现大量不平衡功率，系统的同步发电机通过调节发电机转子加速或减速来吸收电网不平衡功率，阻碍电网频率在短时间内由于不平衡功率的迅速跌落或上升。然而，随着大量的风电、光伏和储能通过电力电子器件与电网相连，在电力系统的发电侧不断提高新能源渗透率，新能源发电机组逐渐替代了传统的同步电机，整个电力系统中的旋转元件急剧减少，新能源发电机组又通过电力电子器件接入电网，致使电力系统惯量水平大幅度下降。如风力发电机组通过电力电子器件接入电网，风机换流器使得风力发电机转子和电网频率完全解耦，在工频运行和系统频率波动时，风机基于最大功率点追踪（maximumpower point tracking，MPPT）的电力电子控制方式下对电网输出有功功率，风机有功功率则不会依据系统频率变化进行响应，失去了惯量响应过程，缺少对电网频率波动的抵御能力。电力系统惯量需求量化是研究高比例新能源电力系统抗扰能力的重要内容。然而，现有技术中，惯量需求量化方法存在一些不足。一方面，现有的惯量需求量化方法只考虑了系统应对严重功率缺失情况下的最小惯量需求，忽略了系统在正常运行时的惯量需求变化以及不同类型的功率扰动对系统惯量需求的影响。另一方面，基于等效惯量在线评估和极限最小惯性量化计算的惯性量化评估方法以及基于功率缺额概率分布的最小惯量需求计算方法，这些方法缺乏具体的计算方法和算例验证，也没有充分考虑到系统惯量需求与调频能力、新能源并网容量、其他系统约束和目标函数等因素的关联性和协调性。因此，如何提出更科学合理的惯量需求量化方法，是一个亟待解决的问题。
发明内容
基于上述问题，本发明提出一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法。包括以下步骤：
Step1：根据电力系统对同步发电机惯量的定义，得到同步发电机系统惯量常数，并得到没有风电机组接入时，含台同步发电机系统总惯量，类比得到风力
发电系统的广义等效惯量常数；
Step2：根据同步发电机转子运动方程，得到发电机的惯量常数，将Step1中得
到的类比进行推导；
Step3：联合Step1中没有风电机组接入时，台同步发电机系统总惯量，以及
Step2中进一步推导的风力发电系统的广义惯量常数，获取当k台风电机组接入时，含
台同步发电机系统的系统总惯量常数；
具体过程如下：
参照电力系统对同步发电机惯量的定义，使用来表征某台同步发电机的惯
量，由此可得出系统惯量常数与同步发电机转动惯量关系：
式中，为同步发电机对扰动后的系统惯量贡献值，转子转速为，为发电
机额定功率；
式中，为系统阻尼系数，为发电机转子受扰前后的同步角速度之差，为系
统的阻尼功率，为系统额定频率，为受扰动前后的频率变化量。
含台同步发电机系统总惯量为：
式中，为系统中第台同步发电机的额定容量；
类比上式，得到；
式中：为风力发电机组的旋转动能，为风力发电机额定容量。
假设同步发电机的机械功率不变，那么由同步发电机转子运动方程可得，发电机
的惯量常数；
式中，为原动机机械功率标幺值，为发电机输出电磁功率标幺值，为发电
机转子同步角速度标幺值。
电网物理惯量的主要来源为同步发电机的旋转惯量,电力系统原动机提供转子做
旋转运动的机械功率，在通过转子旋转向电网提供电磁功率，电磁功率与系统负荷需求功
率维持平衡，在稳定运行状态时，在稳定运行状态时，电力系统的机械功率、电磁功率
以及有功负荷维持动态平衡。同步发电机在电力系统总的惯量大小可以用惯量常数来
衡量，当系统未发生干扰时，以单台同步发电机为例，其系统的转动惯量大小如式（1）所示。
（1）
式中：是同步发电机转动惯量的理论值，单位；是同步发电机的
惯量常数的理论值，单位；为转子的额定角速度，单位rad/s；是发电机额定功率，单
位MVA。当电力系统稳定时，此时发电机转子按额定转速旋转，储存在转子里的动能即为该
发电机的惯量。当电力系统发扰动时，，同步发电机此时需要通过转子调节
转速，由转子的动能的增减来抵消部分电力系统扰动所引起的功率不平衡量，为系统一
次调频启动争取一定的时间，这个阶段则是系统惯量响应阶段，这种能力称之为同步发电
机的惯量支撑能力。
引起同步发电机惯量响应的条件即是系统受到扰动后产生不平衡功率，进而引起了转子动能的改变，因此同步发电机组的转子运动方程式表示为式（2）。
（2）
式中：为同步发电机对扰动后的系统惯量贡献值，为转子的机械角加速度，
单位为rad/s2；为不平衡转矩,如果忽略转子转动时的风阻、摩擦等损耗，转子轴上的不
平衡转矩为机械转矩与电磁转矩之差，即。
设转子额定转速为，转子动能与转动惯量的关系为，取,则不平衡转矩表达式如式（3）与（4）所示。
（3）
（4）
式中：为系统不平衡转矩标幺值，为发电机容量基准值，单位MVA，令。一般发电机组铭牌上会给出该值。一般汽轮发电机组惯量常数为8~16s，水轮发
电机组为4~8s，同步调相机为2~4s，将带入式（4）可得式（5）。
（5）
一般稳态运行下，发电机转子转速的变化较小，即,则，由于，即可推导出不平衡转矩标幺值表达式如式（6）所示。
（6）
式中：为不平衡功率标幺值，为原动机机械功率标幺值，为发电机输出电
磁功率标幺值。当计及系统的阻尼功率时，不平衡转矩等式可由（7）表示。
（7）
将Step1中得到的类比进行推导，具体如下：
由，则可将上式改写为：。
对等式两边的时间求积分，可得系统在时段受到扰动时，风力发电系统
所对电网的广义惯量常数大小为：；
为系统频率标幺值，为风力发电系统的有功功率标幺值，为风力发电
系统的有功负荷标幺值，为风力发电系统的有功功率缺额标幺值。
当k台风电机组接入时，含台同步发电机系统的系统总惯量常数
式中，为第台同步发电机的惯量常数，为第台同步发电机额定容量；为第台风力发电机广义惯量常数，为第台风力发电机额定容量。
有益效果
本发明提出了一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，该方法能够综合考虑调频能力、新能源并网容量和不同类型的功率扰动对系统惯量需求的影响，从而提高了量化的准确性、方法的适用性、系统的稳定性和可靠性。该方法可以适用于风电新能源并网电力系统，具有一定的通用性和适用性。
（1）提高系统稳定性：通过量化并满足系统的惯性需求，可以降低新能源并网电力系统在突发事件发生时的频率波动，从而提高系统的稳定性。
（2）优化系统资源分配：量化新能源并网电力系统的惯性需求，有助于系统规划者合理分配各类资源，如储能设备、传统发电机组等，以实现系统的优化配置，提高系统效率。
（3）降低成本：通过精确计算系统的惯性需求，可以避免过度投资于保障系统稳定性的措施，降低系统建设和运行成本。
（4）提高新能源利用率：实施本发明的量化方法可以使系统规划者更好地评估新能源发电设备并网的影响，从而合理安排新能源发电设备的规模和比例，提高新能源的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将其所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图为实施例所搭建模型及对应模拟情况的电气量信息，对于本领域技术人员来讲，可以根据这些附图获得所需的信息。
图1是实施例等效虚拟同步发电机；
图2是实施例实验仿真拓扑结构；
图3是实施例系统无扰动时频率变化曲线；
图4是实施例设置负荷干扰20MW时系统频率变化曲线。
具体实施方式
为了更加清晰地描述本申请实施例的技术方案和优点，下面将结合附图对其进行详细描述。
图1为等效虚拟同步发电机。参照电力系统对同步发电机惯量的定义，使用来
表征某台同步发电机的惯量，由此可得出系统惯量常数与同步发电机转动惯量关系：
式中，为同步发电机对扰动后的系统惯量贡献值，转子转速为，为发电
机额定功率；
同步发电机对扰动后的系统惯量贡献值为：
式中，为系统阻尼系数，为发电机转子受扰前后的同步角速度之差，为系
统的阻尼功率，为系统额定频率，为受扰动前后的频率变化量。
含台同步发电机系统总惯量为：
式中，为系统中第台同步发电机的额定容量；将风力发电机利用虚拟同步发
电机VSG（Virtual Synchronous Generator）技术等值为一台同步发电机向系统供电来研
究，根据上述同步发电机惯量常数的定义可知，实际上是发电机转子以额定转速旋
转时，发电机转子动能与发电机额定容量之比，则可类比得出风力发电系统的广义的
等效惯量常数；
式中：为风力发电机组的旋转动能，为风力发电机额定容量。风力发
电机与传统同步发电机不同，风力发电系统基于电力电子接入电网之后，其风力发电机组
与电网完全解耦，在系统受到扰动的时，频率发生变化，风力发电机组对电网的惯量支撑为
零。由广义的风力发电系统惯量定义可知，风力发电系统具备为系统提供惯量的能力，但是
当系统受到扰动，频率发生波动时，却无法将其惯量提供给系统，导致风力发电系统在电网
当中的惯量支撑为零。
假设同步发电机的机械功率不变，那么由同步发电机转子运动方程可得，发电机
的惯量常数；
式中，为原动机机械功率标幺值，为发电机输出电磁功率标幺值，为发电
机转子同步角速度标幺值；
将Step1中得到的类比进行推导，具体如下：
由，则可将上式改写为：；
对等式两边的时间求积分，可得系统在时段受到扰动时，风力发电系统
所对电网的广义惯量常数大小为：；
为系统频率标幺值，为风力发电系统的有功功率标幺值，为风力发电
系统的有功负荷标幺值，为风力发电系统的有功功率缺额标幺值。
当k台风电机组接入时，含台同步发电机系统的系统总惯量常数
式中，为第台同步发电机的惯量常数，为第台同步发电机额定容量；为第台风力发电机广义惯量常数，为第台风力发电机额定容量。
风电作为电源接入电网之后，替代掉了传统的同步发电机，总体的发电规模并没有改变，但是系统的惯量水平总体降低。本发明利用matlab/simulink仿真系统搭建三机九节点标准时域模型，将三个同步发电机中的G2利用等容量的风电场替换（如图2所示），验证风电场接入传统电网之后将引起系统呈现低惯量的运行特征，当面对系统干扰时，含风机的电网比不含风机的电网惯量支撑能力差，系统受扰后，电力系统频率恶化迅速，并通过不同的风电渗透率验证随着电网风电渗透率的提高，电网的总体惯量水平将会降低。
针对所有传统的同步发电机机组进行仿真，在负荷L2处增加20MW的负荷干扰，20MW负荷干扰加入时间为系统运行到20s时，可得到整个系统的调频过程，以及各个发电机在调频过程中的有功输出变化。仿真结果如图3、图4所示。
如图4所示，在电力系统启动运行20s后，负荷L2处突然增加20MW的负荷所引起的频率变化图，在经过系统的惯量响应与一次调频之后恢复到稳定状态。由图3、图4可知传统电力系统在出现负荷扰动时，系统的同步发电机惯量充足，均可以激发同步发电机转子释放转子动能去抵消系统出现的不平衡功率，大量的同步发电机可以为系统提供充足的旋转惯量支撑电网频率稳定，并在系统受扰之后，同步发电机由于系统内部转子的旋转惯量释放，在短时间内将迅速增加自身输出功率抵御系统不平衡功率对电网频率稳定的冲击。
Claims (5)
1.一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：根据电力系统对同步发电机惯量的定义，得到同步发电机系统惯量常数，并得到没有风电机组接入时，含/>台同步发电机系统总惯量/>，类比/>得到风力发电系统的广义等效惯量常数/>；
Step2：根据同步发电机转子运动方程，得到发电机的惯量常数，将Step1中得到的类比/>进行推导；
Step3：联合Step1中没有风电机组接入时，台同步发电机系统总惯量/>，以及Step2中进一步推导的风力发电系统的广义惯量常数/>，获取当k台风电机组接入时，含/>台同步发电机系统的系统总惯量常数/>。
2.根据权利要求1所述一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，其特征在于，所述步骤Step1包括：
参照电力系统对同步发电机惯量的定义，使用来表征某台同步发电机的惯量，由此可得出系统惯量常数与同步发电机转动惯量关系：/>；
式中，为同步发电机对扰动后的系统惯量贡献值，转子转速为/>，/>为发电机额定功率；
含台同步发电机系统总惯量/>为：
；
式中，为系统中第/>台同步发电机的额定容量；
类比上式，得到；
式中：为风力发电机组的旋转动能，/>为风力发电机额定容量。
3.根据权利要求1所述一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，其特征在于，所述步骤Step2包括：
假设同步发电机的机械功率不变，那么由同步发电机转子运动方程可得，发电机的惯量常数；
式中，为原动机机械功率标幺值，/>为发电机输出电磁功率标幺值，/>为发电机转子同步角速度标幺值；
将Step1中得到的类比/>进行推导，具体如下：
；
由，则可将上式改写为：/>；
对等式两边的时间求积分，可得系统在时段受到扰动时，风力发电系统所对电网的广义惯量常数大小/>为：/>；
为系统频率标幺值，/>为风力发电系统的有功功率标幺值，/>为风力发电系统的有功负荷标幺值，/>为风力发电系统的有功功率缺额标幺值。
4.根据权利要求1所述一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，其特征在于，所述步骤Step3包括：
当k台风电机组接入时，含台同步发电机系统的系统总惯量常数：
；
式中，为第/>台同步发电机的惯量常数，/>为第/>台同步发电机额定容量；/>为第/>台风力发电机广义惯量常数，/>为第/>台风力发电机额定容量。
5.根据权利要求2所述一种新能源并网电力系统惯量需求量化方法，其特征在于：
所述同步发电机对扰动后的系统惯量贡献值为：；
式中，为系统阻尼系数，/>为发电机转子受扰前后的同步角速度之差，/>为系统的阻尼功率，/>为系统额定频率，/>为受扰动前后的频率变化量。
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| Title |
|---|
| 刘闯;孙同;蔡国伟;葛维春;葛延峰;闫玉恒;刘雨桐;: "基于同步机三阶模型的电池储能电站主动支撑控制及其一次调频贡献力分析", 中国电机工程学报, no. 15, pages 150 - 162 * |
| 赵杨阳;柴建云;孙旭东;: "基于虚拟同步发电机的柔性虚拟调速器模型", 电力系统自动化, no. 10, pages 8 - 15 * |
| 陈雪梅;陆超;韩英铎;: "电力系统频率问题浅析与频率特性研究综述", 电力工程技术, no. 01, pages 8 - 16 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116667462B (zh) | 2023-09-29 |
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