CN117175656B - 一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于频率轨迹的新型电力系统支撑能力评估方法，属于电力评估技术领域。解决新型电力系统支撑能量评估受到限制，无法准确评估的问题。包括以下步骤：参考过程的选取；参考过程的频率信息整定计算；构网型储能等效模型建立；采集待评估过程的频率信息；对获取的频率信息进行预处理；结合参考频率轨迹，选定重点监测时段，进行等效惯性时间常数的求取，获得衡量系统惯量支撑能力的量化评估指标。本发明提供的评估方法仅需要采集系统频率变化过程中的少量信息，且对于数据处理的要求不高，可以利用量化评估的方法分析得到新型电力系统的惯性支撑能力大小，具有数据需求较少，评估结果清晰准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，属于电力评估技术领域。
背景技术
新型电力系统的是以新能源发电为主体，以风电、光伏为主的新能源场站的大量引入使电力产业逐渐向具备了清洁低碳的特性。在新型电力系统中，大量火电机组为新能源场站所取代。这削弱了电力系统本该具备的调频能力、使其频率稳定能力受到严峻挑战。此外，由于新能源场站大多运行在最大功率点跟踪(MPPT)模式下，导致没有为系统直接提供备用惯量的能力，在新型电力系统中系统中呈现低惯性、弱抗干扰能力的特征。新型电力系统的中新能源场站的特性导致电网系统强度低，容易发生波动，抗干扰能力弱，甚至存在全面崩溃及大面积停电的风险，其运行特性正发生深刻变化，在多时间尺度上的功率和能量平衡亦面临新的重大挑战。
对于支撑能力评估方面，经典的理论分析方法是将系统中各机组和负荷聚合后构成一类低阶的单机带集中负荷等值系统。在该种简化的研究模型中，常假设各机组间联系紧密且忽略电气距离导致的机间振荡、电压水平波动、网损等因素影响，多用于模拟发电资源相对集中、电网出现重大事故后的孤岛运行等系统场景，也可用于辅助低频减负荷装置的整定计算。由于该种模型忽略了不同电气位置机组(观测点)频率动态响应的差异性，故由此衍生出的系统频率响应模型(System Frequency Response，SFR)、系统惯性中心(Centre ofInertia，COI)频率聚合模型、平均系统频率模型(Average System Frequency，ASF)等单机尺度的研究方法将扰动后的系统频率响应轨迹近似等效为光滑的指数型曲线。
在机电暂态时间尺度下，研究电力系统频率稳定和惯量支撑能力的常规思路是将扰动后的频率动态响应过程量化处理为若干关键指标，通过频率变化率(rate of changeof frequency，ROCOF)、暂态频率跌落极值((Nadir Frequency，NF)、稳态频率偏差等一系列特征量详细描述系统受扰后的频率动态过程，以便直观判定系统运行态势并提出相应的解决措施。在实际运行场景中，一些因素会影响惯量评估的精度，比如，采样频率计算频率变化率(rate ofchange of frequency，ROCOF)，确定扰动发生的时间等。
储能系统作为一种调节速度较快，功率和容量配置灵活以及适用范围广的资源，被视为快速频率控制的重要组成部分。面对新能源发电固有的强随机性、波动性和间歇性对电力系统安全稳定运行所造成的不良影响，合理配置储能可以有效改善新型电力系统中存在的短路容量以及转动惯量缺失等问题。
因此，亟需提出一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决新型电力系统支撑能量评估受到限制，无法准确评估的问题，提供一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，包括以下步骤：
步骤一：参考过程的选取；
步骤二：参考过程的频率信息整定计算；
步骤三：构网型储能等效模型建立；
步骤四：采集待评估过程的频率信息；
步骤五：对获取的频率信息进行预处理；
步骤六：结合频率信息，选定重点监测时段，进行支撑能力量化评估指标的获取，获得衡量系统惯量支撑能力的量化评估指标，评估构网型储能对新型电力系统支撑能力的提升作用。
优选的：步骤一中，将物体所受的部分外力对运动状态的影响等效视为物体固有惯量属性的补充修正，进而将物体的惯量支撑能力概念得以扩展，将物体原有的惯性描述和部分外力作用下产生的惯性补充修正相结合，可以视为一种描述系统惯量支撑能力的等值惯性常数；
设惯性系统的一阶惯性分量的动力学方程为：
式中，M为系统的一阶固有惯性时间系数，ω为旋转速度，∑T为合外力矩；T1和T2分别代表刚体所受的两个外力矩，在保持旋转加速度不改变的前提下，可以将式(1)变换为以下形式：
其中：
MEQ＝M+ΔM(T2) (4)
式中，惯性等值修正量ΔM(T2)，拓展后的广义惯性MEQ；
基于同步机组的转子运动方程，反映出同步机组的功率-频率特性：
式(5)中，J为转子转动惯量，D为阻尼系数，δ为同步机组的转子角度，Pe和Pm分别为同步机组的电磁功率和机械功率，f0为系统额定频率，f为系统频率，Δf＝f-1为频率变化量；
忽略系统中的阻尼系数影响，并且禁止系统中其他调节系统，得到惯性时间常数表达形式：
对于由旋转元件提供的固有惯性部分，根据电力系统的摇摆方程以及下垂控制的内容，看作有功下垂系数，而静止元件提供的惯性部分可以利用惯性动力方程，结合电力系统的特性进行表示；
结合摇摆方程与惯性动力学方程，可以描述电力系统的频率轨迹变化特性：
式中：M(t)、f(t)分别表示时变惯性时间系数与系统频率，为频率的变化率，ΔP(t)表示由系统内外部功率不平衡量形成的扰动项；
对电力系统，在A和B为两种由不同扰动事件和新型电力系统中的设备及控制装置相继动作与联合作用构成的条件下，产生的时变频率轨迹信号为fA(t)和fB(t)；由式(7)可知，二者应分别满足：
系统受扰后的少量高阶动态分量均可等效为两式中不平衡功率项和惯性时间系数的差异，当选定A过程为参照过程时，最终推导出B的等效惯性时间系数：
ΔPBA(t)＝ΔPB(t)-ΔPA(t) (9)
式(10)可以简化为：
式中：MBEQ(t)为B过程的等效惯性时间系数,ΔPBA(t)为B过程相对于A过程的不平衡功率增量；
因此，利用式(8)和式(11)中A过程功率不平衡量的两种表达形式，联立二式，可以得到B过程等效惯性时间系数关于两个过程频率信息与A过程惯性时间系数的关系，即式(13)和式(14)：
MBEQ(t)＝E(t)MA(t) (13)
式中，E(t)定义为过程B相对于过程A的瞬时等效惯性时间增益系数；
对于A过程进行频率轨迹信息的求取以及惯性时间常数参考的计算可以依照相关系统稳定运行规则进行整定，设定该过程为一定容量的系统持续经受一定程度扰动下的频率跌落过程，根据式(7)可得：
式中，Mref为惯性时间常数参考，fref和分别为A过程的频率轨迹信息，ΔPref为A过程所遭受的不平衡功率扰动。
优选的：步骤二中，利用参考过程所依托的频率关系，可以通过差分方程关系进行参考过程频率轨迹的计算，设差分时间的步长为Δt，截止时间为tj，从t＝0开始，一共需要迭代N＝tj/Δt步，其中在系统未遭受扰动时，其初始的频率标幺值为1，基于式(15)，可以确定其初值条件为：
而利用差分方程中的迭代关系，可以逐步计算得到参考过程各个位置的频率信息，下面给出迭代计算通式的表达形式，已知n-1步的频率轨迹信息时求取n步的相关信息：
对参考过程整定，整定过程参考式(7)可得：
MBEQ(t)＝αE(t)Mref (19)
其中，
式中，参考过程的频率信息与惯性时间常数均已知，B过程为待评估的过程，其频率信息根据实际电力系统运行情况可以监测得到，α为待检测过程相比于参考过程的容量倍数。
优选的：步骤三中，从同步发电机转子动能的方面，可以推导得到系统频率与虚拟惯性，储能单元容量等参数之间的关系；系统在额定转速ΩN正常运行时，同步机转子以额定转速转动的动能Wk为：
式中J为转子转动惯量，单位为kg·m2；ΩN为同步发电机转子额定机械角速度，PN为同步机的额定功率；
根据发电机转子惯性时间常数T的物理意义，T为在施加了额定转矩Tm后，转子从静止状态加速到额定状态时所经过的时间，即为：
当同步发电机的极对数为1时，转子的机械角速度与电角速度相同，因此可以得出转子惯性时间常数的表达式：
对于同步发电机，当转速发生变化时，转子动能也会发生变化，其能量变化的形式为输出有功功率的增减，若设置设零时刻转子转速为额定转速ω0，而在时刻t，转子动能的变化量，即输出电磁功率在0～t时刻上累计的能量变化量为：
根据功率的物理意义可知，在时刻t，输出的有功功率为该能量的微分：
式中，f(t)为系统的瞬时频率，利用转子惯性时间常数的表达式，可以得到由转动惯量的频率表达形式以及转子动能变化输出的瞬时电磁功率表达式：
在电力系统中，系统整体的频率变化的成都不会太大，因此可以做出系统瞬时频率与额定频率近似相等的假设，瞬时功率的表达式可以简化为：
其中Tt为一阶惯性环节的时间常数，T和PN分别为转子惯性时间常数和储能模型的额定功率；根据转子运动方程与动能表达形式的角度，可以完成构网型储能等效模型的建立。
优选的：步骤四中，对频率数据进行去噪处理；对在线应用场景，数据主要源自系统中配置的量测装置和频率传感设备；对离线应用场景，数据主要源自仿真结果。
优选的：步骤五中，对滤噪后的频率信号进行再处理，基于线性拟合或者滑动平均法均可以最大程度消除频率信息中周期性分量的影响，只保留由于惯量支撑能力所产生的频率非周期性变化，进而完成对待评估对象的准确辨识。
优选的：步骤六中，对B过程进行支撑能力评估，监测得出B过程的各项瞬时信息，针对重点时段T＝[tb,te]，计算等效惯性时间系数的平均值，即：
得出能够准确反映过程B支撑能力特征的等效惯性时间常数，达到仅采集频率轨迹信息，就可以获取评估系统惯量支撑能力的量化评估指标。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的评估方法依据为惯性动力学方程，参考过程的获取基于相关导则，整定过程不需要对新能源电源和电力电子装置的内部特性进行足够充分的认知，对于惯量支撑能力的评估适用范围广泛，参考过程的整定简单，适应新标准的能力强，具有适用范围较广的优势；
2.本发明提供的评估方法仅需要采集系统频率变化过程中的少量信息，且对于数据处理的要求不高，可以利用量化评估的方法分析得到新型电力系统的惯性支撑能力大小，具有数据需求较少，评估结果清晰准确的优点；
3.本发明从动能原理角度将构网型储能单元进行了等效模型建立，适当忽略了其内部的控制原理，建立了能反映构网型惯量支撑能力特性的构网型储能机电暂态模型，使其更加适用于现有的电力系统暂态分析环境；解决了现有对构网型储能系统稳定性的评估大多从控制理论的角度进行研究，缺乏电力系统层面的稳定能力提升表述的问题。
附图说明
图1是本发明参考过程的频率信息及参考惯性时间常数获取流程；
图2是本发明采集频率信息获取系统等效惯性量化评估指标的流程；
图3是电力系统固有惯性及拓展惯性；
图4是构网型储能模型示意图；
图5是构网型储能惯量评估等效模型；
图6是8机36节点交流系统结构；
图7是根据评估方法获得的三种过程频率信息及其等效惯性时间系数。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，虽然新型电力系统在网架结构与运行特性上相比于传统电力系统有着显著不同，使得有关系统支撑能力的研究受到挑战，但是新型电力系统仍然属于惯性系统这一本质属性没有改变；因此，仍可针对复杂的新系统环境，通过监测系统中诸多节点的频率轨迹信号，分析新型电力系统惯量支撑能力的时空分布情况；本发明针对现有支撑能力评估方法中采集多项信号的不足，基于新型电力系统运行特性，提出仅需采集少量频率信息即可评估新型电力系统惯量支撑能力的等效惯性时间常数整定方法，首先根据新型电力系统的稳定运行指标与电网调控要求，结合惯性系统动力学基本原理，整定得到新型电力系统在典型运行场景下的标准频率变化情况并计算得出能够反映其惯量支撑能力的量化指标，其次基于电力系统检测与仿真平台，获取所需评估的电力系统受到一定扰动后的暂态频率变化过程，然后利用数据处理方法对获取到的暂态频率变化信息进行预先整定，之后结合标准频率变化情况以及经整定后的新型电力系统实际的频率轨迹信息，计算得出能够反映该过程惯量支撑能力的量化评估指标，完成对新型电力系统惯量支撑能力的时空分布特性的分析与支撑能力评估；标准频率变化情况参照《节能发电调度办法实施细则》和《电力系统自动低频减负荷技术规定》等相关导则要求进行整定；电力系统检测与仿真平台选取为电力系统综合稳定分析程序(Power System Analysis SoftwarePackage,PSASP)；本发明所依据的技术原理为系统惯性动力学方程和电力系统暂态稳定机理；
包括以下步骤：
步骤一：参考过程的选取；
步骤二：参考过程的频率信息整定计算；
步骤三：构网型储能等效模型建立；
步骤四：采集待评估过程的频率信息；
步骤五：对获取的频率信息进行预处理；
步骤六：结合频率信息，选定重点监测时段，进行支撑能力量化评估指标的获取，获得衡量系统惯量支撑能力的量化评估指标，评估构网型储能对新型电力系统支撑能力的提升作用。
具体实施方式二：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，步骤一中，传统电力系统中，自身所具备的惯性属性主要来源于电源侧与负荷侧中存在的旋转元件中所储存的惯量，该惯量一般指的是转动惯量，而在传统电力系统向着以新能源为主体的新型电力系统发展的过渡过程中，以风光为主的新能源电源将大量并网，并且大量电力电子装置同时引入到系统之中，这使得新型电力系统惯性的时空分布情况与原来相比发生了明显的改变；为了评估大量新能源场站引入后的新型电力系统的惯量分布情况，进而量化分析电力系统源网侧频率和惯量支撑能力；
根据经典力学理论，即牛顿第一定律，可以客观地认为物体或系统均具有惯性，在运动过程中，惯性的作用表现为阻碍物体或者系统运动状态改变的效应，惯性的主要影响因素为自身储存的能量；又根据牛顿经典力学原理，运动状态的变化体现为在受到外界力的作用下，物体或系统产生了一定的加速度，致使其运动速度得到了一定程度上的改变；因物体或系统本身客观地存在着一定惯性(主要影响因素为质量)，故受其固有惯性的限制作用，由其所受的合力所产生的加速度表现为具有一定数值的特性；
若物体与物体之间存在着一定的联系，不仅物体自身所具备的惯性会对自身的运动状态，也就是速度与加速度，产生影响外，施加于物体之上的其他外力(等效为系统中其他物体对其施加的作用力和力矩，也可以表现为功率和转矩)，也会与其本身具备的惯性产生协同作用，共同影响其运动状态；在这种情况下，可以将物体所受的部分外力对运动状态的影响等效视为物体固有惯量属性的补充修正，进而可以将物体的惯量支撑能力概念得以扩展，将物体原有的惯性描述和部分外力作用下产生的惯性补充修正相结合，可以视为一种描述系统惯量支撑能力的等值惯性常数；
旋转惯性系统的刚体动力学公式为：
式中，M为系统的一阶固有惯性时间系数，ω为旋转速度，∑T为合外力矩；T1和T2分别代表刚体所受的两个外力矩，在保持旋转加速度不改变的前提下，可以将式(1)变换为以下形式：
其中：
MEQ＝M+ΔM(T2) (4)
式中，固有惯性M和惯性等值修正量ΔM(T2)的综合作用，即视为拓展后的广义惯性MEQ，通过等式之间的转换可以说明，等值前后的系统，若在相同的外力作用下，产生相同的加速度，进而形式一直的运动轨迹，即惯性系统具有运动轨迹的保持性，这一性质属于惯性系统动力学等效的前提条件；
对于电力系统而言，将源自旋转惯量的固有惯性(来源一)和源自多种控制措施和静止型元件的综合惯性(来源二)相结合，可以看作描述电力系统的等效惯性，等效惯性可以表示新型电力系统的惯性水平与支撑能力，在运动频率运动轨迹。
对于电力系统的固有惯性，主要由传统电力系统中的旋转元件提供，在传统电力系统的电源侧与负荷侧，以火电为主的同步发电机组与调相机组被认为是电力系统固有惯量的主要提供来源；基于同步机组的转子运动方程，即摇摆方程，可以反映出同步机组的功率-频率特性：
式(5)中，J为转子转动惯量，D为阻尼系数，δ为同步机组的转子角度，Pe和Pm分别为同步机组的电磁功率和机械功率，f0为系统额定频率，f为系统频率，Δf＝f-1为频率变化量；
若在忽略系统中的阻尼系数影响，并且禁止系统中其他调节系统(如调速系统与励磁调压系统)的条件下，可以得到系统所具备的惯性时间常数表达形式：
与式(6)对应的旋转惯量Me主要反映电力系统固有的惯量支撑能力；对实际运行中的系统而言，惯量支撑能力所保持的水平应根据相关技术要求等进行合理整定，由此整定的惯性时间常数，可作为一项基准频率整定要求，为后续对实际过程的惯量支撑能力衡量提供参考；
对于电力系统的拓展惯性部分，在新型电力系统中，惯量的时空分布特性发生了明显改变，新能源机组的引入减少了传统同步机组，削弱了系统惯量支撑水平，降低了系统维持运行频率稳定的能力；为了适当增加系统的暂态频率稳定性，新型电力系统在电源侧、电网侧、负荷侧等多方面引入了大量控制措施；图3中，除固有惯量以及发生节点扰动情况以外，在电源侧的基于多角度的频率附加调控策略、基于电网侧调控需要的主动而快速频率调节措施，以及负荷侧根据静止元件的功-频静特性提供的基于功率变化量的自动调节措施，均可看作提升了新型电力系统在遭受一定扰动后的频率维持稳定的能力；尽管这些措施在实现频率稳定的具体策略上不尽相同，但它们均通过设计合理的参量调控策略、向其所在的电力系统相关节点进行功率调节；根据这一角度，当多种调控措施和负荷调节效应作用时，可以等效看作这些控制策略在对原有电力系统的固有惯性进行一定程度上的修正，这些效应通过控制参量注入的方式，等效改变了原有的惯量支撑能力；
式(6)虽然具有明确的物理意义，可以明确计算得到衡量系统惯量水平的惯性时间常数，但由于式中的电磁功率与机械功率中含有其附加的多种控制策略的影响，具体精确的功率值难以获取，无法直接使用该表达式计算得出惯性时间系数，因此，在新型电力系统多影响因素共同作用的条件下，获取系统各处惯量支撑能力及其分布特性，使用现有方法普遍存在不小的困难，需要基于其他角度进行等值简化，在后文中将对惯性时间系数的等值简化进行详细分析；
由电力系统拓展惯性的特点可知，电力系统拓展惯性及其作用效果，具有比较明显的时空分布性质与动态响应；由于不同调控策略在类型与参数、所处位置、与其他控制策略配合产生的联合效应等方面可能存在显著不同，导致系统整体的功率不平衡量在多系统节点之间的分配格局的不同，即具有参量分配相对不均的特性，这种特性较为直观的体现在系统发生节点扰动的初期各监测点频率变化步调不一致且后续动态过程复杂；因此，可以通过监测多个交流节点的频率轨迹信号，考察系统不同位置等效惯性时间系数的分布特点；对单个发电机组而言，在系统扰动初期的短时间内，其频率轨迹发生的变化满足近似线性的关系，利用该时间段内的频率变化率可以反映该机组目前所具有的支撑能力水平；但随着扰动过程所产生的影响持续作用，系统中存在的各种调频措施，如一次调频环节，逐渐发挥作用，系统各位置的频率变化逐渐转变为非线性过程；
系统的约束条件包括等式约束和不等式约束，对于由旋转元件提供的固有惯性部分，根据电力系统的摇摆方程以及下垂控制的内容，可以近似看作有功下垂系数，而静止元件提供的惯性部分可以利用惯性动力方程，结合电力系统的特性进行表示；
结合摇摆方程与惯性动力学方程，可以描述电力系统的频率轨迹变化特性：
式中：M(t)、f(t)分别表示时变惯性时间系数与系统频率，为频率的变化率，ΔP(t)表示由系统内外部功率不平衡量形成的扰动项；
对某新型电力系统，记在A和B为两种由不同扰动事件和新型电力系统中的设备及控制装置相继动作与联合作用构成的条件下，产生的时变频率轨迹信号为fA(t)和fB(t)；由式(3)可知，二者应分别满足：
式中MA(t)和MB(t)为A过程和B过程的惯性时间系数，ΔPA(t)和ΔPB(t)分别为A过程和B过程中的功率不平衡量，由式(8)可知，只要扰动事件和新型电力系统中的设备及控制装置综合作用产生的参量变化情况(功率/频率/电压等)存在差异，就会形成不同的两个动态过程A和B；其中，系统受扰后的少量高阶动态分量均可等效为两式中不平衡功率项和惯性时间系数的差异，当选定A过程为参照过程时，B过程的相对功率不平衡量可设置为：
ΔPBA(t)＝ΔPB(t)-ΔPA(t) (9)
结合式(9)中相对不平衡量表达形式，将其代入式(8)中A过程功率不平衡量表达式，可以得到A过程功率不平衡量与B过程频率信息之间的关系：
设MBEQ(t)为B过程的等效惯性时间系数，式(10)可以简化为：
由于B过程一般为被评估其内在惯量支撑能力的过程，其本身的惯性时间常数与相对功率增量难以获取，因此虽然该式具有清晰的物理含义，但用于直接计算等效惯性时间常数不符合采集少量频率信息即可评估系统支撑能力的要求；
因此，利用式(8)和式(11)中A过程功率不平衡量的两种表达形式，联立二式，可以得到B过程等效惯性时间系数关于两个过程频率信息与A过程惯性时间系数的关系，即式(13)和式(14)：
MBEQ(t)＝E(t)MA(t) (13)
式中，E(t)定义为过程B相对于过程A的瞬时等效惯性时间增益系数；式(13)和(14)说明：只需采集过程A和B的频率轨迹信息，得到两个过程的频率以及频率变化率，就可以求得过程B相对于过程A的惯性时间系数，并由此获得过程B的等效惯性时间系数；这两个系数均为时变量，与两个过程的瞬时频率及其变化率有关；
可以利用E(t)与MA(t)之间的数值正负关系，判断过程B相对于过程A的维持系统频率稳定，提供系统暂态惯量支撑能力的变化情况，基于实际运行场景，电力系统属于惯性系统，其中大多数节点均具有一定的维持运动状态不变的能力，因此一般MA(t)＞0；在时间段，若E(t)＞1，则说明过程B相对于过程A的暂态惯量支撑能力得到增强；若1＞E(t)＞0，则说明过程B相对于过程A的暂态惯量支撑能力得到削弱，但MBEQ(t)仍保持正值；若E(t)＜0，则说明过程B相对于过程A的暂态惯量支撑能力被削弱，并使MBEQ(t)变成负值，而MBEQ(t)这一指标变为负值说明在过程B中存在的一些设备或者策略对于系统频率稳定造成了负面的影响，意味着在有关设备和控制措施的过程中，对频率的调节存在着不良效果，该过程中的相关策略以及使用的设备需要得到一定程度的调整，或者添加一些附加的控制策略使该位置的惯量支撑能力得到提高；
在使用等效惯性常数指标对新型电力系统的惯量时空分布进行评估时，需要获取多个系统遭受扰动后的频率变化过程，由于本评估方法最终所要得到的是能够描述系统支撑能力的评估指标，该指标需要将其中一个过程设置为参考过程，其余的一系列过程通过与参考过程进行比对，最终获取到能够描述系统中任意过程惯量支撑能力的量化指标；
根据前文分析可知，若想评估任意过程(类比前文分析过程，设该过程为B过程)的等效惯性时间常数MBEQ(t)，首先需要设定一个参考过程(设该过程为A过程)，由于A过程为参考过程，该过程的确定与选取可以不依赖与实际运行场景中存在的运动过程，并且对于B过程而言，只要参照的过程均为同一个过程，最终得到的等效惯性时间系数都可以反映出其在受到扰动下的惯量支撑能力，因此可以事先根据一些规则可以整定出A过程的相关指标，在本评估方法中，A过程的整定所参考的有关规则《节能发电调度办法实施细则》和《电力系统自动低频减负荷技术规定》等，若有新型电力系统中相关规定与导则出台，依照后文所介绍的参考过程整定方法，可以将参考过程按照使用人的需求进行整定；
对于A过程进行频率轨迹信息的求取以及惯性时间常数参考的计算可以依照相关系统稳定运行规则进行整定，设定该过程为一定容量的系统持续经受一定程度扰动下的频率跌落过程，根据式(7)可得：
式中，Mref为惯性时间常数参考，fref和分别为A过程的频率轨迹信息，ΔPref为A过程所遭受的不平衡功率扰动，而对于参考频率轨迹的跌落情况，同样依照相关规定进行设置，根据《电力系统自动低频减负荷技术规定》中对于频率的相关要求，可以将频率轨迹的具体跌落情况设置为在持续时间1秒后，系统频率的最大跌落不超过49Hz。
具体实施方式三：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，步骤二中，利用参考过程所依托的频率关系，可以通过差分方程关系进行参考过程频率轨迹的计算，设差分时间的步长为Δt，截止时间为tj，从t＝0开始，一共需要迭代N＝tj/Δt步，其中在系统未遭受扰动时，其初始的频率标幺值为1，基于式(15)，可以确定其初值条件为：
而利用差分方程中的迭代关系，可以逐步计算得到参考过程各个位置的频率信息，下面给出迭代计算通式的表达形式，已知n-1步的频率轨迹信息时求取n步的相关信息：
通过二元一次方程的求解方法可以逐步计算得到参考过程各个时间节点的频率信息，进而整定得到参考过程的频率信息，若将功率不平衡增量ΔPref设置为-0.1pu，系统频率跌落设置为49Hz，可以通过微分方程的求解方法或者幅值循环求解的方法确定惯性时间常数参考值为Mref≈5.05；
通过对参考过程，即A过程的整定，可以确定参考过程的频率信息以及其本身的惯性时间常数参考，虽然整定的频率信息是一个时变的过程，但通过此方法可以利用惯性时间常数指标来对系统过程中所蕴含的惯量支撑能力进行量化评估，将该过程作为其他需评估过程的参考，并用该参考过程度量其他过程时，便可以确定一个唯一的度量结果，该结果可以用于衡量本次过程中系统所体现出的惯量支撑能力，整定过程参考式(7)可得：
MBEQ(t)＝E(t)MA(t) (19)
其中，
式中，参考过程的频率信息与惯性时间常数均已知，B过程为待评估的过程，其频率信息根据实际电力系统运行情况可以监测得到，α为待检测过程相比于参考过程的容量倍数。
具体实施方式四：结合图4-5说明本实施方式，本实施方式的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，步骤三中，电网的频率变化往往由系统的功率不平衡(输入、输出功率不平衡)冲击引起，在此过程中，网内的各同步机都将感受到不平衡功率的作用，在不平衡功率(转矩)的作用下，各同步机状态变量的响应可以通过转子运动方程描述；
在系统频率发生变化时，网内各发电机的转子速度基本同步变化，在此过程中，发电机转子的动能也在相应发生变化，在假设施加到转子上的机械输入功率保持不变时，转子动能的变化量将以发电机电磁功率的形式注入电网中，此功率即为惯量支撑功率；
构网型储能系统主要包括储能系统和构网型控制的变流器，其拓扑结构如图1所示；其中构网型控制采用虚拟同步机控制方法，包括虚拟调速器、转子机械方程、虚拟励磁调节器和定子电气方程，虚拟调速器、转子机械方程、虚拟励磁调节器、定子电气方程、储能系统顺次电性连接，储能系统将电力系统中多余的电能转换为其他形式存储，并在需要时再次将其转换回电能形式供应给电力系统使用；储能系统能够平衡电力系统的供需关系，提高电力系统的可靠性和稳定性，增强电力系统对突发负荷变化和电力质量问题的应对能力；
构网型储能系统具有一定的惯量支撑功能，也可以称为惯量响应(inertiaresponse)，一般来说惯量响应会在系统频率发生变化的过程中得到体现，虚拟同步发电机输出的有功功率可以根据系统频率的变化进行响应，进而实现降低系统频率变化率，实现系统频率稳定的功能；
从同步发电机转子动能的方面，可以推导得到系统频率与虚拟惯性，储能单元容量等参数之间的关系；系统在额定转速ΩN正常运行时，同步机转子以额定转速转动的动能Wk为：
式中J为转子转动惯量，单位为kg·m2；ΩN为同步发电机转子额定机械角速度，PN为同步机的额定功率；
根据发电机转子惯性时间常数T的物理意义，T为在施加了额定转矩Tm后，转子从静止状态加速到额定状态时所经过的时间，即为：
当同步发电机的极对数为1时，转子的机械角速度与电角速度相同，因此可以得出转子惯性时间常数的表达式：
对于同步发电机，当转速发生变化时，转子动能也会发生变化，其能量变化的形式为输出有功功率的增减，若设置设零时刻转子转速为额定转速ω0，而在时刻t，转子动能的变化量，即输出电磁功率在0～t时刻上累计的能量变化量为：
根据功率的物理意义可知，在时刻t，输出的有功功率为该能量的微分：
式中，f(t)为系统的瞬时频率，利用转子惯性时间常数的表达式，可以得到由转动惯量的频率表达形式以及转子动能变化输出的瞬时电磁功率表达式：
在电力系统中，系统整体的频率变化的成都不会太大，因此可以做出系统瞬时频率与额定频率近似相等的假设，瞬时功率的表达式可以简化为：
最终同步机在系统频率变化过程中由于转子动能变化而释放或吸收的电磁功率表达式，可以简化为如上式所示的形式；通过表达式可以看出，同步机惯量支撑功率与系统频率的微分值(即频率变化率)的相反数成正比，因此可以将VSG的惯量支撑能力简化看做是对系统频率的微分反馈控制，将同步机中的转子惯性时间常数，同步机额定功率，基于自动控制原理进行参数设计，即可得到构网型储能的简化控制模型；
对于系统频率急剧变化的场景，惯量支撑所提供的瞬时输出可以达到额定值的百分之十几，根据自动控制原理，这个瞬间不平衡功率可能会对系统产生较大的冲击，从而影响系统整体的稳定性运行，所以在设计惯量支撑功能时，可以在微分环节后再加入一个时间常数可调的一阶惯性环节进行缓冲，这样可以得到基于转子动能角度的构网型控制的简化模型，并将该调节模型引入电力系统之中进行暂态过程分析，验证其调节能力，其中Tt为一阶惯性环节的时间常数，T和PN分别为转子惯性时间常数和储能模型的额定功率；
根据转子运动方程与动能表达形式的角度，可以完成构网型储能等效模型的建立，进而为构网型储能接入新型电力系统后的支撑能力提升评估奠定基础；本发明从动能原理角度将构网型储能单元进行了等效模型建立，适当忽略了其内部的控制原理，建立了能反映构网型惯量支撑能力特性的构网型储能机电暂态模型，使其更加适用于现有的电力系统暂态分析环境；
本发明以电力电子装置为接口的储能系统(如储能变流器)凭借其快速调节能力，将构网型控制技术与储能单元相结合，其综合性能可与常规发电机相媲美，理想状态下可完美替代同步发电机在系统中的作用，有望成为稳定常规机组出力和平抑高比例新能源波动的有效手段；在“双高”新型电力系统中，具有电压支撑和主动惯量支持特性，可代替同步机实现电网支撑，且具备在无需外电网的情况下带负荷运行的能力，进而维持电力系统稳定性，构网型储能运行原理是通过变流器经过阻抗向系统并网点提供一个具有一定维持能力的电压源，并内置功率同步，实现等效惯量和系统强度支撑。
具体实施方式五：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，步骤四中，因本评估方法采集的频率轨迹信号要满足一阶惯性系统动力学方程，故为保证评估质量，需对采集信号进行适当预处理；首先对频率数据进行去噪处理，常用方法有线性拟合法、最小二乘拟合法、人工智能法等，不同的数据来源和处理方法会导致测频结果出现一定差异；对在线应用场景，数据主要源自系统中配置的量测装置(PMU、WAMS)和频率传感设备；对离线应用场景，数据主要源自商用软件(如PSASP、BPA等)的时域仿真结果。
具体实施方式六：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，步骤五中，为消除周期性振荡对频率总体跌落过程评估的不良影响(表现为频率变化率出现短时剧烈变化的现象以致计算得出的等效惯性时间系数等参量也出现剧烈变化甚至正负交替的情况)，可以对滤噪后的频率信号进行再处理，基于线性拟合或者滑动平均法均可以最大程度消除频率信息中周期性分量的影响，只保留由于惯量支撑能力所产生的频率非周期性变化，进而完成对待评估对象的准确辨识。
具体实施方式七：结合图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，步骤六中，首先结合构网型储能惯量评估等效模型的形式，将其接入新型电力系统对应节点之中，一般将构网型储能模型接入新能源场站侧，使其调峰调频、平抑新能源出力不确定性的能力得到最大程度的体现；
对新型电力系统设置一定的节点扰动情况，通过商用软件(如PSASP等)获取在构网型储能等效模型接入前后新型电力系统节点的暂态频率信息；再利用量化指标评估方法对新型电力系统暂态过程(下文简称为B过程)进行等效惯性时间常数的求取，通过比较构网型储能接入前后所获取惯性时间常数指标的大小，评估构网型储能对新型电力系统支撑能力的提升作用；
对B过程进行支撑能力评估时，不仅可以监测得出B过程的各项瞬时信息，也可以针对重点时段T＝[tb,te]，计算等效惯性时间系数的平均值，即：
从实用的角度，可以在不影响频率信息准确性的前提下，综合考虑系统运行状态、控制策略配合关系等，灵活设置时段，进而通过计算平均值的方法，得出能够准确反映过程B支撑能力特征的等效惯性时间常数，达到仅采集频率轨迹信息，就可以获取评估系统惯量支撑能力的量化评估指标，而在获取了不同暂态过程的等效惯性时间常数指标后，通过对其大小与等效惯性时间增益系数的判断即可清晰获取到构网型储能系统接入新型电力系统之后对于其支撑能力的提升效用；
利用PSASP仿真平台，在8机36节点算例系统中在8机36节点算例系统中设置相应节点扰动，分别接入构网型储能调节模块与一次调频功能进行暂态计算和原始频率信息的采集，对获取到的频率信息进行一定预处理后，可以计算得出不同过程所对应的等小惯性时间系数指标，8机36节点系统示意图与其结果如图6和图7所示：
结合式(19)、(20)和(28)中的等效惯性时间常数和增益系数的求解方法，由于构网型储能接入前后待检测过程中的节点容量不会改变，因此可以得出三种暂态过程分别对应的等效惯性时间常数与等效惯性时间增益系数，其结果如下表1所示：
表1惯性指标评估结果
| 过程描述 | 原始过程 | 一次调频模型接入 | 构网储能模型接入 |
| 等效惯性时间常数 | 157.7 | 159.5 | 169.6 |
| 等效时间增益系数 | 1 | 1.011 | 1.063 |
可以发现，利用该评估方法仅需采集系统暂态过程中的少量频率信息，即可完成对于惯量支撑能力的量化评估，而根据等效惯性时间常数的大小可以清晰辨别出添加的储能模块对于某一节点的支撑能力提升效果，一般来说，添加构网型储能模块后，计算得出的等效惯性时间常数越大，其对于系统支撑能力的提升就越明显；
虽然新型电力系统在网架结构与运行特性上相比于传统电力系统有着显著不同，使得有关系统支撑能力的研究受到挑战，但是新型电力系统仍然属于惯性系统这一本质属性没有改变；本发明针对复杂的新系统环境，通过监测系统中诸多节点的频率轨迹信号，分析新型电力系统惯量支撑能力的时空分布情况，解决了构网型储能系统运行原理和现有支撑能力评估方法中采集多项信号的不足的问题。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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 (4)
1.一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：参考过程的选取；
步骤一中，将物体所受的部分外力对运动状态的影响等效视为物体固有惯量属性的补充修正，进而将物体的惯量支撑能力概念得以扩展，将物体原有的惯性描述和部分外力作用下产生的惯性补充修正相结合，视为一种描述系统惯量支撑能力的等值惯性常数；
设惯性系统的一阶惯性分量的动力学方程为：
式中，M为系统的一阶固有惯性时间系数，ω为旋转速度，∑T为合外力矩；T1和T2分别代表刚体所受的两个外力矩，在保持旋转加速度不改变的前提下，将式(1)变换为以下形式：
其中：
MEQ＝M+ΔM(T2) (4)
式中，惯性等值修正量ΔM(T2)，拓展后的广义惯性MEQ；
基于同步机组的转子运动方程，反映出同步机组的功率-频率特性：
式(5)中，J为旋转惯量，D为阻尼系数，δ为同步机组的转子角度，Pe和Pm分别为同步机组的电磁功率和机械功率，f0为系统额定频率，f为系统频率，Δf＝f-1为频率变化量；
忽略系统中的阻尼系数影响，并且禁止系统中其他调节系统，得到惯性时间常数表达形式：
对于由旋转元件提供的固有惯性部分，根据电力系统的摇摆方程以及下垂控制的内容，看作有功下垂系数，而静止元件提供的惯性部分利用惯性动力方程，结合电力系统的特性进行表示；
结合摇摆方程与惯性动力学方程，描述电力系统的频率轨迹变化特性：
式中：M(t)、f(t)分别表示时变惯性时间系数与系统频率，为频率的变化率，ΔP(t)表示由系统内外部功率不平衡量形成的扰动项；
对电力系统，在A和B为两种由不同扰动事件和新型电力系统中的设备及控制装置相继动作与联合作用构成的条件下，产生的时变频率轨迹信号为fA(t)和fB(t)；由式(7)可知，二者应分别满足：
系统受扰后的少量高阶动态分量均可等效为两式中不平衡功率项和惯性时间系数的差异，当选定A过程为参照过程时，最终推导出B的等效惯性时间系数：
ΔPBA(t)＝ΔPB(t)-ΔPA(t) (9)
式(10)可以简化为：
式中：MBEQ(t)为B过程的等效惯性时间系数,ΔPBA(t)为B过程相对于A过程的不平衡功率增量；
因此，利用式(8)和式(11)中A过程功率不平衡量的两种表达形式，联立二式，可以得到B过程等效惯性时间系数关于两个过程频率信息与A过程惯性时间系数的关系，即式(13)和式(14)：
MBEQ(t)＝E(t)MA(t) (13)
式中，E(t)定义为过程B相对于过程A的瞬时等效惯性时间增益系数；
对于A过程进行频率轨迹信息的求取以及惯性时间常数参考的计算可以依照相关系统稳定运行规则进行整定，设定该过程为一定容量的系统持续经受一定程度扰动下的频率跌落过程，根据式(7)可得：
式中，Mref为惯性时间常数参考，fref和分别为A过程的频率轨迹信息，ΔPref为A过程所遭受的不平衡功率扰动；
步骤二：参考过程的频率信息整定计算；
步骤二中，利用参考过程所依托的频率关系，通过差分方程关系进行参考过程频率轨迹的计算，设差分时间的步长为Δt，截止时间为tj，从t＝0开始，一共需要迭代N＝tj/Δt步，其中在系统未遭受扰动时，其初始的频率标幺值为1，基于式(15)，可以确定其初值条件为：
而利用差分方程中的迭代关系，逐步计算得到参考过程各个位置的频率信息，下面给出迭代计算通式的表达形式，已知n-1步的频率轨迹信息时求取n步的相关信息：
对参考过程整定，整定过程参考式(7)可得：
MBEQ(t)＝αE(t)Mref (19)
其中，
式中，参考过程的频率信息与惯性时间常数均已知，B过程为待评估的过程，其频率信息根据实际电力系统运行情况可以监测得到，α为待检测过程相比于参考过程的容量倍数；
步骤三：构网型储能等效模型建立；
步骤三中，从同步发电机转子动能的方面，推导得到系统频率与虚拟惯性，储能单元容量等参数之间的关系；系统在额定转速ΩN正常运行时，同步机转子以额定转速转动的动能Wk为：
式中J为转子转动惯量，单位为kg·m2；ΩN为同步发电机转子额定机械角速度，PN为同步机的额定功率；
根据发电机转子惯性时间常数T的物理意义，T为在施加了额定转矩Tm后，转子从静止状态加速到额定状态时所经过的时间，即为：
当同步发电机的极对数为1时，转子的机械角速度与电角速度相同，因此可以得出转子惯性时间常数的表达式：
对于同步发电机，当转速发生变化时，转子动能也会发生变化，其能量变化的形式为输出有功功率的增减，若设置设零时刻转子转速为额定转速ω0，而在时刻t，转子动能的变化量，即输出电磁功率在0～t时刻上累计的能量变化量为：
根据功率的物理意义可知，在时刻t，输出的有功功率为该能量的微分：
式中，f(t)为系统的瞬时频率，利用转子惯性时间常数的表达式，可以得到由转动惯量的频率表达形式以及转子动能变化输出的瞬时电磁功率表达式：
在电力系统中，系统整体的频率变化的程度不会太大，因此做出系统瞬时频率与额定频率近似相等的假设，瞬时功率的表达式可以简化为：
其中Tt为一阶惯性环节的时间常数，T和PN分别为转子惯性时间常数和储能模型的额定功率；根据转子运动方程与动能表达形式的角度，完成构网型储能等效模型的建立；
步骤四：采集待评估过程的频率信息；
步骤五：对获取的频率信息进行预处理；
步骤六：结合频率信息，选定重点监测时段，进行支撑能力量化评估指标的获取，获得衡量系统惯量支撑能力的量化评估指标，评估构网型储能对新型电力系统支撑能力的提升作用。
2.根据权利要求1所述的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，其特征在于：步骤四中，对频率数据进行去噪处理；对在线应用场景，数据主要源自系统中配置的量测装置和频率传感设备；对离线应用场景，数据主要源自仿真结果。
3.根据权利要求2所述的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，其特征在于：步骤五中，对滤噪后的频率信号进行再处理，基于线性拟合或者滑动平均法均可以最大程度消除频率信息中周期性分量的影响，只保留由于惯量支撑能力所产生的频率非周期性变化，进而完成对待评估对象的准确辨识。
4.根据权利要求3所述的一种构网型储能提升新型电力系统支撑能力评估方法，其特征在于：步骤六中，对B过程进行支撑能力评估，监测得出B过程的各项瞬时信息，针对重点时段T＝[tb,te]，计算等效惯性时间系数的平均值，即：
得出能够准确反映过程B支撑能力特征的等效惯性时间常数，达到仅采集频率轨迹信息，就可以获取评估系统惯量支撑能力的量化评估指标。
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2023
- 2023-08-30 CN CN202311104602.7A patent/CN117175656B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117175656A (zh) | 2023-12-05 |
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