一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法

技术领域

本发明涉及一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法，属于电力系统新能源技术领域。

背景技术

2021年国家提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”的战略目标，正加速实施能源转型战略，加速推进新能源并网，构建以新能源为主体的新型电力系统。在上述背景下，未来电力系统不确定性、弱稳定支撑特征不断凸显，低惯量特性逐渐呈现，同时受电力电子器件并网的影响，新能源输出的有功功率不再与系统频率耦合，不能主动响应系统频率波动的需求，系统稳定性受到严重挑战。

当新能源并网后，由于新能源有功功率与系统频率解耦，本身不具备惯量支撑能力，会导致系统额定容量基数变大的同时降低整个系统的惯量水平，致使在低惯量电力系统中系统频率稳定能力减小，频率支撑能力降低。通过考虑在双馈风机以及储能提供一定惯量支撑功率情况下，利用转子运动方程及风储联合系统可输出的虚拟惯量响应功率构建在频率安全约束下的新能源渗透率计算方法。而目前对于新能源渗透率的计算，大多基于电力电量平衡状态下的，很少考虑系统频率稳定能力下的新能源渗透率计算方法；并且大多数在计算新能源渗透率时很少考虑新能源提供惯量支撑能力，所以本发明提出了在计及一定的风储虚拟惯量支撑情况下，且在满足频率安全约束情况下的计算新能源渗透率简便方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法，针对新能源并网问题，在考虑新能源及储能提供惯量支撑时，通过确定机组状况以及负荷水平来计算在满足系统频率安全约束的前提下，计算新能源渗透率。

本发明的技术方案是：一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法，基于电力系统受到功率扰动时发生频率不稳定的运行情况下，运用传统同步机组提供稳定的惯量支撑，运用虚拟同步技术控制风机以及储能对系统提供惯量支撑以及快速频率响应功率，在此前提下计及源荷的时序特性及各传统同步机组、双馈风机、储能的惯量支撑能力计算系统可承受的风电极限渗透率，具体步骤为：

Step1：获取当前区域电力系统结构及自身参数。

Step2：根据电力系统电源出力及负荷水平，利用转子运动方程确定系统频率稳定状态，若系统稳定则终止，系统不稳定则继续执行Step3。

Step3：根据电力系统中传统机组自身参数及机组开机状况，计算出当前系统各传统机组贡献的传统惯量。

Step4：根据双馈风机不同运行状态，确定双馈风机的虚拟惯量响应功率。

Step5：根据储能充放电特性及不同荷电状态，优化储能虚拟惯量及下垂充放电控制系数，最终确定储能装置的虚拟惯量响应功率。

Step6：根据上述确定的双馈风机及储能虚拟惯响应功率，量化双馈风机及储能装置的虚拟惯量支撑能量。

Step7：根据双馈风机及储能装置量化的虚拟惯量支撑能量，同时利用系统频率最低点及最大频率变化率作为系统频率安全约束。

Step8：据系统机组运行状况、风电出力特性及储能荷电状态，在确定出风储联合可对系统进行虚拟惯量支撑的前提下，计算当前电力系统的新能源渗透率极限值。

所述Step2具体为：

Step2.1：根据系统网络拓扑及各电源的时序出力特性，确定系统电源的功率。

Step2.2：根据系统负荷的时序出力特性，确定系统负荷扰动功率。

Step2.3：根据系统电源出力及负荷功率，利用转子运动方程确定系统频率是否处于动态稳定，具体为：

式中，

由于传统机组转子转速与系统频率耦合，当系统受到扰动时，此时系统功率不稳定，出现的不平衡功率将会通过发电机的转子运动方程影响到系统频率的动态响应过程，引起系统频率变化，而电源侧发出的机械功率不等于负荷侧从系统吸收的电磁功率，电力系统此时需要各机组提供惯量响应功率来抵抗系统频率变化，维持系统频率动态稳定。

所述Step3具体为：

采用如下算式根据传统机组的开机情况及惯性时间常数，确定第p台机组为系统提供的等效传统惯量：

式中，

所述Step4具体为：

Step4.1：风机转子所存储的旋转动能

式中，

根据风机转速变化得到由风机动能可增发的虚拟惯量响应功率：

式中，

其中，风机惯性时间常数为：

由于各机组自身额定参数标准众多，为方便统一计算参数，简便后续运算过程，根据风机转速变化得到由风机动能可增发虚拟惯量响应功率，通过标幺化统一参数标准，标幺过程为：

式中，

Step4.2：根据风机自身动能提供的能量，并利用风机转速表示风机各风速段的运行状态，得到不同风机运行状态下可提供的虚拟惯量响应功率，当风机转子的转速为

式中，

所述Step5具体为：

Step5.1：根据储能装置充放电特性，建立虚拟惯量支撑响应模型，确定储能装置可输出的虚拟惯量响应功率。

Step5.2：根据储能装置荷电状态，优化储能电池虚拟惯量响应功率控制函数中的虚拟惯量及虚拟下垂控制系数，最终得到控制系数优化后储能可输出的虚拟惯量响应功率。

所述Step6具体为：

Step6.1：根据风机牺牲动能可增发的虚拟惯量响应功率，量化出双馈风机的虚拟惯量支撑能量：

式中，

Step6.2：根据储能装置充放电特性及荷电状态可增发的虚拟惯量支撑功率，量化出储能装置的虚拟惯量支撑能量。

为要求储能系统在惯量响应环节释放的能量与同步发电机转子释放的动能相等，则可得到在相同时间段

式中，

所述Step7具体为：

Step7.1：在满足低频减载装置不触发动作信号的情况下，取低频减载装置第一轮动作频率作为系统频率最低点安全约束。

Step7.2：在满足系统历史受扰后系统频率动态稳定的情况下，取系统历史最大频率变化率作为系统频率变化率安全约束。

在电力系统发生扰动开始的初期阶段，由于发电机调速器等还来得及动作，此时电力系统的调频资源和手段较少，因此，此时的频率变化率将出现最大值，可以将此频率变化率最大值设置为系统频率调整的约束指标；同时，在低惯量的电力系统当中，频率的跌落深度也会增大，电力系统具有极大概率使频率下降到触发低频减载的频率水平，并且频率变化过大，系统频率跌落过于严重，将导致大量的新能源机组无法运行、电网崩溃。与现有技术相比，本发明同时利用了系统频率跌落最低点与系统频率变化率作为频率安全约束，减小了系统频率越限情况，能更准确地评估电力系统的新能源渗透率。

所述Step8具体为：

当系统满足频率安全约束下时，系统等效惯量水平为：

式中，M，K，L分别为提供惯量支撑的同步机组、风机以及储能装置数量，E为各资源所能提供惯量支撑的能量，S为全网各资源的额定装机容量。

新能源渗透率极限值为：

式中，

本发明的有益效果是：

1、本发明在系统稳定运行前提下，考虑除了传统方式下基于电力电量平衡的新能源渗透率计算，在此基础上加入了基于系统频率安全约束条件，分别在满足电力系统频率达到最低点不至于出发系统低频减载第一轮动作约束以及满足电力系统频率变化率达到历史数据最大频率变化率的安全约束下对新能源并网渗透率进行计算；

2、相比于新能源渗透率传统计算方式不考虑新能源机组提供惯量支撑情况下，本发明充分考虑双馈风机不同运行状态下实际可发出的惯量支撑功率，以及储能在自适应虚拟惯量及下垂控制提供惯量支撑情况下，计算在满足系统频率安全约束下的新能源渗透率；

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中三机九节点电力系统拓扑结构；

图2是本发明实施例中新能源渗透率0%下的系统频率曲线；

图3是本发明实施例新能源渗透率20%下的系统频率曲线；

图4是本发明实施例中新能源渗透率40%下的系统频率曲线；

图5是本发明实施例中新能源渗透率60%下的系统频率曲线；

图6是本发明实施例中不同新能源渗透率下的系统惯量水平曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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不付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。

实施例1：本发明利用Matlab/Simulink搭建三机九节点的电力系统时域模型进行仿真验证，其中三机九节点的G2发电机风电机组进行替代，且风速设置为恒定风速，电力系统拓扑结构如图1所示，参数设置为发电机G1、G3额定容量为100MW，同步发电机G1惯性时间常数均设置为10s，同步发电机G3惯性时间常数均设置为8s，风电机组为35*1.5MW，虚拟同步发电机惯性时间常数设置为4.26s，初始风电渗透率为20%。负荷L1、L2、L3分别为60MW、70MW、80MW。

一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法，具体步骤为：

Step1：获取当前区域电力系统结构及自身参数。

Step2：根据电力系统电源出力及负荷水平，利用转子运动方程确定系统频率稳定状态，若系统稳定则终止，系统不稳定则继续执行Step3。

具体为：

Step2.1：根据系统网络拓扑及各电源的时序出力特性，确定系统电源的功率。

Step2.2：根据系统负荷的时序出力特性，确定系统负荷扰动功率。

Step2.3：根据系统电源出力及负荷功率，利用转子运动方程确定系统频率是否处于动态稳定，具体为：

式中，

由于传统机组转子转速与系统频率耦合，当系统受到扰动时，此时系统功率不稳定，出现的不平衡功率将会通过发电机的转子运动方程影响到系统频率的动态响应过程，引起系统频率变化，而电源侧发出的机械功率不等于负荷侧从系统吸收的电磁功率，电力系统此时需要各机组提供惯量响应功率来抵抗系统频率变化，维持系统频率动态稳定。

Step3：根据电力系统中传统机组自身参数及机组开机状况，计算出当前系统各传统机组贡献的传统惯量。

具体为：

采用如下算式根据传统机组的开机情况及惯性时间常数，确定第p台机组为系统提供的等效传统惯量：

式中，

Step4：根据双馈风机不同运行状态，确定双馈风机的虚拟惯量响应功率。

具体为：

Step4.1：风机转子所存储的旋转动能

式中，

根据风机转速变化得到由风机动能可增发的虚拟惯量响应功率：

式中，

由于各机组自身额定参数标准众多，为方便统一计算参数，简便后续运算过程，根据风机转速变化得到由风机动能可增发虚拟惯量响应功率，通过标幺化统一参数标准，标幺过程为：

式中，

Step4.2：根据风机自身动能提供的能量，并利用风机转速表示风机各风速段的运行状态，得到不同风机运行状态下可提供的虚拟惯量响应功率，为方便统一计算参数简便运算过程，使用标幺值表达式如下：

式中，

Step5：根据储能充放电特性及不同荷电状态，优化储能虚拟惯量及下垂充放电控制系数，最终确定储能装置的虚拟惯量响应功率。

具体为：

Step5.1：根据储能装置充放电特性，建立虚拟惯量支撑响应模型，确定储能装置可输出的虚拟惯量响应功率。

储能系统的主要控制策略为虚拟下垂控制，辅助控制策略应为虚拟惯性控制，则基于权重因子的储能电池输出功率控制函数为：

式中，

其中，考虑权重因子之后的虚拟惯性充放电控制系数与虚拟下垂充放电控制系数为：

式中，

其中，当频率为不同阶段时，储能装置利用不同控制策略输出虚拟惯量响应功率。

在电力系统频率处于下降阶段时，系统频率偏差及频率变化率相乘为正，此时系统频率变化率变化较快，使用虚拟惯量控制，权重因子

同理，在电力系统频率处于下降阶段时，此时系统频率变化率变化较快，使用虚拟惯量控制，权重因子

其中，系统频率处于下降阶段时，此时储能电池出力控制策略应以虚拟惯性控制为主要控制策略，下垂控制为辅助控制策略即可，则频率下降阶段的权重因子控制函数为：

式中，

当系统频率变化率过零时，系统频率处于恢复阶段，此时需要展现虚拟下垂控制策略的优点，储能电池出力控制应以虚拟下垂控制为主要控制，虚拟惯性控制为辅助控制策略，则系统频率恢复阶段的权重因子控制函数为：

式中，

Step5.2：根据储能装置荷电状态，优化储能电池虚拟惯量响应功率控制函数中的虚拟惯量及虚拟下垂控制系数，最终得到控制系数优化后储能可输出的虚拟惯量响应功率。

为防止储能装置在进行惯量支撑时出现过充过放现象，根据储能装置荷电状态，优化储能电池虚拟惯量响应功率控制函数中的虚拟惯量及虚拟下垂控制系数，最终得到控制系数优化后储能可输出的虚拟惯量响应功率；

其中，根据储能装置

当储能电池在放电时，可确定储能电池输出的两种控制策略的控制系数。

式中，

Step6：根据上述确定的双馈风机及储能虚拟惯响应功率，量化双馈风机及储能装置的虚拟惯量支撑能量。

具体为：

Step6.1：根据风机牺牲动能可增发的虚拟惯量响应功率，量化出双馈风机的虚拟惯量支撑能量：

式中，

Step6.2：根据储能装置充放电特性及荷电状态可增发的虚拟惯量支撑功率，量化出储能装置的虚拟惯量支撑能量。

为要求储能系统在惯量响应环节释放的能量与同步发电机转子释放的动能相等，则可得到在相同时间段

式中，

Step7：根据双馈风机及储能装置量化的虚拟惯量支撑能量，同时利用系统频率最低点及最大频率变化率作为系统频率安全约束。

具体为：

Step7.1：在满足低频减载装置不触发动作信号的情况下，取低频减载装置第一轮动作频率49Hz，作为系统频率最低点安全约束。

Step7.2：在满足系统历史受扰后系统频率动态稳定的情况后，取系统历史最大频率变化率1Hz/s，作为系统频率变化率安全约束。

Step8：据系统机组运行状况、风电出力特性及储能荷电状态，在确定出风储联合可对系统进行虚拟惯量支撑的前提下，计算当前电力系统的新能源渗透率极限值。

具体为：

当系统满足频率安全约束下时，系统等效惯量水平为：

式中，M，K，L分别为提供惯量支撑的同步机组、风机以及储能装置数量，E为各资源所能提供惯量支撑的能量，S为全网各资源的额定装机容量。

新能源渗透率极限值为：

式中，

如图2~图5所示，本发明基于频率变化率最大值约束以及频率跌落最小值约束确定新能源渗透率，当风电渗透率提升之后，系统的惯量需求也不断提升，在持续的负荷扰动的情况下，给电力系统造成大量的惯量缺额，并且在不同风电渗透率下的惯量需求也各有不同。

如图6所示，当同步转动惯量为2300MWs时，含新能源系统提升至新能源并网前等效惯量所需惯量为3000MWs时，系统可接纳新能源渗透率为30%；当同步转动惯量为1300MWs时，含新能源系统提升至新能源并网前等效惯量所需惯量为7000MWs时，系统可接纳新能源渗透率为60%；本发明所提方法能够在计及风储系统提供虚拟惯量支撑的情况下计算新能源渗透率。因此，准确的新能源渗透率确定方法可在未来的研究当中增强电网的抗干扰能力以及电力系统的新能源消纳能力。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明对惯量支撑在一定时间尺度下对双馈风机进行全风速分段，并定义出双馈风机不同运行状态下实际可发出的惯量支撑功率，使调度功率可以在风机运行过程中精准调用，并在考虑储能荷电状态下的充放电特性进行合理的储能辅助惯量支撑，最终在考虑合理出力分配的情况下保证了系统所需最小的惯量支撑功率；通过对双馈风机进行风速段分区合理区分了不同运行状态下实际可发出的惯量支撑功率，并通过对上一时刻储能的荷电状态预判了下一时刻的剩余容量，同时通过双馈风机与储能的混合预判构造出考虑系统频率偏差、频率变化率、风机运行状态的储能辅附加调节深度系数，相比于其他惯量补偿方法，该发明通过全风速段和储能荷电状态下的风储支撑功率进行混合预判，既保证了系统在满足临界惯量需求下的惯量缺额，又通过合理的策略提升了系统惯量指标。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。