一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统频率稳定性提升领域，特别是涉及一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法及系统。

背景技术

由于新能源发电机组大多通过电力电子装置并入电网且与系统处于解耦状态，无法主动响应系统频率变化过程并提供惯量支撑，高比例新能源电力系统惯量不足引发的安全问题日趋严重。近年来，已发生过多起由于惯量支撑水平不足引起的电力系统停电事故，如南澳“9.28”大停电、英国“8.9”大停电事故等。为了应对弱惯量支撑问题给电力系统安全稳定运行带来的挑战，国内外学者围绕电力系统惯性量化评估、电力系统惯量支撑能力提升和基于惯量的新能源电网优化运行三方面展开研究。其中，电力系统惯性量化评估分别从等效惯量在线评估和极限最小惯量离线计算进行；电力系统惯量支撑能力提升考虑调相机等旋转并网装置的转动惯量和基于电力电子装备的虚拟惯量，着重研究不同支撑能力提升方法所用技术并仿真分析其频率响应效果；基于惯量的新能源电网优化运行则主要将频率约束纳入机组组合问题，建立计及惯量约束的机组组合优化调度模型。

综上，目前研究仅针对系统惯量评估或将惯量与系统优化调度问题相结合，在新能源电力系统惯量安全裕度提升策略方面的研究较为空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法及系统，可满足系统惯量需求的同时提高安全裕度提升措施可行性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法，包括：

考虑系统惯量水平约束、频率变化率约束和频率偏差约束，建立新能源电力系统最小惯量需求评估模型；

采集发电机参数和系统调频数据，求解新能源电力系统最小惯量需求评估模型，获得系统最小惯量需求；

根据系统当前惯量与系统最小惯量需求，确定新能源电力系统的惯量安全裕度以及所述惯量安全裕度对应的系统惯量水平等级；

若系统惯量水平等级不满足等级需求，则以系统惯量水平等级需求为目标，采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度。

可选地，所述新能源电力系统最小惯量需求评估模型为

s.t.

H

RoCoF

Δf

H

式中，H

其中，H

可选地，所述采集发电机参数和系统调频数据，求解新能源电力系统最小惯量需求评估模型，获得系统最小惯量需求，具体包括：

依据公式

依据公式H

将约束条件H

根据发电机参数和系统调频数据，求解新能源电力系统最小惯量需求评估模型，获得系统最小惯量需求。

可选地，所述根据系统当前惯量与系统最小惯量需求，确定新能源电力系统的惯量安全裕度以及所述惯量安全裕度对应的系统惯量水平等级，具体包括：

根据系统当前惯量与系统最小惯量需求，利用公式

若K≤0，则判定系统惯量水平等级为不足惯量；

若0

若A

若K>A

可选地，所述增开机组的调度手段，具体包括：

以最小化提升策略代价为目标函数，增开机组的调度手段模型为

s.t.

ΔH

式中，F

其中，

H

可选地，所述虚拟惯量补充手段，具体包括：

以最小化提升策略代价为目标函数，虚拟惯量补充手段模型为

s.t.

ΔH

H

式中，F

可选地，所述若系统惯量水平等级不满足等级需求，则以系统惯量水平等级需求为目标，采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度，之后还包括：

确定采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段之后的惯量安全裕度K'。

可选地，所述若系统惯量水平等级不满足等级需求，则以系统惯量水平等级需求为目标，采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度，之后还包括：

确定采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度的提升因子ΔK，以对惯量安全裕度提升手段效果进行量化。

一种新能源电力系统惯量安全裕度提升系统，包括：

评估模型建立模块，用于考虑系统惯量水平约束、频率变化率约束和频率偏差约束，建立新能源电力系统最小惯量需求评估模型；

最小惯量需求计算模块，用于采集发电机参数和系统调频数据，求解新能源电力系统最小惯量需求评估模型，获得系统最小惯量需求；

惯量安全裕度确定模块，用于根据系统当前惯量与系统最小惯量需求，确定新能源电力系统的惯量安全裕度以及所述惯量安全裕度对应的系统惯量水平等级；

提升模块，用于若系统惯量水平等级不满足等级需求，则以系统惯量水平等级需求为目标，采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的新能源电力系统惯量安全裕度提升方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法及系统，首先建立新能源电力系统最小惯量需求评估模型，然后求解新能源电力系统最小惯量需求评估模型，得到系统最小惯量需求，其次，根据系统当前惯量与系统最小惯量需求，确定新能源电力系统的惯量安全裕度以及所述惯量安全裕度对应的系统惯量水平等级，最后若系统惯量水平等级不满足等级需求，则以系统惯量水平等级需求为目标，采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度。本发明能够在保证系统惯量安全裕度需求的基础上，提出可行性高的新能源电力系统惯量安全裕度提升策略。

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，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的新能源电力系统最小惯量需求评估模型的建立流程图；

图3为本发明实施例提供的粒子群算法求解频率偏差极值所对应的系统惯量H

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。

本发明的目的是提供一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法及系统，可满足系统惯量需求的同时提高安全裕度提升措施可行性。

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。

如图1所示，本发明提供一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法，，包括以下步骤：

步骤S1，考虑系统惯量水平约束、频率变化率约束和频率偏差约束，建立新能源电力系统最小惯量需求评估模型。

首先，考虑电力系统惯量响应、负荷频率响应和一次调频响应，建立新能源电力系统频率动态响应模型：

式中：H

式(1)表示的电力系统频率动态响应模型体现了系统频率偏差Δf(t)与系统惯量H

新能源电力系统惯量来源为同步发电机和采用虚拟同步机技术的新能源机组等，新能源电力系统等效惯量H

式中：S

新能源电力系统最小惯量需求应保证当系统遭受不同扰动时，系统频率在波动过程中不引起频率保护装置动作，尽量避免低频减载和高频切机等发生，因此，系统最小惯量需求评估需综合考虑惯量水平约束、频率变化率约束和频率偏差约束，评估流程如图2所示，保证系统最小惯量需求在极限预想故障情况下能够支撑系统频率恢复稳定，评估模型如下：

H

s.t.

H

R

Δf

H

式中：H

步骤S2，采集发电机参数和系统调频数据，求解新能源电力系统最小惯量需求评估模型，获得系统最小惯量需求。

如图2所示，对新能源电力系统最小惯量需求评估模型中的约束条件(4)至(6)进行转化：

针对频率变化率约束，考虑系统遭受扰动后的频率响应过程，较大的频率变化率会导致机组结构损坏或引起分布式电源脱网，首先根据实际电网运行方式和需求，确定R

式中：H

由于故障发生后，系统惯量响应、一次调频等相继动作，不平衡功率逐渐减小，频率变化逐渐平缓，系统频率变化率极值出现在故障发生后的瞬间，表达式为：

式中：R

H

式中：H

则频率变化率限值所对应的系统惯量H

式中：R

针对频率偏差约束，由式(1)可知系统惯量和频率偏差极值之间为非线性关系，进一步分析得系统惯量到频率偏差极值的映射单调，所以根据式(1)，如图3所示，通过粒子群算法对系统规定频率偏差限值所对应的系统惯量H

H

式中：H(·)表示系统惯量和频率偏差极值之间的映射关系；Δf

综上，将系统惯量水平约束、频率变化率约束和频率偏差约束转化为：

H

公式(13)中的H

即，新能源电力系统最小惯量需求评估模型转化为

s.t.

H

H

求解上面转化后的新能源电力系统最小惯量需求评估模型，可获得系统最小惯量需求。

参照图2，步骤S1和步骤S2可以概括为：采集发电机参数及系统调频相关数据，考虑系统惯量资源建立惯量水平约束；基于转子运动方程，考虑扰动初始时刻的频率变化率极值建立频率变化率约束；考虑运行安全需求建立频率偏差约束，并基于电力系统频率动态响应模型，利用粒子群算法将频率偏差非线性约束转化为惯量约束，最后，建立计及惯量水平约束和频率稳定的电力系统最小惯量需求评估模型。

步骤S3，根据系统当前惯量与系统最小惯量需求，确定新能源电力系统的惯量安全裕度以及所述惯量安全裕度对应的系统惯量水平等级。

惯量安全裕度反映系统实际惯量值与系统最小惯量需求的相对大小，惯量安全裕度指标表达式为：

式中：K表示惯量安全裕度指标；H

式中：A

步骤S4，若系统惯量水平等级不满足等级需求，则以系统惯量水平等级需求为目标，采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度。

当系统惯量安全裕度不满足要求时，在原有运行状态的基础上，采用调度手段，即通过增开机组提升系统惯量水平，以最小化提升策略代价为目标函数，提出新能源电力系统惯量安全裕度提升策略求解模型：

s.t.

ΔH

式中：F

式(17)保证增开机组的惯量提升值满足系统需求，式(18)则通过限制u

模型中的调度手段引起的系统惯量变化值ΔH

系统惯量水平提升需求H

式中：H

当采用虚拟惯量补充手段来提升系统惯量水平时，同样以最小化提升策略代价为目标函数，基于补充手段的新能源电力系统惯量安全裕度提升策略求解模型为：

s.t.

ΔH

H

式中：ΔH

式中：C

补充手段引起的系统惯量变化值ΔH

提升惯量安全裕度后，对系统惯量安全裕度水平进行二次评估，并利用惯量安全裕度提升因子量化所提策略效果。

采取调度手段或补充手段后，对系统惯量安全裕度水平进行二次评估：

式中：H

定义惯量安全裕度提升因子为：

通过ΔK对惯量安全裕度提升策略效果进行量化。

本发明提出了一种新能源电力系统惯量安全裕度提升方法，首先建立电力系统频率动态响应模型，提出计及惯量水平和频率稳定约束的系统最小惯量需求评估方法，再基于当前运行状态，建立新能源电力系统惯量安全裕度提升策略求解模型，满足系统惯量需求的同时提高安全裕度提升措施可行性。

本发明包括：采集发电机参数和系统调频相关数据，考虑系统惯量水平和频率稳定约束，建立新能源电力系统最小惯量需求评估模型；根据系统实际惯量水平与最小惯量需求评估惯量安全裕度，划分惯量安全裕度区间并判断系统惯量水平等级；分别提出基于调度手段和补充手段的新能源电力系统惯量安全裕度提升策略，并对提升后的系统惯量安全裕度进行二次评估。本发明的方法具有普适性，能够在保证系统惯量安全裕度需求的基础上，提出可行性高的新能源电力系统惯量安全裕度提升策略，在电力系统频率稳定性提升方面具有实际意义。

本发明提供的一种新能源电力系统惯量安全裕度提升技术效果显著，其在原有系统惯量安全临界值评估的基础上，考虑系统提升措施代价和惯量安全裕度需求，分别提出了基于调度手段和补充手段的新能源电力系统惯量安全裕度提升策略。考虑系统惯量水平和频率稳定约束，通过粒子群算法基于系统频率动态响应方程对频率偏差极值和惯量之间的非线性关系进行处理，建立新能源电力系统最小惯量需求评估模型，提升最小惯量需求评估准确度。基于本发明方法，能够在保证系统惯量安全裕度需求的基础上，提出使系统代价最低的新能源电力系统惯量安全裕度提升策略，所提措施切实可行，为电力调度部门从惯量安全裕度提升角度实现系统优化运行提供重要参考。

本发明还提供了一种新能源电力系统惯量安全裕度提升系统，包括：

评估模型建立模块，用于考虑系统惯量水平约束、频率变化率约束和频率偏差约束，建立新能源电力系统最小惯量需求评估模型；

最小惯量需求计算模块，用于采集发电机参数和系统调频数据，求解新能源电力系统最小惯量需求评估模型，获得系统最小惯量需求；

惯量安全裕度确定模块，用于根据系统当前惯量与系统最小惯量需求，确定新能源电力系统的惯量安全裕度以及所述惯量安全裕度对应的系统惯量水平等级；

提升模块，用于若系统惯量水平等级不满足等级需求，则以系统惯量水平等级需求为目标，采用增开机组的调度手段或虚拟惯量补充手段提升新能源电力系统的惯量安全裕度。

本发明实施例提供的新能源电力系统惯量安全裕度提升系统与上述实施例所述的新能源电力系统惯量安全裕度提升方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述方法实施例的介绍。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的新能源电力系统惯量安全裕度提升方法。

此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。