一种低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法

技术领域

本发明涉及电力系统风电消纳能力评估的技术领域，尤其涉及一种低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法。

背景技术

随着新能源渗透率逐渐提高，大量新能源机组替代原系统中同步机组时，会导致系统调频能力下降，在功率扰动下可能会出现频率失稳的问题。因此，有必要研究频率稳定约束条件下系统新能源最大渗透率，即承载能力，为实际运行提供理论支撑。

从频率稳定约束角度对新能源承载能力进行了研究，通常是将最低点和变化率等关键频率特征作为频率稳定的判断指标。目前已有很多研究针对系统受到有功阶跃扰动下的系统频率特征进行量化分析，而在未来高比例新能源电力系统中，相较于机组脱网，可能故障后机组进入低穿的情况更为常见，例如《风电场接入电力系统技术规定第1部分：陆上风电》已对故障后风电场的低穿能力提出了明确的要求。且由于故障切除后有功缓慢恢复，故造成的有功扰动形式并非通常研究中所采用的功率阶跃。若忽视恢复过程对频率的影响，仍用阶跃扰动下的指标去评估此时系统的频率最低点和变化率，势必会造成评估结果过于保守，基于该结果去约束新能源的接入容量，不利于新能源在系统中的进一步发展。

为了进一步的接入新能源，大多研究都是定性分析了通过对新能源附加调频控制可以提升承载能力或者为了提升承载能力需要提升系统的调频能力，但缺少定量的分析计算，不利于实际电力系统应用。

因此，有必要去研究考虑低电压穿越场景的频率稳定指标约束的风电最大渗透率定量计算方法。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：根据含风电并网的多机电力系统，设定用于定量计算低电压穿越过程中关键频率特征的频率稳定指标；

其中，所述频率稳定指标包括最低点ω

确定所述频率稳定指标与风电容量占比关系；以及，

基于所述频率稳定指标以及系统对最低点及变化率关键频率特征的限制，确定共同约束，建立可定量计算低电压穿越场景下的系统风电最大渗透率的优化模型，通过求解该优化模型获取该场景下满足频率稳定约束的风电最大，并采用采用双层循环优化的方法来求解风电承载能力。

作为本发明所述低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的一种优选方案，其中：所述含风电并网的多机电力系统中发电设备包括同步机、风电机组，系统中最大有功扰动由风电机组低穿造成；

所述有功扰动包括功率扰动，在所述低电压穿越过程给系统造成的所述功率扰动为：

其中，t

作为本发明所述低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的一种优选方案，其中：所述关键频率包括系统频率最低点ω

其中，α为评估低电压穿越过程系统频率最低点的频率稳定指标，J

作为本发明所述低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的一种优选方案，其中：评估所述低电压穿越过程系统频率最低点和变化率的频率稳定指标都是关于所述风电渗透率λ的函数，分别记为α(λ)、J

其中，J

当所述风电渗透率λ增大时，则相同扰动下所述频率稳定指标变差；

当所述风电渗透率λ过大时，则所述系统频率最低点ω

作为本发明所述低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的一种优选方案，其中：所述α

其中，Δω

作为本发明所述低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的一种优选方案，其中：所述风电最大渗透率的模型如下：

maxλ

s.t.α(λ)≥α

J

0＜λ＜1

其中，α

作为本发明所述低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的一种优选方案，其中：所述双层循环包括内循环和外循环。

其中，所述内循环包括求解任一占比下系统强度指标，所述外循环为求解风电最大渗透率。

作为本发明所述低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的一种优选方案，其中：所述内循环和所述外循环的操作步骤如下：

给定系统风电初始渗透率和发电设备参数，求解该风电渗透率下频率稳定指标；

判断上述步骤所得指标是否满足风电最大渗透率评估模型中的约束条件，若满足，则增大风电渗透率并更新步骤A1中的风电初始渗透率；

其中，为增快求解速度，可借助序列二次规划算法搜索下一个风电容量占比值；

重复上述两步骤，直至风电渗透率过高不满足评估模型中的约束条件，此时风电渗透率即为满足系统频率稳定约束的风电最大渗透率。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

本发明的有益效果：(1)本发明建立了风电最大渗透率的评估模型，基于频率稳定指标及其临界值约束，可计算得到风电渗透率上限；可以通过较为准确的模型求解得到风电最大渗透率，避免了时域仿真分析，具有更强的理论依据。

(2)针对低穿场景，进行了风电最大渗透率评估，更适用于未来高比例风电系统，也更利于风电机组在电网中进一步发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。其中：

图1为本发明低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的整体流程图。

图2为本发明低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法所述的最大渗透率的优化模型的流程图。

图3为实施例二中仿真验证中10机39节点示意图。

图4为实施例二中仿真验证中汽轮机调速器系统模型图。

图5为实施例二中仿真验证中风电机组采用综合惯量调频控制结构图。

图6为实施例二中仿真验证中理论计算得到的最大风电渗透率下的频率波形以及其他风电渗透下频率波形的对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1和图2，一种低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法包括：

S1：根据含风电并网的多机电力系统，设定用于定量计算低电压穿越过程中关键频率特征的频率稳定指标。需要说明的是：

含风电并网的多机电力系统中发电设备包括同步机、风电机组；系统中最大有功扰动由风电机组低穿造成。

有功扰动包括功率扰动，在低电压穿越过程给系统造成的功率扰动在时域下可表示为为：

其中，t

风电机组并网系统内含有n台发电设备，其中前m台为同步机，编号为1～m，后n-m台为风电机组，编号为m+1～n。

令风电机组并网系统中编号为m+1的风电机组进入低穿，频域下有功扰动记为ΔP

进一步的，关键频率包括系统频率最低点ω

其中，α为评估低电压穿越过程系统频率最低点的频率稳定指标，J

S2：确定频率稳定指标与风电容量占比关系。需要说明的是：

J

频率稳定指标是关于风电渗透率λ的函数，公式为：

其中，J

当风电渗透率λ增大时，则相同扰动下频率稳定指标变差；

当风电渗透率λ过大时，则系统频率最低点ω

S3：基于频率稳定指标以及系统对最低点及变化率关键频率特征的限制，确定共同约束，建立可定量计算低电压穿越场景下的系统风电最大渗透率的优化模型，通过求解该优化模型获取该场景下满足频率稳定约束的风电最大，并采用采用双层循环优化的方法来求解风电承载能力。需要说明的是：

风电最大渗透率的模型如下：

maxλ

s.t.α(λ)≥α

J

0＜λ＜1

其中，α

进一步的：

其中，Δω

双层循环包括内循环和外循环。

其中，内循环包括求解任一占比下系统强度指标，外循环为求解风电最大渗透率。

具体步骤如下：

A1：给定系统风电初始渗透率和发电设备参数，求解该风电渗透率下频率稳定指标。

A2：判断步骤A1所得指标是否满足风电最大渗透率评估模型中的约束条件，若满足，则增大风电渗透率并更新步骤A1中的风电初始渗透率。

其中，为增快求解速度，可借助序列二次规划算法搜索下一个风电容量占比值。

A3：重复步骤A1-A2，直至风电渗透率过高不满足评估模型中的约束条件，此时风电渗透率即为满足系统频率稳定约束的风电最大渗透率。

实施例2

本实施例为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种低穿场景下频率稳定约束的风电最大渗透率量化方法的验证测试，对本方法中采用的技术效果加以验证说明。

采用本发明方法进行处理，在多机电力系统中发电设备有同步机、风电机组。

首先，建立可用于定量计算低电压穿越过程系统最低点和变化率等关键频率特征的频率稳定指标；进一步地，分析得到该指标是关于风电容量占比的函数；最后，基于指标以及系统对关键频率特征的限制，建立了可定量计算低电压穿越场景下的系统风电最大渗透率的优化模型，并通过求解该模型得到满足频率稳定约束条件地风电最大渗透率。

本发明的具体实施例如下：

在Matlab/Simulink平台中建立10机39节点电力系统，如图3所示；图中G1～G10表示发电设备，系统总容量为10500MVA；风电机组和同步机组的初始容量标幺值(基准值1000MVA，以此为基准值对实例中所有参数进行标幺)分别为1.5p.u.和1p.u.。

其中，G5为风电机组(配有低电压穿越控制，初始调频参数设定为J

表1实施例仿真验证中线路参数值

同步机的频率-有功传递函数G

G

式中，J

风电机组采用DFIG模型如图5所示，在机电尺度下频率-有功传递函数G

式中，J

同步机和风电机组的参数取值如表2所示。

表2实施例仿真验证中设备的参数值

当t＝0s时节点23处发生三相短路故障，风电机组G5低穿，并且故障在100ms后切除，风电机组G5从低穿控制切换至有功恢复控制。根据给定的频率最低点和平均变化率的限值计算得到频率稳定指标的临界值分别为α

根据本发明中的方法，计算得到系统中风电最大渗透率为43.82％；并且在仿真中按照该计算结果替换相应的同步机，得到的系统频率轨迹如图6所示。

由图6可知在该风电渗透率下，频率最低点几乎贴近临界值-1Hz，说明了该风电渗透率下系统的频率最低点刚好处于临界稳定状态。

若进一步增大风电渗透率到52％和61％，系统的频率轨迹如图6所示，当风电渗透率达到52％时，此时系统满足频率变化率约束但频率最低点大于-1Hz，不满足频率最低点约束；当风电渗透率达到61％时，此时频率变化率和频率最低点都不满足约束条件；进一步说明了43.82％为满足频率稳定指标约束的最大风电渗透率。

为进一步说明现有风电承载能力分析中仅考虑功率阶跃扰动的局限性，下面将按现有的方法分析得到的结果与本文所提方法计算得到的结果进行对比，如图6所示。具体如下：

若采用现有的风电承载能力分析方法，将最大功率扰动视为风电机组跳闸或脱网带来的阶跃扰动，计算得到系统的风电承载能力为18.11％。在该风电容量占比下进行仿真，系统的频率响应曲线图6点虚线所示，此时系统频率最低点和平均变化率均大于临界值，这表明系统中还能够接入更多的风电机组。这意味着采用现有文献中承载能力评估方法计算会导致结果过于保守，不利于新能源的进一步接入。

本发明例子证明了本发明中考虑低电压穿越场景的频率稳定指标约束的风电最大渗透率定量计算方法的有效性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。