CN110556863A - 受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种估算受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源接入能力的方法，包括以下步骤：确定与频率特性相关的系统参数和频率稳定的边界；确定大功率扰动故障的类别；针对不同的故障扰动类型，估算各类扰动故障下的常规机组的最小开机台数和无惯量电源的最大出力；估算系统受制于频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力。本发明能够评估系统的频率稳定性，指导电网运行方式的安排和电网调度，也能够指导电网的规划。

Description

受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法

技术领域

本发明涉及一种受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，属于电力系统及其自动化技术领域。

背景技术

随着特高压直流容量和分布式新能源并网容量的不断增大，传统的同步发电机不断被取代，一方面系统面临大容量功率缺额故障的风险加大，同时由于系统的惯量和一次调频能力不断减小，多直流馈入电网的频率失稳风险逐渐增大。

常规机组的转动惯量体现机组对频率变化的缓冲能力，保证在负荷扰动量比较大时，发电机有充裕时间实现有功功率的调整，与机组的实际出力和旋备的多少并无关系。风电、光伏等新能源与常规机组不同，等效转动惯量很小，并且缺乏相关频率调节功能，同时实际出力与系统电压水平密切相关，在系统电压大幅度波动情况下，实际出力将发生变化，给系统的频率安全带来威胁。目前，虽然有学者提出了新能源参与一次调频的虚拟惯量控制，但是这种控制方式需要在正常运行方式下留有足够的备用容量才能发挥作用，本质上也属于一次调频，与同步机转动惯量对于系统频率稳定的作用有所区别。

在系统的无惯量或者弱惯量的直流和新能源大容量接入的背景下，如何估算出受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力对电网运行方式的安排和电网调度具有重要的意义。

发明内容

针对系统的无惯量或者弱惯量的直流和新能源大容量接入的背景下，考虑系统同步惯量对频率稳定性的作用，如何估算出受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力，本发明提出了一种估算受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源接入能力的方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种估算受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源接入能力的方法，包括以下步骤：

基于预先采集的与频率特性相关的系统参数确定系统大功率扰动故障的类别；

针对不同的故障扰动类型，估算各类扰动故障下的常规机组的最小开机台数和无惯量电源的最大出力；

估算出该系统受制于频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力。

进一步地，所述系统参数包括系统总负荷量、常规发电机组的平均动能、平均最小出力、系统额定频率和频率稳定的边界；

所述频率稳定的边界包括：系统可承受的频率最大变化率和最大频率偏差。

进一步地，确定系统大功率扰动故障的类别的方法如下：

对于故障扰动导致系统中存在永久性或者持续时间超过阈值的功率缺额划分为功率缺额故障；

对于导致系统瞬时功率缺额且能够在预设时间内恢复的故障划分为功率冲击故障；

对于由非直接功率缺额故障间接导致的功率扰动量与无惯量电源出力相关的瞬时功率扰动划分为不确定性功率扰动故障。

再进一步地，估算不同的故障扰动类型下系统所需的常规机组的最小开机台数和无惯量电源的最大出力的方法，具体方法包括如下：

对于功率缺额故障，根据系统可承受的频率最大变化率、系统最大频率偏差以及功率缺额故障下紧急控制的响应延时计算功率缺额故障对应的频率稳定的边界；

并根据所述功率缺额故障对应的频率稳定的边界确定对应的系统最小惯量，最后根据系统总负荷量、系统平均最小出力以及对应的系统最小惯量确定功率缺额故障对应的系统最大可接入的无惯量电源；

对于功率冲击故障，根据系统可承受的频率最大变化率、系统最大频率偏差以及连续功率冲击故障的总持续时间，计算功率冲击故障对应的频率稳定的边界；

并根据所述功率冲击故障对应的频率稳定的边界确定对应的系统最小惯量，最后根据系统总负荷量、系统平均最小出力以及对应的系统最小惯量确定功率冲击故障对应的系统最大可接入的无惯量电源；

对于不确定性功率扰动故障，根据系统可承受的频率最大变化率、系统最大频率偏差以及不确定性功率扰动故障的持续时间，确定不确定性功率扰动故障对应的频率稳定的边界；

并根据所述不确定性功率扰动故障对应的频率稳定的边界确定对应的系统最小惯量，最后根据系统总负荷量、系统平均最小出力、电源无惯量电源出力的摄动值以及对应的系统最小惯量确定不确定性功率扰动故障对应的系统最大可接入的无惯量。

本发明的有益效果如下：

本发明方法是针对系统的无惯量或者弱惯量的直流和新能源大容量接入的背景，提出了估算受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力的方法，有助于掌握系统当前的频率稳定水平，指导电网运行方式的安排和电网调度；

本发明将系统可承受的频率最大变化率和最大频率偏差作为频率稳定边界，同时计及紧急控制的作用，根据不同类型故障的特点分别求出不同故障扰动形式下受制于频率稳定性的系统最小惯量，最终给出该系统能够保持频率稳定的最大的无惯量电源的接入比例。

附图说明

图1是本发明方法的工作流程图。

图2是本发明具体实施例第一类故障扰动形式的典型功率曲线；

图3是本发明具体实施例第二类故障扰动形式的典型功率曲线；

图4是本发明具体实施例第三类故障扰动形式的典型功率曲线。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明方法的基本原理是：将系统可承受的频率最大变化率和最大频率偏差作为频率稳定边界，同时计及紧急控制的作用，根据不同类型故障的特点分别求出不同故障扰动形式下受制于频率稳定性的系统最小惯量，最终给出该系统能够保持频率稳定的最大的无惯量电源的接入比例。其具体实施步骤如图1所示。

(1)首先获得与频率特性相关的系统参数，系统总负荷量为L，常规发电机组的平均动能E_MWS.avr，平均最小出力为P_min，系统额定频率为f₀。频率稳定的边界包括：系统可承受的频率最大变化率(df/dt)_max和最大频率偏差Δf_max。

(2)确定大功率扰动故障的类别：

2-1)对于故障扰动导致系统中存在永久性或者长达数分钟的功率缺额记为功率缺额故障，且将功率缺额量记为ΔP₁，典型故障为直流闭锁故障，如图2所示；

2-2)对于导致系统瞬时功率缺额且能够短时恢复的故障记为功率冲击故障，包括连续的多次瞬时功率冲击，将瞬时功率缺额量记为ΔP₂，且每次冲击故障的持续时间记为t_2i(i分别为1,2…n，其中n为连续瞬时功率缺额的总次数)，典型故障为直流换相失败或者连续换相失败，如图3所示；

2-3)对于由非直接功率缺额故障间接导致的功率扰动量与无惯量电源出力相关的瞬时功率扰动记为不确定性功率扰动故障，且将功率扰动量占系统总的无惯量电源出力的比值记为λ，故障的持续时间记为t₃，典型故障为交流接地故障导致新能源进入低穿，从而导致出力减小，如图4所示。

(3)针对不同的故障扰动类型，估算各类扰动故障下的常规机组的最小开机台数和无惯量电源的最大出力：

3-1)对于第一种故障类型，需计及紧急控制的作用，且紧急控制的响应延时为t₁，则该故障形式下的频率稳定的边界为

df₁＝min[(df/dt)_max,dΔf_max/t₁]

则对应的系统最小惯量为

此时常规机组的开机台数取不小于n₁的最小整数N₁。

系统最大可接入的无惯量电源的计算表达式为

P_new1＝L-N₁P_min

3-2)对于第二类故障类型，首先计算出连续故障的总持续时间

然后确定频率稳定的边界为

df₂＝min[(df/dt)_max,dΔf_max/t₂]

则对应的系统最小惯量为

此时常规机组的开机台数取不小于n₂的最小整数N₂。

系统最大可接入的无惯量电源的计算表达式为

P_new2＝L-N₂P_min

3-3)第三类故障形式下，确定频率稳定的边界为

df₃＝min[(df/dt)_max,dΔf_max/t₃]

3-3-1)给定无惯量电源出力的初值为P_new3-i(i＝0)。

3-3-2)对于无惯量电源出力为P_new3-i时，计算系统所需的最小动能。

常规机组的开机台数取不小于n_3-i的最小整数N_3-i。

此时系统中每台常规发电机组的出力为

3-3-3)若P_G-i＞P_min，则令i＝i+1，P_new3-i+1＝P_new3-i+ΔP，返回步骤3-3-2)；直至P_G-i≤P_min，则无惯量电源的最大出力为P_new3＝P_new3-i-ΔP，对应的常规机组最小开机台数N₃＝N_3-(i-1)(ΔP为无惯量电源出力的摄动值)。

(4)估算出该系统受制于频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力。

各类故障扰动形式下，系统最大可接入的无惯量电源占总负荷的比例为

式中，i分别为1,2,3。

则受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源的最大接入能力为η＝min(η₁,η₂,η₃)，P_new1为功率缺额故障对应的系统最大可接入的无惯量电源，P_new2为功率冲击故障对应的系统最大可接入的无惯量电源，P_new3为不确定性功率扰动故障对应的无惯量电源的最大出力。

本发明方法用来评估系统的频率稳定性，指导电网运行方式的安排和电网调度。基于电网当前的常规机组的开机方式，利用本发明提供的方法可以估算出系统中能够接入的无惯量电源的最大能力，进一步得出系统当前允许并网的无惯量新能源的最大容量；或者基于新能源未来出力的预测值，利用本发明提出的估算无惯量电源接入能力的方法可以反推出此时电网所需的临界惯量最小值，从而指导电网调度人员安排系统中常规机组的最小开机方式。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于预先采集的与频率特性相关的系统参数确定系统大功率扰动故障的类别；

针对不同的故障扰动类型，估算各类扰动故障下的常规机组的最小开机台数和无惯量电源的最大出力；

估算出该系统受制于频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力。

2.根据权利要求1所述的受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，所述系统参数包括系统总负荷量、常规发电机组的平均动能、平均最小出力、系统额定频率和频率稳定的边界；

所述频率稳定的边界包括：系统可承受的频率最大变化率和最大频率偏差。

3.根据权利要求1所述的受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，确定系统大功率扰动故障的类别的方法如下：

对于故障扰动导致系统中存在永久性或者持续时间超过阈值的功率缺额划分为功率缺额故障；

对于导致系统瞬时功率缺额且能够在预设时间内恢复的故障划分为功率冲击故障；

对于由非直接功率缺额故障间接导致的功率扰动量与无惯量电源出力相关的瞬时功率扰动划分为不确定性功率扰动故障。

4.根据权利要求3所述的受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，估算不同的故障扰动类型下系统所需的常规机组的最小开机台数和无惯量电源的最大出力的方法，具体方法包括如下：

对于功率缺额故障，根据系统可承受的频率最大变化率、系统最大频率偏差以及功率缺额故障下紧急控制的响应延时计算功率缺额故障对应的频率稳定的边界；

并根据所述功率缺额故障对应的频率稳定的边界确定对应的系统最小惯量，最后根据系统总负荷量、系统平均最小出力以及对应的系统最小惯量确定功率缺额故障对应的系统最大可接入的无惯量电源；

对于功率冲击故障，根据系统可承受的频率最大变化率、系统最大频率偏差以及连续功率冲击故障的总持续时间，计算功率冲击故障对应的频率稳定的边界；

并根据所述功率冲击故障对应的频率稳定的边界确定对应的系统最小惯量，最后根据系统总负荷量、系统平均最小出力以及对应的系统最小惯量确定功率冲击故障对应的系统最大可接入的无惯量电源；

对于不确定性功率扰动故障，根据系统可承受的频率最大变化率、系统最大频率偏差以及不确定性功率扰动故障的持续时间，确定不确定性功率扰动故障对应的频率稳定的边界；

并根据所述不确定性功率扰动故障对应的频率稳定的边界确定对应的系统最小惯量，最后根据系统总负荷量、系统平均最小出力、电源无惯量电源出力的摄动值以及对应的系统最小惯量确定不确定性功率扰动故障对应的系统最大可接入的无惯量。

5.根据权利要求4所述的受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，

对于功率缺额故障，对应的频率稳定的边界的计算表达式如下：

df₁＝min[(df/dt)_max,dΔf_max/t₁]

其中df₁为功率缺额故障对应频率稳定的边界，(df/dt)_max为系统可承受的频率最大变化率，Δf_max为系统最大频率偏差，t₁为功率缺额故障下紧急控制的响应延时；

则对应的系统最小惯量为

其中E_MWS1为功率缺额故障对应的系统最小惯量；E_MWS.avr为常规发电机组的平均动能，f₀为系统额定频率，ΔP₁为功率缺额故障对应功率缺额量；n₁为功率缺额故障对应的系统最小惯量E_MWS1与常规发电机组的平均动能E_MWS.avr的比值；

此时常规机组的开机台数取不小于n₁的最小整数N₁；

功率缺额故障对应的系统最大可接入的无惯量电源的计算表达式为

P_new1＝L-N₁P_min

其中P_new1为功率缺额故障对应的系统最大可接入的无惯量电源，L为系统总负荷量，P_min为系统平均最小出力。

6.根据权利要求4所述的受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，对于功率冲击故障，计算出连续功率冲击故障的总持续时间T₂，表达式如下：

其中每次冲击故障的持续时间记为t_2i，i分别为1,2…m，其中m为连续发生瞬时功率缺额的总次数；

确定功率冲击故障对应的频率稳定的边界表达式如下：

df₂＝min[(df/dt)_max,dΔf_max/t₂]，

其中df₂为功率冲击故障对应频率稳定的边界，(df/dt)_max为系统可承受的频率最大变化率，Δf_max为系统最大频率偏差，T₂为连续功率冲击故障的总持续时间；

则功率冲击故障对应的系统最小惯量为

E_MWS2为功率冲击故障对应的系统最小惯量；E_MWS.avr为常规发电机组的平均动能，f₀为系统额定频率，ΔP₂为功率冲击故障对应瞬时功率缺额量；n₂为功率冲击故障对应的系统最小惯量E_MWS2与常规发电机组的平均动能E_MWS.avr的比值；

此时常规机组的开机台数取不小于n₂的最小整数N₂；

功率冲击故障系统对应的最大可接入的无惯量电源的计算表达式为：

P_new2＝L-N₂P_min

P_new2为功率冲击故障对应的系统最大可接入的无惯量电源，L为系统总负荷量，P_min为平均最小出力。

7.根据权利要求4所述的受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，对于不确定性功率扰动故障，确定不确定性功率扰动故障对应的频率稳定的边界为：

df₃＝min[(df/dt)_max,dΔf_max/t₃]

其中df₃为不确定性功率扰动故障对应频率稳定的边界，(df/dt)_max为系统可承受的频率最大变化率，Δf_max为系统最大频率偏差，t₃为不确定性功率扰动故障的持续时间；

3-1)给定无惯量电源出力的初值为P_new3-i，i取值为零；

3-2)对于无惯量电源出力为P_new3-i时，计算系统所需的最小动能，表达式如下；

E_MWS3-i为不确定性功率扰动故障对应的系统最小惯量；E_MWS.avr为常规发电机组的平均动能，f₀为系统额定频率，ΔP₂为功率冲击故障对应瞬时功率缺额量；n_3-i为不确定性功率扰动故障对应的系统最小惯量E_MWS3-i与常规发电机组的平均动能E_MWS.avr的比值；

常规机组的开机台数取不小于n_3-i的最小整数N_3-i；

此时系统中每台常规发电机组的出力为

3-3)若P_G-i＞P_min，P_min为平均最小出力，则令i等于i加1，P_new3-(i+1)＝P_new3-i+ΔP，返回步骤3-2)；直至P_G-i≤P_min，则不确定性功率扰动故障对应的无惯量电源的最大出力为P_new3＝P_new3-i-ΔP，对应的常规机组最小开机台数N₃＝N_3-(i-1)，ΔP为无惯量电源出力的摄动值。

8.根据权利要求1所述的受制于系频率稳定性约束的无惯量电源接入能力估算方法，其特征在于，估算系统受制于频率稳定性约束的无惯量电源的接入能力，具体方法如下：

各类故障扰动形式下，系统最大可接入的无惯量电源占总负荷的比例为：

式中，i分别为1,2,3，P_new1为功率缺额故障对应的系统最大可接入的无惯量电源，P_new2为功率冲击故障对应的系统最大可接入的无惯量电源，P_new3为不确定性功率扰动故障对应的无惯量电源的最大出力

则受制于系统暂态频率稳定性约束的无惯量电源的最大接入能力为η＝min(η₁,η₂,η₃)。