一种计及风电接入的低频减载方案整定方法与流程

本发明涉及一种计及风电接入的低频减载方案整定方法，属于系统安稳控制中第三道防线的紧急控制措施。

背景技术：

据国家能源局发布的数据显示，2017年新增并网风电装机1503万千瓦，累计并网装机容量达到1.64亿千瓦，占全部发电装机容量的9.2％。随着新能源的发展，常规机组逐渐被替代，风电在电网中的渗透率不断提高，电力系统安全稳定运行面临着一系列新的挑战。

风电具有随机性，波动性以及可预测性低等特点；故障穿越能力不足易导致故障扰动后的大规模脱网发生；同时，风电通过电力电子化并网，与系统耦合性弱，风光接入后系统的等效惯量较低。由于上述不同于常规电源的若干特性，高渗透风电并网后系统频率稳定运行风险将加大，系统的频率安全控制难度增加，高渗透率风电并网后的低频减载控制措施将面临一系列挑战。

传统的低频减载方案并未计及风电的特性及其影响，随着高渗透率风电接入电网，电网的频率特性更加复杂，原有低频减载方案的适应性有待商榷，因此研究计及风电接入的低频减载方案整定成为目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种计及风电接入的低频减载方案整定方法，该方法可以适应风电接入下的运行状况，提高方案的适应性，满足不同功率扰动下的切负荷要求，保证频率跌落不致过低并能迅速恢复。本发明为解决以上技术问题采用以下技术方案：

一种计及风电接入的低频减载方案整定方法，需考虑风电接入对低频减载的影响：

1)当风力发电机正常运行时，通常处于一定的功率水平，可以认为存在一个基本功率与之对应。在一个分钟级的时间尺度内，风机的输出功率可分解为3个主要分量：基本分量Pa、随机分量Pt以及渐变分量Pr，则公式表示为

Pw＝Pa+Pt+Pr (1)

2)而在风电并网后，对风电进行适当处理，将风电的出力看作“负”的负荷，则电力系统的等效负荷为

Peq＝Pl-Pw (2)

其中，Peq为风电接入系统的等效负荷功率；Pl为系统中原始负荷功率；Pw为风电的输出功率。

3)这样，风电并网后等效负荷的波动增量为

ΔPeq＝ΔPl-ΔPw (3)

其中，ΔPw为原始负荷的波动量；ΔPw为风电有功功率的增量。

4)风电机组的模拟惯量控制，即“虚拟同步机”思想，通过控制风机的旋转动能使其参与频率调节，实现对系统的惯性支持，如图2所示。

则ΔPw的大小如式(4)所示

其中，Hw为风力发电机的虚拟惯量；其取值通常与风电机组的惯性时间常数Tw有关。

5)传统低频减载方案采用单机带负荷模型计算系统平均频率的动态变化过程时，系统运动方程为

其中，ΔPd为系统发生故障后的不平衡功率；Teq为系统等值惯性时间常数；f为惯性中心频率标幺值。考虑风电并网后等效负荷的波动增量，则式(5)变换为

6)根据《风电场接入电力系统技术规定》，风电场并网点电压跌至20％标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms；风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90％时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。

7)《风电场接入电力系统技术规定》要求每次频率低于49.5Hz时风电场具有至少运行30min的能力，而在频率低于48Hz时，根据风电场内风电机组允许运行的最低频率需将风机切出。

一种计及风电接入的低频减载方案整定方法，包括以下步骤：

1)风电接入电力系统后，风电机组的低频保护会影响低频减载方案的整定，因此要求风机的低频保护值至少要高于低频减载首轮动作的频率阈值。同时，根据《电力系统自动低频减负荷技术规定》，提高首轮的频率阈值，有利于抑制系统频率下降深度。基于以上原则，根据实际电网数据，设置6级基本轮，其动作值分别为49、48.8、48.6、48.4、48.2和48Hz；每轮次的减载量以此为不平衡功率ΔPd的20％、20％、15％、15％、15％和15％，时延为0.2s。同时为避免频率长期悬浮于某一特定值，设置特殊轮动作值为49Hz，时延为10s，减载量为剩余的不平衡功率，如式(7)所示。

ΔPs＝ΔPd-ΔPz (7)

其中，ΔPz为特殊轮动作前切除的总负荷量。

2)风电接入系统后，由于风电出力的不确定性以及减载过程中常规发电机出力的变化，都会导致切负荷量变化。因此，需要充分考虑各种因素对减载的影响，相应的调整切负荷量。

在系统发生扰动频率下降的瞬间，负荷节点电压会骤降，电压变化对负荷有功功率的变化占据主导作用，随后频率成为主要影响因素。因此计及电压突变因素，对首轮的切负荷量进行修正，如式(8)所示

其中，M为负荷节点数；PL0.j为第j个负荷节点扰动前的有功功率；U0.j和Uj分别为第j个负荷节点扰动前后的电压。

3)当系统发生扰动时，低频减载作为一种紧急控制手段，应保证迅速动作切除负荷，抑制频率的下降过程，因此首轮动作越快，对延缓频率下降越有利。对于某一特定系统，通过调节系统中不平衡功率的缺额从而得到稳态频率为49Hz(即首轮动作值)的频率动态曲线，求得该曲线在扰动发生瞬间的频率变化率，记为k0。

为了方便表示，定义k为惯性中心频率变化率，即

则

当|k|＜|k0|时，说明系统通过调速器等装置的动作能够恢复频率至49Hz以上；当|k|＞|k0|时，说明系统的稳定频率低于49Hz，需要立即启动低频减载装置。在减载首轮动作之前，先判断k值大小，可以有效延缓频率下降。

4)在减载过程中，常规发电机出力的变化也会改变系统的不平衡功率状态，造成系统k发生阶跃性变化。当发电机出力增加时，应相应减少切负荷量，反之增加切负荷量。根据相邻两轮次动作过程中的频率变化率的差值，对切负荷量进行修正。

如此，k的梯度变化过程就可以通过修正量ΔPx.j来进行表征，作为每个轮次减载量修正的依据。

5)由于风电出力的不确定性，虚拟惯量值Hw依然是动态变化的。考虑到这一因素的影响，可以预先给定Hw初值，随后根据各轮次切负荷前后风电有功功率增量的变化值和频率变化率的差值对下一轮次的虚拟惯量进行修正。

其中，ΔPw.a和ΔPw.b分别为第i轮减载前后风电有功功率增量

根据式(12)推导第i+1轮的虚拟惯量Hw，可以使Hw的取值更加准确，减载过程更加合理。

6)在制定减载控制策略时，切负荷量、减载地点以及减载时间等因素将直接影响到电力系统频率恢复程度和速度。通过选址定容指标，确定切负荷的优先顺序，对频率的恢复有利。研究表明，优先切除负荷频率调节系数KL小的负荷，可以保证KL较大的负荷在频率下降过程中减少从系统吸收的有功，从而缓解系统的功率不平衡状态。同时，负荷的重要程度在减载过程中也应予以考虑，通常负荷分为三类：一类负荷要求的供电水平最高，需保证不间断供电；二类负荷对供电要求略低，切除的损失略低；三类负荷重要程度最低，为保证减载可以随时切除。

根据以上理论分析，得到第i个节点的负荷频率特性权值为

由此建立低频减载综合指标

Li＝αiβi (15)

式中，βi为负荷节点i的重要程度权值。

7)由以上分析可知，低频减载应该优先切除综合指标小的母线。依据综合指标进行减载量的加权分配：

其中，表示负荷节点i的分配系数；ΔPij表示第j轮减载时负荷节点i应切除的负荷量；ΔPshed.j表示第j轮减载应切除的总负荷量。

附图说明

图1为低频减载方案整定过程；

图2为风电机组参与频率控制措施；

具体实施方式

上述部分对本发明技术核心以及主要实现步骤进行了阐述，为了能更加清晰地了解本发明的技术手段，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种计及风电接入的低频减载方案整定方法，在传统低频减载方案的基础上，计及风电接入对低频减载实施效果的影响，通过对不平衡功率实施动态计算，来解决风电出力的波动影响和等值惯性时间常数难以解析计算的问题；考虑负荷特性来构建减载的选址定容模型，以改善减载后的频率恢复效果，从而得到风电并网后的低频减载方案。

一种计及风电接入的低频减载方案整定方法，需考虑风电接入对低频减载的影响：

1)当风力发电机正常运行时，通常处于一定的功率水平，可以认为存在一个基本功率与之对应。在一个分钟级的时间尺度内，风机的输出功率可分解为3个主要分量：基本分量Pa、随机分量Pt以及渐变分量Pr，则公式表示为

Pw＝Pa+Pt+Pr (17)

2)而在风电并网后，对风电进行适当处理，将风电的出力看作“负”的负荷，则电力系统的等效负荷为

Peq＝Pl-Pw (18)

其中，Peq为风电接入系统的等效负荷功率；Pl为系统中原始负荷功率；Pw为风电的输出功率。

3)这样，风电并网后等效负荷的波动增量为

ΔPeq＝ΔPl-ΔPw (19)

其中，ΔPw为原始负荷的波动量；ΔPw为风电有功功率的增量。

4)风电机组的模拟惯量控制，即“虚拟同步机”思想，通过控制风机的旋转动能使其参与频率调节，实现对系统的惯性支持，如图2所示。

则ΔPw的大小如式(4)所示

其中，Hw为风力发电机的虚拟惯量；其取值通常与风电机组的惯性时间常数Tw有关。

5)传统低频减载方案采用单机带负荷模型计算系统平均频率的动态变化过程时，系统运动方程为

其中，ΔPd为系统发生故障后的不平衡功率；Teq为系统等值惯性时间常数；f为惯性中心频率标幺值。考虑风电并网后等效负荷的波动增量，则式(5)变换为

6)根据《风电场接入电力系统技术规定》，风电场并网点电压跌至20％标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms；风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90％时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。

7)《风电场接入电力系统技术规定》要求每次频率低于49.5Hz时风电场具有至少运行30min的能力，而在频率低于48Hz时，根据风电场内风电机组允许运行的最低频率需将风机切出。

一种计及风电接入的低频减载方案整定方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，风电接入电力系统后，风电机组的低频保护会影响低频减载方案的整定，因此要求风机的低频保护值至少要高于低频减载首轮动作的频率阈值。同时，根据《电力系统自动低频减负荷技术规定》，提高首轮的频率阈值，有利于抑制系统频率下降深度。基于以上原则，根据实际电网数据，设置6级基本轮，其动作值分别为49、48.8、48.6、48.4、48.2和48Hz；每轮次的减载量以此为不平衡功率ΔPd的20％、20％、15％、15％、15％和15％，时延为0.2s。同时为避免频率长期悬浮于某一特定值，设置特殊轮动作值为49Hz，时延为10s，减载量为剩余的不平衡功率，如式(7)所示。

ΔPs＝ΔPd-ΔPz (23)

其中，ΔPz为特殊轮动作前切除的总负荷量。

步骤2，风电接入系统后，由于风电出力的不确定性以及减载过程中常规发电机出力的变化，都会导致切负荷量变化。因此，需要充分考虑各种因素对减载的影响，相应的调整切负荷量。

在系统发生扰动频率下降的瞬间，负荷节点电压会骤降，电压变化对负荷有功功率的变化占据主导作用，随后频率成为主要影响因素。因此计及电压突变因素，对首轮的切负荷量进行修正，如式(8)所示

其中，M为负荷节点数；PL0.j为第j个负荷节点扰动前的有功功率；U0.j和Uj分别为第j个负荷节点扰动前后的电压。

步骤3，当系统发生扰动时，低频减载作为一种紧急控制手段，应保证迅速动作切除负荷，抑制频率的下降过程，因此首轮动作越快，对延缓频率下降越有利。对于某一特定系统，通过调节系统中不平衡功率的缺额从而得到稳态频率为49Hz(即首轮动作值)的频率动态曲线，求得该曲线在扰动发生瞬间的频率变化率，记为k0。

为了方便表示，定义k为惯性中心频率变化率，即

则

当|k|＜|k0|时，说明系统通过调速器等装置的动作能够恢复频率至49Hz以上；当|k|＞|k0|时，说明系统的稳定频率低于49Hz，需要立即启动低频减载装置。在减载首轮动作之前，先判断k值大小，可以有效延缓频率下降。

步骤4，在减载过程中，常规发电机出力的变化也会改变系统的不平衡功率状态，造成系统k发生阶跃性变化。当发电机出力增加时，应相应减少切负荷量，反之增加切负荷量。根据相邻两轮次动作过程中的频率变化率的差值，对切负荷量进行修正。

如此，k的梯度变化过程就可以通过修正量ΔPx.i来进行表征，作为每个轮次减载量修正的依据。

步骤5，由于风电出力的不确定性，虚拟惯量值Hw依然是动态变化的。考虑到这一因素的影响，可以预先给定Hw初值，随后根据各轮次切负荷前后风电有功功率增量的变化值和频率变化率的差值对下一轮次的虚拟惯量进行修正。

其中，ΔPw.a和ΔPw.b分别为第i轮减载前后风电有功功率增量

根据式(12)推导第i+1轮的虚拟惯量Hw，可以使Hw的取值更加准确，减载过程更加合理。

步骤6，在制定减载控制策略时，切负荷量、减载地点以及减载时间等因素将直接影响到电力系统频率恢复程度和速度。通过选址定容指标，确定切负荷的优先顺序，对频率的恢复有利。研究表明，优先切除负荷频率调节系数KL小的负荷，可以保证KL较大的负荷在频率下降过程中减少从系统吸收的有功，从而缓解系统的功率不平衡状态。同时，负荷的重要程度在减载过程中也应予以考虑，通常负荷分为三类：一类负荷要求的供电水平最高，需保证不间断供电；二类负荷对供电要求略低，切除的损失略低；三类负荷重要程度最低，为保证减载可以随时切除。

根据以上理论分析，得到第i个节点的负荷频率特性权值为

由此建立低频减载综合指标

Li＝αiβi (31)

其中，βi为负荷节点i的重要程度权值。

步骤7，由以上分析可知，低频减载应该优先切除综合指标小的母线。依据综合指标进行减载量的加权分配：

其中，表示负荷节点i的分配系数；ΔPij表示第j轮减载时负荷节点i应切除的负荷量；ΔPshed.j表示第j轮减载应切除的总负荷量。