一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，属于电网 动态频率分析领域。
【背景技术】
[0002] 根据最新的"十三五"规划，到2020年我国累计风电装机容量将至少达到2亿千 瓦。然而由于风电机组出力波动性与随机性，而且风电机组多采用了电力电子器件，导致其 发电机转子转速与电网频率解耦，那么随着大量的风电机组接入电网，势必改变传统电网 的频率动态特性。然而电力系统动态频率特性对电能质量与电网安全稳定有着重要的影 响，因此基于含风电并网系统动态频率响应特性的研究是非常迫切且意义重大的。
[0003] Johan Morren 等人在期刊 IEEE trans on power system 中发表的文章《Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control〉〉，提出了在 变速风电机组转子侧变流器中增加经典的比例微分额外控制环，给出了变速风电机组惯性 响应和一次频率响应的控制基本雏形，后来很多研究都是在该文献基础上展开的。但目前 国、内外大量的文献都是致力于风电机组频率控制技术的研究，关于风电场接入电网后对 系统频率响应特性的影响却还处于初期研究阶段。
[0004] 由于风电不断接入传统电网，已导致电网动态频率特性发生改变，传统电网的低 阶频率响应模型已不再适用。因此为了快速又较为精确地获取含风电并网系统的动态频率 特性，那么建立一种新的低阶动态频率响应模型是目前需要解决的重要技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于建立一种含风电并网系统的低阶动态频率响应模型，该模型能 够帮助调度部门快速而又精确地获取风电并网系统的动态频率下响应曲线，并评估四个重 要动态频率特性指标。
[0006] 本发明为解决以上技术问题采用以下技术方案：
[0007] -种建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的方法，包括以下步骤：
[0008] 1)假定装机额定容量为&的传统电网由火电机组为主导，现有占传统总电网装机 容量比例为L p的风电机组替代同等容量的火电机组接入传统电网中，则此时火电机组的额 定容量减小为Sn (I-Lp);
[0009] 2)假定风电场内风电机组均采用比例-微分ro频率辅助控制器，且风电机组在频 率控制过程中不会发生过度响应，将风电机组看作为负的负荷，则可得到含风电并网系统 的低阶动态频率响应模型的传递函数；
[0010] 3)根据含风电并网系统的低阶频率响应模型传递函数，通过拉斯反变换，推导出 含风电并网系统的低阶频率响应模型的时域解析表达式以及电网动态频率的四个重要特 性指标。
[0011] 前述的步骤3)中，含风电并网系统的低阶频率响应模型的时域解析表达式的推 导，包括以下步骤：
[0012] 3-1)含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的传递函数的复数域关系如式 (1)所示：
[0014]
AP' step为风电接入后电网有功功率瞬时 增量；A Pstep为原传统电网有功功率瞬时增量，A ? (s)为电网频率增量，H为传统电网等 值惯性时间常数，D为传统电网等值阻尼，R传统电网调速器调差系数，Kni为与发电机功率 因数和备用系数相关的系数，由调度部门设定，F hp为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出 功率的百分比，Tr为中压缸再热蒸汽容积时间常数，k k d为比例-微分ro频率辅助控制 器的比例系数和微分系数，s为拉普拉斯算子；
[0015] 3-2)根据式（1)得到传递函数关系如下：
[0017] 将式（2)变为标准形式：
[0021] K1n=Kn(I-Lp) ；H' =H(I-Lp) ；D' =D(I-Lp) (6)
[0022] 3-3)对式（3)进行拉斯反变换，得到含风电并网系统的低阶动态频率响应模型的 时域解析表达式A ? (t)为：
[0027] t表示时间。
[0028] 前述的步骤3)中，电网动态频率的四个重要特性指标为：初始频率变化率、最大 频率偏移发生时间、最大频率偏移、准稳态频率偏差。
[0029] 前述的初始频率变化率，即频率发生扰动初始时刻t = 0+时电网频率的变化率， 记为ROCOF :
[0031] 前述的最大频率偏移发生时间，即电网频率偏移最大对应的时刻，记为tMFD，当电 网动态频率偏移最大时，此时电网动态频率变化率
，则最大频率偏移发生 时间tMFD为：
[0033] 前述的最大频率偏移A 为：
[0037] 采用本发明方法所建立的模型能够帮助调度部门快速而又精确地获取风电并网 系统的动态频率下响应曲线，并评估四个重要动态频率特性指标，这将对含风电并网系统 的低频减载技术等研究与实施带来很大便利。
【附图说明】
[0038] 图1为变速风电机组采用的经典ro频率辅助控制器框图；
[0039] 图2为含风电并网系统的低阶动态频率响应模型传递函数框图；
[0040] 图3为含风电并网系统的低阶动态频率响应模型递函数等效简化图；
[0041] 图4为实施例中进行低阶动态频率响应模型验证时所建立的基础仿真模型；
[0042] 图5为实施例中采用本发明后低阶频率动态响应模型与详细模型结果对比图；其 中，图5(a)为完整动态频率特性曲线图；图5(b)为初始频率变化局部放大图；图5(c)为 最大频率偏移局部放大图；图5(d)为准稳态频率局部放大图。实线代表本发明方法仿真结 果，虚线代表详细模型仿真结果。
【具体实施方式】
[0043] 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，为了能更加清晰的了 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。
[0044] 本发明建立了一种含风电并网系统的低阶频率响应模型，由于变速风电机组的转 子转速与电网频率完全解耦，在建立含风电并网系统的低阶频率响应模型时，仅需考虑频 率动态响应过程中变速风电机组向电网提供的额外有功功率，而并不需要关心变速风电机 组自身的动态行为，通过将传统电网的变速风电机组视为"负的负荷"，并忽略变速风电机 组在频率扰动期间自身动态响应过程以及小时间惯性常数环节，从而可以建立新的低阶动 态频率下响应模型的传递函数。然后再将建立的新的传递函数进行拉斯反变换，最终求解 出含风电并网系统低阶频率响应模型的时域解析表达式，以及四个重要动态频率特性指标 的计算式。
[0045] 本发明建立含风电并网系统的低阶频率响应模型的方法，步骤如下：
[0046] 步骤1，假定装机额定容量为&的传统电网由火电机组为主导，现有占传统总电网 装机容量比例为L p的风电机组替代同等容量的火电机组接入传统电网中，那么此时火电机 组的额定容量减小为Sn(I-Lp);
[0047] 步骤2，再假定风电场内风电机组均采用了经典的比例-微分ro频率辅助控制器， 且变速风电机组在频率控制过程中不会发生过度响应。如图1所示，其中比例系数为k p， 微分系数为kd;I\为低通滤波器时间常数，fsys、f N、Af分别为电网实测频率、额定频率、实 时频率偏差；A Pg、PgOT、Praf分别为变速风电机组初始有功功率参考值、额外增加有功功 率、实时有功功率、实时有功功率参考值，i qraf为q轴转子电流参考值。
[0048] 由于变速风电机组中均装备了电力电子变流器，可以实现对风电机组实时有功功 率参考值的快速且准确的跟踪控制。因此在建立含风电并网系统的低阶动态频率响应模型 时，仅需关心变速风电机组在频率扰动时向电网提供的额外增加的有功功率A Pg;至于变 速风电机组自身的动态行为，并不需要关心。
[0049] 将风电机组看作为"负的负荷"，则可以得到图2所示的含风电并网系统的低阶动 态频率响应模型的传递函数框图，其中，P。为调度部门设定的火电机组有功命令值变化量， 一般不考虑，即取值为零。
[0050] 步骤3,根据如图2所建立的低阶动态频率响应模型传递函数框图，可以写出复数 域关系如式（1)所示：
[0052]
，AP' step为风电接入后电网有功功率瞬时 增量；A Pstap为原传统电网有功功率瞬时增量；A ? (s)为电网频率增量；H为传统电网等 值惯性时间常数；D为传统电网等值阻尼；R传统电网调速器调差系数；Kni为与发电机功率 因数和备用系数相关的系数，由调度部门设定；F hp为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出 功率的百分比；TR为中压缸再热蒸