一种计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法与流程

1.本发明涉及电力系统领域，尤其是一种计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法。


背景技术：

2.由于新能源出力具有较强的波动性与间歇性，且新能源大量替代同步机后，将导致电力系统惯量水平下降，恶化系统频率响应特性，削弱系统抵御功率差额的能力，电力系统频率稳定面临新的挑战。


技术实现要素：

3.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，在本部分以及本技术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。
4.鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
5.因此，本发明所要解决的技术问题是新能源大量替代同步机后，将导致电力系统惯量水平下降，恶化系统频率响应特性，削弱系统抵御功率差额的能力，电力系统频率稳定面临新的挑战。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法，包括以下步骤，
7.拟定待评估系统边界条件基础；
8.从不同角度构建新型电力系统惯量水平评估模型；
9.确定电力系统元件的惯性常数；
10.针对电网不同典型运行方式下的新能源渗透率及系统惯量常数进行计算；
11.评估不同储能配置比例下的系统惯量水平。
12.作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：所述拟定待评估系统包括以待评估电力系统对象的电网发展规划、系统设计研究报告为基础，拟定系统电源发展规模、电力需求水平、电力外送规模边界条件基础数据。
13.作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：所述新型电力系统惯量水平评估模型包括：
14.从转动惯量j、系统动能e、惯性常数h、惯性时间常数tj等不同角度表征：
[0015][0016]
式中：r为转动半径；dm为对变量m进行微分计算；m为刚体质量；w为发电机实际转子机械角速度；wn为发电机额定转子机械角速度；sn为电力系统额定装机容量。
[0017]
作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：含高比例新能源的新型电力系统中可以提供旋转动能的元件包括含虚拟惯量控制的储能，计及储能后系统总旋转动能之和e
sys
：
[0018][0019]
式中：为第i台同步发电机组的惯性时间常数，单位mw
·
s；为第i台同步发电机组的额定容量，单位mw；为第j个储能电站的惯性时间常数单位mw
·
s；为第j个储能电站的额定容量单位mw；xi表示第i台同步发电机组的开机状态，0表示停机，1表示开机；m为系统内同步发电机组数量；n为系统内储能电站数量。
[0020]
作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：系统总开机容量
[0021][0022]
式中：为第i台同步发电机组的开机容量，单位mw；为第j个新能源电站的开机容量，单位mw；m为系统内同步发电机组数量；n为系统内新能源电站数量。
[0023]
作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：系统等效惯性常数h
sys
：
[0024][0025]
作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：所述确定电力系统元件的惯性常数包括：确定燃煤机组、大型水轮机组、中小水电机组、风电光伏机组电力系统元件的惯性常数。
[0026]
作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：所述针对电网不同典型运行方式下的新能源渗透率及系统惯量常数进行计算包括电网典型大方式、典型小方式运行情况。
[0027]
作为本发明所述计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法的一种优选方案，其中：所述燃煤机组惯性常数典型值为3.5s～5s、大型水轮机组惯性常数典型值为3s～5s、中小水电机组惯性常数典型值为3s～4s、风电光伏惯性常数为0s，不考虑负荷侧惯性常数。
[0028]
本发明的有益效果：发明研究了新型电力系统频率稳定问题机理，分析了高渗透
率下新能源电力系统动态频率响应特性与系统惯量之间的关系，从转动惯量、系统动能、惯性常数、惯性时间常数等不同角度构建了新型电力系统惯量水平评估模型，并以某省构建以新能源为主体的新型电力系统为例，测算了计及储能后的新能源高占比电力系统惯量水平进行计算与评估，基于系统等效惯量评估模型，并充分考虑了高比例新能源发展带来的大规模储能配置影响，以电力系统随机生产模拟结果为基础，使评估结果更全面，与实际更相符，指导意义更强。
附图说明
[0029]
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：
[0030]
图1为本发明的流程示意图；
[0031]
图2为典型大方式下新能源渗透率及系统惯量常数(不配储能)评估结果图；
[0032]
图3为典型小方式下新能源渗透率及系统惯量常数(不配储能)评估结果图；
[0033]
图4为典型大方式下新能源渗透率及系统惯量常数(配20％储能)评估结果图；
[0034]
图5为典型小方式下新能源渗透率及系统惯量常数(配20％储能)评估结果图。
具体实施方式
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
再其次，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。
[0039]
实施例
[0040]
参照图1～5，本实施例提供了一种计及储能的新型电力系统惯量水平评估方法，参照图1的流程，包括以下步骤：
[0041]
s1：拟定待评估系统边界条件基础；
[0042]
s2：从不同角度构建新型电力系统惯量水平评估模型；
[0043]
s3：确定电力系统元件的惯性常数；
[0044]
s4：针对电网不同典型运行方式下的新能源渗透率及系统惯量常数进行计算；
[0045]
s5：评估不同储能配置比例下的系统惯量水平。
[0046]
具体的，s1中主要以拟定待评估系统包括以待评估电力系统对象的电网发展规
划、系统设计研究报告为基础，拟定系统电源发展规模、电力需求水平、电力外送规模边界条件基础数据，以某省电力系统为例：
[0047]
(1)电力需求水平：预计到2025年，某省全社会用电量3400亿千瓦时，最大负荷5400万千瓦，五年年均增长率分别为10.9％、10.8％。
[0048]
表1某省五年电力需求水平预测单位：亿千瓦时、万千瓦、小时
[0049]
项目/年份202220252030五年年增长率全社会用电量25393400400010.9％最大负荷40005400640010.8％利用小时634862966251 [0050]
(2)电源发展规划：预计到2025年，某省全省电源总装机分别达到13726 万千瓦。其中水电8896万千瓦，煤电1080万千瓦，风电1774万千瓦，光伏1705万千瓦，其他电源271万千瓦。预计到2030年，某省全省电源总装机分别达到14150万千瓦。其中水电9320万千瓦，煤电1080万千瓦，风电1774万千瓦，光伏1705万千瓦，其他电源271万千瓦。
[0051]
表2某省五年及中长期电源发展规划单位：万千瓦
[0052]
装机/年份202220252030总装机129411372614150水电864188969320煤电112010801080风电174617741774光伏116317051705其他271271271
[0053]
(3)云电外送规模：五年某省西电东送电量按1452亿千瓦时，其中送广东为1233亿千瓦时/2850万千瓦，送广西为219亿千瓦时/600万千瓦；某省对境外、周边省份五年期间年送电量按20亿千瓦时，最大电力50万千瓦。某省汛期(5月～11月)向海南年送电量约16.5亿千瓦时，最大电力50万千瓦。
[0054]
进一步的，s2中，新型电力系统惯量水平评估模型如下：电力系统频率响应特性的本质是系统惯性水平的大小，惯性是物体的固有属性，表现为对运动状态改变的抵抗作用，而电力系统惯性表现为对外来扰动引发频率变化的抵抗作用，是系统频率稳定的重要保障。本实施例中从转动惯量j、系统动能e、惯性常数h、惯性时间常数tj等不同角度表征：
[0055][0056]
式中：r为转动半径；dm为对变量m进行微分计算；m为刚体质量；w为发电机实际转子机械角速度；wn为发电机额定转子机械角速度；sn为电力系统额定装机容量。
[0057]
进一步的，惯性常数h在物理上表示发电机仅利用存储的动能大小等于发电机额
定容量的负荷提供能量所持续的时间。传统电力系统中可以提供旋转动能的元件就是所有开机的同步发电机组，而目前含高比例新能源的新型电力系统中可以提供旋转动能的元件包括含虚拟惯量控制的储能，计及储能后系统总旋转动能之和e
sys
：
[0058][0059]
式中：为第i台同步发电机组的惯性时间常数，单位mw
·
s；为第 i台同步发电机组的额定容量，单位mw；为第j个储能电站的惯性时间常数单位mw
·
s；为第j个储能电站的额定容量单位mw；xi表示第i台同步发电机组的开机状态，0表示停机，1表示开机；m为系统内同步发电机组数量；n为系统内储能电站数量。
[0060]
进一步的，系统总开机容量
[0061][0062]
式中：为第i台同步发电机组的开机容量，单位mw；为第j个新能源电站的开机容量，单位mw；m为系统内同步发电机组数量；n为系统内新能源电站数量。
[0063]
进一步的，系统等效惯性常数h
sys
：
[0064][0065]
其中s3中，确定电力系统元件的惯性常数包括：确定燃煤机组、大型水轮机组、中小水电机组、风电光伏机组电力系统元件的惯性常数。
[0066]
所述燃煤机组惯性常数典型值为3.5s～5s、大型水轮机组惯性常数典型值为3s～5s、中小水电机组惯性常数典型值为3s～4s、风电光伏惯性常数为0s，由于负荷侧对系统惯量影响较小，暂不考虑负荷侧惯性常数。
[0067]
s4中针对电网不同典型运行方式下的新能源渗透率及系统惯量常数进行计算包括电网典型大方式、典型小方式运行情况。
[0068]
在本实施例中，评估结果如图2～3所示。其中图2为典型大方式下新能源渗透率及系统惯量常数(不配储能)评估结果，图3典型小方式下新能源渗透率及系统惯量常数(不配储能)评估结果；
[0069]
在未考虑储能配置情况下，随着五年及中长期某省集中并网的新能源装机大幅增长，某省电网等效惯性常数呈较为明显的下降趋势。典型大方式下，由于西电东送及负荷水平较高，新能源渗透率尚比较低，从2020年的占比7.8％增长至2035年的占比39.5％，系统等效惯性常数由2020年的4.08s下降至2035 年的2.70s。典型小方式下，由于西电东送及负荷水平减小，由于新能源具有一定的反调峰效应，挤占了系统同步发电机组开机容量，新能源渗透率较典型大方式下升高明显，对应的系统等效惯性常数降低至更低水平。新能源渗透率从 2020年的占比15.6％增长至2035年的占比47.8％，系统等效惯性常数由2020 年的3.36s下降至2035年的2.05s。
[0070]
系统等效惯性常数表征了系统应对功率扰动下频率稳定性的强弱。当时系统抵抗频率扰动能力较强，反之当时系统应对扰动的能力将受限。预计到2030 年某省电网等效惯
性常数即进入临界区间，若不采取其他措施提升系统惯量，预计到2035年以后系统等效惯性常数即将降低至2.0s以下，系统应对大容量功率扰动的能力面临不足。
[0071]
进一步的，按照步骤s5中评估不同储能配置比例下的五年及中长期系统惯量水平。
[0072]
具体的，在上述系统边界条件及评估模型基础上，评估结果如图4～5所示，图4为典型大方式下新能源渗透率及系统惯量常数(配20％储能)评估结果，图5为典型小方式下新能源渗透率及系统惯量常数(配20％储能)评估结果。
[0073]
在考虑大规模新能源配置20％储能情况下，随着五年及中长期某省集中并网的新能源装机大幅增长，某省电网等效惯性常数呈较为明显的下降趋势，但下降趋势相比未配储能情况有所减缓。典型大方式下，由于西电东送及负荷水平较高，新能源渗透率尚比较低，从2020年的占比7.8％增长至2035年的占比39.5％，系统等效惯性常数由2020年的4.08s下降至2035年的3.22s。典型小方式下，由于西电东送及负荷水平减小，由于新能源具有一定的反调峰效应，挤占了系统同步发电机组开机容量，新能源渗透率较典型大方式下升高明显，对应的系统等效惯性常数降低至更低水平。新能源渗透率从2020年的占比 3.36％增长至2035年的占比47.8％，系统等效惯性常数由2020年的3.36s下降至2035年的2.9s。
[0074]
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本技术的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
[0075]
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
[0076]
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
[0077]
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。