风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析方法及装置与流程

本发明涉及电力系统工程技术领域，尤其涉及风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析方法及装置。

背景技术：

近些年来，我国以风电为主的新能源发电技术得到了快速发展。以东北电网为例，到2019年，东北风电总装机将超过到3100万千瓦，占东北电网总装机容量的20％以上，且呈现出不断上升的趋势。

当大规模风电接入后对电力系统后，由于风机本身独特的结构和运行方式，而且受气候条件的制约，风电本身具有随机性和间歇性的特点，导致大量的风机并网后恶化了电力系统应对功率缺额和功率波动的能力，在实际工况下发生频率稳定性的问题比较频繁。而频率稳定影响又具有全局性，稳定一旦破坏，可能会导致大停电事故的发生。因此，迫切需要对大规模风电并网的电力系统的暂态频率特性以及相应的优化控制措施进行分析和研究，在保证电网安全运行的同时接纳更多的风电等新能源。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析方法及装置，以解决目前风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析方法效率低的问题。

第一方面，本发明提供一种方法，包括：

将待分析电力系统中的至少一个火电机组等额替换为风电机组，并确定所述待分析电力系统的风电接入比α；

根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的惯性时间常数ti和所述风电接入比α，确定风电接入之后的电力系统的等效惯性时间常数teq；

根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的单位调节功率kg、待分析电力系统的负荷的单位调节功率kl和所述风电接入比α，确定电力系统的单位调节功率ks；

在所述待分析电力系统的负荷变化δpl时，确定所述火电机组和负荷共同参与一次调频时，所述待分析电力系统在风电接入之后在暂态过程中的最大频率偏移量δfmax。

进一步地，还包括：

将确定的所述最大频率偏移量δfmax与预先设定的偏移阈值进行比较；

在所述最大频率偏移量δfmax大于所述预先设定的偏移阈值时，保持所述风电接入比α不变，

在风电机组方面，增加虚拟惯量控制或有功-频率下垂控制环节，以使得所述最大频率偏移量δfmax降低至不大于所述预先设定的偏移阈值；

在火电机组方面，增加火电机组的旋转备用容量或火电机组的个数或改变汽轮机的调速器调差系数或减小调频死区，以使得所述最大频率偏移量δfmax降低至不大于所述预先设定的偏移阈值。

第二方面，本发明提供一种风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析装置，包括：

风电接入比确定模块，用于将待分析电力系统中的至少一个火电机组等额替换为风电机组，并确定所述待分析电力系统的风电接入比α；

等效惯性时间常数确定模块，用于根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的惯性时间常数ti和所述风电接入比α，确定风电接入之后的电力系统的等效惯性时间常数teq；

电力系统的单位调节功率确定模块，用于根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的单位调节功率kg、待分析电力系统的负荷的单位调节功率kl和所述风电接入比α，确定电力系统的单位调节功率ks；

最大频率偏移量确定模块，用于在所述待分析电力系统的负荷变化δpl时，确定所述火电机组和负荷共同参与一次调频时，所述待分析电力系统在风电接入之后在暂态过程中的最大频率偏移量δfmax。

本发明提供的风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析方法及装置首先构建了不同风电接入比下，系统的惯性时间常数以及功率调节能力的计算公式；并构建了在故障情况下最大频率偏差的计算公式，用于评价系统暂态频率偏移程度。该分析方法及装置提供了定量分析在大规模风电并网形态下的电力系统发生故障后的频率偏移程度的方法，有助于在实现电网安全运行的同时提升风电接入的比例。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明优选实施方式的方法的流程示意图；

图2是本发明优选实施方式的装置的组成示意图。

图3为本发明优选实施方式的风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析及优化的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

随着风电等新能源装机容量逐年上升，大量的电力电子设备代替了电力系统传统的电磁转换设备。风机独特的结构和运行方式使得其不具备同步发电机的频率响应能力，大量的风机并网后恶化了电力系统应对功率缺额和功率波动的能力。

风电接入后对电力系统频率的影响主要有：(1)风电本身的出力波动使得系统频率出现扰动，其波动性对系统的调频充裕性、调频灵活性以及系统的爬坡能力提出了更高的要求；(2)主流的变速风电机组由于其转速与频率完全解耦，有功功率输出无法像同步发电机一样响应系统频率的变化。当变速风电机组大规模替代同步发电机之后，会导致系统的等效惯性时间常数减小，降低了电力系统的有功功率动态控制能力；(3)风电的故障穿越能力有限，容易脱网，进一步恶化了系统的频率稳定性。加上风电本身的随机性和波动性的特点，在实际工况下发生频率稳定性的问题将更加频繁，尤其是在极端工况下，频率的变化速率以及程度过大时可能会触发低频减载、高频切机等安控保护动作，进一步增加了风电高渗透率地区电网的运行、保护和调度的难度，对电网的频率安全稳定带来了新的挑战，并在一定程度上制约了风电的消纳。

为了提升风电消纳水平，早期措施主要是通过增加一定的备用容量来缓解系统的有功功率平衡的问题。随着风电并网容量的不断攀升，所需要的备用容量也要不断提高，不利于电网的经济运行，同时也增加了电网调度的负担。

为了保证电网的安全经济运行，一些国家如丹麦、爱尔兰等国家提出了风电参与调频的要求。我国给出的风电参与调频的国家技术标准中指出我国的风电应具备参与电力系统调频以及调峰的能力。目前通常通过风电机组参与辅助调频来对系统的频率进行改善，使得电网能够更大比例地接纳风电新能源。

应该理解为，电力系统包括：作为电源的风电机组或火电机组、负荷、和将电源与负荷相连接的线路。其中，火电机组通常为汽轮发电机，且汽轮发电机设置有同步发电机和调速器。风电机组通常为双馈变速风电机组(包括风力发电机)。电力系统的主干线路均为三相线路，有单回和双回；三相线路可发生单相故障或多相故障(这里的多相故障，为两相故障或三相故障)。

如图1所示，本发明实施例的风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析方法，包括：

步骤s10：将待分析电力系统中的至少一个火电机组等额替换为风电机组，并确定所述待分析电力系统的风电接入比α；

步骤s20：根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的惯性时间常数ti和所述风电接入比α，确定风电接入之后的电力系统的等效惯性时间常数teq；

步骤s30：根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的单位调节功率kg、待分析电力系统的负荷的单位调节功率kl和所述风电接入比α，确定电力系统的单位调节功率ks；

步骤s40：在所述待分析电力系统的负荷变化δpl时，确定所述火电机组和负荷共同参与一次调频时，所述待分析电力系统在风电接入之后在暂态过程中的最大频率偏移量δfmax。

该方法提供了风电接入后系统的惯性时间常数和系统的功率调节能力的定量计算方法，及系统受到扰动后最大频率偏差的定量计算方法，是对风电并网后系统频率偏移特性的定量分析和评估的基础。

进一步地，还包括：

将确定的所述最大频率偏移量δfmax与预先设定的偏移阈值进行比较；

在所述最大频率偏移量δfmax大于所述预先设定的偏移阈值时，保持所述风电接入比α不变，

在风电机组方面，增加虚拟惯量控制或有功-频率下垂控制环节，以使得所述最大频率偏移量δfmax降低至不大于所述预先设定的偏移阈值；

在火电机组方面，增加火电机组的旋转备用容量或火电机组的个数或改变汽轮机的调速器调差系数或减小调频死区，以使得所述最大频率偏移量δfmax降低至不大于所述预先设定的偏移阈值。

若当前接入比例下，在某一预知的故障时，最大频率偏差大于预先设置的最大频率偏差允许阀值，则采取相应的频率优化控制措施来减小最大频率偏差，从而改善了系统的频率特性。

该方法还提供了相应的频率优化措施，有助于在实现电网安全运行的同时提升风电接入的比例。

进一步地，所述待分析电力系统中的至少一个火电机组等额替换为风电机组，并确定所述待分析电力系统的风电接入比α，包括：

获取待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的总额定容量和风电接入之后的火电机组的总额定容量，根据下式确定所述待分析电力系统的风电接入比α：

其中，所述待分析电力系统风电接入之前，有n个火电机组；风电接入时，有k个火电机组被风电机组等额替换；pgi为第i个火电机组中同步发电机的额定有功功率。

进一步地，所述根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的惯性时间常数ti和所述风电接入比α，确定风电接入之后的电力系统的等效惯性时间常数teq，包括：

在各个火电机组的惯性时间常数近似相等时，获取待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的惯性时间常数ti和所述风电接入比α，根据下式确定风电接入之后的电力系统的等效惯性时间常数teq：

其中，ti为第i个火电机组的惯性时间常数；

jsi、psi、ωsi分别为第i个火电机组的转动惯量、极对数和同步角速度；

t为待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的惯性时间常数。

进一步地，所述根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的单位调节功率kgi、待分析电力系统的负荷的单位调节功率kl和所述风电接入比，确定电力系统的单位调节功率ks，包括：

在各个火电机组具有一次调频能力时且各火电机组的单位调节功率近似相等时，根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的单位调节功率kgi和所述风电接入比α，根据下式确定风电接入之后的火电机组的等效单位调节功率kgeq：

其中，

kgi为第i个火电机组的单位调节功率；

kg为风电接入之前系统中所有n个火电机组的单位调节功率；

kgeq为风电接入后系统中所有(n-k)个火电机组的等效单位调节功率；

在风电接入之后和风电接入之前，负荷的单位调节功率kl不发生变化时，根据下式确定所述待分析电力系统的单位调节功率ks：

ks＝kgeq+kl。

进一步地，所述在所述待分析电力系统的负荷变化δpl时，确定所述火电机组和负荷共同参与一次调频时，所述待分析电力系统在风电接入之后在暂态过程中的最大频率偏移量δfmax，包括：

在检测到所述待分析电力系统的负荷变化δpl且，在检测到所述待分析电力系统的频率发生偏差后，将火电机组和负荷同时投入参与一次调频，则根据下式确定所述待分析电力系统在暂态过程中的最大频率偏移量δfmax：

进一步地，所述待分析电力系统中包括t条主干线路；

每一条所述主干线路对应的故障为以下任一项：单相永久性短路故障、三相永久性短路故障、双回线路异名相相间短路故障、双回线路异名相相间短路故障主保护拒动；

其中，所述主干线路对应的故障导致所述待分析电力系统的负荷变化δpl，且导致所述待分析电力系统进入暂态过程。

进一步地，在所述待分析电力系统中，所述风电机组或火电机组为电源；

所述火电机组为设置有调速器和同步发电机的汽轮发电机；

所述风电机组为双馈变速风电机组。

该方法为风电接入后电力系统频率偏移特性的定量评估提供了简单可行的方法，形成了扰动情况下暂态频率偏移特性的评估流程以及优化控制流程，在保证系统安全稳定运行的情况下，使得电网能够最大程度地消纳风电新能源。

如图2所示，本发明实施例的风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析装置，包括：

风电接入比确定模块100，用于将待分析电力系统中的至少一个火电机组等额替换为风电机组，并确定所述待分析电力系统的风电接入比α；

等效惯性时间常数确定模块200，用于根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的惯性时间常数ti和所述风电接入比α，确定风电接入之后的电力系统的等效惯性时间常数teq；

电力系统的单位调节功率确定模块300，用于根据获取的待分析电力系统在风电接入之前的火电机组的单位调节功率kg、待分析电力系统的负荷的单位调节功率kl和所述风电接入比α，确定电力系统的单位调节功率ks；

最大频率偏移量确定模块400，用于在所述待分析电力系统的负荷变化δpl时，确定所述火电机组和负荷共同参与一次调频时，所述待分析电力系统在风电接入之后在暂态过程中的最大频率偏移量δfmax。

进一步地，还包括：

最大频率偏移量调整模块，用于比将确定的所述最大频率偏移量δfmax与预先设定的偏移阈值进行比较；

在所述最大频率偏移量δfmax大于所述预先设定的偏移阈值时，保持所述风电接入比α不变，

在风电机组方面，增加虚拟惯量控制或有功-频率下垂控制环节，以使得所述最大频率偏移量δfmax降低至不大于所述预先设定的偏移阈值；

在火电机组方面，增加火电机组的旋转备用容量或火电机组的个数或改变汽轮机的调速器调差系数或减小调频死区，以使得所述最大频率偏移量δfmax降低至不大于所述预先设定的偏移阈值。

该装置具有与上述方法相同的技术方案和发明构思，具有相同的技术效果，这里不再赘述。

图3示出了批量地对风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析及优化方法的具体流程，以下就该方法进行具体介绍。

步骤(1)：设置多个不同的风电接入比

将电力系统中的多个(如，k)火电机组由相同容量的双馈变速风电机组替换。也即，这些火电机组的总额定容量(这里为额定有功功率)为指定容量p；用于替换火电机组的多个(如，m个)双馈变速风电机组的总额定容量也为指定容量p。

假设电力系统中有n个火电机组；将n个火电机组中的k个等额地替换为s个风电机组，其中，k<n；因为是等额替换，因此，风电接入前后，该电力系统发出的总额定有功功率保持不变。

这时，风电接入比α为：

式中，α为风电接入比，pgi为各火电机组中同步发电机的额定有功功率。

多次改变被替换的火电机组的总额定容量；通过上式(1)可以分别计算得到多个不同的风电接入比α；根据m次k个被替换的火电机组的额定容量，可以构成包括有m个元素的风电接入比向量α＝{α1,α2…αm}。

步骤(2)：定量计算不同风电接入比下的惯性时间常数和功率调节能力

2.1)计算惯性时间常数t

惯性时间常数ti定义为：单个火电机组中的同步发电机在同步角速度下的转子旋转储能与该火电机组的额定容量之比。而电力系统的等效惯性时间常数t可以表示为电力系统的总转子旋转储能与总额定容量的比值，即

式中，ti为第i个火电机组的惯性时间常数，t为电力系统的等效惯性时间常数；

jsi、psi、ωsi分别为第i个火电机组的转动惯量、极对数、转速(即同步角速度)；

wgi为火电机组i在额定转速(也即同步角速度)下的转子动能(也即转子旋转储能)。

从式(2)中可以得出，当风电机组替代了火电机组加入到电力系统之后，电力系统的整体转子旋转储能的数值减小。

若各个火电机组的装机容量近似相等，则根据公式(2)惯性时间常数的定义可以得出，各个火电机组的惯性时间常数近似相等，这时，继续根据公式(2)可知：

式中，teq为风电接入后系统的等效惯性时间常数。

由公式(3)可知，不同的风电接入比对应着不同的等效惯性时间常数。

根据m个不同的风电接入比，可以形成包括有m个元素的等效惯性时间常数向量teq：teq＝{tα1,tα2…tαm}。

2.2)功率调节能力的计算

由同步发电机的静态特性可知，假设风电机组不参与调频且风电机组替换的是具有一次调频能力的火电机组，则风电接入前后，该电力系统中电源的单位调节功率分别为：

式(4)中的kgi为第i个火电机组的单位调节功率，kg为风电接入之前系统中所有n个火电机组的单位调节功率；kgeq为风电接入后系统中所有(n-k)个火电机组的等效单位调节功率。

在各火电机组的单位调节功率近似相等时，则

进一步地，若风电替换前后，负荷的单位调节功率kl不发生变化，则电力系统的单位调节功率如式(6)所示

ks＝kgeq+kl(6)

式(6)中，ks为系统的单位调节功率，kl为负荷的单位调节功率。

由式(6)可以得到不同风电接入比下对应的系统的单位调节功率。根据m个不同的风电接入比，可以形成包括有m个元素的系统的单位调节功率向量ks＝{ksα1,ksα2…ksαm}。

系统的单位调节功率向量可以反映不同风电接入比对系统功率调节能力的影响。风电接入比越大，系统的单位调节功率越小。

步骤(3)：故障集合的建立

统计电力系统中的全部t条主干线路，形成线路集合l＝{l1,l2…lt}，其中lt代表线路中的第t条主干线路。对线路集合l中的每一条主干线路，遍历其单相永久性短路故障、三相永久性短路故障、双回线路异名相相间短路故障、双回线路异名相相间短路故障主保护拒动等典型故障，形成故障集合s＝{s1,s2…st}；其中，s1表示线路1发生不同故障时的故障集合；st表示线路t发生不同故障时的故障集合。

步骤(4)：故障发生后系统最大频率偏差数值的计算

以最大频率偏差δfmax作为反映系统一次调频能力的指标。

假设在t0时刻，系统遭受大的扰动，例如某条主干线路上的负荷突然增加δpl后，导致系统的频率出现下降。在检测到频率发生偏差之后，火电机组和负荷共同参与一次调频，则暂态过程时，系统的有功功率平衡方程为

式中，teq为系统中常规发电机组的惯性时间常数，kl为系统中负荷的单位调节功率，δf为系统的频率偏差，δpg(t)为在大的扰动(负荷突加δpl)情况下单个火电机组增发的机械功率；由于假设风电机组不参与调频，δpw仅为风功率波动所造成的风电机组的功率变化，在大扰动场景的较短的时间段内，可近似地认为风电功率不发生波动，因此，δpw可忽略，也即δpw为零。

应该理解为，火电机组有机械功率和电磁功率，式(7)中指的是机械功率。

负荷参与一次调频时，可近似地认为负荷的单位调节功率kl不发生变化。

一次调频的过程中，火电机组通过调速器响应系统的频率偏差，功率的增量δpg与频率的偏差量δf呈比例关系。火电机组的汽轮机模型可以简化为一阶惯性环节，

式(8)中，ts为汽轮机的调速器时间常数；具体实施时，可以近似地认为电力系统中的各火电机组中汽轮机的调速器时间常数相等；

kgeq为该电力系统中全部的火电机组的等效单位调节功率。

将式(8)带入到式(7)中可得如式(9)所示的微分方程

teqtsf”+(teq+tskl)f'+(kg+kl)f＝kg+kl-δpl(9)

式(9)中，f”为系统频率的二阶倒数，f'为系统频率的一阶倒数，且当t＝t0时，有f＝1，f'＝-δpl/teq。

将该初始条件带入到式(9)中可得，

式中，

另，在最大频率偏差处，频率的变化率为0，因此对式(10)求一阶导数可得到最大频率偏移δfmax和频率跌落到最低点的时间ta，如式(16)所示，

由于kl＜＜kgeq，γ≈sin(γ)≈tan(γ)，则对式(16)中的相关变量和式(13)进行化简，可得，

由指数函数的相关性质可知，则最大频率偏差δfmax可以化简为：

根据式(18)，可得到在扰动量为δpl的情况下，风电接入比α和最大频率偏差δfmax的关系。

当风电接入比和扰动量变化的情况下，系统的最大频率偏差会相应的发生变化。

步骤(5)：最大频率偏差矩阵δf的建立

由步骤(2)和步骤(4)可知，相同的故障条件下，不同的风电接入比影响系统的惯性时间常数以及系统的功率调节能力，从而影响系统的最大频率偏差。

相同的风电接入比下，不同的故障对应着不同的最大频率偏差。因此可以建立频率偏差矩阵δf，如式(19)所示：

其中矩阵中的行代表不同的风电接入比{α1,α2…αm}^t，矩阵中的列对应着不同主干线路的故障集合类型s＝{s1,s2…st}，矩阵中的每个元素代表某一个风电接入比下的某一个故障扰动对应的最大频率偏移数值。

通常，线路故障会导致负荷发生变化；这时，负荷变化量δpl可能为正，表示增加；负荷变化量δpl也可能为负，表示减小。

步骤(6)：需要进行频率优化控制的矩阵δf'的建立

根据式(19)可以得到最大频率偏差矩阵。针对某一电力系统而言，允许的最大频率偏差的数值是确定的，因此设置最大频率偏差的阀值δfset；将δf中的元素与该阀值进行比较，若最大频率偏差数矩阵中的某个元素δfij超过了该阀值δfset，则说明在该风电接入比为αi且发生故障sj会触发系统的低频减载或高频切机的安控保护动作，使得系统出现严重运行问题。

将δf进行排序并与阀值比较，删去低于阀值的元素之后最终形成需要进行频率优化控制的矩阵δf'，该矩阵中的任一元素均超过了所设定阀值。

其中，p≤m，k≤n。

也即，小于阀值则认为是正常运行。比如允许频率偏差为0.5，则小于0.5的均视为稳定。

步骤(7)：频率优化相关措施的制定

根据步骤(6)得到的矩阵δf'的元素来制定相应的频率优化控制的措施，使其矩阵中的数值小于所设定的最大频率偏差的阀值。

风电接入电力系统后，需要从风电机组和火电机组两个方面制定频率优化控制措施。在风电机组方面，通过增加有功控制环节使得风机的有功输出功率能够响应系统的频率变化，加入的控制主要有：1、增加虚拟惯量控制，将风机的旋转动能与系统频率耦合，模拟常规汽轮发电机的动态响应特性；2、增加有功-频率下垂控制环节，模拟汽轮发电机的调速器，使得风机主动参与一次调频。

在火电机组方面，可以采用增加火电机组的旋转备用容量、增加参与一次调频的火电机组的个数、改变汽轮机的调速器调差系数(为火电机组单位调节功率的倒数)以及减小调频死区的范围等措施来进行频率的优化控制。

该风电接入后电力系统暂态频率响应特性分析及优化方法结合风电接入后系统频率响应的相关特性，构建了不同风电接入比下系统的惯性时间常数以及功率调节能力的计算公式；提出了在某一故障情况下评价系统暂态频率偏移程度的最大频率偏差的计算公式，得到了不同风电比例下以及不同故障情况下的最大频率偏差矩阵；通过对矩阵中的元素进行排序并与设置的允许最大频率偏差的阀值进行比较，形成需要进行频率优化控制的矩阵；根据矩阵中的元素提出频率的优化控制措施来减小最大频率偏差，改善系统的频率特性。最后形成了扰动情况下暂态频率偏移特性的评估以及优化控制流程，能够指导风电等新能源接入系统后的频率性能的改善，保证风电大规模接入后系统的正常运行，有利于电网接纳更高比例的风电等新能源。

以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。