电力系统等效惯量评估方法、系统、存储介质

1.本发明涉及电力系统运行控制技术领域，特别是一种电力系统等效惯量评估方法、系统、存储介质。


背景技术：

2.在化石能源不断枯竭以及碳排放要求愈发苛刻的趋势下，以常规同步电源为主导的电力系统正逐步向风、光等非同步电源为主导的电力系统演变。电力系统作为碳排放的主要贡献者，为实现“双碳目标”，意味着未来几十年，世界各国需要陆续关停一大批化石能源电源。因此，基于电力电子换流器接口的风电、光伏等非同步电源的接入数量和容量在未来仍将保持快速增长。由于非同步电源与电网频率相互解耦，在有功扰动下不能主动为系统提供惯量支撑，这将导致电力系统惯量水平降低、恶化系统抗扰动能力和频率稳定问题，给低惯量电力系统的安全稳定运行带来了前所未有的挑战。
3.当前电力系统惯量和调频能力评估主要以依赖于大扰动事件离线评估和基于pmu量测数据的系统在线辨识为主，该类方法普遍存在着精度低、数据需求量大、鲁棒性差、难以适用于正常状态和小扰动分析、不能有效反映
‘
源
‑
网
‑
荷
‑
储’多样化虚拟惯量资源对系统惯量和调频能力的贡献等问题。因此，如何准确获取正常运行工况下系统等效惯量水平以及各电源节点的调频能力并以此为依据开展电力系统惯量与调频能力精细化调控，提前通过制定预防及紧急控制策略增强电网抵御直流闭锁、新能源脱网等大容量有功冲击的能力仍是未来低惯量电力系统面临的一个重要挑战。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种无需依赖于大扰动事件，只需依据阻抗响应就可等效表征系统频率响应特性的电力系统等效惯量评估方法、系统、存储介质。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电力系统等效惯量评估方法，其包括以下步骤：s1、在电力网络中任一节点处向电力系统注入不同频率的功率扰动信号，根据傅里叶变换，获取扰动功率注入点pcc处频率响应传递函数fr(s)；或者，利用阻抗响应等效表征电力系统频率响应传递函数fr(s)；其中，p0为正常运行情况下非同步电源输出功率；p
m
、分别为有功扰动余弦项的幅值与相角，f
r
为有功扰动的扰动频率；s2、获取所述响应传递函数fr(s)的伯德图，进而依据伯德图谐振点和直流增益k
dc_gain
得到电力系统等效惯量水平。
6.本发明利用系统已有储能设备或风电/光伏等新能源机组，采用合适的控制方式，向系统注入正弦有功扰动，得到系统频率响应特性，提出了基于系统频率响应的电力系统等效惯量的评估框架，并在此基础上构建了基于扰动注入点阻抗响应的非侵入式系统等效
频率响应模型，从而无需大扰动事件或pmu等量测数据进行参数辨识就可实现对系统等效惯量水平和各类型电源机组调频能力的评估，为低惯量电力系统的惯量和调频能力的精细化优化调控提供基础，从而尽可能避免直流闭锁、新能源脱网等大容量有功冲击因系统惯量水平和调频能力不足等引发的系统不稳定问题，为低惯量电力系统的安全稳定运行提供有力保障。
7.步骤s1中，采用非同步电源向电力系统注入余弦扰动有功功率，即注入不同频率的功率扰动信号；其中余弦扰动有功功率的扰动注入源为双环控制结构，其中双环控制结构外环采用定功率控制，具体控制模型表示为：，；内环采用定电流控制，具体控制模型表示为：i
d
(s)=h
i
(s)i
dref
，同时锁相环采用q轴锁相实现，输出角度与输入q轴电压的关系表示为：，其中p
ref
为扰动输入功率参考值，i
dref
和i
qref
分别为d轴和q轴电流参考值，h
i
(s)和h
pll
(s)分别为电流控制环和锁相环传递函数，；u1为扰动源并网处电网电压，u
sd
为扰动源并网处电网电压d轴分量，u
sq
为扰动注入源并网处电网电压q轴分量，为扰动源并网处电网电压角度变化量（将输入电压就通过pi控制器，即可得到电网电压的实时角度）。
8.步骤s1中所采用的基于新能源或储能等基于电力电子接口的非同步电源作为功率扰动源，对于当前新能源和储能设备接入不断增加的“双高”电力系统而言，可以很灵活的设置扰动注入点，同时由于电力电子变流器的灵活可控性，极易修改其控制策略，从而实现向待测系统注入所需要的正弦有功扰动量。
9.步骤s1中，经傅里叶变换获取的扰动功率注入点pcc处频率响应传递函数fr(s)表达式为：，其中；、分别为扰动注入点pcc处频率f(t)和有功扰动p(t)在扰动频率f
r
下对应的傅里叶分量；，f0为正常运行情况下电力系统额定频率（50/60hz），f
m
和为扰动注入点pcc处频率余弦项的幅值和相角； p
m
、分别为有功扰动余弦项的幅值与相角。
10.步骤s1中，利用阻抗响应等效表征电力系统频率响应传递函数fr(s)时，频率响应传递函数fr(s)的表达式为：；；；其中，；z
qd
(s)为扰动注入点处的dq域下电力系统的q轴和d轴之间的耦合阻抗；h
i
(s)和h
pll
(s)分别为电流控制环和锁相环传递函数，；u
sd
为扰动源并网处电网电压d轴分量；f
pll_bw
为锁相环带宽；j为复数域中虚数单位。
11.本发明利用有功扰动量、频率波动量与阻抗以及换流器控制框图之间的耦合关系，得到了基于阻抗的频率响应特性数学表达式，从而将评估系统/设备的等效惯量和调频能力转化为获取系统阻抗响应，因此无需大扰动事件或pmu等量测数据进行参数辨识就可
实现对系统等效惯量水平和各类型电源机组调频能力的可靠评估，为电力系统惯量和调频能力的精细化调控提供基础，有效提升电力系统非同步电源的极限承载能力。
12.步骤s2中，电力系统等效惯量水平h
sys
的具体确定过程包括：根据和，即得到电力系统等效惯量水平h
sys
；s
sys
为电力系统额定容量；其中，c
h
为电力系统惯量表征的等效电容。在本步骤中，结合步骤s1中所获取电力系统频率响应fr(s)谐振点，巧妙的将电力系统惯量表征为等效电容c
h
，进而结合系统参数和谐振频率求得等效电容c
h
，计算过程简单，计算结果可靠。
13.步骤s2中，还包括：通过k
dc_gain
间接表明电力系统调频能力，即电力系统准稳态频率频移表示为：；为系统不平衡有功功率。在本步骤中，结合步骤s1中所获取电力系统频率响应fr(s)直流增益，得到了基于直流增益的电力系统调频能力计算方式，有效解决当前只能通过大量仿真计算获取精准系统频率调节能力的评估方法，采用本发明的方法，只需获取电力系统频率响应直流增益k
dc_gain
即可得到系统频率调节能力，为电力系统调度人员及时调整运行方式或控制策略以应对惯量水平不断降低的电力系统的大容量有功冲击提供了强有力的基础与参考。
14.作为一个发明构思，本发明还提供了一种电力系统等效惯量评估系统，其包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行本发明方法的等效惯量评估步骤。
15.作为一个发明构思，本发明还提供了一种电力系统调频能力评估系统，其包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行本发明调频能力评估方法的步骤。
16.作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其包括运行于计算机设备上的程序；所述程序被配置或编程为用于执行本发明方法的步骤。
17.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用系统已有储能设备或风电/光伏等新能源机组，采用合适的控制方式，向系统注入正弦有功扰动，得到系统频率响应特性，提出了基于系统频率响应的电力系统等效惯量和调频能力的评估框架，并在此基础上构建了基于扰动注入点阻抗响应的非侵入式系统等效频率响应模型，从而无需大扰动事件或pmu等量测数据进行参数辨识就可实现对系统等效惯量水平和各类型电源机组调频能力的评估，为低惯量电力系统的惯量和调频能力的精细化优化调控提供基础，从而尽可能避免直流闭锁、新能源脱网等大容量有功冲击因系统惯量水平和调频能力不足等引发的系统稳定问题，为低惯量电力系统的安全稳定运行提供有力保障。
附图说明
18.图1是本发明方法的流程示意图。
19.图2是本发明基于频率响应的系统等效惯量和调频能力评估框架。
20.图3是本发明实例仿真验证中系统结构示意图。
21.图4（a）和图4（b）是本发明实例仿真中电源模型示意图，其中图4（a）为同步发电机模型，图4（b）为电压跟踪型换流器模型。
22.图5是本发明有功扰动注入具体实施框图。
23.图6是本发明有功扰动pll控制框图。
24.图7是本发明仿真实例在母线1注入有功扰动时母线1处频率响应fr(s)。
25.图8是本发明仿真实例在母线2处注入有功扰动时换流器在不同下垂控制系数时母线2频率响应fr(s)。
26.图9是本发明仿真实例在0.05pu有功扰动下系统频率偏差仿真结果。
27.图10是本发明仿真实例有功扰动下母线1处系统z
qd
(s)响应。
具体实施方式
28.本发明实施例提出了一种基于阻抗的电力系统等效惯量和调频能力的评估方法，无需依赖于大扰动事件，只需依据阻抗响应就可等效表征系统频率响应特性，进而实现对电力系统等效惯量和各类型电源调频能力的评估。
29.本发明实施例包括如下步骤：1）利用储能等非同步电源向系统注入有功扰动，则扰动注入点pcc处频率可表示为，其中p0和f0分别为正常运行情况下储能等非同步电源输出功率和系统额定频率，p
m
、分别为有功扰动余弦项的幅值与相角，f
m
和分别为扰动注入点pcc处频率余弦项的幅值和相角，f
r
为有功扰动的扰动频率；2）根据傅里叶变换，则扰动功率注入点pcc处频率响应传递函数fr(s)可表示为：，其中，和分别为扰动注入点pcc处频率f(t)和有功扰动p(t)在扰动频率f
r
下对应的傅里叶分量，可得到扰动注入下系统频率响应传递函数fr(s)的伯德图，进而依据伯德图谐振点（幅值响应最低点）和直流增益k
dc_gain
（mhz/mw）分别得到系统等效惯量水平和调频能力；3）结合有功扰动量、频率波动量与阻抗之间的关系，利用谐波线性化和谐波信号流图理论构建基于阻抗的非侵入式频率响应传递函数等效模型，即利用阻抗响应等效表征系统频率响应传递函数fr(s)，进而根据步骤2）所述评估思路与框架，实现基于阻抗的非侵入式系统等效惯量与调频能力的评估。
30.本发明可不依赖于系统的大扰动事件，只需测量或等效计算得到各电源节点的系统等效阻抗响应，就可实现对电力系统的等效惯量和不同类型电源的调频能力的评估。
31.步骤1）采用储能等非同步电源向系统注入余弦扰动有功功率，其要求扰动源所采用的换流器类型为电流跟踪型，不应具备虚拟惯量模拟控制功能，可以灵活调节其输出功率，且应采用双环控制结构，其中外环采用定功率控制，具体控制模型表示为：，；内环采用定电流控制，具体控制模型表示为：i
d
(s)=h
i
(s)i
dref
，同时锁相环采用q轴锁相实现，输出角度与输入q轴电压的关系表示为：，其中p
ref
为扰动输入功率参考值，i
dref
和i
qref
分别为d轴和q轴电流参考值；和分别为电流控制环和锁相环传递函数，；u1为扰动源并网处电网电压；u
sd
为扰动源并网处
grid via embedding of frame dynamics[j].ieee transactions on power systems,2020,1
‑
10；5.3）根据5.2）所得到的系统频率响应等效传递函数fr(s)可以看出，利用系统dq轴耦合阻抗可以表征扰动注入下系统的频率响应传递函数，进而实现利用阻抗响应模型评估各类型发电机组对系统惯量和调频的贡献。
[0034]
如图1所示，采用本发明实施例方法通过利用储能或风电/光伏等非同步电源，采用合适的控制措施，向系统注入正弦有功扰动，得到扰动注入点pcc处的系统等效频率响应传递函数fr(s)，并根据如图2所示的频率响应分析框图，实现对系统等效惯量和机组调频能力评估。
[0035]
本发明的具体实施实例如下：在matlab/simulink软件中建立了由一台传统同步发电机、一台电压构造型换流器以及相应负荷组成的两机电力系统，如图3所示。其中，同步发电机、换流器模型及其主要参数，分别如图4（a）和图4（b）、表1和表2所示。在本实例中有功扰动源为基于pll锁相的电流跟踪型换流器，其具体实施框图如图5所示。此外，在本发明中，锁相环采用跟踪q轴电压的方式，并通过比列
‑
积分控制器实现对系统频率的获取，具体控制框图如图6所示。
[0036]
表1同步发电机主要参数表2电压构造型换流器主要参数由图5可知，若在母线1处向系统注入扰动频率为f
r
的有功扰动
，则所注入的有功扰动经阻抗在扰动注入点pcc处产生振荡频率为f
r
的频率响应，进而结合傅里叶变换原理可得到扰动注入点的频率响应传递函数fr(s)伯德图，如图7所示。
[0037]
系统等效惯量评估验证：由图7可知，在频率为4.463hz左右系统频率响应幅值最小，这是因为系统惯量的容性与系统线路等值感性发生谐振，假设只考虑系统惯量的影响，根据如图2所示系统等效惯量评估框架，并结合系统相关参数可得到该实例系统的c
h
（系统惯量表征的容性阻抗）为0.789，进而可得到系统等效惯量时间常数为9.8625s，与系统惯性时间常数真实值的误差仅为1.375%，因此采用本发明的所提出的评估方法能准确评估系统的等效惯量水平。
[0038]
系统调频能力评估验证：图8给出了在母线2处注入有功扰动时在换流器不同下垂控制系数下系统频率响应特性，从图8可知，换流器下垂控制系数k
dp
分别为0.02和0.04时，所对应的系统频率响应fr(s)的直流增益分别为56.975db和60.749db，则当系统负荷突然增加0.05pu时，根据直流增益可计算得到系统准稳态频率偏移分别为35.295mhz和57.5mhz，对比图9的simulink仿真结果可知，在时域仿真下系统准稳态频率偏移分别为37.12mhz和 57.34mhz。因此，采用频率响应fr(s)的直流增益可很好的评估系统/设备的调频性能。
[0039]
基于阻抗的系统频率响应等效验证：对比图10和图7可以看出在低频段范围内两者曲线几乎一致，谐振频率基本相同，同时直流增益也近似相等，由此可以看出采用基于阻抗的系统频率响应等效模型能很好表征系统实际频率响应过程，因此通过采用获取扰动注入下阻抗响应的方式可实现对系统等效惯量和调频能力的评估。同时在工程实践中，阻抗响应的获取往往比较容易，因而本发明极易应用于工程实践，实用性强。