一种考虑风-储-直联合调频的电网频率特征计算方法

1.本发明属于电力系统自动化领域，涉及一种基于风-储-直联合调频的电网频率特征定量计算方法。


背景技术：

2.近年来，随着能源结构的低碳化转型，高比例新能源、高比例电力电子设备接入成为了现代电力系统的显著特征。在电源侧，以风电为代表的可再生能源大部分通过电力电子接口实现并网，使得电力电子设备得到广泛应用；在输电侧，20世纪末兴起的柔性直流输电等输电技术推动了电力电子设备在输电网络中的占比不断提高；在负荷侧，以新能源汽车为代表的新型负荷也大多采用电力电子接口。源网荷多方面的电力电子化成为现代电力系统发展趋势，是电力系统在装备上的一次大变革。
3.然而，不同区域电网调频资源结构的差异化使得在频率动态过程中，各节点调频特性的异质化更加明显。在双高电力系统内，跨区联络线两侧呈现“送端”、“受端”特征，两侧电网的等效惯量和调频资源的差异化使得区域电网频率动态过程产生显著差异。另一方面，采用电力电子变流器接口的设备尽管能够提供更快的一次频率支撑，但缺乏传统发电机惯量，当发生故障后，频率波动幅度、频率变化率较大，容易引发一系列的频率稳定问题。
4.目前，电力电子设备控制的调频策略为新型电力系统调频提供了灵活的控制手段，但当前的电力系统频率态势研究并没有立足频率特征定量计算并联合仿真验证，因此，如何定量分析电力系统频率特征成为了研究热点。随着双高电力系统的逐渐完善，系统的频率特征计算流程方法对于新型电力系统频率稳定分析、调频单元控制、资源配置优化等都具有促进意义。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种考虑风-储-直联合调频的电网频率特征计算方法，解决传统火电、风电、储能、柔性直流输电联合调频下电力系统频率特征计算方法缺乏的技术问题。
6.本发明所述的一种考虑风-储-直联合调频的电网频率特征计算方法，步骤为：
7.步骤1、根据传统火电、风电、储能、柔性直流输电频率响应模型，建立风-储-直联合调频的电力系统频率响应模型并计算频率特性；
8.步骤2、计算得到电力系统频率变化时域表达式，并基于电力系统频率变化时域模型计算风-储-直联合调频下电力系统频率特征集合a，包括频率变化率、最大频率偏差及频率峰值时间；
9.步骤3、依据电力系统频率特性函数得到频率变化频域表达式，基于电力系统频率变化s域模型计算风-储-直联合调频下电力系统频率特征集合b，包括稳态频率误差和初始频率变化率。
10.进一步的，所述步骤1中，基于各调频单元的频率响应传递函数，按照各自发电功
率提供调频服务，获得电力系统频率响应模型；
11.所述风-储-直联合调频的电力系统频率响应传递函数为：
12.g
system
(s)＝gr(s)+g
wedc
(s)
13.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
＝gr(s)+gw(s)+ge(s)+g
dc
(s)
14.其中，g
system
(s)是无扰动下风-储-直联合调频的电力系统频率响应传递函数，gr(s)是传统火电频率响应传递函数，gw(s)是风电频率响应传递函数，g
dc
(s)是柔性直流输电频率响应传递函数，g
wedc
(s)是风电、储能、柔性直流输电联合调频下的频率响应传递函数；
15.其中，g
wedc
(s)满足：
16.g
wedc
(s)＝gw(s)+ge(s)+g
dc
(s)
17.各调频单元频率响应模型如下：
18.a.传统火电频率响应模型采用低阶线性传递函数：
[0019][0020]
r为一次调频下垂系数，δpr为火电机组发电功率增量，fh是原动机高压缸做功系数，tr是再热时间常数，km是机械功率因数；δf为电力系统频率变化量；
[0021]
b.风电频率附加控制采用典型频率控制方法中的惯性控制和桨距角控制建立风电频率响应模型；
[0022]
风电惯性响应传递函数为：
[0023][0024]
式中，t
ω
为转子惯性响应时间常数；k
df
为惯性响应系数；δp
ω
为转子惯性控制提供的功率变化量；
[0025]
桨距角控制频率响应传递函数为：
[0026][0027]
式中，t
β
为变桨距响应时间常数；k
pf
为一次调频系数；δp
β
为变桨距控制提供功率变化量；
[0028]
风电频率响应模型将惯性响应控制和桨距角控制相结合，风电机组频率响应传递函数为：
[0029][0030]
δpw为风电调频单元功率出力变化量；
[0031]
c.储能单元在dc/dc换流器外环控制侧加入频率附加控制器，储能频率响应传递函数为：
[0032][0033]
式中ke为储能频率附加控制比例系数，te为内环控制响应时间常数，δpe为储能系统送出功率变化量；
[0034]
d.柔性直流输电经vsc换流站提供频率支撑，柔性直流输电频率响应模型为：
[0035][0036]
式中，α为柔性直流输电频率控制下垂系数，t
dc
为惯性环节时间常数，δp
dc
为柔性直流输电功率增量。
[0037]
进一步的，计算频率特性，所述风-储-直联合调频的电力系统频率特性传递函数为：
[0038][0039]
其中，m＝2h,h为系统惯性常数；δp
l
为系统所受扰动大小；k、ηw、ηe、η
dc
分别是常规机组、风电、储能、柔性直流输电的非负调频系数，且满足k+ηw+ηe+η
dc
＝1；g(s)为受扰动下电力系统频率传递函数。
[0040]
进一步的，所述步骤2中，利用风-储-直联合调频下电力系统频率变化时域模型计算频率变化率、最大频率偏差及其峰值时间；
[0041]
1)电力系统频率变化时域模型：
[0042]
δf(t)＝l-1
[δf(s)]＝l-1
[g
s_wedc
(s)
·
δp
l
(s)]
[0043]
2)对频率变化δf(t)进行求导，得到频率变化率表达式：
[0044][0045]
3)令频率变化率表达式为零，即μ(t)＝0，得到最大频率偏差t
max
及其峰值时间t
p
：
[0046][0047]
进一步的，所述步骤3中，利用风-储-直联合调频下电力系统频率变化s域模型计算稳态频率误差和初始频率变化率；
[0048]
1)根据电力系统频率特性传递函数得到频率变化频域表达式：
[0049][0050]
2)利用终值定理推导出风-储-直联合调频下电力系统频率误差频域模型，其中，含有所有调频系数的稳态频率误差的表示公式为：
[0051][0052]
不含传统火电机组调频系数的稳态频率误差的表示公式为：
[0053][0054]
3)利用初值定理计算风-储-直联合调频下电力系统在受到扰动δp
l
时频率初始
变化率标幺值形式为
[0055][0056]
实际值形式：
[0057][0058]
本发明所述的有益效果为：1)本发明以“双高”电力系统为背景，建立的联合调频下电力系统频率响应模型和特性模型，既考虑了传统火电机组，又将新能源风电、储能、柔性直流输电考虑在内，解决了“双高”背景下发生负荷扰动时的电力系统频率特征计算方法缺乏的问题；2)本发明公开了风-储-直联合调频下电力系统基于频率变化时域模型和频率变化频域模型的计算方法，为当前新型电力系统频率特征计算分析提供参考。
附图说明
[0059]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0060]
图1为本发明所述方法的流程图；
[0061]
图2为基于电力系统频率变化时域模型计算联合调频下电力系统频率特征的流程图；
[0062]
图3为基于电力系统频率变化s域模型计算联合调频下电力系统频率特征的流程图；
[0063]
图4为风-储-直联合调频下电力系统频率响应模型。
[0064]
图5为基于频率变化表达式(10)，且火电、风电、储能、柔性直流输电调频系数为25％时的电力系统频率变化曲线图；
[0065]
图6为基于频率变化率表达式(12)，且火电、风电、储能、柔性直流输电调频系数为25％时的电力系统频率率变化曲线图；
[0066]
图7为基于稳态频率误差公式(14)或(15)且火电、风电、储能、柔性直流输电调频系数为25％时，稳态频率误差与辅助调频单元附加控制比例系数关系的三维图。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图和具体实例，对本发明作进一步描述。
[0068]
本实施例中，基于matlab/simulink建立含火电、风电、储能、柔性直流输电的电力系统频率控制模型；储能采用集中的方式并联在风电出口附近，通过电力电子变流器接入系统；储能类型选用功率型储能，如超级电容器，其特点是响应时间较短、功率比大，满足风电调频的要求；考虑到下垂特性，柔性直流输电模型加入了频率附加控制。下文分析不同工况下电力系统的频率特性变化，负荷为1000mw，风电额定功率为200mw，负荷扰动为60mw(0.06p.u)。
[0069]
如图1-4所示，本发明所述的一种考虑风-储-直联合调频的电网频率特征计算方法，步骤为：
[0070]
步骤1、根据传统火电、风电、储能、柔性直流输电频率响应模型，建立风-储-直联
合调频的电力系统频率响应模型并计算频率特性。
[0071]
步骤2、计算得到电力系统频率变化时域表达式，并基于电力系统频率变化时域模型计算风-储-直联合调频下电力系统频率特征集合a，包括频率变化率、最大频率偏差及频率峰值时间；
[0072]
步骤3、依据电力系统频率特性函数得到频率变化频域表达式，基于电力系统频率变化s域模型计算风-储-直联合调频下电力系统频率特征集合b，包括稳态频率误差和初始频率变化率。
[0073]
进一步的，所述步骤1中，基于各调频单元的频率响应传递函数，按照各自发电功率提供调频服务，获得电力系统频率响应模型并计算频率特性；
[0074]
1)风-储-直联合调频的电力系统频率响应传递函数：
[0075][0076]
其中，g
system
(s)是无扰动下风-储-直联合调频的电力系统频率响应传递函数，gr(s)是传统火电频率响应传递函数，gw(s)是风电频率响应传递函数，g
dc
(s)是柔性直流输电频率响应传递函数，g
wedc
(s)是风电、储能、柔性直流输电联合调频下的频率响应传递函数。
[0077]
其中，g
wedc
(s)满足：
[0078]gwedc
(s)＝gw(s)+ge(s)+g
dc
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0079]
各调频单元频率响应模型如下：
[0080]
a.传统火电频率响应模型采用低阶线性传递函数：
[0081][0082]
r为一次调频下垂系数，δpr为火电机组发电功率增量，fh是原动机高压缸做功系数，tr是再热时间常数，km是机械功率因数；δf为电力系统频率变化量。
[0083]
b.风电频率附加控制采用典型频率控制方法中的惯性控制和桨距角控制建立风电频率响应模型；
[0084]
风电惯性响应传递函数为：
[0085][0086]
式中，t
ω
为转子惯性响应时间常数；k
df
为惯性响应系数；δp
ω
为转子惯性控制提供的功率变化量；
[0087]
桨距角控制频率响应传递函数为：
[0088][0089]
式中，t
β
为变桨距响应时间常数；k
pf
为一次调频系数；δp
β
为变桨距控制提供功率变化量；
[0090]
风电频率响应模型将惯性响应控制和桨距角控制相结合，风电机组频率响应传递函数为：
[0091][0092]
δpw为风电调频单元功率出力变化量。
[0093]
c.储能单元在dc/dc换流器外环控制侧加入频率附加控制器，储能频率响应传递函数为：
[0094][0095]
式中ke为储能频率附加控制比例系数，te为内环控制响应时间常数，δpe为储能系统送出功率变化量；
[0096]
d.柔性直流输电经vsc换流站提供频率支撑，柔性直流输电频率响应模型为：
[0097][0098]
式中，α为柔性直流输电频率控制下垂系数，t
dc
为惯性环节时间常数，δp
dc
为柔性直流输电功率增量；
[0099]
2)风-储-直联合调频的电力系统频率特性传递函数：
[0100][0101]
其中，m＝2h,h为系统惯性常数；δp
l
为系统所受扰动大小；k、ηw、ηe、η
dc
分别是常规机组、风电、储能、柔性直流输电的调频系数(非负)，且满足k+ηw+ηe+η
dc
＝1；g(s)为受扰动下电力系统频率传递函数。
[0102]
进一步的，所述步骤2中，利用风-储-直联合调频下电力系统频率变化时域模型计算频率变化率、最大频率偏差及其峰值时间；
[0103]
1)电力系统频率变化时域模型：
[0104]
δf(t)＝l-1
[δf(s)]＝l-1
[g
s_wedc
(s)
·
δp
l
(s)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0105]
实例中，设置传统火电、风电、储能、柔性直流输电调频系数都为25％，其余参数见附表a，通过仿真得到频率曲线图，如图5所示。
[0106]
2)对频率变化δf(t)进行求导，得到频率变化率表达式：
[0107][0108]
3)令频率变化率表达式为零，即μ(t)＝0，得到最大频率偏差t
max
及其峰值时间t
p
：
[0109][0110]
实例中，设置传统火电、风电、储能、柔性直流输电调频系数都为25％，其余参数见附表a，通过仿真得到频率变化率仿真图，由图可知最大频率偏差及峰值时间，如图6所示。
[0111]
表a系统参数设定值
[0112][0113]
进一步的，所述步骤3中，利用风-储-直联合调频下电力系统频率变化s域模型计算稳态频率误差和初始频率变化率；
[0114]
1)根据电力系统频率特性传递函数得到频率变化频域表达式：
[0115][0116]
2)利用终值定理推导出风-储-直联合调频下电力系统频率误差频域模型，表示方式为两种：
[0117][0118][0119]
其中公式(14)是含有所有调频系数的稳态频率误差，公式(15)是不含传统火电机组调频系数的稳态频率误差；若只考察非常规机组调频系数与稳态频率误差的关系，则选用公式(15)，否则采用公式(14)。
[0120]
实例中，设置传统火电、风电、储能、柔性直流输电调频系数都为25％，其余参数见附表a，基于公式(14)仿真出稳态频率误差与辅助调频单元控制比例系数的数量关系，结果见图7。
[0121]
3)利用初值定理计算风-储-直联合调频下电力系统在受到扰动δp
l
时频率初始变化率标幺值形式为
[0122][0123]
实际值形式：
[0124][0125]
实例中，设置传统火电、风电、储能、柔性直流输电调频系数都为25％，其余参数见附表a，功率扰动为-0.06(p.u)，根据公式(17)可得频率初始变化率为-3hz
·
s-1
，图6中t＝0时刻的频率变化率与推导值相同。
[0126]
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。