一种基于惯量需求的风电并网电力系统惯量的提升方法

本发明涉及一种基于惯量需求的风电并网电力系统惯量的提升方法，属于新型电力系统调频领域。

背景技术：

1、高比例风电机组替代传统同步发电机接入电网之后引起电力系统惯量水平严重缺失，导致电力系统的抗干扰能力急剧下降，在系统受到干扰之后，电力系统频率将会在短时间内迅速跌落至最小值，一次调频与二次调频甚至都来不及动作，电力系统的低频减载装置就被触发。为了在系统受到干扰之后，避免频率下降过于迅速，需要电源侧在惯量响应环节为系统提供充足的惯量，去抵御电力系统由于不平衡功率所引起的频率恶化问题，为一次调频和二次调频争取时间，从而提升电力系统的频率稳定性。

2、由于风力发电机并网与电力系统完全解耦，在电源侧风力发电机无法像传统火电的同步发电机组为系统直接提供惯量，需要采用虚拟同步发电机技术vsg才能为系统提供虚拟惯量参与频率调整，但是风力发电机组发电具有随机性和不稳定性，由风力发电机组所提供的虚拟惯量也具有不稳定性，并且在频率较低时，风电场会出现脱网现象，将造成系统频率进一步的恶化。目前，为了解决电力系统惯量资源被新能源并网所削减而造成了新能源并网电力系统呈现低惯量运行特性的问题，国内外诸多学者在新能源电力系统惯量需求领域也展开了研究，只是目前对于新能源电力系统的惯量需求估计还处于初级阶段，由于系统惯量资源复杂，所以目前方法的估计结果精确度还有一定的缺陷。系统的惯量是否充足直接关乎于系统抵抗干扰的能力的强弱，因此，针对低惯量的新能源电源高占比电力系统必须提升其惯量来使得系统对频率的支撑能力得到增强，为了使受扰系统频率可以恢复到稳定状态，在高比例风电的低惯量电力系统当中有必要补偿系统总体惯量资源，使得系统具备充足的惯量水平去抵抗负荷扰动对系统频率稳定带来的冲击。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明提供一种基于惯量需求的风电并网电力系统惯量的提升方法，依据所量化的不同风电渗透率的电力系统惯量需求估计结果为所规划的风电系统进行储能系统容量配置，储能系统在电力系统受扰时惯量响应环节中，采用以虚拟惯性控制为主，虚拟下垂控制为辅助控制方法来提升含风电的惯量水平，同时在考虑储能系统的荷电特性soc反馈的基础上进行实时调节，使储能系统通过提升高比例风电并网电力系统的等效惯量的方式来补偿系统总体惯量。

2、具体包括以下步骤：

3、step1：基于容量配置要求所包含的经济性要求、消纳系统不平衡功率要求、惯量响应要求和储能系统本身的soc特性约束要求，计算所规划的风电系统所需的储能系统容量配置；

4、step2：基于虚拟惯性控制和虚拟下垂控制两种控制方式出力的比例系数，计算系统风电对电力系统的可供惯量；

5、step3：基于储能系统的荷电特性soc和当前系统惯量需求量，计算储能系统对电力系统的可供惯量支撑。

6、所述step1具体包括：

7、step1.1：为避免因容量过低引发储能系统soc越限退出惯量响应环节造成频率二次跌落的问题储能系统所需的配置容量范围，根据储能系统本身的soc特性约束计算出储能电池荷电状态最大值和最小值。其中，储能电池soc的计算式如式（1）所示：

8、（1）

9、式中，为储能电池荷电状态的初始值，为储能电池放电之后时刻的储能电池的荷电状态；与分别为时刻储能电池的放电功率与储能电池的额定功率。为保护储能电池的使用寿命，避免系统的频率恢复环境的恶化，储能电池的soc一般是设置的有限制的，当储能电池充电时，为避免一直充电的状况出现，设置储能电池soc状态最大值要求当储能电池的荷电状态则停止充电；当储能电池放电时，为避免一直放电的状况出现，设置储能电池soc状态最小值，当储能电池的荷电状态则停止放电。因此，工作时储能电池需要满足的荷电状态约束如式（2）所示：

10、（2）

11、step1.2：根据系统可能出现不平衡功率的最大值，计算为消纳系统功率不平衡量储能系统所需的配置容量，使风储系统的平衡关系如式（3）所示：

12、（3）

13、式中，为风机输出功率变化量，为储能装置功率输出变化量，为利用风电机组转子动能输出的功率，为风电机组输出功率；

14、step1.3：根据在惯量响应环节同步发电机转子释放动能的最大极限值，计算相同时间段内为满足惯量响应要求储能系统释放等量能量所需的配置容量，同步发电机在对系统进行惯量支撑时所牺牲的转子动能最大值和最小值，具体为：

15、（4）

16、（5）

17、式中，为同步发电机转子所具备的旋转惯量，为同步发电机转子转速，为转子的额定角速度，为同步发电机转子转速的标幺值；

18、相同时间段内储能转子应该释放的能量如式（6）和式（7）所示：

19、（6）

20、step1.4：根据上述约束条件，结合惯量需求估计结果为储能系统配置容量，储能系统的最小配置容量如式（7）所示：

21、（7）

22、式中，为储能装置的配置容量，为所替代掉的同步发电机的额定容量；为所替代掉的同步发电机额定惯性常数。

23、所述step2具体包括：

24、step2.1：在系统负荷突减时，系统频率首先处于上升阶段，此时储能电池出力控制策略以虚拟惯性控制为主，下垂控制为辅，此时权重因子a、b如式（8）所示：

25、（8）

26、在频率变化率过零时，系统频率处于恢复阶段，储能电池出力控制以虚拟下垂控制为主，虚拟惯性控制为辅，此时权重因子a、b如式（9）所示：

27、（9）

28、式中，为电力系统实时频率（单位），为电力系统的额定频率（单位），为储能电池参与电力系统一次调频响应的调频死区，为当系统频率变化率过零时所对应的系统频率与系统额定频率的差值；

29、step2.2：为约束并发挥虚拟惯量控制与虚拟下垂控制两种控制方法的优点，在虚拟惯性控制系数与虚拟下垂控制系数中分别加入权重因子与，如式（10）所示，得到基于权重因子的储能电池输出功率控制函数如（11）所示：

30、（10）

31、（11）

32、式中，为电力系统额定频率与某时刻检测的电网频率之差，为电力系统频率的变化值（单位），为虚拟惯性控制的中间系数，为虚拟下垂控制的中间系数。

33、step2.3：系统风电对电力系统的可供惯量为：

34、（12）

35、式中，为系统风电对电力系统的可供惯量，为风电机组对电力系统的可供惯量，为储能系统惯量支撑能量，为储能系统提供惯量支撑的时间段。

36、风电机组对电力系统的可供惯量计算式如式（13）所示：

37、                （13）

38、式中，为电力系统的额定频率（单位），为电力系统频率跌落最小值（单位），为电力系统发生功率扰动的时刻，为电力系统频率跌落最小值对应的时刻，为时刻风机的输出功率，为时刻风机的输出功率。

39、所述step3具体包括：

40、step3.1：电力系统对储能惯量需求量估计的计算式如式（14）和式（15）所示：

41、（14）

42、             （15）

43、式中，为储能等值惯性常数，为电力系统总的等值惯性常数，为总的同步发电机系统等值惯性常数，为系统最大不平衡功率，为电力系统可下降的最低频率，为系统中第台同步发电机的额定容量，为风电机组容量, 为电力系统对储能惯量需求量估计，为系统容量。

44、若储能系统对电力系统的可供惯量支撑小于电力系统对储能惯量需求量估计，则启用备用容量；若储能系统对电力系统的可供惯量支撑大于电力系统对储能惯量需求量估计，则由储能对系统进行惯量支撑。

45、step3.2：根据4种储能电池状态区间的界定，计算基于储能电池状态边界的电池充放电系数；

46、step3.3：基于储能电池状态边界的电池充放电系数，分别计算储能电池充放电时的虚拟惯性控制系数与虚拟下垂控制系数；

47、其中，储能电池状态边界的电池充放电系数划分为4个值，最小值、较小值、较大值、最大值，当储能电池充电时，虚拟惯性控制系数与虚拟下垂控制系数如式（16）与式（17）所示：

48、（16）

49、（17）

50、当储能电池在放电时，虚拟惯性控制系数与虚拟下垂控制系数如式（18）与式（19）所示：

51、（18）

52、（19）

53、step3.4：基于不同的系统频率响应阶段的权重因子与和储能电池soc状态储能出力控制系数与的结合，确认储能电池出力控制策略系数与，并计算为提升高比例风电并网电力系统的等效惯量所需的储能电池输出功率以补偿系统总体惯量资源，即当储能电池充放电时，分别将式（16）、式（17）、式（18）与式（19）中对应的虚拟惯性控制系数与虚拟下垂控制系数，代入储能电池输出功率控制函数式（11）中的与即可，如式（20）所示：

54、（20）

55、储能系统对电力系统的可供惯量支撑计算式，如式（21）所示：

56、（21）

57、式中，为储能系统对电力系统的可供惯量支撑。

58、本发明的有益效果是：

59、1、本发明通过为所规划的风电系统通过精准配置储能系统，增加了储能系统与风电系统两者的适配性，避免因传统独立的风电并网与储能系统并网而造成整个电力系统惯量水平降低的问题。

60、2、本发明通过约束并充分发挥虚拟惯量控制与虚拟下垂控制两种控制方法参与频率响应控制方法的优势，使系统风电在惯量响应环节为系统提供最大可供惯量，有效抵御了电力系统由于不平衡功率所引起的频率恶化问题。

61、3、本发明通过基于储能电池soc状态的储能控制方法，优化了储能系统的出力，使得储能系统在惯量响应环节充发挥其控制方法的优势。

62、4、本发明通过依靠储能系统提升含风电的新型电力系统惯量水平，可快速为系统提供充足的惯量并为一次调频和二次调频争取时间，进一步提升了电力系统面对负荷干扰的抵抗性以及增强了电网的频率稳定性。