一种高比例新能源电力系统最低调频能力需求计算方法

本发明涉及电力系统频率控制，尤其是涉及一种高比例新能源电力系统最低调频能力需求计算方法。

背景技术：

1、随着“碳达峰、碳中和”目标的进一步推进，高比例可再生能源、高比例电力电子设备的“双高”电网格局将进一步突显，电力系统频率稳定问题也将愈发突出。传统同步发电机与电网直接耦合，当电网发生扰动时，同步发电机自发地释放转子惯性动能以补偿系统功率不平衡，并能够通过调速器快速响应系统频率变化，阻止系统频率持续下降。与传统同步发电机相比，新能源电源和其他并网电力电子设备对电网动态事件表现出无惯性或低惯性，系统惯量水平下降，抵抗扰动的能力降低；并且为了获得最大的发电功率，新能源电源一般运行在最大功率跟踪模式，传统控制模式下不响应电网的频率变化，不具备有功支撑能力。

2、新能源发电在电网中占比越来越高，其参与系统调频将会成为未来电网发展的一种必然要求。随着电力电子技术的发展，虚拟惯量控制、虚拟同步机技术得到了广泛发展与应用。电力系统受到低频扰动后，通过换流器接口并入电网的新能源可以通过虚拟惯量控制、虚拟同步机控制等方式，以快速、灵活的策略短时间内提供大量能量，平缓系统频率的下跌趋势。

3、因此，当预想极端故障发生后，如何对新能源的转子动能、有功备用与附加储能协调控制，同时考虑储能参与系统调频的作用，实现对系统综合惯量的提升，成了新能源参与系统调频亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高比例新能源电力系统最低调频能力需求计算方法，实现预想扰动后的电力系统最小调频功率需求计算，帮助系统调度人员实时掌握系统频率安全水平并指导调整系统运行方式，提高系统运行稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高比例新能源电力系统最低调频能力需求计算方法，包括以下步骤：

3、s1、确定电力系统内的同步机实时开机数量及同步机参数；

4、s2、考虑同步机调速器死区及限幅，构建预想扰动下电力系统频率支撑动态特性模型；

5、s3、基于有限差分法将电力系统频率支撑动态特性模型时域离散化；

6、s4、根据设定的频率稳定需求指标，建立目标函数及约束条件；

7、s5、使用商用求解器求解模型并得到高比例新能源电力系统频率稳定的最小功率需求轨迹。

8、优选的，所述s2具体包括以下步骤：

9、s21、将电力系统中已投入运行的同步机组聚合为一台等值同步机；

10、s22、计及调速器死区与限幅非线性环节，建立预想扰动下电力系统频率支撑动态特性模型。

11、优选的，所述s21具体包括以下步骤：

12、s211、对电力系统中已投入运行的同步机组的参数进行等值聚合，将同步机等值聚合成单台机组，将其有功功率施加于一个等值转子上：

13、系统等效惯性时间常数为：

14、

15、式中：sb1，……，sbn分别表示n台同步机组的额定容量；h1，……,hn分别表示n台同步机组的惯性时间常数；sn表示系统总额定容量；

16、s212、以调差系数表示同步机组调速器作用，系统等效调差系数按下式计算：

17、

18、式中：ri表示第i台机组的调差系数；

19、

20、式中：sn表示系统总额定容量；

21、s213、等值机组再热器时间常数计算方式为：

22、

23、式中：trhi表示第i台机组的再热器时间常数；

24、s214、等值机组高压缸功率比例计算方式为：

25、

26、式中：fhpi为第i台机组的高压缸功率比例，表示高压缸稳态输出功率与汽轮机总输出功率的比值。

27、优选的，所述s22具体包括以下步骤：

28、s221、由摇摆方程刻画电网扰动后的频率动态响应过程：

29、

30、式中：f0为发电机额定频率，δf为发电机频率偏差，h为发电机等效惯性时间常数，d为发电机阻尼系数，δpm为调速器功率变化量，δpe为电磁功率变化量，为时域微分算子；

31、s222、基于sfr模型刻画火电机组的频率响应动态，包括再热式火电机组和非再热式火电机组，将上级电网内各火电机组等值聚合为一台机组，得到理想情况下等值火电机组的调速器-原动机模型：

32、

33、式中：δpk为等值机组的有功调整量，k为等值机组的调速器增益；trh为等值机组的再热器时间常数；fhp为等值机组的高压缸功率比例；

34、s223、实际电力系统中，还需要考虑调频机组的调速器死区与限幅非线性环节的约束，等值火电机组的有功功率实际调整量如下式：

35、

36、式中：δfdb为频率死区，为等值火电机组的调频有功限幅值，δpk为等值火电机组经调速器后的有功调整量。

37、优选的，所述s3具体包括以下步骤：

38、s31、采用前向差分法建立系统频率响应的离散化模型，扰动后的系统功率缺额如下式：

39、pdis,n＝pdis,0-pi,n-pk,n (9)

40、式中，pdis,n为系统第n个步长的有功功率缺额，pdis,0为扰动初始有功功率缺额，pi,n为系统第n个步长时的新能源增发有功功率，pk,n为系统第n个步长时的等值同步机组增发有功功率；

41、s32、扰动后的系统频率偏差如下式：

42、

43、式中，δfn为系统第n个步长的频率偏差，δn为差分步长，h为系统等效惯性时间常数，sb为系统基准容量。

44、s33、扰动后的等值同步机组增发有功功率如下式：

45、

46、式中，pk,n为系统第n个步长时等值同步机组增发有功功率，bk,n为系统第n个步长时等值同步机组经调速器死区后的增发有功功率，ak,n为系统第n个步长时等值同步机组经调速器限幅后的增发有功功率，δfdb为频率死区。

47、优选的，所述s4具体包括以下步骤：

48、s41、确定优化目标并根据扰动发生后的调频时段设立不同权重，建立目标函数；

49、s42、根据系统频率稳定要求建立约束条件。

50、优选的，所述s41具体包括以下步骤：

51、s411、将扰动发生后的调频过程划分为不同阶段，根据时段设立不同的新能源调频权重；

52、s412、根据扰动发生后的不同划分时段及其权重建立目标函数，具体表示为：

53、

54、式中，na、nb、nc表示扰动发生后不同时段的差分起点；δn为差分步长，表示第n差分步长时系统中新能源调频资源增发的有功功率；a、b、c表示扰动发生后不同时段内新能源调频资源分配到的权重。

55、优选的，所述s42具体包括以下步骤：

56、s421、基于系统频率稳定最低需求，建立扰动后最大频率变化率约束：

57、

58、式中，rocofextre为设定的满足系统频率稳定最低需求的最大频率变化率，δfn为第n个差分步长时的系统频率偏差。

59、s422、基于系统频率稳定最低需求，建立扰动后最大频率偏差约束：

60、|δfn|≤δfextre        (14)

61、式中，δfextre为设定的满足系统频率稳定最低需求的最大频率偏差，δfn为第n差分步长时的系统频率偏差。

62、s423、考虑各机组暂态出力可能性、防止新能源增发有功功率出现频繁的突降及突增，建立频率变化率约束：

63、

64、式中，不等式左边和右边分别表示第n+1个差分步长和第n个差分步长的系统频率变化率。

65、优选的，所述s5具体包括以下步骤：

66、调用商用求解器对目标函数进行优化，计算满足约束条件的各变量最优解并输出各个差分步长的计算结果，最终得到满足系统频率稳定要求的最小有功功率边界曲线。

67、本发明所述的一种高比例新能源电力系统最低调频能力需求计算方法的优点和积极效果是：

68、本发明能够实现预想扰动后的电力系统最小调频功率需求计算，帮助系统调度人员实时掌握系统频率安全水平并指导调整系统运行方式，提高系统运行稳定性。

69、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。