一种新能源电力系统调频参数可调范围解耦的计算方法

本发明涉及电力系统频率控制，尤其是涉及一种新能源电力系统调频参数可调范围解耦的计算方法。

背景技术：

1、系统中调频参数是决定电力系统频率稳定性的重要指标，各场站间调频参数协同作用，共同保障系统频率稳定。随着新能源大规模接入，特别是千万千瓦级新能源基地和深远海上风电，系统频率面临更大的失稳风险。若系统中部分场站的调频参数位于安全域之外，将致使扰动后的频率变化率与频率最大偏差值增大，触发系统高频切机、低频减载并可能引发大停电事故。

2、因此，计算各场站调频参数的安全范围至关重要，不仅可以为电网调度运行人员提供频率失稳风险预警，还可以作为扰动后实时控制的重要参考指标。

3、当前系统中各场站的调频参数安全域均根据国标制定。然而，随着双碳目标推进，新能源装机比例与发电量提升，辅助服务市场对各新能源场站所提供备用容量有一定要求，且对于虚拟惯量与一次调频等快速频率响应服务规定标准与收益，从而促进各新能源场站提供附加频率控制。在高比例新能源或送受端惯量分布不均的情况下，当前调频参数的安全范围可能不再适用。系统调频参数安全范围不明晰，将制约系统的频率稳定性。

4、因此，需要一种新能源电力系统调频参数可调范围解耦的计算方法，从而保障系统频率稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新能源电力系统调频参数可调范围解耦的计算方法，能够解决系统调频参数安全范围不明晰的问题，实现了系统各场站调频参数的优化整定，具备现场应用价值。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种新能源电力系统调频参数可调范围解耦的计算方法，包括以下步骤：

3、s1、选取高比例新能源电力系统作为研究对象，其中新能源机组通过虚拟惯量响应与一次调频控制参与调频；

4、s2、考虑电源动态响应的差异，采用传递函数构建系统有功-频率动态模型；

5、s3、考虑高比例新能源电力系统中同步机组及新能源机组的限幅环节，建立系统调频过程动态方程的线性化数学模型；

6、s4、通过识别顶点求解以各调频参数为坐标轴的二维调频参数安全域；

7、s5、考虑调频参数可调范围，构建调频成本最小的二维调频参数矩形安全域，实现各调频参数间解耦。

8、优选的，步骤s1中，高比例新能源电力系统网架为交流电网，电源包括同步电源与新能源机组。

9、优选的，步骤s2中，高比例新能源电力系统发生功率扰动后，其频率动态响应过程由摇摆方程来表示：

10、

11、其中，f0为系统额定频率；δf为系统频率偏差；hg为系统同步机惯量；d为阻尼系数；δpm为各调频机组的机械功率变化量的标幺值；δpe为负荷有功突变量的标幺值；

12、式(1)的传递函数表示为：

13、-(2hgs+d)δf(s)＝δpm(s)-δpe(s)  (2)

14、其中，δf(s)为系统频率偏差的标幺值的频域形式；δpm(s)为各调频机组机械功率变化量的标幺值的频域形式；δpe(s)为负荷有功突变量的标幺值的频域形式；s为复频域的变量；

15、各调频机组的有功功率调整量受死区环节与限幅环节的约束，由于死区对频率最大偏差值的影响小，故忽略死区环节，只考虑限幅环节对系统频率动态的影响；

16、将高比例新能源电力系统中各同步机等值聚合为等值同步机组，其中，水轮机组视作再热时间常数为0.5倍水锤效应时间常数，高压缸功率比例为-2的汽轮机组；

17、对于低频扰动，得到等值同步机组的机械功率调整量，其中，等值同步机组的调速器限幅环节为指令限幅：

18、

19、

20、高频扰动下等值同步机组的机械功率调整量如下：

21、

22、

23、其中，为等值同步机组的有功限幅值；为低频扰动下等值同步机组经限幅环节后的有功调整量；为高频扰动下等值同步机组经限幅环节后的有功调整量；kg为等值同步机组的调速器增益；为低频扰动下等值同步机组经原动机输出的有功调整量；为高频扰动下等值同步机组经原动机输出的有功调整量；fh为等值同步机的高压涡轮系数；tr为等值同步机组的再热时间常数；

24、按照虚拟惯量与一次调频建模并网各台新能源机组所提供频率支撑，将系统中各新能源机组等值聚合为等值新能源机组；

25、对于低频扰动，得到等值新能源机组的机械功率调整量；

26、

27、

28、高频扰动下等值同步机组的机械功率调整量如下：

29、

30、

31、其中，为低频扰动下等值新能源机组附加频率控制环节的有功功率调整量；为高频扰动下等值新能源机组附加频率控制环节的有功功率调整量；hne为等值新能源机组虚拟惯量响应的惯性时间常数；kne为等值新能源机组一次调频控制的增益系数；tne为等值新能源机组逆变器一阶惯性环节的控制时间常数；等值新能源机组虚拟惯性响应与一次调频控制共同使用备用功率，其中为等值新源机组的有功限幅值，为低频扰动下等值新能源机组经限幅环节后的有功调整量；为高频扰动下等值新能源机组经限幅环节后的有功调整量。

32、优选的，步骤s3中，通过前向差分法将调频过程动态方程离散化，通过mccormick包络线性化调频过程动态方程中的双线性项，分别构建低频扰动、高频扰动后高比例新能源电力系统频率响应的线性模型；

33、(1)低频扰动后高比例新能源电力系统频率响应的线性模型：

34、①高比例新能源电力系统频率偏差：

35、

36、

37、其中，分别为低频扰动下发生大小为δpl的低频扰动下系统第n.、n.-1个步长的频率偏差；dn为差分步长，hg为等值同步机的惯性时间常数；pl为高比例新能源电力系统总负荷；分别为低频扰动下等值同步机组、等值新能源机组第n-1个步长的有功调整量；f0为高比例新能源电力系统额定频率；sb为高比例新能源电力系统总容量；为等值火电机组的额定容量；为等值新能源机组的额定容量；d为系统阻尼系数；

38、②等值同步机组的有功调整量：

39、

40、

41、其中，为低频扰动下等值同步机组在第n.、n.-1个步长所输出的有功调整量；分别为低频扰动下等值同步机组经调速器限幅环节后系统第n.、n.-1个步长的有功调整量；分别为等值火电机组的有功限幅值与额定容量；kg为等值同步机组的调速器增益；tr为等值同步机组的再热时间常数；fh为等值同步机组的高压涡轮系数；

42、③等值新能源机组的有功调整量：

43、

44、

45、

46、其中，分别为低频扰动下等值新能源机组经逆变器一阶惯性环节后系统第n.、n.-1个步长的频率偏差值；分别为低频扰动下时等值新能源机组经一阶惯性环节后的有功调整量、经限幅环节后的有功调整量；分别为等值新能源机组的有功限幅值与额定容量；hne为等值新能源机组的惯性时间常数；kne为等值新能源机组的调速器增益；tne为等值新能源机组逆变器一阶惯性环节的时间常数；

47、(2)高频扰动后高比例新能源电力系统频率响应的线性模型：

48、

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、其中，分别为高频扰动下发生大小为δpl的高频扰动下系统第n.、n.-1个步长的频率偏差；分别为高频扰动下等值同步机组、等值新能源机组第n-1个步长的有功调整量；分别为高频扰动下等值同步机组在第n.、n.-1个步长所输出的有功调整量；分别为高频扰动下等值同步机组经调速器限幅环节后系统第n.、n.-1个步长的有功调整量；分别为高频扰动下等值新能源机组经逆变器一阶惯性环节后系统第n.、n.-1个步长的频率偏差值；分别为高频扰动下等值新能源机组经一阶惯性环节后的有功调整量、经限幅环节后的有功调整量；

56、(3)扰动后的高比例新能源电力系统初始状态：

57、扰动包括低频扰动和高频扰动，扰动发生前高比例新能源电力系统正常运行，高比例新能源电力系统频率为额定频率，则在扰动初始时刻，高比例新能源电力系统频率偏差量为0，等值同步机组及等值新能源机组有功调整量均为0，则有如下约束：

58、

59、公式(26)存在max/min运算函数及双线性项，通过对限幅环节引入的max/min运算函数的等价处理方法及对双线性项引入的mccormick包络凸松弛方法对上式求解；

60、①调频过程动态方程中等值同步机组及等值新能源机组限幅环节：等值同步机组及等值新能源机组限幅环节的紧凑数学形式表示为y＝min(x,a)或y＝max(x,a)，形如y＝g(x)的函数等价表示为：

61、

62、其中，x、y为待求解变量；g为变量x、y间的函数关系；

63、对于等值同步机组的限幅环节，添加关于频率偏差的目标函数与关于等值新能源机组经一阶惯性环节后的有功调整量则对包含min/max运算函数的约束条件进行等价转换：

64、

65、调速器限幅约束用一组线性约束等价表示：

66、

67、②调频过程动态方程中双线性项：双线性项为两个待求解变量的乘积项，在调频过程动态方程中各双线性项分别为其中待求解变量分别为等值新能源机组惯性时间常数hne、等值新能源机组一次调频增益kne及低频扰动、高频扰动下系统第n.个步长的频率偏差通过mccormick包络凸松弛双线性项；求解等值新能源机组惯性时间常数hne、等值新能源机组一次调频增益kne的最大、最小值，消除原目标函数式(35)，在原问题约束式(11)、(12)、(14)、(15)、(16)、(18)、(20)～(22)、(24)、(27)下分别最大、最小化等值新能源机组惯性时间常数hne、等值新能源机组一次调频增益kne；

68、通过mccormick包络将双线性项线性化：

69、

70、其中，xi、xj为待求解自变量；分别为待求解自变量xi的最小值、最大值；分别为待求解自变量xj的最小值、最大值；y为待求解因变量；cij为常系数；ωij＝xixj为两待求解自变量xi、xj的乘积项；

71、令

72、

73、对于低频扰动，添加下述线性约束：

74、

75、

76、

77、

78、并将式(16)等价替换为：

79、

80、其中，分别为等值新能源机组惯性时间常数hne的最小、最大值；分别为等值新能源机组一次调频增益kne的最小、最大值；为低频扰动下第n个步长的系统频率偏差值与等值新能源机组惯性时间常数hne的乘积；为低频扰动下第n个步长的系统频率偏差值与等值新能源机组惯性时间常数kne的乘积；为低频扰动下系统频率最大偏差值限值；

81、对于高频扰动，添加下述线性约束：：

82、

83、并将式(22)等价替换为：

84、

85、其中，为高频扰动下第n个步长的系统频率偏差值与等值新能源机组惯性时间常数hne的乘积；为高频扰动下第n个步长的系统频率偏差值与等值新能源机组惯性时间常数kne的乘积；为高频扰动下系统频率最大偏差值限值；

86、为保障高比例新能源电力系统频率稳定，要求高比例新能源电力系统频率最大偏差值不大于所要求给定值，即：

87、

88、其中，分别为低频扰动、高频扰动下第n.个步长的系统频率偏差值；分别为低频扰动、高频扰动下的系统频率最大偏差值限值。

89、优选的，步骤s4中，由于时域离散化的调频过程动态方程均为线性约束，因此构建调频参数安全域凸集；通过pve算法计算调频参数安全域，首先求解对调频参数安全域整体形状的顶点，之后扩大现有顶点集合，计算当前近似值之外的新顶点；pve算法目标函数及约束条件如下：

90、

91、

92、其中，α为二维矢量，表示识别顶点方向；hne为系统等值新能源机组的虚拟惯性时间常数；kne为系统等值新能源机组的一次调频增益系数；

93、具体操作为：首先，令α分别为两调频参数所对应坐标轴的基，进而分别求得两调频参数最大、最小值所对应调频参数点，进而确定调频参数安全域的基本形状；之后，分别令α为当前安全域近似值中各边的外法向量，从而求解当前顶点集合之外的新顶点；令δh(i,k)为所求解新顶点距安全域近似值的原边的距离，其中i为绕安全域近似值的周数，k为绕安全域近似值一周中所求解新顶点的数量；令d(i)＝max{δh(i,k),k∈k}，为绕安全域近似值一周中新顶点距安全域近似值原边的距离最大值；若d(i)不大于预先指定的误差容限ε，算法终止，并输出现有顶点的凸壳作为调频参数安全域。

94、优选的，步骤s5中，考虑调频参数可调范围，构建调频成本最小的二维调频参数矩形安全域，实现各调频参数间解耦，具体操作为：

95、(1)考察调频参数安全域的内接矩形，沿逆时针方向排列调频参数安全域的各顶点，形成顶点集合v＝{vi,i＝1.2,…n}，其中vi为多边形的第i个顶点，n为多边形顶点数；定义顶点矢量αi,i＝1.2,…n为顶点vi沿逆时针方向至其下一个相邻顶点vi+1的方向矢量，其中顶点矢量αn为顶点vn至顶点v1的方向矢量；

96、(2)构建与调频参数安全域纵轴平行，且与安全域多边形的边存在两交点的平行线簇，其中相邻平行线间距为一给定值；对于第i条平行线，其与多边形的边的两交点分别为ii,1、ii,2，而过ii,1、ii,2的顶点矢量在调频参数安全域横轴方向的分量符号相反；分别过ii,1、ii,2向调频参数安全域横轴的同一方向作平行线，两条平行线与多边形的边分别存在两交点ii,4、ii,3，过ii,4、ii,3的顶点矢量在调频参数安全域横轴方向的分量符号相反；以ii,1、ii,2、ii,3、ii,4为顶点构成调频参数安全域的内接矩形；

97、(3)将调频参数安全域各内接矩形的四个顶点依次代入simulink模型进行检验，若存在某顶点不满足频率稳定要求，则令该顶点沿该顶点与内接矩形重心的连线向内部压缩，直至该顶点所对应调频参数值满足频率稳定约束条件，根据更新后的该顶点调整与其相邻两顶点的坐标，构成满足频率稳定约束的解耦矩形；

98、(4)考虑调频参数所对应调频成本最小，通过调频参数安全域内解耦矩形四个顶点所对应调频成本的均值来衡量当前调频参数可调范围所对应的平均调频成本。

99、因此，本发明采用上述一种新能源电力系统调频参数可调范围解耦的计算方法，其技术效果如下：

100、(1)本发明所提方法基于改进频率响应模型实现了系统中各场站的调频参数安全域计算，且使得各调频参数间可调范围解耦。

101、(2)本发明所采用频率响应模型考虑了新能源机组的虚拟惯性与下垂控制，并考虑了各机组限幅、一阶惯性时间常数等非线性环节，更真实地刻画了扰动后的频率响应过程。

102、(3)在保障系统频率稳定的前提下，新能源电力系统调频参数安全域计算综合考虑了调频参数可调范围与调频成本，实现了调频参数间解耦，使得各调频参数分别在其可调范围内独立整定，不受其他调频参数取值的影响。

103、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。