一种基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法。该方法包括以下步骤：S1：在考虑频率动态响应的惯量响应阶段的频率变化率时，基于全状态响应时域解，确定电力系统的最低惯量；S2：在考虑频率动态响应的一次调频响应阶段的稳态频率时，基于全状态响应时域解，确定电力系统的最大调差系数；S3：在自同步新能源接入场景电力系统中，基于全状态响应时域解，确定自同步电压源类型的新能源参数，新能源参数为自同步电压源的最低惯量要求和最高有功

【技术实现步骤摘要】
一种基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法


[0001]本专利技术涉及电力系统频率稳定分析与控制领域，具体涉及一种基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法。

技术介绍

[0002]随着新能源大容量并入电网,以及电力电子器件的发展应用，电力系统的运行规模日益增大，电力系统频率动态行为愈发复杂，亟需有效的频率稳定分析方法和控制手段。电力系统有功功率波动导致同步机组转速发生变化，进而导致系统频率发生偏差，准确刻画频率动态响应过程是保证电力系统的安全稳定运行的基础。
[0003]频率动态响应基本特征包括惯量响应阶段的频率变化率(rate of change of frequency,RoCoF)、一次调频阶段的最低频率点(nadir frequency,NF)和稳态频率误差。惯性是系统频率抵抗外界扰动的重要表现，在频率动态响应过程中体现为频率变化率，大规模新能源的接入降低了系统惯量水平，从而增大了惯量响应阶段的频率变化率。
[0004]新能源发电机组通常运行在最大功率跟踪控制下，在发生扰动时无法主动参与电网调频，导致电网的频率调节能力不断下降，威胁电网的安全稳定运行。新能源的低惯性和低抗扰性是引发英国“8
·
9”大停电事故的原因之一，单一故障导致了新能源机组脱网，功率不平衡进一步扩大，使得系统频率快速跌落，触发了低频切负荷系统的动作。即使目前新能源发电系统具备了低电压穿越能力，但大面积新能源发电机组进入低穿过程引起的有功功率缺额仍然威胁暂态频率稳定。
[0005]近年来提出的采用虚拟同步机等控制策略的自同步电压源能够模拟同步机的运行方式，在电网频率波动时调整输出功率，一定程度上有助于缓解电网频率调节压力。但目前仍然缺少系统化的新能源系统参数对电力系统频率稳定性影响的量化评估方法，亟需开展适用于高比例新能源电力系统的频率稳定评估方法研究。
[0006]目前电力系统频率稳定分析主要分为三种：1.时域仿真法，即通过数值积分方法求解描述系统的微分代数方程组，逐步积分计算系统运动轨迹，判断系统暂态稳定性，虽然时域仿真法计算精度高，但难以解释内在稳定机理；2.简化模型方法，即基于系统平均频率的单机带集中负荷模型，能够给出新能源渗透的电力系统频率模型，估计新能源渗透率的上限，但一般认为模型过于简单，缺乏对网络特征及机组间振荡的描述，基于多机的频率响应模型也处于研究初始阶段；3.基于人工智能方法，在训练数据大的条件能够给出精度较高的结果，但此类方法对内在物理机理解释不清晰。
[0007]多机电力系统可以用一组微分方程描述，在研究频率稳定问题时其状态变量时域响应解可以用线性化模型的状态矩阵特征值及其相应的左、右特征向量求得，从而可以从系统参数对特征值的影响得到系统参数与系统频率动态响应之间的关系，进而通过参数的设置使得频率动态响应满足电力系统频率安全要求。

技术实现思路

[0008]为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法和系统，利用电力系统近似全状态响应时域解，实现了电力系统参数对频率稳定性影响的分析，提高了对高渗透率新能源下的新型电力系统频率稳定的认识，保证了自同步新能源接入场景电力系统频率安全性和稳定性。
[0009]本专利技术采用如下技术方案包括以下步骤：
[0010]S1：在考虑频率动态响应的惯量响应阶段的频率变化率时，基于全状态响应时域解，确定电力系统的最低惯量；
[0011]所述步骤S1具体为：
[0012]1.1)对于电力系统，在只考虑频率动态响应的惯量响应阶段时，求解频率动态响应的状态空间模型，具体为：
[0013][0014]式中，x为状态变量，A和B分别为状态矩阵和输入矩阵，r为输入向量；引入坐标变换：
[0015]x＝Vz
[0016]式中，V为矩阵A的右特征向量形成的矩阵，z为坐标变换后的状态矩阵；将x＝Vz代入状态空间模型，得：
[0017][0018]式中，U＝V
‑1，Λ为矩阵A的特征值形成的对角阵，G＝UB；将上式表示为n个解耦的一阶方程，第i个方程为：
[0019][0020]式中，z
i
为第i个状态变量，λ
i
为第i个特征值，g
i,:
为G的第i行；r
j
为阶跃响应，其拉氏变换R
j
(s)＝a
j
/s，a
j
为阶跃响应的幅值，对上式两边取拉氏变换：
[0021][0022]式中，s为拉普拉斯算子；令解得坐标变换后状态变量的时域解为：
[0023][0024]z
i
(t)＝z
i
(0)+ρ
i
t,λ
i
＝0
[0025]其初值满足：
[0026][0027]式中，u
i
为状态矩阵A的第i个左特征值向量，T表示矩阵转置；
[0028]令电力系统存在的零特征值为第一个特征值，得到坐标变换前的状态变量的时域解为：
[0029][0030]用上式的零状态响应时域解表示功率扰动影响的电力系统频率稳定问题，具体为：
[0031][0032]式中，v
i
为状态矩阵A的第i个右特征值向量，n为状态变量的个数，t为时间；
[0033]1.2)为分析惯量在频率动态响应的惯量响应阶段的作用，假设系统中发电机只包含同步机和虚拟同步控制方式的自同步电压源，在功率扰动发生后的短时间内(一般为0.5～2s)，调速器作用还未生效，机械功率基本不变，通常存在频率基本成线性变化的时段。此时电网近似可以用线性二阶耦合振子模型表示：
[0034][0035][0036]式中，Δδ为同步机转子角形成的向量，Δω为同步机转速形成的向量，M和D分别为发电机惯量和阻尼系数形成的对角阵，f为50Hz，Λ和Γ的矩阵表达式如下：
[0037][0038][0039]式中，E为暂态电抗后的内动势或变流器内电压，B和G分别为Kron化简后的网络电纳和电导，δ
ij
为发电机i与j的相角差，i与j表示同步机的编号，下标0表示对应的变量在平衡点的值；
[0040]令L＝Λ+Γ，进而得到电力系统的雅克比矩阵J为：
[0041][0042]雅克比矩阵特征值和特征向量满足下述关系：
[0043][0044]展开后得到：
[0045]2πfIΔω＝λΔδ
[0046]‑
LΔδ
‑
DΔω＝λMΔω
[0047]令
[0048][0049]将
[0050]2πfIΔω＝λΔδ
[0051]‑
LΔδ
‑
DΔω＝λMΔω
[0052]代入
[0053][0054]得到：
[005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在考虑频率动态响应的惯量响应阶段的频率变化率时，基于全状态响应时域解，确定电力系统的最低惯量；S2：在考虑频率动态响应的一次调频响应阶段的稳态频率时，基于全状态响应时域解，确定电力系统的最大调差系数；S3：在自同步新能源接入场景电力系统中，基于全状态响应时域解，确定自同步电压源类型的新能源参数，新能源参数为自同步电压源的最低惯量要求和最高有功
‑
频率下垂系数。2.根据权利要求1所述的基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：步骤1.1)对于电力系统，在只考虑频率动态响应的惯量响应阶段时，求解频率动态响应的状态空间模型，具体为：式中，x为状态变量，A和B分别为状态矩阵和输入矩阵，r为输入向量；引入坐标变换：x＝Vz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，V为矩阵A的右特征向量形成的矩阵，z为坐标变换后的状态矩阵；将式(2)代入式(1)的状态空间模型，得：式中，U＝V
‑1，Λ为矩阵A的特征值形成的对角阵，G＝UB；将式(3)表示为n个解耦的一阶方程，第i个方程为：式中，z
i
为第i个状态变量，λ
i
为第i个特征值，g
i,:
为G的第i行；r
j
为阶跃响应，其拉氏变换R
j
(s)＝a
j
/s，a
j
为阶跃响应的幅值，对式(4)两边取拉氏变换：式中，s为拉普拉斯算子；令解得坐标变换后的状态变量的时域解为：其初值满足：式中，u
i
为状态矩阵A的第i个左特征值向量，T表示矩阵转置；令电力系统存在的零特征值为第一个特征值，得到坐标变换前的状态变量的时域解
为：用式(7)的零状态响应时域解表示功率扰动影响的电力系统频率稳定问题，具体为：式中，v
i
为状态矩阵A的第i个右特征值向量，n为状态变量的个数，t为时间；步骤1.2)考虑系统中发电机只包含同步机和虚拟同步控制方式的自同步电压源的情况，在功率扰动发生后的惯量响应阶段，用下述二阶模型表示电力系统：二阶模型表示电力系统：式中，Δδ为同步机转子角形成的向量，Δω为同步机转速形成的向量，M和D分别为发电机惯量和阻尼系数形成的对角阵，f为50Hz，Λ和Γ的矩阵表达式如下：电机惯量和阻尼系数形成的对角阵，f为50Hz，Λ和Γ的矩阵表达式如下：式中，E为暂态电抗后的内动势或变流器内电压，B和G分别为Kron化简后的网络电纳和电导，δ
ij
为发电机i与j的相角差，i与j表示同步机的编号，下标0表示对应的变量在平衡点的值；令L＝Λ+Γ，进而得到电力系统的雅克比矩阵J为：步骤1.3)减小部分同步机出力以模拟发生功率缺额的情况，令步骤1.1)的状态空间模型中的r＝ΔP
m
，得到同步机机械功率发生阶跃变化时的状态空间模型：式中，ΔP
m
表示同步机机械功率的变化量向量；则全状态响应时域解为：令一台同步机为参考机以消去式(13)的零特征值，从而得到状态变量的变化率如下所
示：式中，V
′
、U
′
表示消去零特征值后雅克比矩阵的右、左特征值向量形成的矩阵，E
λ
表示形成的对角阵；步骤1.4)电力系统的惯性中心频率ω
coi
为：则惯性中心频率变化率为：式中，M
col
表示同步机惯量形成的列向量，M
i
表示第i台同步机的惯量，V
ω
表示右特征值向量形成的矩阵中与转速相关的部分；步骤1.5)通过零时刻的惯性中心频率的初始频率变化率表示惯量响应阶段的频率变化率：根据式(17)和频率动态响应的惯量响应阶段的频率变化率要求确定电力系统的最低惯量。3.根据权利要求1所述的基于全状态响应时域解的自同步新能源接入场景电力系统频率稳定分析方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：在考虑频率动态响应的一次调频响应阶段的稳态频率时，基于全状态响应时域解，确定电力系统的最大调差系数，包括：2.1)在频率动态响应的一次调频响应阶段，构建调速器作用生效时的电力系统模型：2.1)在频率动态响应的一次调频响应阶段，构建调速器作用生效时的电力系统模型：2.1)在频率动态响应的一次调频响应阶段，构建调速器作用生效时的电力系统模型：2.1)在频率动态响应的一次调频响应阶段，构建调速器作用生效时的电力系统模型：式中，Δδ为同步机转子角形成的向量，Δω为同步机转速形成的向量，Δy和Δz分别为调速器的状态变量，M和D分别为同步机惯量和阻尼系数形成的对角阵，f为50Hz，T
CH
和T
RH
分别为调速器的时间常数，R为调速器下垂系数，F
HP
为高压缸功率占比；2.2)令一台同步机为参考机以消去步骤1.3中式(13)全状态响应时域解的零特征值，令式(13)全状态响应时域解中的t为∞，则一次调频响应阶段的状态变量终值Δx(∞)表示为如下矩阵形式：Δx(∞)＝V
′
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振垚，何国庆，甘德强，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：