基于一次调频机组最优选择的最小惯量评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于一次调频机组最优选择的最小惯量评估方法。其中，该方法包括：考虑系统故障发生后的惯量响应过程及一次调频过程，以故障时系统允许的最大频率变化率、新能源机组接入节点允许的最大频率变化率为约束，调整新能源机组的虚拟惯量系数。一次调频系统动作时，以系统频率最低点为约束，考虑最短时间恢复频率。因此选择参加一次调频机组最为重要，同步机组考虑与故障点的电气距离、自身的调频容量，新能源机组根据自身的调频容量以及调频成本选择是否参一次调频。本发明专利技术提出的方法可为高比例新能源系统提供一种评估系统最小惯量的新方法。统最小惯量的新方法。

【技术实现步骤摘要】
基于一次调频机组最优选择的最小惯量评估方法


[0001]本专利技术属于电力系统最小惯量评估领域，涉及高比例新能源系统下的最小惯量评估。

技术介绍

[0002]今后的电力系统将会是新能源发电占据主导的系统，随着新能源发电(风电、光伏)接入电力系统，将会使得系统的等效惯量降低，惯量不足将会导致系统失去稳定。
[0003]当系统发生故障时，系统中发电机的发电量和负荷消耗的功率不再平衡，此时同步发电机的转子将会释放储存在其中的能量，为电网提供一定的功率支撑，在一次调频系统动作之前阻止系统频率的进一步恶化。但随着今年风电、光伏发电机并网，由于新能源机组通过电力电子元件与系统相连，与系统完全解耦，当系统发生故障时，不能主动响应系统的频率滨化，不能为系统提供惯量支撑，对系统的频率稳定性将造成严重影响。
[0004]为保证系统的频率稳定性，国标要求：当新能源机组出力大于额定容量的20％，能够通过发电机组的功率控制手段调节发电机的出力，响应系统的频率变化。新能源机组通常运行在最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)模式下，通过虚拟惯量控制技术能够为系统提供惯量支撑，通过下垂控制能够使得新能源机组参与一次调频。
[0005]频率变化率(rate of change of frequency，RoCoF)是衡量系统频率稳定性的一项重要指标。在系统故障时，过大的RoCoF将会导致系统频率在短时间的变化极大，这会使得在接下来的一次调频阶段系统频率的恢复将会变得困难。故障时频率响应的初始阶段，系统惯量响应阻止系统的频率变化，当系统惯量不足时，RoCoF过大，不利于系统频率恢复，同时，故障时RoCoF不能超过分布式电源防孤岛保护设定值造成其脱网和损坏同步机，所以系统的惯量水平尤为重要。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种高比例新能源系统的最小惯量需求评估方法，通过考虑影响系统频率响应的多种因素，尽可能得到可靠性高的最小惯量，通过以下技术方案实现：
[0007](1)根据发电机转子运动方程、发电机一次调频方程和新能源机组虚拟控制以及下垂控制方程推导出系统发生故障时，功率缺额和系统频率之间的关系：
[0008][0009]式中：H
sys
为系统的惯性时间常数，D
sys
为系统阻尼系数，ΔP
G
为发电机电磁功率变化量，ΔP
L
为负荷功率变化量，ΔP＝ΔP
G_sys
‑
ΔP
L
为系统功率缺额，ΔP
G_sys
＝ΔP
G1
+ΔP
G2
，ΔP
G1
为同步发电机增发功率，ΔP
G2
为新能源机组增发功率，式中所有值均为标幺值。
[0010]同步发电机一次调频方程：
[0011][0012]式中，T
m
为发电机调速系统的时间常数，K
G
为发电机的单位调节功率，f
d
为一次调频死去阈值，频率越过死区阈值时，发电机参与一次调频。
[0013]新能源机组虚拟惯量控制、下垂控制方程：
[0014][0015]式中，K
df
为虚拟惯量常数，K
pf
为下垂控制常数。
[0016]当f≥f
d
时
[0017][0018]当f＜f
d
时
[0019][0020]最大频率变化率表达式为：
[0021][0022](2)以系统频率响应表达式为基础，建立最小惯量评估的优化模型：
[0023][0024][0025]式中，RoCoF
MAX
为系统故障时频率变化率，RoCoF2为新能源机组接入节点频率变化率。
[0026](3)参与一次调频机组的最佳选择
[0027]当系统发生功率缺额时，惯量响应能够延迟系统频率的跌落，系统频率越过一次调频死区后，系统一次调频系统动作，需要以最快速度增发电磁功率，因此需要在故障发生处选择合适的同步机组和新能源机组参与一次调频。通过智能算法决定参与一次调频机组数量以及容量。
[0028]用发电机到故障点的阻抗Y
ik
定义为电气距离，定义F为一次调频阶段功率损失。首先同步机组距离故障点较远时，功率在传输过程中损失较大，不利于一次调频，新能源机组参与调频时，不能运行在MPPT模式下，同样也会造成功率损失，同时弃风弃光也会有一定成本。优化模型如下：
[0029][0030][0031]因此，随着我国风电、光伏发电的大规模并网，系统惯性水平明显下降，一次调频的备用容量也降低，系统的惯量评估尤为重要。本专利技术提供一种在高比例新能源系统中发生功率缺额时，对系统的惯量进行评估，进而调整系统的惯量，使得频率响应过程中满足RoCoF约束；在一次调频过程中，利用智能算法选择故障点附近的发电机组参与一次调频，以最快速度增补缺失功率。
附图说明
[0032]图1为本专利技术的方案流程图；
具体实施方式
[0033]下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细介绍。
[0034](1)根据故障时系统的功率缺额ΔP
L
，以及系统允许的频率变化率RoCoF
max
，可以得到此时系统所需惯量最小值由于系统中同步机组的惯性时间常数是由自身决定，在制造时已经固定，因此同步机组提供的惯量仅由机组本身是否并网运行决定。新能源机组通过虚拟惯量控制能够为系统提供频率支撑，由K
df
决定。因此，可以通过调节K
df
的值调整新能源机组向系统提供的惯量。当已知所需调整的虚拟惯量总量时，可以根据风电和光伏的发电成本以及此时的发电容量等情况，为不同的机组施加不同的惯量控制系数，最终达到惯量控制的条件。
[0035](2)在系统频率越过一次调频死区后，同步发电机调速系统开始动作，发电机开始增发功率。风电、光伏发电机通过下垂控制方式模拟同步机组的一次调频过程，同时运行在MPPT模式下的风电、光伏机组不能参与一次调频，即只有通过超速控制手段运行在超速状态下的机组有调频容量，可以对其施加下垂控制参与一次调频。所以在一次调频过程中，重点在于选择参与调频的发电机组。在选择发电机组时，首先考虑在故障区域附近的同步机组和新能源机组，需要尽快提供功率。通过考虑发电机与故障节点的阻抗距离和发电机能够提供的一次调频容量，对于风电、光伏还需要额外考虑弃风弃光的成本，最大程度利用新能源发电。利用智能算法结合建立的优化模型能够得到参与调频机组的发电容量，虚拟惯量控制系数，下垂控制系数。
[0036]上述实施仅例示性说明本专利技术的原理及其功效，而非用于限制本专利技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于一次调频机组最优选择的最小惯量评估方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：根据系统中投入运行的同步机组数量及其惯性时间常数，以及光伏、风电新能源机组虚拟惯性控制中所采用的控制系数，能够得到系统惯量；步骤二：根据系统总惯量和转子运动方程，建立故障时频率和系统惯量以及系统功率缺额之间的关系以及最大频率变化率表达式；步骤三；根据系统故障时的功率缺额，建立以功率损失最小为目标函数的优化模型，决定参与一次调频同步机组、新能源机组的数量和位置；步骤四：以系统惯量需求最小为目标函数，系统最大频率变化率、新能源机组接入节点最大频率变化率等为约束条件，通过遗传算法求解最优解。2.根据权利要求1所述基于一次调频机组最优选择的最小惯量评估方法，其特征在于，步骤一中，发电机转子运动方程为：式中H
sys
为系统的惯性时间常数，D
sys
为系统阻尼系数，ΔP
G
为发电机电磁功率变化量，ΔP
L
为负荷功率变化量，ΔP＝ΔP
G_sts
‑
ΔP
L
为系统功率缺额，ΔP
G_sys
＝ΔP
G1
+ΔP
G2
，ΔP
G1
为同步发电机增发功率，ΔP
G2
为新能源机组增发功率，式中所有值均为标幺值；在系统频率响应过程中，一次调频非常重要，能够使得频率恢复到正常范围，同步机组的一次调频方程为：式中，T
m
为发电机调速系统的时间常数，K
G
为发电机的单位调节功率，f
d
为一次调频死去阈值，频率越过死区阈值时，发电机参与一次调频；系统的惯性时间常数为：式中，x

【专利技术属性】
技术研发人员：吕艳玲，刘超，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：