一种光伏并网电力系统频率暂态稳定性分析方法与流程

1.本发明涉及电力系统中频率稳定性分析领域，具体地涉及一种光伏并网电力系统频率暂态稳定性分析方法。


背景技术：

2.太阳能光伏发电作为最具利用潜能的、普遍的、无尽的清洁能源发电方式，备受电力从业者和研究人员瞩目。然而，光伏出力具有随机性、间歇性、无机械转动惯量、不参与系统调频等特点，光伏发电的大规模接入影响着电网的安全稳定运行，给电网控制带来新挑战，使得现有控制模式难以保证电力系统安全。因此，在机理分析层面，深入研究规模化光伏接入对电力系统暂态频率稳定性的作用机理，并在光伏发电单元建模的基础上进行仿真验证，对进一步提出如何改善并网后系统暂态稳定性具有基础的理论指导作用。在稳定性评价层面，研究大规模光伏并网后系统节点频率特性，提出系统频率支撑能力评价方法对工程实践具有参考价值。在稳定性改善措施层面，提出大规模光伏并网后调频切实可行的措施，对电力系统安全稳定运行具有实际意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的，在于提供一种光伏并网电力系统频率暂态稳定性分析方法，本发明能够实现对光伏并网条件下系统受扰动后的频率动态特性的有效分析，实现光伏接入节点频率动态特性的评价与预测，并能增大系统临界扰动量，明显改善系统的频率稳定性。
4.为实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种光伏并网电力系统频率暂态稳定性分析方法，本发明所述的方法具体地包括以下几个部分：
[0005]ⅰ.一种规模化光伏并网系统建模方法及光伏并网系统多重故障扰动模型；
[0006]ⅱ.一种不同光伏渗透率下大扰动对系统频率波动的影响分析方法；
[0007]ⅲ.一种光伏接入节点的频率动态特性评价与预测方法；
[0008]ⅳ.一种基于大容量机组调频参数优化的频率稳定性改善措施。
[0009]
进一步地，本发明所述的一种规模化光伏并网系统模型的构建方法为：基于 psd
‑
bpa软件搭建规模化光伏并网系统模型，模型由多个光伏发电单元和并网系统模型构成。所述的光伏发电单元由三部分模块组成：光伏电池阵列、低压箱式变压器和电压型逆变器及其控制系统；所述光伏并网系统模型结构为：多个光伏发电单元并联接入，首先经过升压变电器升压，然后通过通道110kv汇集线路将光伏发电系统的有功输送到汇集站，规模化光伏并网系统包括了若干条光伏发电汇集支路的并联传输。
[0010]
进一步地，所述的一种光伏并网系统多重故障扰动模型的构建方法为：基于n台常规发电机组系统在节点k处发生多重故障的扰动模型，将其中m台常规机组替换为光伏发电机组，得到光伏并网系统多重故障扰动模型：
[0011][0012]
式中：δp
ei
和δp分别表示第i台发电机组电磁功率的变化量和扰动功率；p
sik
表示节点i、k间的整步功率系数；t
ji
和r
i
分别表示第i台发电机的惯性时间常数和调差系数。n表示剩余常规机组的台数。
[0013]
进一步地，所述的一种不同光伏渗透率下大扰动对系统频率波动的影响分析方法，包括以下步骤：
[0014]
步骤1：设置电力系统内某节点为光伏接入节点；
[0015]
步骤2：确定系统常规机组装机容量最大的节点，令光伏渗透率分别为该节点常规机组装机容量的0～100％；
[0016]
步骤3：设置大扰动故障，借助psd
‑
bpa软件仿真得到不同渗透率下发生大扰动时系统的频率动态特性曲线。
[0017]
进一步地，所述的频率动态特性包括：系统的节点最低最高频率动态过程、公共接入节点的节点频率动态过程、负荷最大且离并网较近节点的节点频率动态过程。
[0018]
进一步地，所述的一种光伏接入节点的频率动态特性评价与预测方法，包括以下步骤：
[0019]
步骤1：确定节点频率动态特性的评价指标：扰动功率、最大节点频率偏差绝对值、电气距离；
[0020]
步骤2：通过在psd
‑
bpa中进行遍历仿真的方法获取光伏接入节点的频率动态特性的评价指标数据；
[0021]
步骤3：通过改进b样条法对由bpa仿真获得的数据进行插值后拟合，生成节点频率特性曲面并进行精度校验；
[0022]
步骤4：保持最大节点频率偏差绝对值不变，选取适当的电气距离，并在拟合的曲面上取点得到对应的扰动功率，将其近似作为光伏渗透容量的临界值；
[0023]
进一步地，所述扰动功率δp定义为系统受扰动后有功功率的波动量；
[0024]
所述最大节点频率偏差绝对值δf定义为：
[0025]
δf＝|δf
max
|＝max(|f
max
‑
f
n
|,|f
min
‑
f
n
|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0026]
式中，f
n
为额定频率，f
max
为系统受到功率扰动δp后的最大频率，f
min
为系统受到功率扰动后的最大频率；
[0027]
所述电气距离s定义为两点之间的转移电抗的大小。当大扰动产生有功缺额后，在扰动初瞬时不平衡功率与电气距离成反比在各机组间进行分配。
[0028]
进一步地，所述的一种基于大容量机组调频参数优化的频率稳定性改善措施，包括以下步骤：
[0029]
步骤1：构建节点频率支撑能力评价指标：频率裕度、临界扰动量；
[0030]
步骤2：分析常规机组的一次调频参数，机组的动态特性主要影响因素为：调差系数、调速器响应时间、引导阀门时间常数和调速器死区；
[0031]
步骤3：从优化调差系数和调速器死区两个方面，分析基于大容量机组调频参数优化对频率稳定性的改善情况。
[0032]
进一步地，所述频率裕度指标定义为：
[0033][0034]
式中，f
n
、f
cr
和f’cr
分别表示额定频率值、发电机高低频保护值和临界安全阈值；η＞0则节点暂态频率安全，反之不安全，其中η＝0为临界安全。
[0035]
所述临界扰动量定义为：
[0036][0037]
该值可通过插值计算得到。
[0038]
本发明的有益效果是：
[0039]
本发明是一种光伏并网电力系统频率暂态稳定性分析方法。首先构建了规模化光伏并网系统模型及光伏并网系统多重故障扰动模型；在此基础上，构建了一种不同光伏渗透率下大扰动对系统频率波动的影响分析方法，研究了光伏高渗透率电网大扰动对系统频率稳定性的影响，并以最大频率偏差为指标确定出了系统可接纳光伏最大容量的区间；其次，提出了基于曲面拟合的光伏接入节点频率动态特性的评价分析与预测方法，并给出了不同并网点高渗透率光伏接入的临界值；最后，构建了基于大容量机组调频参数优化的改善措施，提高了规模化光伏接入后的系统暂态频率稳定性；通过本发明所述的一种光伏电力系统频率稳定性分析方法，可以有效分析光伏发电系统接入条件下系统受扰动后的频率动态特性，实现光伏接入节点频率动态特性的评价与预测，明显改善系统的稳定性。
附图说明
[0040]
图1是光伏发电单元的拓扑结构示意图。
[0041]
图2是规模化光伏并网系统模型示意图。
[0042]
图3是ieee39节点标准算例地理接线图。
[0043]
图4是不同渗透率发生故障时系统最低最高频率动态特性。
[0044]
图5a是不同渗透率发生故障时节点1的频率动态特性。
[0045]
图5b是不同渗透率发生故障时节点39的频率动态特性。
[0046]
图6是受扰情况下节点频率特性曲面。
[0047]
图7a是节点暂态频率偏移安全性示意图一。
[0048]
图7b是节点暂态频率偏移安全性示意图二。
[0049]
图8是水轮机调速器和原动机模型的典型结构。
[0050]
图9是调差系数优化设置后临界扰动量变化曲线。
[0051]
图10是调速器死区优化设置后临界扰动量变化曲线。
具体实施方式
[0052]
下面给出本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0053]
本具体实施方式公开了一种光伏并网电力系统频率暂态稳定性分析方法，所述方法基于一个光伏并网系统多重故障扰动模型,该扰动模型基于n台常规发电机组系统在节点k处发生多重故障的扰动模型，将其中m台常规机组替换为光伏发电机组，光伏发电机组为规模化光伏并网系统模型，模型由多个光伏发电单元和并网系统模型构成。所述的光伏发电单元由三部分模块组成：光伏电池阵列、低压箱式变压器和电压型逆变器及其控制系统；所述光伏并网系统模型结构为：多个光伏发电单元并联接入，首先经过升压变电器升压，然后通过通道110kv汇集线路将光伏发电系统的有功输送到汇集站，规模化光伏并网系统包括了若干条光伏发电汇集支路的并联传输，光伏并网系统多重故障扰动模型：
[0054][0055]
式中：δp
ei
和δp分别表示第i台发电机组电磁功率的变化量和扰动功率；p
sik
表示节点i、k间的整步功率系数；t
ji
和r
i
分别表示第i台发电机的惯性时间常数和调差系数。n表示剩余常规机组的台数，分析方法具体包括：
[0056]
不同光伏渗透率下大扰动对系统频率波动的影响分析步骤；
[0057]
步骤1：设置电力系统内某节点为光伏接入节点；
[0058]
步骤2：确定系统常规机组装机容量最大的节点，令光伏渗透率分别为该节点常规机组装机容量的0～100％；
[0059]
步骤3：设置大扰动故障，借助psd
‑
bpa软件仿真得到不同渗透率下发生大扰动时系统的频率动态特性曲线。
[0060]
光伏接入节点的频率动态特性评价与预测步骤：
[0061]
步骤1：通过在psd
‑
bpa中进行遍历仿真的方法获取光伏接入节点的频率动态特性的评价指标数据，评价指标包括：扰动功率、最大节点频率偏差绝对值、电气距离；
[0062]
步骤2：通过改进b样条法对由bpa仿真获得的数据进行插值后拟合，生成节点频率特性曲面并进行精度校验；
[0063]
步骤3：保持最大节点频率偏差绝对值不变，根据光伏并网点的位置确定电气距离，并在拟合的曲面上取点得到对应的扰动功率，将其近似作为光伏渗透容量的临界值；
[0064]
基于大容量机组调频参数优化的频率稳定性改善步骤：
[0065]
步骤1：构建节点频率支撑能力评价指标：频率裕度、临界扰动量；
[0066]
步骤2：分析常规机组的一次调频参数，机组的动态特性主要影响因素为：调差系数、调速器响应时间、引导阀门时间常数和调速器死区；
[0067]
步骤3：从优化调差系数和调速器死区两个方面，分析基于大容量机组调频参数优化对频率稳定性的改善情况。
[0068]
所述三个步骤是基于光伏扰动模型的独立步骤。通过对不同光伏渗透率下大扰动对系统频率波动的影响进行分析，可以确定系统频率动态特性与光伏渗透率的关系；通过光伏接入节点的频率动态特性评价与预测，可以确定系统内某点光伏装机容量的临界值；通过基于大容量机组调频参数优化的频率稳定性改善措施，可以增大并网节点的临界光伏容量，提高光伏并网后系统的频率稳定性。
[0069]
下面将详细说明本发明的实施方式。
[0070]
1，在本实施方式中，构建了一种规模化光伏并网系统建模方法及光伏并网系统多重故障扰动模型。下面给出本发明第一部分的具体实施例：
[0071]
(1)规模化光伏并网系统建模。该模型由多个光伏发电单元和并网系统模型构成，所述的光伏发电单元由三部分模块组成：光伏电池阵列、低压箱式变压器和电压型逆变器及其控制系统，如图1所示；所述光伏并网系统模型结构为：多个光伏发电单元并联接入，首先经过升压变电器升压，然后通过通道110kv汇集线路将光伏发电系统的有功输送到汇集站，规模化光伏并网系统包括了若干条光伏发电汇集支路的并联传输，如图2 所示。
[0072]
(2)光伏并网系统多重故障扰动建模。所述模型的构建方法为：基于n台常规发电机组系统在节点k处发生多重故障的扰动模型，将其中m台常规机组替换为光伏发电机组，得到光伏并网系统多重故障扰动模型：
[0073][0074]
式中：δp
ei
和δp分别表示第i台发电机组电磁功率的变化量和扰动功率；p
sik
表示节点i、k间的整步功率系数；t
ji
和r
i
分别表示第i台发电机的惯性时间常数和调差系数。n表示剩余常规机组的台数。
[0075]
所述模型用以分析光伏高渗透率电网在大扰动下频率稳定性的影响机理。根据模型，受大扰动情况下，系统随着光伏渗透率增大，剩余常规机组将承担更多功率缺额，其电磁功率的瞬时变化和稳态偏差也将更为明显，即系统发生暂态频率稳定问题愈加容易。
[0076]
2，在本实施方式中，构建了一种不同光伏渗透率下大扰动对系统频率波动的影响分析方法。下面给出本发明第二部分的具体实施例：
[0077]
(1)基于ieee39节点标准算例，设置bus2节点为光伏电站并网节点，ieee39节点标准算例地理接线图如图3所示；
[0078]
(2)确定系统常规机组装机容量最大的节点为bus39，令光伏渗透率分别为该节点常规机组装机容量的0～100％；
[0079]
(3)设置如下两个大扰动故障：
[0080]
①
支路bus6
‑
bus11在第5个周波时发生三相短路故障，在第10个周波时清除故障；
[0081]
②
增加光伏有功出力时，等比切除常规机组有功出力。
[0082]
借助psd
‑
bpa软件仿真得到不同渗透率下发生大扰动时该系统的频率动态特性曲线，包括系统的节点最低最高频率动态过程和公共接入点bus1及负荷最大且离并网点较近的节点bus39的节点频率动态过程，如表1和图4、5所示。
[0083][0084]
表1不同光伏渗透率发生故障时系统的频率动态响应
[0085]
根据仿真结果，系统的最低最高频率及母线1和母线39节点动态频率随着光伏渗透率的不同而发生变化。系统的最低最高动态频率变化趋势相同，且在受扰动情况下，光伏高渗透率系统既有发生频率上限越限的可能，也有发生频率下限越限的可能，即会出现高频和低频问题。其原因主要是随着光伏渗透率的增大，系统惯性减小，功角越容易失稳。
[0086]
3，在本实施方式中，构建了一种光伏接入节点的频率动态特性评价与预测方法。下面给出本发明第三部分的具体实施例：
[0087]
(1)确定节点频率动态特性的评价指标：扰动功率、最大节点频率偏差绝对值、电气距离。
[0088]
①
扰动功率δp：系统受扰动后有功功率的波动量；
[0089]
②
最大节点频率偏差绝对值δf：
[0090]
δf＝|δf
max
|＝max(|f
max
‑
f
n
|,|f
min
‑
f
n
|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0091]
式中，f
n
为额定频率，f
max
为系统受到功率扰动δp后的最大频率，f
min
为系统受到功率扰动后的最大频率；
[0092]
③
电气距离s：两点之间的转移电抗大小。当大扰动产生有功缺额后，在扰动初瞬时不平衡功率与电气距离成反比在各机组间进行分配。
[0093]
(2)基于ieee39节点标准算例，选取光伏接入节点作为观测点，依次设定切机点和扰动量，借助psd
‑
bpa软件，通过遍历仿真的方法多次改变潮流文件和稳态文件中的扰动点位置和扰动量大小，得到(δp,s,δf)的一系列实验数据。
[0094]
(3)对得到的实验数据利用三次样条插值方法，通过matlab的程序编写实现“频率
偏差
‑
电气距离
‑
光伏渗透率”的曲面拟合，并利用改进的b样条法对由bpa仿真获得的有限个数据点所拟合出的不光滑曲面进行修正，得到受扰情况下的节点特性曲面如图 6所示。最后按照下式对拟合曲面进行精确度校验：
[0095][0096]
式中，δf和δf’分别为频率指标的拟合值和仿真值。
[0097]
按上式检验拟合精度，具体方法为：首先确定一个电气距离，用它在不同的扰动量下对应的频率偏差绝对值进行精度校验；然后以同样的方法，再确定一个扰动量，用它在不同的电气距离下对应的频率偏差绝对值进行精度校验。预测值可以根据matlab 中的句柄函数从绘制的曲面中读取，具体精度校验结果如表2所示：
[0098][0099]
表2分别固定扰动量和电气距离时的频率指标值校验
[0100]
经过精确度校验可知，本发明所提的一种光伏接入节点的频率动态特性评价与预测方法满足足够的精确度，误差在2％以内。
[0101]
(4)保持最大节点频率偏差绝对值不变，选取适当的电气距离，通过在拟合的曲面上取点得到对应的扰动功率，即可将其近似作为光伏渗透容量的临界值。如，当s取0.0012 时，本具体实施例中频率指标所对应的临界光伏渗透容量为272.4mw。
[0102]
4，在本实施方式中，构建了一种基于大容量机组调频参数优化的频率稳定性改善措施。下面给出本发明第四部分的具体实施例：
[0103]
(1)构建节点频率支撑能力评价指标：频率裕度、临界扰动量。节点暂态频率偏移安全性如图7所示。
[0104]
①
频率裕度指标定义为：
[0105][0106]
式中，f
n
、f
cr
和f’cr
分别表示额定频率值、发电机高低频保护值和临界安全阈值；η＞0则节点暂态频率安全，反之不安全，其中η＝0为临界安全。
[0107]
②
临界扰动量定义为：
[0108][0109]
该值可通过插值计算得到。
[0110]
(2)以常规水轮机组调速系统为例，分析一次调频参数优化对改善系统频率稳定性的影响。水轮机调速器和原动机模型如图8所示。
[0111]
调速器的闭环传递函数为：
[0112][0113]
根据发电机动态稳定特征方程的判据推导可得：
[0114][0115]
式中，软反馈系数与水锤效应时间常数有关，因此机组的动态特性主要影响因素为调差系数、调速器响应时间、引导阀门时间常数和调速器死区。
[0116]
(3)从优化调差系数和调速器死区两个方面，分析基于大容量机组调频参数优化对频率稳定性的改善情况。基于ieee39节点标准算例，选取bus32进行仿真，设置如下步骤：
[0117]
①
控制调速器死区不变，分别设置调差系数，计算该系统的临界扰动量；
[0118]
②
控制调差系数不变，分别设置调速器死区，计算该系统的临界扰动量。
[0119]
优化设置后的结果分别如图9和图10所示。根据结果，满足频率暂态稳定裕度指标的临界扰动量随着调差系数的增大，呈现出先增大后减小的趋势；随着调速器死区的增大，呈现出单调减小的趋势。本具体实施例中，通过优化大容量机组的调差系数可增大基于节点频率特性曲面的临界扰动量，使频率稳定性得到明显改善。
[0120]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明所述技术方案的基础上，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。