一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法

本发明涉及一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法，属于电力系统新能源。

背景技术：

1、2021年国家提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”的战略目标，正加速实施能源转型战略，加速推进新能源并网，构建以新能源为主体的新型电力系统。在上述背景下，未来电力系统不确定性、弱稳定支撑特征不断凸显，低惯量特性逐渐呈现，同时受电力电子器件并网的影响，新能源输出的有功功率不再与系统频率耦合，不能主动响应系统频率波动的需求，系统稳定性受到严重挑战。

2、当新能源并网后，由于新能源有功功率与系统频率解耦，本身不具备惯量支撑能力，会导致系统额定容量基数变大的同时降低整个系统的惯量水平，致使在低惯量电力系统中系统频率稳定能力减小，频率支撑能力降低。通过考虑在双馈风机以及储能提供一定惯量支撑功率情况下，利用转子运动方程及风储联合系统可输出的虚拟惯量响应功率构建在频率安全约束下的新能源渗透率计算方法。而目前对于新能源渗透率的计算，大多基于电力电量平衡状态下的，很少考虑系统频率稳定能力下的新能源渗透率计算方法；并且大多数在计算新能源渗透率时很少考虑新能源提供惯量支撑能力，所以本发明提出了在计及一定的风储虚拟惯量支撑情况下，且在满足频率安全约束情况下的计算新能源渗透率简便方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法，针对新能源并网问题，在考虑新能源及储能提供惯量支撑时，通过确定机组状况以及负荷水平来计算在满足系统频率安全约束的前提下，计算新能源渗透率。

2、本发明的技术方案是：一种频率安全约束下新能源渗透率的确定方法，基于电力系统受到功率扰动时发生频率不稳定的运行情况下，运用传统同步机组提供稳定的惯量支撑，运用虚拟同步技术控制风机以及储能对系统提供惯量支撑以及快速频率响应功率，在此前提下计及源荷的时序特性及各传统同步机组、双馈风机、储能的惯量支撑能力计算系统可承受的风电极限渗透率，具体步骤为：

3、step1：获取当前区域电力系统结构及自身参数。

4、step2：根据电力系统电源出力及负荷水平，利用转子运动方程确定系统频率稳定状态，若系统稳定则终止，系统不稳定则继续执行step3。

5、step3：根据电力系统中传统机组自身参数及机组开机状况，计算出当前系统各传统机组贡献的传统惯量。

6、step4：根据双馈风机不同运行状态，确定双馈风机的虚拟惯量响应功率。

7、step5：根据储能充放电特性及不同荷电状态，优化储能虚拟惯量及下垂充放电控制系数，最终确定储能装置的虚拟惯量响应功率。

8、step6：根据上述确定的双馈风机及储能虚拟惯响应功率，量化双馈风机及储能装置的虚拟惯量支撑能量。

9、step7：根据双馈风机及储能装置量化的虚拟惯量支撑能量，同时利用系统频率最低点及最大频率变化率作为系统频率安全约束。

10、step8：据系统机组运行状况、风电出力特性及储能荷电状态，在确定出风储联合可对系统进行虚拟惯量支撑的前提下，计算当前电力系统的新能源渗透率极限值。

11、所述step2具体为：

12、step2.1：根据系统网络拓扑及各电源的时序出力特性，确定系统电源的功率。

13、step2.2：根据系统负荷的时序出力特性，确定系统负荷扰动功率。

14、step2.3：根据系统电源出力及负荷功率，利用转子运动方程确定系统频率是否处于动态稳定，具体为：

15、

16、式中，为同步机的机械功率变化量，为同步机的电磁功率变化量，hsys为当前电力系统等值惯性时间常数，d为负荷阻尼系数，为电力系统频率偏差。

17、由于传统机组转子转速与系统频率耦合，当系统受到扰动时，此时系统功率不稳定，出现的不平衡功率将会通过发电机的转子运动方程影响到系统频率的动态响应过程，引起系统频率变化，而电源侧发出的机械功率不等于负荷侧从系统吸收的电磁功率，电力系统此时需要各机组提供惯量响应功率来抵抗系统频率变化，维持系统频率动态稳定。

18、所述step3具体为：

19、采用如下算式根据传统机组的开机情况及惯性时间常数，确定第p台机组为系统提供的等效传统惯量：

20、

21、式中，为第p台传统同步机组提供的系统等效传统惯量，为第p台传统同步机机组开机状态，当机组为开机状态时，为1，否则为0；为系统第p台机组的额定容量，为系统第j台常规机组额定容量。

22、所述step4具体为：

23、step4.1：风机转子所存储的旋转动能为：

24、

25、式中，为双馈风机自身旋转惯量系数，为风机运行的实时转速。

26、根据风机转速变化得到由风机动能可增发的虚拟惯量响应功率：

27、

28、式中，为风机利用自身动能可提供的虚拟惯量响应功率，为双馈风机自身所具备的旋转动能，为双馈风机自身旋转惯量系数，为风机运行的实时转速。

29、其中，风机惯性时间常数为：

30、

31、由于各机组自身额定参数标准众多，为方便统一计算参数，简便后续运算过程，根据风机转速变化得到由风机动能可增发虚拟惯量响应功率，通过标幺化统一参数标准，标幺过程为：

32、

33、式中，为双馈风机额定容量，为风机额定转速。

34、step4.2：根据风机自身动能提供的能量，并利用风机转速表示风机各风速段的运行状态，得到不同风机运行状态下可提供的虚拟惯量响应功率，当风机转子的转速为，则标幺值为，为方便统一计算参数简便运算过程，使用标幺值表达式如下：

35、

36、式中，为双馈风机可提供的虚拟惯量标幺值，为风机等效惯性时间常数，为风机实时转速标幺值，为系统频率变化标幺值。

37、所述step5具体为：

38、step5.1：根据储能装置充放电特性，建立虚拟惯量支撑响应模型，确定储能装置可输出的虚拟惯量响应功率。

39、step5.2：根据储能装置荷电状态，优化储能电池虚拟惯量响应功率控制函数中的虚拟惯量及虚拟下垂控制系数，最终得到控制系数优化后储能可输出的虚拟惯量响应功率。

40、所述step6具体为：

41、step6.1：根据风机牺牲动能可增发的虚拟惯量响应功率，量化出双馈风机的虚拟惯量支撑能量：

42、

43、式中，为双馈风机提供的虚拟惯量支撑能量，为电力系统额定频率，为系统频率最低点时风机输出的惯量支撑功率，系统受扰初期风机输出的惯量支撑功率，为系统频率跌落最低值，取不触发第一轮低频减载动作的频率最小值，为频率到达最低点时刻；为扰动初始时刻。

44、step6.2：根据储能装置充放电特性及荷电状态可增发的虚拟惯量支撑功率，量化出储能装置的虚拟惯量支撑能量。

45、为要求储能系统在惯量响应环节释放的能量与同步发电机转子释放的动能相等，则可得到在相同时间段内储能应该释放的能量为：

46、

47、式中，为同步机组惯量系数，为所替代掉的同步发电机的额定容量，为所替代掉的同步发电机额定惯性常数。

48、所述step7具体为：

49、step7.1：在满足低频减载装置不触发动作信号的情况下，取低频减载装置第一轮动作频率作为系统频率最低点安全约束。

50、step7.2：在满足系统历史受扰后系统频率动态稳定的情况下，取系统历史最大频率变化率作为系统频率变化率安全约束。

51、在电力系统发生扰动开始的初期阶段，由于发电机调速器等还来得及动作，此时电力系统的调频资源和手段较少，因此，此时的频率变化率将出现最大值，可以将此频率变化率最大值设置为系统频率调整的约束指标；同时，在低惯量的电力系统当中，频率的跌落深度也会增大，电力系统具有极大概率使频率下降到触发低频减载的频率水平，并且频率变化过大，系统频率跌落过于严重，将导致大量的新能源机组无法运行、电网崩溃。与现有技术相比，本发明同时利用了系统频率跌落最低点与系统频率变化率作为频率安全约束，减小了系统频率越限情况，能更准确地评估电力系统的新能源渗透率。

52、所述step8具体为：

53、当系统满足频率安全约束下时，系统等效惯量水平为：

54、

55、式中，m，k，l分别为提供惯量支撑的同步机组、风机以及储能装置数量，e为各资源所能提供惯量支撑的能量，s为全网各资源的额定装机容量。

56、新能源渗透率极限值为：

57、

58、式中，为新能源额定装机容量。

59、本发明的有益效果是：

60、1、本发明在系统稳定运行前提下，考虑除了传统方式下基于电力电量平衡的新能源渗透率计算，在此基础上加入了基于系统频率安全约束条件，分别在满足电力系统频率达到最低点不至于出发系统低频减载第一轮动作约束以及满足电力系统频率变化率达到历史数据最大频率变化率的安全约束下对新能源并网渗透率进行计算；

61、2、相比于新能源渗透率传统计算方式不考虑新能源机组提供惯量支撑情况下，本发明充分考虑双馈风机不同运行状态下实际可发出的惯量支撑功率，以及储能在自适应虚拟惯量及下垂控制提供惯量支撑情况下，计算在满足系统频率安全约束下的新能源渗透率；