考虑源侧同步惯量与母线侧动态支撑的综合节点惯量评估方法

本发明涉及智能电网，尤其是电力系统频率安全分析与惯量评估技术，具体而言涉及一种考虑源侧同步惯量与母线侧动态支撑的综合节点惯量评估方法。

背景技术：

1、随着新能源发电和电力电子接口设备的大规模接入，电力系统中同步发电机所占比例逐渐降低，系统频率响应特性呈现出低惯量、强时变和空间非均匀等特征。传统系统惯量评估方法通常以全系统等效惯量或惯性中心频率为对象，能够反映系统整体频率支撑能力，但难以描述不同节点在扰动后的局部频率变化率差异。

2、在实际电力系统中，节点频率变化不仅受同步发电机和调相机惯量影响，还与网络拓扑、扰动位置、电气距离和设备动态响应密切相关。即使各同步机具有相同惯量，不同节点由于频率分布特性和扰动功率分担关系不同，其表现出的等效节点惯量仍可能存在差异。

3、此外，跟网型新能源机组和电动机负荷也会在扰动初期表现出一定的动态支撑能力。跟网型新能源机组可通过附加频率控制、虚拟惯量控制或快速频率响应改变有功输出；电动机负荷则可通过滑差-转矩动态释放或吸收转子动能。然而，这类设备并非同步机内电势节点形式的源侧惯量源，其端口有功中还包含频率偏差响应、电压敏感响应、限流响应和控制暂态等成分。若直接将其设备名义惯量或控制设定值计入节点惯量，容易导致惯量贡献被高估或物理含义混淆。

技术实现思路

1、针对现有节点惯量评估方法中源侧同步惯量与母线侧动态支撑混合不清、跟网型新能源机组设定虚拟惯量与实际有效惯量不一致的问题，本发明的目的旨在提供一种考虑源侧同步惯量与母线侧动态支撑的综合节点惯量评估方法，在源侧同步惯量经网络映射形成节点惯量的基础上，进一步提取跟网型新能源机组和电动机负荷端口有功中与频率变化率同相的有效惯量分量，并将其作为母线侧动态惯量并入节点惯量计算框架，从而更准确地评价新型电力系统中不同节点的惯量支撑能力。

2、根据本发明目的的第一方面，提出一种考虑源侧同步惯量与母线侧动态支撑的综合节点惯量评估方法，包括以下步骤：

3、步骤1、获取电力系统网络运行数据和设备参数，所述电力系统网络中以同步发电机和调相机作为源侧同步惯量源，跟网型新能源机组和电动机负荷作为动态支撑设备，均接入母线侧，并直接响应母线频率变化；

4、步骤2、根据所获取的电力系统网络运行数据和设备参数，结合同步发电机扰动后的摆动方程、频率分配准则以及扰动初期功率分担关系，计算所述同步发电机和调相机经网络耦合后作用于各节点的源侧节点惯量；

5、步骤3、基于跟网型新能源机组的频率控制通道和电动机负荷的滑差-转矩动态，提取母线侧设备端口有功中与频率变化率同相的有效惯量分量；

6、步骤4、将同一母线上的跟网型新能源机组有效惯量和电动机负荷有效惯量按容量归算后，构建出入母线侧动态惯量矩阵；以及

7、步骤5、基于源侧节点惯量建立源侧频率变化率灵敏度矩阵，并将母线侧动态惯量矩阵并入源侧频率变化率灵敏度矩阵，形成综合节点惯量计算关系，获得计及源侧同步惯量、跟网型新能源机组动态支撑和电动机负荷惯量贡献的综合节点惯量。

8、作为可选的实施方式，在步骤2中，对于第i个源侧同步惯量源，扰动后的转速动态由转子动能变化、机械功率增量、电磁功率增量和阻尼功率共同决定，由此确定同步发电机扰动后的摆动方程。

9、作为可选的实施方式，在步骤2中，扰动发生初期，调速器和原动机机械功率调节尚未动作，同时转速作为状态变量不能突变，由此确定机械功率增量和初始转速偏差满足的初始条件为：

10、并且，将上述初始条件结合到摆动方程，阻尼项在0+时刻为零，则得到第i个同步惯量源的初始频率变化率，其表示了同步惯量源内部转速响应；

11、进一步通过引入基于频率分配矩阵与同步惯量源转速偏差向量的频率分配准则，以将所述同步惯量源内部转速响应应用到电网系统网络母线，其中的频率分配矩阵用于描述同步惯量源转速变化对各母线频率变化的参与程度。

12、作为可选的实施方式，在步骤2中，当有功扰动施加于节点j时，第i个同步惯量源承担的扰动功率比例为扰动功率与第i个同步惯量源对节点j扰动功率的分担系数的乘积；

13、该分担系数根据同步惯量源与扰动节点之间的电气耦合强度经归一化得到。

14、作为可选的实施方式，在步骤3中，对于接入母线b的第g个跟网型新能源机组，跟网型新能源机组有效惯量由其频率控制通道结合时间建立过程确定，在扰动时间窗远小于惯量控制微分时间常数时，获得第g个跟网型新能源机组的有效惯量近似表示为：

15、；

16、其中，为惯量控制比例系数。

17、作为可选的实施方式，在步骤3中，电动机负荷有效惯量由滑差-转矩动态计算得到，其中，对于接入母线b的第m个电动机负荷，结合电动机滑差变化方程以及电动机转子运动方程，获得电动机转子速度对电网同步速度的一阶跟随关系；

18、在扰动初始时间窗内，电动机转子惯量通过上述一阶跟随关系逐步耦合到电网侧，得到第m个电动机负荷在时间t内体现到母线侧的有效惯量。

19、作为可选的实施方式，在步骤4中，对于母线b，母线侧动态惯量矩阵为对角矩阵，用于表征母线侧动态支撑设备的接入位置和容量权重，其非对角元素为零。

20、作为可选的实施方式，在步骤5中，首先基于源侧节点惯量建立源侧频率变化率灵敏度矩阵，该源侧频率变化率灵敏度矩阵用于描述仅考虑源侧同步惯量时节点扰动功率与节点频率变化率之间的灵敏度关系；

21、然后，将母线侧动态惯量矩阵并入源侧频率变化率灵敏度矩阵，形成综合节点惯量计算关系，获得计及母线侧动态支撑后的综合频率变化率灵敏度矩阵。

22、进一步的实施例中，在步骤5中，基于计及母线侧动态支撑后的综合频率变化率灵敏度矩阵，将节点j的综合节点惯量定义为综合频率变化率灵敏度矩阵第j行的倒数范数，由此获得计及源侧同步惯量、跟网型新能源机组动态支撑和电动机负荷惯量共同作用后在节点j表现出的综合节点惯量。

23、由以上技术方案可知，本发明提出的计及源侧同步惯量、跟网型新能源机组动态支撑和电动机负荷惯量共同作用的电力系统综合节点惯量评估方法，能够区分源侧同步惯量和母线侧动态支撑的物理来源，避免将设备名义惯量或控制设定值直接等同于节点惯量，可用于新型电力系统弱惯量区域识别、频率安全评估和动态支撑资源配置，与现有技术相比，其显著的有益效果在于：

24、（1）本发明基于同步机摆动方程、频率分配公式和扰动功率分担关系计算源侧节点惯量，能够反映同步机和调相机惯量经网络耦合后在不同节点的空间分布差异；

25、（2）本发明将跟网型新能源机组和电动机负荷作为母线侧动态支撑设备处理，仅提取其端口有功中与频率变化率同相的有效分量计入惯量，避免将控制设定值、下垂响应、电压敏感项或限流响应错误归入惯量贡献；

26、（3）本发明通过母线侧动态惯量矩阵描述跟网型新能源机组和电动机负荷的接入位置和容量权重，能够体现母线侧动态支撑的空间分布特征；

27、（4）本发明将母线侧动态惯量矩阵并入源侧频率变化率灵敏度矩阵，形成综合节点惯量计算方法，适用于高比例新能源电力系统的弱惯量区域识别、频率安全评估和动态支撑资源配置。

28、应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

29、结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。