基于Bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法及装置

本发明涉及电力系统需求优化评估，具体涉及一种基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法及装置。

背景技术：

1、随着新能源发电比例不断提高，常规同步机组开机容量和在线惯量水平逐渐下降，电力系统在遭受负荷突增、机组跳闸或新能源出力波动等有功扰动后，容易出现频率变化率过大、频率最低点越限以及稳态频率偏差过大的问题。为保障高比例新能源电力系统的频率安全，通常需要配置储能、构网型设备或新能源附加频率控制等频率支撑资源，用于补充系统惯量支撑、下垂支撑和快速有功支撑能力。

2、在进行频率支撑资源规划配置之前，需要先准确评估不同调度时段和不同机组在线状态下的系统频率支撑需求。该需求评估是确定储能容量、虚拟惯量参数、下垂参数以及新能源频率支撑能力的重要前置工作。若评估结果偏小，可能导致配置资源无法满足扰动后的频率安全要求；若评估结果过于保守，则会造成支撑资源冗余配置，增加系统投资和运行成本。

3、现有频率支撑需求评估方法多采用系统等值惯量模型或聚合频率响应模型，将全系统等效为单一频率响应单元，并用统一调速器或阻尼参数描述一次调频过程。该类方法虽然便于计算，但难以反映不同同步机组调速器动态特性的差异，也难以体现机组组合结果中机组开停状态对频率支撑能力的影响。同时，跟网型新能源的频率支撑受锁相环动态、下垂系数和容量约束影响，若将其简单等效为静态下垂，也难以准确描述其扰动过程中的有功响应。完整时域仿真虽然精度较高，但不便直接嵌入多时段优化模型，也难以直接输出可用于资源配置的等效虚拟惯量和等效下垂需求。

4、因此，亟需一种双高电力系统频率支撑需求评估方法，来解决现有技术存在的无法同步量化全时段惯量与下垂调频备用需求等问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法及装置，解决现有双高电力系统同步机组动态建模复杂、新能源锁相环动态难以统一表征，传统方法无法同步量化全时段惯量与下垂调频备用需求等问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法，其特征在于，包括：

3、基于各汽轮机组的调速器模型生成在频率扰动下的调速功率阶跃响应；通过低阶传递函数对所述调速功率阶跃响应进行拟合，获得各汽轮机组的低阶动态模型；

4、读取电力调度系统预先计算输出的多时段机组组合时序结果，基于汽轮机组的所述低阶动态模型，按各调度时段机组投运状态构建逐台同步机组参与的一次调频动态响应模型；构建计及锁相环动态的跟网型新能源频率支撑模型并接入系统调频体系，形成系统调频动态方程组；

5、基于所述系统调频动态方程组，通过bernstein多项式表征扰动后的频率变量、同步机组调速状态变量及跟网型新能源支撑功率变量，并通过bernstein多项式操作矩阵将微分动态方程转化为多项式系数代数约束；基于所述多项式系数代数约束，结合频率变化率约束、最低频率约束及稳态频率偏差约束，以系统额外支撑功率备用最小化为目标，构建频率支撑需求评估模型；

6、对所述频率支撑需求评估模型进行求解，输出各调度时段系统所需等效虚拟惯量需求与等效下垂需求。

7、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法的优选方案，所述低阶传递函数为两个一阶惯性环节并联模型：

8、

9、式中，为第j台汽轮机组的低阶等效调频传递函数；为汽轮机组编号；、、和为对应的拟合参数；

10、各汽轮机组的所述低阶动态模型表达式为：

11、

12、式中，为优化变量为第j台汽轮机组的待辨识参数集；为离散采样时刻序号，第q个时间采样点；为第台汽轮机高阶调速器模型在采样时刻的响应；为在时刻计算得到的拟合调频功率。

13、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法的优选方案，在基于汽轮机组的所述低阶动态模型，按各调度时段机组投运状态构建逐台同步机组参与的所述一次调频动态响应模型的过程中，基于所述低阶动态模型的双一阶惯性并联低阶传递函数，通过拉普拉斯逆变换将两个惯性环节分别转换为独立时域一阶微分方程；将两路支路有功输出进行叠加，获得单机总调频功率；基于所述多时段机组组合时序结果，将单个调度时段内在线同步机组接入对应一阶微分方程，离线同步机组将调频输出直接置零，生成同步机组的一次调频微分约束；

14、两个惯性环节转换为独立时域一阶微分方程的表达式为：

15、

16、

17、式中，、为每个一阶传递函数所代表的调频功率；为暂态频率变化量；

18、所述单机总调频功率的表达式为：

19、

20、式中，为单机总调频功率。

21、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法的优选方案，所述跟网型新能源频率支撑模型为虚拟惯量和有功下垂控制共同构成的动态模型；所述跟网型新能源频率支撑模型的频率支撑功率响应通过跟网型新能源的锁相环动态确定：

22、

23、式中，为跟网型装置的索引；为跟网型装置的调频功率；和分别为锁相环阻尼系数和锁相环带宽；为锁相环自然振荡角频率。

24、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法的优选方案，所述频率支撑需求评估模型的目标函数表达式为：

25、

26、式中，为当前系统装机容量；为单段调度时段序号；为时段内系统等效虚拟惯量缺额；为系统允许最大频率变化率限值；为时段内系统等效下垂支撑缺额；为系统允许最大频率跌落限值。

27、本发明还提供基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估装置，采用以上基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估方法，包括：

28、调速响应拟合模块，用于基于各汽轮机组的调速器模型生成在频率扰动下的调速功率阶跃响应；通过低阶传递函数对所述调速功率阶跃响应进行拟合，获得各汽轮机组的低阶动态模型；

29、逐机动态响应构建模块，用于读取电力调度系统预先计算输出的多时段机组组合时序结果，基于汽轮机组的所述低阶动态模型，按各调度时段机组投运状态构建逐台同步机组参与的一次调频动态响应模型；构建计及锁相环动态的跟网型新能源频率支撑模型并接入系统调频体系，形成系统调频动态方程组；

30、bernstein代数约束构建模块，用于基于所述系统调频动态方程组，通过bernstein多项式表征扰动后的频率变量、同步机组调速状态变量及跟网型新能源支撑功率变量，并通过bernstein多项式操作矩阵将微分动态方程转化为多项式系数代数约束；基于所述多项式系数代数约束，结合频率变化率约束、最低频率约束及稳态频率偏差约束，以系统额外支撑功率备用最小化为目标，构建频率支撑需求评估模型；

31、频率支撑需求评估模块，用于对所述频率支撑需求评估模型进行求解，输出各调度时段系统所需等效虚拟惯量需求与等效下垂需求。

32、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估装置的优选方案，所述调速响应拟合模块中，所述低阶传递函数为两个一阶惯性环节并联模型：

33、

34、式中，为第j台汽轮机组的低阶等效调频传递函数；为汽轮机组编号；、、和为对应的拟合参数；

35、各汽轮机组的所述低阶动态模型表达式为：

36、

37、式中，为优化变量为第j台汽轮机组的待辨识参数集；为离散采样时刻序号，第q个时间采样点；为第台汽轮机高阶调速器模型在采样时刻的响应；为在时刻计算得到的拟合调频功率。

38、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估装置的优选方案，所述逐机动态响应构建模块中，在基于汽轮机组的所述低阶动态模型，按各调度时段机组投运状态构建逐台同步机组参与的所述一次调频动态响应模型的过程中，基于所述低阶动态模型的双一阶惯性并联低阶传递函数，通过拉普拉斯逆变换将两个惯性环节分别转换为独立时域一阶微分方程；将两路支路有功输出进行叠加，获得单机总调频功率；基于所述多时段机组组合时序结果，将单个调度时段内在线同步机组接入对应一阶微分方程，离线同步机组将调频输出直接置零，生成同步机组的一次调频微分约束；

39、两个惯性环节转换为独立时域一阶微分方程的表达式为：

40、

41、

42、式中，、为每个一阶传递函数所代表的调频功率；为暂态频率变化量；

43、所述单机总调频功率的表达式为：

44、

45、式中，为单机总调频功率。

46、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估装置的优选方案，所述逐机动态响应构建模块中，所述跟网型新能源频率支撑模型为虚拟惯量和有功下垂控制共同构成的动态模型；所述跟网型新能源频率支撑模型的频率支撑功率响应通过跟网型新能源的锁相环动态确定：

47、

48、式中，为跟网型装置的索引；为跟网型装置的调频功率；和分别为锁相环阻尼系数和锁相环带宽；为锁相环自然振荡角频率。

49、作为基于bernstein多项式的双高电力系统频率支撑需求评估装置的优选方案，所述bernstein代数约束构建模块中，所述频率支撑需求评估模型的目标函数表达式为：

50、

51、式中，为当前系统装机容量；为单段调度时段序号；为时段内系统等效虚拟惯量缺额；为系统允许最大频率变化率限值；为时段内系统等效下垂支撑缺额；为系统允许最大频率跌落限值。

52、本发明具有如下优点：

53、第一、将汽轮机组高阶调速模型等效为双一阶惯性并联低阶模型，降低多机组调频动态方程组构建难度，同步适配跟网型新能源锁相环二阶动态拆解格式，实现两类电源动态统一标准化表达。

54、第二、依托bernstein多项式把时域微分动态约束转化为代数约束，构建可线性求解的评估模型，无需复杂非线性迭代计算，缩短多调度时段频率支撑需求求解耗时。

55、第三、同步兼顾惯量支撑、下垂调频两类频率稳定约束，可一次性输出各时段等效虚拟惯量与等效下垂支撑需求，为储能、新能源调频资源规划提供完整量化参考。

56、第四、依托调度机组组合时序数据区分机组投运工况，离线机组直接置零调频输出，简化多时段场景下同步机组动态建模流程，适配实际电网时序调度业务。