基于新能源接入配电网惯性时间常数测评的储能配置方法与流程

1.本发明涉及一种基于新能源接入配电网惯性时间常数测评的储能配置方法，尤其涉及含新能源发电的配电网分布节点的惯性时间常数测评与基于分布式储能的配置方法，用于提升系统的稳定性，属于配电网安全稳定性技术领域。


背景技术：

2.频率是电力系统运行能力和安全状况的重要指标。以配电网为例，当其某节点出现有功缺额时，系统会出现频率偏移，如果超出正常运行范围将会导致频率失稳，严重时发生配电网崩溃事件。此外，随着分布式新能源发电及电力电子接口设备大量地接入，配电网的物理模型及动力学特性发生了变化，改变了系统原本的暂态激励和稳定支撑条件，系统电压稳定问题突出，如宽频振荡等新的稳定性现象也相继出现。因此，需要有效的控制措施和手段保证配电网的持续安全运行。对于传统配电网来说，同步发电机包括了水轮发电机、汽轮发电机等，负责提供可靠的电能，保持电网功率的动态平衡。电网频率变化率的主要表征为这些不同类型发电机自身的转动惯量特性。惯性是物体的固有属性，表现为对运动状态改变的抵抗作用，电力系统惯性表现为对抵抗外来扰动引发不平衡功率所导致的频率变化能力，是系统频率稳定的重要保障。另外，传统电力系统的惯性来源还有负荷侧，例如异步电动机和同步电动机。
3.然而分布式发电的电力电子接口装备在结构与动态层面上与传统同步发电机有很大的不同：一方面电力电子装置会使风电，光伏等新能源组发电侧和电网侧电气解耦，进一步让惯量水平分布不均特征更为明显，导致电网等效惯量降低，频率变化速度升高；另一方面，新能源的功率输出具有明显的随机性和波动性，能够提供的惯量在时间层面上也会有波动特征，不能及时响应频率变化，恶化电网频率动态响应。所以，对系统惯性进行评估，辨识出惯性薄弱节点，并采取有效地采取措施补偿惯量具有重大意义。通过更改电力电子接口装置提供的惯量有限，而储能在多能互联系统中，除了移峰填谷、平滑负荷、解决弃电，还能实现计划出力跟踪、备用及调频等功能。所以如果储能系统能够参与系统调频中，可以给系统带来额外的惯量，提升系统的频率稳定性。
4.目前，在惯量辨识的研究上，大多还是离线评估。有学者提出了根据多项式拟合频率进行评估惯量，有效降低频率变化率中的振荡分量，但是精度受到多项式阶数和选取计算的时间的影响较大。另外还有短路试验法、静态频域响应法等，但是存在耗费时间长，精度不高等缺点。有学者提出了在线评估惯量的方法，利用的是发电机出口断路器状态，但并不适合于新能源发电机组。并且，以上惯量的评估方法都未对系统不同节点的惯量进行分布式地评估。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种基于新能源接入配电网惯性时间常数测评的储能配置方法，解决目前以风电、光伏发电、直流输电为代表的电力电子装备大规模接入电力系统，使
惯量水平分布不均特征更为明显，导致电网等效惯量降低，频率变化速度升高等问题；采用高精度的同步相量测量单元(phasormeasurement unit，pmu)同步动态获取配电网各节点的频率变化，并进行各节点惯性水平评估，最后进行储能补偿；从节点惯量动态稳定性角度，对系统进行稳定性评估，并在缺额较大的节点配置相应容量的储能，既解决以往系统惯性水平评估无法精确到节点的问题，又从系统动态稳定性需求的角度提出合理的储能配置方案，兼顾系统的稳定性和经济性，适应了新能源发电的随机和波动特性，无需预测各节点的新能源发电出力或负荷信息，仅根据动态测量结果进行储能的配置；降低了系统稳定性评估难度，提高了评估精度，为系统的实时调度提供惯性水平的定量分析，解决已有技术存在的上述技术问题。
6.本发明的技术方案是：
7.一种基于新能源接入配电网惯性时间常数测评的储能配置方法，首先在故障中实时采集发电机的有功功率变化以及电力系统各节点频率，通过惯性机理建立节点频率与惯性之间空间分布的联系，实时计算电力系统各个节点的等效惯性时间常数，完成量化各个节点在任意时刻的惯量值建模，精确计算惯性分布；然后根据各节点的等效惯性时间常数，找出惯性薄弱节点，并进行储能惯量补偿措施，补偿低惯性节点的储能系统容量；建立储能系统的惯性-容量关系模型，量化储能系统容量配置。
8.所述节点等效惯性时间常数为当节点发生外部扰动时，由发电机等输出并最终流入节点，用于提供节点惯量值的裕度；通过同步相量测量单元实时采集的发电机的有功功率变化以及电力系统各节点频率，建立节点频率与惯性之间空间分布的联系得出，并完成对电力系统惯量仿真的理论建模。
9.所述找出惯性薄弱节点，选取与惯性中心频率最为接近的节点的等效惯性时间常数作为参考值，量化低惯性节点的储能系统所需补偿的惯量值，确定储能运行时接入的合适容量大小，能够缓解弹性负荷接入给电网带来的峰谷差增大的问题，并能降低系统有功网损，改善电能质量。
10.具体步骤如下：
11.步骤一：建立系统模型和惯量源发电机转子动能与惯量值的关系，并推导出系统惯性中心惯量值，作为惯性薄弱节点的参考；新能源发电节点按此同步电机方法评估的前提是其控制策略为虚拟同步电机控制；
12.步骤二：采集外部扰动时发电机有功功率以及系统各节点频率的变化，根据动能定理求出单台发电机弥补系统缺额的有功功率大小；
13.步骤三：以惯性衡量系统各节点阻碍频率变化的能力，得到的系统一般节点惯量值，求出其等效惯性时间常数；
14.步骤四：根据上述各节点的惯性时间常数，找出惯性薄弱节点，并进行储能惯量补偿，提升系统稳定性；建立储能系统的惯性-容量关系模型，量化储能系统容量配置。
15.本发明以传统同步发电机为惯性参考点，即惯性中心，在根据节点受扰动后频率变化速度评估出系统的分布式节点惯性时间常数缺额后，通过储能的等效动态惯量对相应节点进行补偿，增强了系统的稳定性。
16.本发明积极效果是：本发明基于同步相量测量单元pmu，在故障中实时采集发电机的有功功率变化以及电力系统各节点频率，通过惯性机理建立节点频率与惯性之间空间分
布的联系；节点本身不具备惯性，节点等效惯性是系统惯性在节点处的体现，本发明以可直接测量和仿真的节点频率与系统有功功率缺额推算出无法测量的节点惯量值，并能实时计算各个节点的惯性时间常数，完成了对电力系统惯量仿真的理论建模；本发明完成了量化各个节点在任意时刻的惯量值建模，能精确计算惯性分布，有助于电网规划和调度人员在低惯性节点合理控制新能源接入规模，促进新能源并网消纳，有利于电力系统规划与运行调度人员发现系统内的惯性薄弱点，采取局部惯量补偿措施，提升电力系统频率稳定性。
附图说明
17.图1是本发明实施例计算电力系统节点惯性时间常数以及储能容量配置的方法示意图；
18.图2是本发明实施例仿真ieee 39节点美国新英格兰电力系统图；
19.图3是本发明实施例负荷波动下节点等效惯性时间常数柱状图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
21.一种基于新能源接入配电网惯性时间常数测评的储能配置方法，首先在故障中实时采集发电机的有功功率变化以及电力系统各节点频率，通过惯性机理建立节点频率与惯性之间空间分布的联系，实时计算电力系统各个节点的等效惯性时间常数，完成量化各个节点在任意时刻的惯量值建模，精确计算惯性分布；然后根据各节点的等效惯性时间常数，找出惯性薄弱节点，并进行储能惯量补偿措施，补偿低惯性节点的储能系统容量；建立储能系统的惯性-容量关系模型，量化储能系统容量配置。
22.所述节点等效惯性时间常数为当节点发生外部扰动时，由惯量源(发电机等)输出并最终流入节点，用于提供节点惯量值的裕度；通过同步相量测量单元实时采集的发电机的有功功率变化以及电力系统各节点频率，建立节点频率与惯性之间空间分布的联系得出，并完成对电力系统惯量仿真的理论建模。
23.所述找出惯性薄弱节点，选取与惯性中心频率最为接近的节点的等效惯性时间常数作为参考值，量化低惯性节点的储能系统所需补偿的惯量值，确定储能运行时接入的合适容量大小，能够缓解弹性负荷接入给电网带来的峰谷差增大的问题，并能降低系统有功网损，改善电能质量。
24.在实施例中，具体步骤如下：
25.1)同步相角测量单元采集数据；2)对数据进行预处理；3)计算系统惯性中心惯量值与频率；4)计算系统各节点惯量值；5)计算系统一般节点等效惯性时间常数；6)寻找低惯性节点进行储能补偿，计算储能能量。
26.如图1所示，本发明主要采用同步相角测量单元pmu对发电机的有功功率变化以及系统频率的实时采集，利用采集的系统频率的变化以及发电机有功功率的变化对系统各个节点的惯性时间常数进行计算。包括以下步骤：
27.步骤一：对于单个发电机，惯量值表示为发电机在额定角速度下的转子动能，所述惯量值为：
[0028][0029]
其中，ei是发电机i的惯量值，单位为mw
·
s；h
gi
为单机惯性时间常数，单位为s；si为发电机的视在功率，单位为mva；ji为发电机总转动惯量，单位为kg
·
m2；ωn为转子额定角速度，单位为rad/s。
[0030]
相应地，发电机单机的惯性时间常数可定义为：
[0031][0032]
根据发电机在短时间内机械功率与电磁功率之间的不平衡和惯性时间常数、容量、频率及其变化率的关系，得到转子机械方程为：
[0033][0034]
其中，f
is
、分别为发电机i在扰动后所在母线的频率及变化率，单位分别为hz、hz/s； fn是系统额定频率，单位为hz；δpi为发电机i的有功功率不平衡量。
[0035]
将上述关系方程推广到整个系统中，则整个系统的等效惯量表达式为：
[0036][0037]
其中es为系统等效的惯量值；δp为系统的有功功率不平衡量；fs为负荷扰动时刻的系统频率。可以看出，整个系统的等效惯性时间常数hs为发电机惯性时间常数h
gi
的和。新能源发电电力电子接口若在统一的虚拟电机控制策略下，其惯性时间常数的计算类似于上述同步电机惯性时间常数，但受限于其虚拟同步电抗。
[0038]
进一步地，在已知扰动后某一时刻各节点频率和各发电机惯性时间常数h
gi
，可以得到该时刻的惯性中心频率f
coi
，即系统等效惯量值下的频率：
[0039][0040]
转子机械方程可改写为转动惯量j表示的如下关系式：
[0041][0042]
当储能系统接入电网中，吸收或输出功率皆会对电网频率产生影响。定义储能系统输出功率为pa，则当电力系统某节点接入储能时，上式可变为：
[0043][0044]
由此可知，当储能系统输出功率时，系统频率变化率会发生改变，可引申为电网惯量值以及节点惯性时间常数动态改变。在电网中安装分布式储能设备，能够在一定程度上提高系统对分布式电源的消纳能力，缓解弹性负荷接入给电网带来的峰谷差增大的问题，
并能降低系统有功网损，改善电能质量。但现阶段，储能设备的单位容量价格较为昂贵，若直接在系统中配置较大容量的储能设备，将显著增大储能投资及运行维护成本；若储能容量过小，又会造成运行稳定性差的问题。
[0045]
步骤二：根据动能定理，单台发电机从采样时刻t1到采样时刻t2需要弥补的有功功率不平衡量为：
[0046][0047]
其中，δpi为发电机i的有功功率不平衡量，p
im
、p
ie
分别为机械功率和电机功率，单位为mw；ω
t1
，ω
t2
分别为采样时间t1和t2发电机i的角频率值。
[0048]
一般情况下，系统受外在扰动后，一次调频开始前发电机的机械功率认为是保持不变的，则：
[0049]
△
pi＝
△
peꢀꢀ
(9)
[0050]
其中，
△
pe为惯量源发电机的电磁功率变化量。则
△
pi＝p
e0-p
et
，其中p
e0
为扰动前惯量源发电机的电磁功率，p
e0
为扰动后t时刻的发电机电磁功率。
[0051]
根据步骤一中得到的惯量值，可以得到单台发电机的惯量表达式为：
[0052][0053]
将上式推广到系统一般节点，即不含同步发电机和新能源发电的节点k的惯量值为：
[0054][0055]
其中，f
kt2
，f
kt1
分别为采样时刻t1和t2各节点k的频率值，fn为额定节点频率，δp为系统有功功率缺额。
[0056][0057]
其中n为发电机数量。
[0058]
所述的系统节点惯量值为：当节点发生外部扰动时，由发电机等惯量源输出并最终流入节点，用于提供节点惯量值的裕度；具体地，当节点k发生扰动时，出现了有功功率缺额δp，此时系统内的各个发电机会向节点k输送能量ek，用来阻止扰动节点频率的下降。
[0059]
步骤三：根据所述系统一般节点惯量值，计算节点惯性时间常数。定义节点k的惯性时间常数为节点k处发生功率扰动后，某一时刻节点等效惯量值与节点等效角速度平方的比值，即：
[0060][0061]
这里，为归一化的额定频率，即为1。这是由于对于一般节点来说，没有容量支撑，功率变化产生的频率变化可体现其惯性强度。
[0062]
步骤四：通过比较系统各个节点惯性时间常数找出低惯性节点，让储能提供虚拟
惯量，降低薄弱点扰动后的初始频率变化率。通过建立储能系统的模型，对储能系统的容量和控制参数进行量化配置。
[0063]
建立储能系统的惯量模型。对于以电容为介质的储能物体，如超级电容、电池等，可用额定电容值衡量其系统的惯性大小，并求出储能的等效转动惯量。储能电池可等效成如下表达形式：
[0064][0065]
其中，c
eq
、j
eq
为储能系统等效容值，单位为；sn为电池容量，单位为mah；u
cn
为电池额定电压，单位为v；ω
eqn
为同步机控制下的等效额定旋转角速度，ω
eqn
≈ωn。
[0066]
那么储能系统的等效惯性时间常数h
ess
可定义为：
[0067][0068]
其中sn为电池容量。
[0069]
当储能系统接入节点时，可为节点或者电网带来额外的等效转动惯量。此时，带有储能系统补偿的节点等效转动惯量为：
[0070][0071]
其中，jk、j
ess
分别为节点k和储能系统的等效转动惯量，ji为第i个储能的等效转动惯量，n为储能的数量。
[0072]
可选取与惯性中心频率f
coi
最为接近的节点的等效惯性时间常数作为参考值，量化低惯性节点的储能系统所需补偿的惯量值，确定储能运行时接入的合适容量大小。上式可推广到带有储能系统补偿的等效惯性时间常数为：
[0073]hcoi
＝hk h
ess
ꢀꢀ
(17)
[0074]
由此可得，补偿下的储能系统所需容量为：
[0075][0076]
为了验证本发明所提供的基于pmu进行配电网惯性评估及配置储能方法的有效性，首先建立配电网模型，仿真了ieee 39节点的标准系统，即美国新英格兰地区的高压输电系统的简化模型，如图2所示，包括10台同步机，19处负荷，39条母线，34条输电线路和12 台变压器。该系统的额定频率为50hz，主要电压等级为345v。在psse仿真平台上搭建该系统。由于psse仿真平台欠缺新能源模块，故此验证未含新能源接入节点，但在其它仿真平台上搭建的动态模型已经验证了此补偿方法以惯性中心频率变化率为参照，减缓了薄弱节点的频率变化率。在节点20上施加较大的冲击负荷，采样周期为0.01s，以t＝0.06s为例，采集到的扰动后的各节点频率数据以及各发电机电磁功率值，分别如表1、表2所示，其中p
ie
为第i台发电机的电磁功率。
[0077]
表1
[0078][0079][0080]
表2
[0081]
pe0s0.01s0.02s0.03s0.04s0.05s0.06s12.5000012.8170822.8600912.8977692.8999872.9049702.90345325.2210875.3465405.3507025.3509015.3499445.3498045.34938436.5000026.6723936.6805606.6807526.6770776.6769116.67491446.3200007.8478157.7328447.6319057.5941547.5567867.53225955.0800017.1435296.9500436.7274636.6641036.5892746.54170766.5000006.8666726.8772946.8709806.8615006.8592916.85324675.6000015.8713215.8916775.9001955.8994005.9002015.89993085.3999985.5214555.5281415.5308195.5306445.5324485.53315698.3000018.4326868.4390478.4374448.4321528.4304088.427441109.99999710.26317610.31768110.37903410.40154010.42520810.442286
[0082]
以t＝0.06s为例，配电网有功功率缺额为：
[0083][0084]
根据式(11)配电网各节点惯量值如下表所示：
[0085]
表3
[0086]
buse/mw
·
sbuse/mw
·
s14163697.602211288784.04922462638.272221520758.54631812217.22231548098.36941831231.025241179635.44652096617.057252544638.666
62136957.32261963560.272161266.38271604604.38582195648.924282422447.52793895679.235292697124.373102072740.084303246187.332112088271.1312862872.408122018374.68322779960.162131958741.86633678807.9286141718288.60734442678.5905151253416.595351789541.577161148391.789362318601.107171353357.266373493508.331181487930.427383602987.9319682599.0775397970597.27220516993.279
ꢀꢀ
[0087]
由此根据式(13)可算出各节点的等效惯性时间常数如图2各节点等效惯性时间常数柱状图所示。
[0088]
可以看出，在bus34、bus33、bus20和bus19处的惯性时间常数相对其他节点而言较低，均处于发生负荷扰动的位置附近。由此可以通过pmu实时采集的发电机电磁功率与节点频率，借此间接判断扰动点出现区域。
[0089]
此刻，惯性中心频率为：
[0090][0091]
比较可知，节点27的频率值与惯性中心频率最为接近，即选取节点27的惯性时间常数作为参考值，根据式(18)计算低惯性节点34的储能系统容量：
[0092][0093]
超级电容储能系统的额定电压为199.8v，总电容为56.8f，则可得sn＝48095w。