最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模仿真方法与流程

1.本发明属于新能源高渗透型电网技术领域，具体涉及最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模仿真方法。


背景技术：

2.传统能源的衰竭和全球气候的恶化使得新能源装机容量得到快速增长。由于高比例新能源的渗透，传统电网的运行形态以及稳定机理发生显著变化。以风光为代表的新能源发电机通过变流器并入电网，不具备同步发电机的惯性特性，从而降低了整个系统的惯量。目前现有研究大多基于频率传递函数模型对新能源高渗透性系统的频率变化趋势进行分析，给出了评估新能源渗透率上限的方法。上述研究只是通过分析惯量的定义和特性，提出相应评估方法，然而并没有在具体仿真大系统中进行实际新能源接入电网规模在最低转动惯量条件下极限渗透比例的仿真与计算，无法对实际电力系统新能源渗透率上限值的界定起到实际支撑作用，缺乏参考价值。且对于新能源在以频率稳定为必要条件的无惯量新能源最大渗透比例的计算以及研究几乎为空白，亟待进行仿真计算出系统极限新能源渗透比例值。
3.现有技术通过分析惯量的定义和特性，对电力系统惯量的传统评估方法进行改进，提高了惯量评估的精度，但没有详细分析在不影响系统频率稳定情况下的新能源极限接入比例，对实际新能源接入电网过程中保证系统安全稳定运行的参考意义不大。
4.因此，现阶段需设计最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模仿真方法，来解决以上问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模仿真方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，现有技术通过分析惯量的定义和特性，对电力系统惯量的传统评估方法进行改进，提高了惯量评估的精度，但没有详细分析在不影响系统频率稳定情况下的新能源极限接入比例，对实际新能源接入电网过程中保证系统安全稳定运行的参考意义不大。鉴于此，本发明基于cloudpss软件对ieee 39节点新英格兰系统进行相应改进，使用无惯量光伏机组逐步按比例替换有惯量的同步发电机组，以系统惯量能够维持频率稳定为必要条件，最终确定电力系统无惯量新能源的最大渗透规模，为后续实际电力系统中最低转动惯量约束下电网新能源极限渗透比例的测算提供实际支撑仿真计算方法。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模仿真方法，包括以下步骤：
8.s1、基于cloudpss软件对ieee 39节点新英格兰系统进行相应改进，使用无惯量光伏机组逐步按比例替换有惯量的同步发电机组，以系统惯量能够维持频率稳定为必要条件，最终确定电力系统无惯量新能源的最大渗透规模，为后续实际电力系统中最低转动惯
量约束下电网新能源极限渗透比例的测算提供实际支撑仿真计算方法；
9.s2、对实际支撑仿真计算方法进行验证。
10.进一步的，步骤s1具体如下：
11.s101、系统出现功率缺额时，惯量的变化可以由频率变化率表示，因此通过观察系统频率的稳定状态判断系统惯量的变化，系统频率处于临界稳定时，系统的惯量值即为最低惯量需求值；
[0012][0013]
式中，δph为系统有功功率缺额；h为系统惯性常数；为系统频率变化率；sb为系统总装机容量；fn为系统额定频率；
[0014]
在cloudpss软件中建立ieee 39节点新英格兰系统，在此基础上，首先将母线bus30、bus31、bus32、bus36、bus37上的g10、g02、g03、g07、g08同步发电机用同容量光伏机组替代；光伏机组替代同步发电机输出有功功率占比如下：
[0015][0016]
式中，λ为光伏机组替代同步发电机输出有功功率占比；n为光伏机组替代同步发电机组总数；pi为第i台光伏机组替代同步发电机有功功率值；p
total
为系统中总输出有功功率；
[0017]
s102、将母线bus35上g06发电机组设置在，某时间点处进行切机动作，总仿真时长为t，观察系统剩余传统同步发电机组频率变化情况；
[0018]
s103、若在上述步骤s102发生切机事故产生有功功率缺额的扰动情况下未出现频率失稳现象，继续增加光伏机组替换同步发电机组的比例；
[0019]
s104、步骤s101基础上继续使用无惯量光伏机组替换传统发电机组；使用光伏机组替换母线bus38上g09发电机；同样，在某时间点处切去g06发电机组，观察剩余同步发电机g04、g05、g01的角频率变化是否有失稳情况；如若系统未失稳，继续按照上述步骤替换同步发电机；
[0020]
s105、继续使用无惯量光伏机组替换剩余传统同步发电机组；将母线bus33上g04同步发电机替换成相同有功出力的光伏机组，在g06发电机发生切机扰动后，g05、g01传统发电机组角频率已经失稳；
[0021]
s106、根据空间上目标系统惯量值的区域进行光伏机组替换传统同步发电机相应容量；进行不断试验，获得最终最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模；
[0022]
s107、更换不同区域更大容量发电机组发生切机事故进行对比研究；在步骤s101机组替代的基础上，增加将bus35上的g06同步发电机替换成光伏机组，并选择发电机g09做切机故障模拟，分析在该故障情况下系统最低惯性常数需求；
[0023]
s108、首先将步骤s105中g06切机事故改为有功出力较小的g04发生切机扰动，然后在bus31处增加光伏机组容量，减少相应传统机组容量，观察其剩余同步发电机频率变化情况；
[0024]
s109、根据上述步骤对比不同情况下系统最低惯量约束下新能源极限接入规模，可得保证系统频率稳定性的光伏极限计入比例。
[0025]
进一步的，验证实际支撑仿真计算方法计算最低转动惯量约束下新能源并入电网的极限规模的准确性，用下式惯性常数演化估算公式进行理论与实际验证：
[0026][0027][0028]
根据式3)计算出该系统初始惯性常数h
sys0
；
[0029]
根据系统惯性常数在低于一时间点不足的定义，使用式4)计算出新能源渗透率k。
[0030]
进一步的，步骤s101中，母线bus30、bus31、bus32、bus36、bus37上的g10、g02、g03、g07、g08同步发电机用同容量光伏机组替代，输出功率分别为250mw、660mw、650mw、560mw、540mw，总替代功率为2660mw。
[0031]
进一步的，步骤s102中，某时间点处具体为25s处。
[0032]
进一步的,步骤s102中，总仿真时长t为60s。
[0033]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
[0034]
本方案其中一个有益效果在于，使用改进ieee 39节点新英格兰系统对最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模的研究。相对于其他现有技术，本发明使用实际仿真模型对电力系统在大扰动情况下新能源极限接入比例进行仿真计算，所得结果较以往的理论估算法更为准确可信。对未来新能源建设规模有一定的指导作用。
附图说明
[0035]
图1为本发明使用的改进ieee 39节点新英格兰系统示意图；
[0036]
图2为本方案实施方式的基于改进ieee 39节点新英格兰系统新能源极限接入规模计算及验证方法示意图；
[0037]
图3为本方案实施方式的使用仿真系统计算出来的真是新能源极限并入规模与理论预估值对比方法示意图；
具体实施方式
[0038]
下面结合本发明的附图1-附图3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
现有技术通过分析惯量的定义和特性，对电力系统惯量的传统评估方法进行改进，提高了惯量评估的精度，但没有详细分析在不影响系统频率稳定情况下的新能源极限接入比例，对实际新能源接入电网过程中保证系统安全稳定运行的参考意义不大。鉴于此，本发明基于cloudpss软件对ieee 39节点新英格兰系统进行相应改进，使用无惯量光伏机组逐步按比例替换有惯量的同步发电机组，以系统惯量能够维持频率稳定为必要条件，最
终确定电力系统无惯量新能源的最大渗透规模，为后续实际电力系统中最低转动惯量约束下电网新能源极限渗透比例的测算提供实际支撑仿真计算方法。
[0040]
提出一种适用于分析电网最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模仿真方法，包括以下步骤：
[0041]
s1：构造适用于电力系统最低转动惯量约束下新能源极限接入规模仿真计算方法。
[0042]
s2：构造适用于电力系统最低转动惯量约束下新能源极限接入规模实际与理论验证方法。
[0043]
s1步骤的具体过程为：
[0044]
根据式(1-1)可知，系统出现功率缺额时，惯量的变化可以由频率变化率表示，因此通过观察系统频率的稳定状态判断系统惯量的变化，系统频率处于临界稳定时，系统的惯量值即为最低惯量需求值。
[0045][0046]
式中，δph为系统有功功率缺额；h为系统惯性常数；为系统频率变化率；sb为系统总装机容量；fn为系统额定频率。
[0047]
仿真计算步骤：
[0048]
(1)在cloudpss软件中建立如图1所示ieee 39节点新英格兰系统，在此基础上，首先将母线bus30、bus31、bus32、bus36、bus37上的g10、g02、g03、g07、g08同步发电机用同容量光伏机组替代，输出功率分别为250mw、660mw、650mw、560mw、540mw，总替代功率为2660mw，使用式(1-2)计算可得，总替代功率占总发电机有功输出的42.36％。
[0049][0050]
式中，λ为光伏机组替代同步发电机输出有功功率占比；n为光伏机组替代同步发电机组总数；pi为第i台光伏机组替代同步发电机有功功率值；p
total
为系统中总输出有功功率。
[0051]
(2)将母线bus35上g06发电机组设置在25s处进行切机动作，总仿真时长为60s，观察系统剩余传统同步发电机组频率变化情况。观察剩余母线bus33、bus34、bus38、bus39上传统发电机g04、g05、g09、g01角频率变化是否有失稳情况。
[0052]
(3)若在上述步骤(2)发生切机事故产生有功功率缺额的大扰动情况下未出现频率失稳现象，继续增加光伏机组替换同步发电机组的比例。
[0053]
(4)在步骤(1)基础上继续使用无惯量光伏机组替换传统发电机组。使用光伏机组替换母线bus38上g09发电机，此时总替代容量达到3490mw，占有功总出力55.57％。同样，在25s处切去g06发电机组，观察剩余同步发电机g04、g05、g01的角频率变化是否有失稳情况。如若系统未失稳，继续按照上述步骤替换同步发电机。
[0054]
(5)为了进一步研究系统频率失稳时光伏机组的具体渗透率，继续使用无惯量光伏机组替换剩余传统同步发电机组。将母线bus33上g04同步发电机替换成相同有功出力的
光伏机组，在g06发电机发生切机扰动后，g05、g01传统发电机组角频率已经失稳。此时，新能源替代传统发电机组比例达到65.64％，系统惯量已无法支撑系统在大扰动下系统频率稳定。
[0055]
(6)因在步骤(5)中单次替换机组容量较大，无法确定精确的失稳比例。因系统惯量存在的空间分布特性，此时应该根据空间上系统惯量值较大的区域进行光伏机组替换传统同步发电机相应容量。进行不断试验，获得最终最低转动惯量约束下电网新能源极限接入规模。
[0056]
(7)因电力系统复杂多变，只研究发电机g06容量为650mw的切机故障下系统惯量特性不具有代表性。因此，更换不同区域更大容量发电机组发生切机事故进行对比研究。在步骤(1)机组替代的基础上，增加将bus35上的g06同步发电机替换成光伏机组，并选择发电机g09做切机故障模拟，分析在该故障情况下系统最低惯性常数需求。此时，按照式(1-2)计算可得总替换有功出力为3310mw，占总发电出力的52.71％，观察剩余同步发电机组在更大有功功率缺额扰动下角频率波动情况，此时会发现该大扰动下角频率波动更为剧烈。
[0057]
(8)为了对比在相同光伏渗透率、不同容量同步发电机切机事故下的系统频率稳定性裕度，首先将步骤(5)中g06切机事故改为有功出力较小的g04发生切机扰动，然后在bus31处增加光伏机组容量300mw，减少相应传统机组容量，观察其剩余同步发电机频率变化情况。
[0058]
(9)根据上述步骤对比不同情况下系统最低惯量约束下新能源极限接入规模，可得光伏极限计入比例要小于等于60.35％才能保证系统的频率稳定性。
[0059]
s2步骤的具体过程为：
[0060]
为了验证该方法计算最低转动惯量约束下新能源并入电网的极限规模的准确性，使用式(1-4)惯性常数演化估算公式进行理论与实际验证。
[0061][0062][0063]
(1)首先，根据式(1-3)计算出该系统初始惯性常数h
sys0
，在本系统中为4.12s。
[0064]
(2)然后，根据系统惯性常数在低于2s时严重不足的定义，使用式(1-4)计算出新能源渗透率k的值为51.46％。
[0065]
(3)本案例实际系统仿真中所得结论为在新能源接入比例为55.57％时的系统频率最为稳定，与上述式(1-4)理论预估接入比例有些许差距，但因实际仿真分析较为客观准确，证明上述方法的可行性要大于基于理论预估算例。
[0066]
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。