[发明专利]一种考虑频率约束的风电占比极限值解析计算方法

权利要求书

1.一种考虑频率约束的风电占比极限值解析计算方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、系统常规机组建模：不考虑电力系统频率的时空分布特性时，将系统中电源和负荷集中等值处理，构建火电机组模型、水电机组模型、负荷阻尼调节模型、同步发电机转子动能模型，得到反映各物理过程的详细频率响应模型；

步骤2、简化等值：根据步骤1中构建的详细频率响应模型，将系统中所有机组等值为一台再热式火电机组，并忽略调速器动态响应过程及主进汽容积和汽室时间常数，得到电力系统频率响应SFR单机等值降阶模型，并表示出模型中等值机的惯性时间常数、调差系数、阻尼系数；

步骤3、计算风电接入后系统频率响应特性：根据风机接入的容量及系统原有容量计算风电占比值，基于风电占比值进一步计算风机并网后系统的等值机惯性时间常数、阻尼系数和调速器的调差系数；将各参数代入单机等值降阶模型中，得到风机并网后的电力系统频率响应模型，进而表示出系统频率偏差标幺后的频域表达式；

步骤4、根据系统频率稳态偏差约束计算风电占比极限值：通过终值定理，计算系统频率稳态偏差的表达式；系统稳态频率偏差的边界应为ξ，根据此表达式求解出频率稳态偏差约束下风电占比极限值α₁；

步骤5、根据系统频率变化率约束计算风电占比极限值：设在功率缺额产生的频率扰动初期，频率变化率达到最大值，计算出此时的频率变化率；考虑约束边界的角频率变化率η，反解出受频率变化率约束的风电占比极限值α₂；

步骤6、计算实际的风电功率占比极限值：同时考虑系统频率稳态偏差约束及系统频率变化率约束，取步骤4及步骤5中的较小值，得到实际的风电功率占比极限值；

步骤1的实现包括以下步骤：

步骤1.1、对火电机组进行建模，汽轮机模型表示为：

式中，G_TT(s)为火电机组汽轮机传递函数，ΔP_T(s)为机械功率增量，Δδ为汽门开度增量，F_HP、T_RH、T_CH分别为高压涡轮级HP级产生功率对汽轮机总功率占比、汽轮机再热器时间常数、主进汽容积和汽室时间常数；

调速器模型可以表示为：

式中，G_nT(s)为火电机组调速器传递函数，Δδ为汽门开度增量，Δω_s为系统频率增量，T_GT、R_T分别为汽轮机调速器的静态调差系数和调速器时间常数；

步骤1.2、对水电机组进行建模，水轮机模型可表示为：

式中，G_TH(s)为水电机组水轮机传递函数，ΔP_TH(s)为机械功率增量，ΔY为导水叶开度增量，T_w为额定负荷时水的启动时间；

调速器模型可表示为：

式中，G_nH(s)为水电机组调速器传递函数，ΔY为导水叶开度增量，Δω_s为系统频率增量，R_H，T_GH，T_hy，R，R_HT分别为水轮机调速器静态调差系数，调速器时间常数，复位时间，永久下降率，暂时下降率；

步骤1.3、负荷阻尼调节模型可表示为：

ΔP_L＝a₁Δf+2a₂f₀Δf...na_nf₀^n-1Δf

＝(a₁+2a₂f₀...na_nf₀^n-1)Δf

＝DΔf

式中，P_L为负荷功率标幺值，f为系统频率标幺值，a₀,a₁,a₂,a_n为与频率变化无关负荷，与频率变化线性相关负荷，与频率变化2次方相关负荷，与频率变化n次方相关负荷占总负荷的比例系数；D为负荷阻尼系数；

步骤1.4、同步发电机组转子动能模型可表示为：

其中，W_ki为第i台同步发电机的旋转动能，ω_i为同步发电机电角速度，ω_n为系统额定角频率，H_i为第i台同步发电机的惯性时间常数，S_Ni为第i台同步发电机的总容量；

步骤1.5、将电力系统动态功率平衡方程变换到频域，并结合步骤1.1-1.4所建立的模型，得到系统详细频率响应模型，及频率偏差的表达式：

式中，G_TTi(s)为第i台火电机组汽轮机传递函数，S_Ni为第i台同步发电机的总容量，P_LN为负荷功率标幺值，H_i为第i台同步发电机的惯性时间常数，D为负荷阻尼系数，P_TNi为第i台机组的机械功率，G_THi(s)为第i台水电机组水轮机传递函数，G_nTi(s)为第i台火电机组调速器传递函数，G_nHi(s)为水电机组调速器传递函数；

步骤2所述电力系统频率响应SFR单机等值降阶模型为：

式中，Δω(s)为系统频率增量的频域表达，K_m为机械功率增益因子，表示机械功率转换效率；K_m＝PF(1-f_sr)，其中PF为功率因数，f_sr为备用系数；n和m分别为同步机台数和风机的台数；H为等值后发电机转子惯性时间常数，D为阻尼系数，R为调速器的调差系数，T_R为汽轮机再热器时间常数，F_H为高压锅炉输出功率所占比例，转子所承担加速功率，ΔP_d(s)为扰动功率，S_i、H_i和R_i分别为第i台同步机的额定容量、惯性时间常数和调速器调差系数，系统基准容量S_B为系统各台发电机额定容量之和，即

步骤3的实现包括以下步骤：

步骤3.1、根据风机接入的容量及系统原有容量计算风电占比值；

式中，α为电力系统中风电占比，S_j为第j台风机的额定容量，n和m分别同步机和风机的台数；

步骤3.2，基于此进一步计算风机并网后系统的等值机惯性时间常数、阻尼系数和调速器的调差系数：

式中，α为电力系统中风电容量占比，S_j为第j台风机的额定容量，n和m分别同步机和风机的台数，H’为风机并网后等值机惯性时间常数、D’为风机并网后阻尼系数、R’为风机并网后调速器的调差系数，H_i为各台同步发电机转子惯性时间常数，D为阻尼系数，R_i为各台同步发电机调速器的调差系数；

步骤3.3、将各参数代入单机等值降阶模型中，得到风机并网后的电力系统频率响应模型，进而表示出系统频率偏差标幺后的频域表达式：

式中，Δω(s)为系统频率增量的频域表达，α为电力系统中风电容量占比，K_m为机械功率增益因子，K_m＝PF(1-f_sr)，其中PF为功率因数，f_sr为备用系数；H为未加入风电前系统等值后发电机转子惯性时间常数，D为负荷阻尼系数，R为调速器的调差系数，T_R为汽轮机再热器时间常数，F_H为高压锅炉输出功率所占比例，ΔP_d(s)为扰动功率；

步骤4的实现包括以下步骤：

步骤4.1、通过终值定理，计算系统频率稳态偏差的表达式：

其中，ΔP_L为扰动功率实际大小，f_N为系统频率额定值，α为电力系统中风电容量占比，D为负荷阻尼系数，K_m为机械功率增益因子，K_m＝PF(1-f_sr)，其中PF为功率因数，f_sr为备用系数，R为系统中全部同步发电机调速器的等效调差系数，S_B为系统基准容量，等于系统各台发电机额定容量之和，即

步骤4.2、根据国家标准相关规定，系统稳态频率偏差的边界应为ξ，即SFD≤|ξ|；根据此不等式求解出频率稳态偏差约束下风电占比极限值α₁；

其中，ΔP_L为扰动功率实际大小，f_N为系统频率额定值，D为负荷阻尼系数，K_m为机械功率增益因子，K_m＝PF(1-f_sr)，其中PF为功率因数，f_sr为备用系数，R为系统中全部同步发电机调速器的等效调差系数，S_B为系统基准容量，等于系统各台发电机额定容量之和，即ξ为系统稳态频率偏差的边界；

步骤5的实现包括以下步骤：

步骤5.1、设在功率缺额产生的频率扰动初期，频率变化率达到最大值；计算出此时的频率变化率:

步骤5.2、考虑约束边界的角频率变化率，边界应为η，反解出受频率变化率约束的风电占比极限值α₂：

其中，η为系统角频率变化率的边界值，H为未加入风电前系统等值后发电机转子惯性时间常数，ΔP_L(s)为扰动功率实际大小，S_B为系统基准容量，等于系统各台发电机额定容量之和，即f_N为系统频率额定值；

步骤6所述实际的风电功率占比极限值：

α＝min(α₁,α₂)。