一种考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及电力系统调度，特别是涉及一种考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、可再生能源机组和储能等灵活性电力资源通过电力电子设备接入电网，无法像同步机一样自发地提供转动惯量。随着电网新能源的渗透率逐渐升高，同步发电机的装机占比降低，电力系统的转动惯量也持续降低。当电网出现发电缺额或负荷扰动时，低惯量电力系统的频率动态响应会出现较大的频率偏差和频率变化率，严重时可能会导致新能源减载、削负荷或系统失稳的情况发生。与此同时，电力电子设备可以在比同步机更小的时间尺度上进行响应，所以电力电子设备接口的可再生能源也有灵活的调频能力。因此，为了减轻高比例新能源系统中转动惯量和阻尼损失的影响，逆变器控制可以作为可再生能源机组提供频率辅助服务的一种有效手段。

2、近年来，如何利用逆变器的调频能力以改善系统的频率动态性能，成为了研究中的热点问题。通常，风电机组能够通过下垂控制和虚拟惯量控制对系统的频率响应提供支持，其中的控制增益可以根据扰动后的频率最低点和频率变化率进行定量分析整定。对于含高比例可再生能源的低惯量电力系统，频率控制在消除频率偏差的同时也需要考虑运行成本、惩罚项等经济性指标。

3、此外，在功率出现偏离预测量扰动的情况下，低惯性系统通常会出现更大的频率偏差和频率变化率，因此，有必要考虑电力电子化电源在不同频率控制阶段之间的辅助服务备用分配和协调控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度方法、系统、设备及介质，能够在保证系统频率安全性的同时，协调可再生电源的有功功率备用容量。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度方法，包括：

4、获取电力系统的设定变量和参数，以及各类电源二次调频的特性参数；

5、利用同步发电机和可再生电源的频率响应传递函数模型，根据所述设定变量和参数进行表达式推导，得到电力系统的频率响应聚合模型、频率最低点和最大频率变化率；

6、利用各所述特性参数以及所述电力系统的频率响应聚合模型、频率最低点和最大频率变化率建立同步发电机、各类电源和电力系统的二次调频模型；所述各类电源包括可再生能源和储能系统；其中，所述可再生能源包括风电能源和光伏能源；

7、利用频率安全约束对各所述二次调频模型进行频率控制参数优化，得到二次频率优化控制模型，并对所述二次频率优化控制模型进行求解，得到可再生能源的虚拟同步机控制参数和储能系统的虚拟同步机控制参数；所述频率安全约束包括频率最低点约束、频率变化率约束和电力电子化电源在虚拟同步发电机控制中的输出功率约束；

8、根据所述可再生能源的虚拟同步机控制参数和所述储能系统的虚拟同步机控制参数进行低惯量电力系统调度。

9、可选地，所述设定变量和参数，具体包括：

10、电力系统所配备的同步发电机同步发电机i的额定功率pisg、同步发电机i的惯量系数阻尼系数下垂控制系数和调速器响应时间常数

11、电力系统所配备的电源电源j的虚拟惯量系数虚拟阻尼系数和电源j所对应的逆变器控制时间常数

12、其中，为所有同步发电机的集合，为各类电源的集合；为实数集合。

13、可选地，根据所述设定变量和参数进行表达式推导的过程为：

14、首先，建立电力系统频率偏差δf和功率扰动δpd之间的传递函数模型：

15、

16、其中，s为拉普拉斯域复变量；

17、其次，计算输电系统的聚合模型参数：

18、设系统聚合的惯量系数为m、阻尼系数为d、同步机下垂系数为r，并根据同步机最长的时间常数设定系统整体的响应时间常数t；其中，惯量系数m、阻尼系数d和同步机下垂系数r的表达式为：

19、

20、然后，建立电力系统频率偏差δf和功率扰动δpd的频率响应聚合模型：

21、设系统模型所对应的阻尼比系数为ξ，自然频率系数为ωn，系统的频率响应聚合模型的表达式为：

22、

23、最后，推导电力系统受到扰动后频率最低点的表达式和最大频率变化率的表达式：

24、

25、其中，f0为电力系统额定频率，tn为频率最低点时间。

26、可选地，所述同步发电机和所述各类电源的二次调频模型的建立过程为：

27、首先，建立同步发电机的二次调频模型：

28、设同步发电机i的二次调频有功输出为δpisg、同步发电机i的控制指令为以及设同步发电机i的控制指令的上下限分别为和同步发电机的二次调频模型为：

29、

30、其次，建立可再生能源的二次调频模型：

31、设可再生能源j的二次调频有功输出为可再生能源电力电子设备的调节时间常数为可再生能源j的控制指令为以及设可再生能源j的控制指令的上下限分别为和可再生能源的二次调频模型为：

32、

33、然后，建立储能系统的二次调频模型：

34、设储能单元j的二次调频有功输出为储能系统电力电子设备的调节时间常数为储能单元j的控制指令为以及设储能单元j的控制指令的上下限分别为和储能系统的二次调频模型为：

35、

36、设储能系统的充电效率和放电效率分别为和储能系统的能量状态模型为：

37、

38、设为储能系统j输出功率的下限和上限分别为设储能系统j实际的输出功率下限和上限分别为表达式为：

39、

40、最后，建立输电系统二次调频的有功平衡表达式：

41、设可再生能源机组的集合为储能单元的集合为ε，根据电力系统的频率摆动方程，得到电力系统二次调频的有功平衡表达式为：

42、

43、可选地，所述二次频率优化控制模型的建立过程为：

44、首先，计算储能系统和可再生能源在虚拟同步发电机控制中用于惯量和频率支持作用的输出有功功率计算公式为：

45、

46、其中，为频率变化率，δf(t)为电力系统频率偏差；

47、其次，进行非线性表达式的分段线性化处理：

48、设非线性表达式g(m,d)在空间s上具有局部的凸区域，将空间s划分为m个子空间，sn(n＝1,2,…,m)，将每个子空间的局部非线性表达式gn(m,d)表示为线性表达式αmm+αdd+β，在子平面sn上对惯量系数m和阻尼系数d采样，得到惯量采样系数ms和阻尼采样系数ds，设线性化参数为优化问题的决策变量，分段线性化问题表示为如下的优化模型：

49、

50、将非线性表达式转化为线性表达式的集合，得到频率最低点表达式的线性表达式集合，以及得到虚拟同步发电机控制有功功率输出的最大幅值表达式的线性表达式集合：

51、

52、其中，其中，n1为函数δfnadir在空间子平面的序号，m1为对应数量；n2为函数在空间子平面的序号，m2为对应数量；

53、最后，建立考虑频率安全约束的二次频率优化控制模型：

54、设虚拟惯量和虚拟阻尼控制备用的成本系数分别为cvi,j,cvd,j＞0，建立优化模型：

55、

56、其中，为频率变化率上界，为频率变化率下界，为频率偏差上界，δflim为频率偏差下界。

57、本发明提供了一种考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度系统，包括：

58、数据采集单元，用于获取电力系统的设定变量和参数，以及各类电源二次调频的特性参数；

59、第一模型构建单元，用于利用同步发电机和可再生电源的频率响应传递函数模型，根据所述设定变量和参数进行表达式推导，得到电力系统的频率响应聚合模型、频率最低点和最大频率变化率；

60、第二模型构建单元，用于利用各所述特性参数以及所述电力系统的频率响应聚合模型、频率最低点和最大频率变化率建立同步发电机、各类电源和电力系统的二次调频模型；所述各类电源包括可再生能源和储能系统；其中，所述可再生能源包括风电能源和光伏能源；

61、二次频率优化控制模型求解单元，用于利用频率安全约束对各所述二次调频模型进行频率控制参数优化，得到二次频率优化控制模型，并对所述二次频率优化控制模型进行求解，得到可再生能源的虚拟同步机控制参数和储能系统的虚拟同步机控制参数；所述频率安全约束包括频率最低点约束、频率变化率约束和电力电子化电源在虚拟同步发电机控制中的输出功率约束；

62、系统调度单元，用于根据所述可再生能源的虚拟同步机控制参数和所述储能系统的虚拟同步机控制参数进行低惯量电力系统调度。

63、本发明提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据上述的考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度方法。

64、本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度方法。

65、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

66、本发明公开了一种考虑频率安全约束的低惯量电力系统调度方法、系统、设备及介质，所述方法包括利用同步发电机和可再生电源的频率响应传递函数模型，根据设定变量和参数进行表达式推导，得到电力系统的频率响应聚合模型、频率最低点和最大频率变化率，并进一步利用各特性参数建立同步发电机、各类电源和电力系统的二次调频模型；利用频率安全约束对各二次调频模型进行频率控制参数优化求解，得到可再生能源和储能系统的虚拟同步机控制参数；根据可再生能源的虚拟同步机控制参数和储能系统的虚拟同步机控制参数进行低惯量电力系统调度。本发明能够在保证系统频率安全性的同时，协调可再生电源的有功功率备用容量。