基于频率响应的多类型新能源电力系统稳控方法及装置与流程

本发明属于新能源电力系统，具体涉及基于频率响应的多类型新能源电力系统稳控方法及装置。

背景技术：

1、风电、光伏等可再生能源电力系统的大规模集中式并网给电网系统的安全稳定运行带来挑战。例如，可再生能源电力系统的出力具有随机性、间歇性以及波动性，且作为可再生能源的风电、光伏、储能设备等通过电子变换器直接并入电网系统，使得电网系统内的惯量水平降低，频率稳定问题就愈发凸显出来了。

2、当前，已有针对含风电电力系统或者含光伏电力系统的频率响应进行频域分析。例如，专利cn103972912a给出一种含风电电力系统频率响应的频域分析方法，该方法同时考虑了发电机特性、调速器特性、系统网络结构、负荷特性以及agc控制特性，考虑电力网络中频率的动态分布特性，求解出了风电功率激励下的电力系统各节点频率响应显式表达式，将频域结果反变换到时域用以评估风电功率波动激励下的电力系统频率偏差。仿真结果表明该模型能快速、准确地反映风电功率激励下各节点的频率偏差特性，利用该模型研究风电功率接入点、agc等对系统频率偏差及其幅频特性的影响规律，对风电场的接入点选择，风电场的接入容量规划，风电功率接入电网前的滤波器设计以及系统中agc控制参数的整定等具有重要的指导意义，具有良好的推广价值和应用前景。

3、例如，专利cn114123249a给出一种基于电池储能主动响应的含风电互联电力系统负荷频率控制方法，通过基于实时荷电状态自适应调节的下垂控制，建立电池储能系统自适应模式，设计模糊增益调度策略，使用粒子群优化算法进行控制参数优化，验证经过电池储能系统响应的频率能否满足允许值要求。该方案不但在负载扰动时能够使系统频差最小化，在高风电波动下也能很好地抑制频率偏差发生大范围变化，使频差稳定在0.2hz的允许偏差内，为新能源电力系统提供了可靠的频率稳定性。

4、然而，针对同时含风电、光伏、储能设备等多类型、高比例的新能源电力系统的频率响应尚未有研究开展。

5、尤其是含重力储能类型的储能设备，重力储能的机械结构带来的功率输出呈现离散化特性，且各个重物块之间的投入时间较长，加大了电力系统频率响应的表征难度。

6、目前，对于重力储能设备参与的电力系统的频率响应模型的构建机制尚不明确。同样的，重力储能设备参与的电力系统频率响应模型的缺失，也导致对于重力储能设备参与新能源电力系统后系统的频率响应特征无法做出准确判断。

7、因此，如何构建同时含风电、光伏、储能设备等多类型、高比例的新能源电力系统的频率响应模型，以实现对重力储能设备参与新能源电力系统后系统的频率响应特征的精准判断是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于频率响应的多类型新能源电力系统稳控方法及装置，构建方法具体包括：分别获取同步发电机、风光储设备的频率响应方式，构建含风光储的多机系统频率响应模型，其中，风光储设备包括电化学储能设备；基于垂直式矩阵型重力储能并网的拓扑结构，给出重力储能机组的频率响应方式；根据含风光储的多机系统频率响应模型，结合重力储能机组的频率响应方式，并基于等效参数的方法，构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型；基于新能源电力系统频率响应模型，针对多类型新能源电力系统进行稳控。本发明提出计及重力储能参与电力系统频率响应环节的建模方案，准确刻画出了含重力储能的电力系统频率响应特性。

2、第一方面，本发明提供一种基于频率响应的多类型新能源电力系统稳控方法，具体包括如下步骤：

3、分别获取同步发电机、风光储设备的频率响应方式，构建含风光储的多机系统频率响应模型，其中，风光储设备包括电化学储能设备；

4、基于垂直式矩阵型重力储能并网的拓扑结构，给出重力储能机组的频率响应方式；

5、根据含风光储的多机系统频率响应模型，结合重力储能机组的频率响应方式，并基于等效参数的方法，构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型；

6、基于新能源电力系统频率响应模型，针对多类型新能源电力系统进行稳控。

7、进一步的，同步发电机包括火电同步发电机组，获取同步发电机的频率响应方式，具体包括：

8、以低阶的电力系统频率响应模型，模拟同步发电机的频率响应方式，给出同步发电机的频率响应模型，其中，同步发电机的频率响应模型计及涡轮机与调速器的传递过程。

9、进一步的，同步发电机的频率响应方式，具体表示为：

10、

11、其中，为拉普拉斯变换后同步发电机的一次调频功率调节量，km为机械功率增益因数，fh为同步发电机中高压缸做功系数，tr为再热时间常数，r为调速器一次调频下垂系数，s为拉普拉斯算子。

12、进一步的，获取风光储设备的频率响应方式，具体包括：

13、分别基于经变流器并网的直驱风电机组、光伏机组以及电化学储能设备，结合附加控制的频率响应方式，给出风电频率响应方式、光伏频率响应方式以及储能响应方式。

14、进一步的，构建含风光储的多机系统频率响应模型，具体表示为：

15、

16、其中，为拉普拉斯变换后风电机组的一次调频功率调节量，kw为风电机组的频率附加控制比例系数，tw为风电机组的调频时间常数，为拉普拉斯变换后光伏机组的一次调频功率调节量，kpv为光伏机组的频率附加控制比例系数，tpv为光伏机组的调频时间常数，为拉普拉斯变换后电化学储能设备的一次调频功率调节量，ke为电化学储能设备的频率附加控制比例系数，te为电化学储能设备的调频时间常数，为拉普拉斯变换后电力系统频率偏差，s为拉普拉斯算子。

17、进一步的，基于垂直式矩阵型重力储能并网的拓扑结构，给出重力储能机组的频率响应方式，具体包括如下步骤：

18、计及时间尺度，给出对应垂直式矩阵型重力储能并网的拓扑结构的重力储能调速系统模型，具体表示为：

19、

20、其中，tm_gra为同步发电机的输入机械转矩，kδ为调速器的放大倍数，ωref为同步发电机的电气角速度参考值，ω为同步发电机的实时电气角速度，tgra为重力储能机组的调频时间常数，s为拉普拉斯算子；

21、基于重力储能调速系统模式，给出重力储能机组的频率响应方式。

22、进一步的，重力储能机组的频率响应方式，具体表示为：

23、

24、其中，为拉普拉斯变换后重力储能机组的一次调频功率调节量，kgra_s为重力储能的功率响应量的比例系数，tgra为重力储能机组的调频时间常数，为拉普拉斯变换后电力系统频率偏差，s为拉普拉斯算子。

25、进一步的，根据含风光储的多机系统频率响应模型，结合重力储能机组的频率响应方式，并基于等效参数的方法，构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型，具体包括如下步骤：

26、获取计及重力储能的系统惯性常数以及系统阻尼系数；

27、给出含重力储能的电网功率与频率的关系，具体表示为：

28、

29、其中，为拉普拉斯变换后负荷变化量，为拉普拉斯变换后同步发电机的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后重力储能机组的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后风电机组的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后光伏机组的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后电化学储能设备的一次调频功率调节量，hsys为计及重力储能的系统惯性常数，s为拉普拉斯算子，dsys为计及重力储能的系统阻尼系数；

30、基于等效参数的方法，对风光储设备的频率响应方式进行处理，具体表示为：

31、

32、其中，为拉普拉斯变换后风光储设备等效的一次调频功率调节量，ku为编号u的风光储设备的功率增益，v为风光储设备的总数，tv为风光储设备的等效调频时间常数，s为拉普拉斯算子；

33、构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型，具体表示为：

34、给出含重力储能的电网功率与频率的关系，具体表示为：

35、

36、其中，为拉普拉斯变换后风光储设备等效的一次调频功率调节量。

37、进一步的，计及重力储能的系统惯性常数，具体表示为：

38、

39、其中，esys为计及重力储能的系统总动能，sg,i为同步发电机i的额定容量，xg,i为同步发电机i的启停状态值，n为同步发电机的总数，sgra,j为重力储能机组j的额定容量，xgra,j为重力储能机组j的启停状态值，m为重力储能机组的总数，sn,k为风光储设备k的额定容量，xn,k为风光储设备k的启停状态值，c为风光储设备的总数；

40、计及重力储能的系统阻尼系数，具体表示为：

41、

42、其中，为负荷的阻尼系数，为同步发电机i的阻尼系数，为重力储能机组j的阻尼系数。

43、进一步的，计及重力储能的系统总动能，具体表示为：

44、

45、其中，hg,i为同步发电机i的惯性常数，hgra,j为重力储能机组j的惯性常数；

46、进一步的，基于等效参数的方法，对风光储设备的频率响应方式进行处理，具体包括如下步骤：

47、获取各个风光储设备的功率增益；

48、基于每个风光储设备的功率增益，给出各个风光储设备的功率增益系数；

49、结合各个风光储设备的调频时间常数，完成对风光储设备频率响应方式的处理，给出风光储设备的等效频率常数。

50、进一步的，各个风光储设备的功率增益，具体表示为：

51、

52、其中，ku为编号u的风光储设备的功率增益，为编号u的风光储设备的最大调频功率，su为编号u的风光储设备的额定容量，为编号u的风光储设备的调频状态；

53、进一步的，各个风光储设备的功率增益系数，具体表示为：

54、

55、其中，为编号u的风光储设备的功率增益系数，v为风光储设备的总数。

56、进一步的，风光储设备的等效频率常数，具体表示为：

57、

58、其中，tv为风光储设备的等效调频时间常数，tu为编号u的风光储设备的调频时间常数。

59、进一步的，风光储设备的等效频率常数，还可以具体表示为：

60、

61、其中，tv为风光储设备的等效调频时间常数，v1为直驱风电机组的总数，ku1为编号u1的直驱风电机组的功率增益，tu1为编号u1的直驱风电机组的调频时间常数，v2为光伏机组的总数，ku2为编号u2的光伏机组的功率增益，tu2为编号u2的光伏机组的调频时间常数，v3为电化学储能设备的总数，ku3为编号u3的电化学储能设备的功率增益，tu3为编号u3的电化学储能设备的调频时间常数。

62、第二方面，本发明还提供一种基于频率响应的多类型新能源电力系统稳控装置，采用如上述基于频率响应的多类型新能源电力系统稳控方法，具体包括：

63、采集单元，用于分别获取同步发电机、风光储设备的频率响应方式，基于垂直式矩阵型重力储能并网的拓扑结构，给出重力储能机组的频率响应方式，其中，风光储设备包括电化学储能设备；

64、模型构建单元，用于构建含风光储的多机系统频率响应模型，根据含风光储的多机系统频率响应模型，结合重力储能机组的频率响应方式，并基于等效参数的方法，构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型；

65、稳控运行单元，用于基于新能源电力系统频率响应模型，针对多类型新能源电力系统进行稳控。

66、进一步的，同步发电机包括火电同步发电机组，获取同步发电机的频率响应方式，具体包括：

67、以低阶的电力系统频率响应模型，模拟同步发电机的频率响应方式，给出同步发电机的频率响应模型，其中，同步发电机的频率响应模型计及涡轮机与调速器的传递过程。

68、进一步的，同步发电机的频率响应方式，具体表示为：

69、

70、其中，为拉普拉斯变换后同步发电机的一次调频功率调节量，km为机械功率增益因数，fh为同步发电机中高压缸做功系数，tr为再热时间常数，r为调速器一次调频下垂系数，s为拉普拉斯算子。

71、进一步的，获取风光储设备的频率响应方式，具体包括：

72、分别基于经变流器并网的直驱风电机组、光伏机组以及电化学储能设备，结合附加控制的频率响应方式，给出风电频率响应方式、光伏频率响应方式以及储能响应方式。

73、进一步的，构建含风光储的多机系统频率响应模型，具体表示为：

74、

75、其中，为拉普拉斯变换后风电机组的一次调频功率调节量，kw为风电机组的频率附加控制比例系数，tw为风电机组的调频时间常数，为拉普拉斯变换后光伏机组的一次调频功率调节量，kpv为光伏机组的频率附加控制比例系数，tpv为光伏机组的调频时间常数，为拉普拉斯变换后电化学储能设备的一次调频功率调节量，ke为电化学储能设备的频率附加控制比例系数，te为电化学储能设备的调频时间常数，为拉普拉斯变换后电力系统频率偏差，s为拉普拉斯算子。

76、进一步的，基于垂直式矩阵型重力储能并网的拓扑结构，给出重力储能机组的频率响应方式，具体包括：

77、计及时间尺度，给出对应垂直式矩阵型重力储能并网的拓扑结构的重力储能调速系统模型，具体表示为：

78、

79、其中，tm_gra为同步发电机的输入机械转矩，kδ为调速器的放大倍数，ωref为同步发电机的电气角速度参考值，ω为同步发电机的实时电气角速度，tgra为重力储能机组的调频时间常数，s为拉普拉斯算子；

80、基于重力储能调速系统模式，给出重力储能机组的频率响应方式。

81、进一步的，重力储能机组的频率响应方式，具体表示为：

82、

83、其中，为拉普拉斯变换后重力储能机组的一次调频功率调节量，kgra_s为重力储能的功率响应量的比例系数，tgra为重力储能机组的调频时间常数，为拉普拉斯变换后电力系统频率偏差，s为拉普拉斯算子。

84、进一步的，根据含风光储的多机系统频率响应模型，结合重力储能机组的频率响应方式，并基于等效参数的方法，构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型，具体包括：

85、获取计及重力储能的系统惯性常数以及系统阻尼系数；

86、给出含重力储能的电网功率与频率的关系，具体表示为：

87、

88、其中，为拉普拉斯变换后负荷变化量，为拉普拉斯变换后同步发电机的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后重力储能机组的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后风电机组的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后光伏机组的一次调频功率调节量，为拉普拉斯变换后电化学储能设备的一次调频功率调节量，hsys为计及重力储能的系统惯性常数，s为拉普拉斯算子，dsys为计及重力储能的系统阻尼系数；

89、基于等效参数的方法，对风光储设备的频率响应方式进行处理，具体表示为：

90、

91、其中，为拉普拉斯变换后风光储设备等效的一次调频功率调节量，ku为编号u的风光储设备的功率增益，v为风光储设备的总数，tv为风光储设备的等效调频时间常数，s为拉普拉斯算子；

92、构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型，具体表示为：

93、给出含重力储能的电网功率与频率的关系，具体表示为：

94、

95、其中，为拉普拉斯变换后风光储设备等效的一次调频功率调节量。

96、进一步的，计及重力储能的系统惯性常数，具体表示为：

97、

98、其中，esys为计及重力储能的系统总动能，sg,i为同步发电机i的额定容量，xg,i为同步发电机i的启停状态值，n为同步发电机的总数，sgra,j为重力储能机组j的额定容量，xgra,j为重力储能机组j的启停状态值，m为重力储能机组的总数，sn,k为风光储设备k的额定容量，xn,k为风光储设备k的启停状态值，c为风光储设备的总数；

99、计及重力储能的系统阻尼系数，具体表示为：

100、

101、其中，为负荷的阻尼系数，为同步发电机i的阻尼系数，为重力储能机组j的阻尼系数。

102、进一步的，计及重力储能的系统总动能，具体表示为：

103、

104、其中，hg,i为同步发电机i的惯性常数，hgra,j为重力储能机组j的惯性常数；

105、进一步的，基于等效参数的方法，对风光储设备的频率响应方式进行处理，具体包括：

106、获取各个风光储设备的功率增益；

107、基于每个风光储设备的功率增益，给出各个风光储设备的功率增益系数；

108、结合各个风光储设备的调频时间常数，完成对风光储设备频率响应方式的处理，给出风光储设备的等效频率常数。

109、进一步的，各个风光储设备的功率增益，具体表示为：

110、

111、其中，ku为编号u的风光储设备的功率增益，为编号u的风光储设备的最大调频功率，su为编号u的风光储设备的额定容量，为编号u的风光储设备的调频状态；

112、进一步的，各个风光储设备的功率增益系数，具体表示为：

113、

114、其中，为编号u的风光储设备的功率增益系数，v为风光储设备的总数。

115、进一步的，风光储设备的等效频率常数，具体表示为：

116、

117、其中，tv为风光储设备的等效调频时间常数，tu为编号u的风光储设备的调频时间常数。

118、进一步的，风光储设备的等效频率常数，还可以具体表示为：

119、

120、其中，tv为风光储设备的等效调频时间常数，v1为直驱风电机组的总数，ku1为编号u1的直驱风电机组的功率增益，tu1为编号u1的直驱风电机组的调频时间常数，v2为光伏机组的总数，ku2为编号u2的光伏机组的功率增益，tu2为编号u2的光伏机组的调频时间常数，v3为电化学储能设备的总数，ku3为编号u3的电化学储能设备的功率增益，tu3为编号u3的电化学储能设备的调频时间常数。

121、本发明提供的一种基于频率响应的多类型新能源电力系统稳控方法及装置，至少包括如下有益效果：

122、（1）本发明通过提出计及重力储能参与电力系统频率响应环节的建模方案，基于重力储能的运行特性及参与系统频率响应方式，针对含风光储的多机系统频率响应方式，准确刻画出了含重力储能的电力系统频率响应特性。

123、（2）根据含风光储的多机系统频率响应模型，结合重力储能机组的频率响应方式，并基于等效参数的方法，构建含重力储能的新能源电力系统频率响应模型。通过将重力储能机组的实际动态特性直接整合到含风光储的多机系统频率响应模型中，可以更准确地模拟和预测电力系统在各种工况下的频率响应行为，有效支撑电力系统频率，减少因新能源发电波动引起的频率偏差，从而提升电力系统的频率稳定性。

124、（3）对于同时包含风电、光伏、电化学储能、重力储能等多类型新能源的电力系统，在不同的新能源发电单元具有不同的运行特性，电力系统的复杂性陡然增加，等效聚合处理对于频率响应模型的构建至关重要，能整合不同新能源发电单元的控制策略，选择最优的策略提高电力系统的频率稳定性、更准确预测电力系统在受到扰动时的动态行为。