[发明专利]一种含风电电力系统频率响应的频域分析方法

摘要

本发明涉及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。

主权项

一种含风电电力系统频率响应的频域分析方法，其特征在于，基于电力网络中频率的动态分布特性，建立包含发电机以及调速器、网络结构、负荷动态以及AGC的电力系统频域模型，其中：模型一：发电机模型基于公式$G_g\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Δ\ω}\left(s\right)}{{\mathrm{\ΔP}}_e\left(s\right)}=\frac{G_r\left(s\right)}{G_r\left(s\right)G_t\left(s\right)-1}$式中，G_r(s)＝1/(sT_J+D)表示发电机运动方程，T_J为转子惯性时间常数，D为发电机阻尼系数，G_t(s)为调速器传递函数，其表达式与选择的调速器类型有关；模型二：网络结构模型用直流潮流基于公式$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_e\\ \mathrm{\Δ}{P}_L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{B}_{\mathrm{ee}}& B_{\mathrm{eL}}\\ B_{\mathrm{Le}}& B_{\mathrm{LL}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\δ}\\ \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right]$式中，ΔP_e为同步发电机节点的输入功率，ΔP_L为负荷节点注入功率，风电功率波动可以看作是这类节点上注入负的负荷，Δδ为发电机节点的功角，Δθ为负荷节点的相角，B_ee，B_eL，B_Le，B_LL为电力系统网络分块矩阵；模型三：负荷波动模型基于公式ΔP_L1(s)＝K_LP_l0Δω_L(s)式中，P_L0为额定负荷，表示负荷在额定频率下的有功功率，K_L表示负荷的频率调节特性；Δω_L(s)负荷节点的频率波动的频域形式；模型四：AGC模型$G_{\mathrm{AGC}}\left(s\right)=\frac{1}{1+s{T}_{\mathrm{agc}}}(K_P+\frac{K_I}{s})$式中，T_agc为AGC时间常数，K_p和K_I为AGC的调节系数；具体包括以下步骤：步骤1，根据所建立的电力系统频域模型，求解风电功率激励下电力系统各节点频率响应的传递函数H(ω)，其中令s＝jω，便可由H(s)转化为H(ω)；其中发电机节点的频率响应传递函数基于公式$H_e\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_e\left(s\right)}{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{wind}}\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{s}G\·B_{\mathrm{eL}}\·K\·P_{\mathrm{location}}$负荷节点响应风电功率波动的传递函数基于公式$H_L\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_L\left(s\right)}{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{wind}}\left(s\right)}=[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{s}\right)}^{2}K\·B_{\mathrm{eL}}G\·B_{\mathrm{eL}}K-K]\·P_{\mathrm{location}}$其中$K={(-P_{L0}{K}_L-\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{s}{B}_{\mathrm{LL}})}^{-1}$$G={({\mathrm{sT}}_J-G_t\left(s\right)+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{s}{B}_{\mathrm{ee}}+{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{s}\right)}^2{B}_{\mathrm{eL}}\·K\·B_{\mathrm{Le}})}^{-1}$P_location表示风电功率接入点位置的向量，定义系统共有n个节点，其中节点1,2,3，…，m为发电机节点共m个，节点m+1,m+2，…，n为负荷节点共n‑m个，则P_location为n‑m维列向量，有风电功率接入的节点，相应的向量元素取1，否则取为0；步骤2，将已知的风电功率时间序列ΔP_wind(t)进行傅里叶变换得到风电功率波动的频谱特性ΔP_wind(ω)；步骤3，根据ΔΩ(ω)＝H(ω)·ΔP_wind(ω)计算电力系统响应风电功率波动的频率偏差频域结果ΔΩ(ω)；步骤4，对频率偏差频域结果ΔΩ(ω)进行傅里叶反变换，计算出电力系统频率偏差在时域中的信号Δω(t)，进而评估由风电功率波动导致的电力系统频率偏差。