一种电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法，其特点是：为方便分析含风电电力系统的频率响应特性，定义了风电功率渗透率的基本参数；基于电力系统基本调频原理，对不同风电渗透率下的电力系统的惯性时间常数及调差系数进行整定，进而仿真分析不同风电渗透率下的电力系统的频率响应特性；根据各调度时段负荷与风电功率渗透率极限值之间的关系，确定需要风电场为电力系统提供一次调频备用的调度时段；通过不断调整风电场的一次备用容量，仿真确定电力系统需要风电场提供的一次调频备用容量。能够适应电力系统中的负荷及风电功率均随着时间的变化而变化，提高不同时刻电力系统的风电功率渗透率，具有方法科学合理，应用效果佳等优点。
1.一种电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法，其特征在于：它包括以下步骤：
风电功率渗透率是指电力系统中各时刻风电功率的渗透水平，将电力系统中实时的风电功率与负荷的比值定义为风电功率渗透率(Wind Penetration Level)：WPL(t)＝Pw(t)/PL(t) (1)式中WPL(t)为电力系统t时刻的风电功率渗透率，Pw(t)和PL(t)分别表示电力系统中t时刻的风电功率和负荷；
当电力系统发生功率波动时，电力系统的惯性时间常数决定了电力系统的瞬时频率变化率；发电机组惯性时间常数H，其单位为(MVA·s)/MVA，且H与发电机额定装机容量成反比；整个电力系统惯性时间常数Hsys与单台发电机装机容量的关系：式中n为电力系统中发电机组的台数，Hi、Si分别为第i台发电机组的惯性时间常数及装机容量；
设某一系统中所有的发电机组具有相同的容量S，系统中有m台同步发电机组且每台发电机组具有相同的惯性时间常数H，其余发电机组不具备惯性响应能力，则其惯性时间常数为0，则该电力系统的惯性时间常数Hsys为：电力系统的调差系数σG％与单机调差系数σ％的关系为：
式(4)中σG％为电力系统的调差系数、σ％为单机调差系数，n为系统中发电机的总台数，v为参加电力系统一次调频的发电机台数；
电力系统中的负荷及风电功率都随着时间的变化而变化，因此不同时刻电力系统的风电渗透率不同，所以不同时刻对应电力系统的频率响应能力就不同，电力系统对风电场一次调频备用需求也在不断变化，对于部分调度周期需要风电场提供一次调频备用，满足电力系统频率要求的风电渗透率极限和负荷的关系为：由式(5)可以得出发生功率脱落并且频率跌落至最低值时任意负荷对应的风电渗透率的限值WPLlim，并能够判断任意时刻的负荷场景下是否需要风电场提供一次调频备用，判断方法为：基于实时风电功率及负荷数据，计算任意时刻t的风电渗透率WPL(t)，若该时刻对应的风电渗透率限值WPLlim(t)
电力系统根据风电功率大小，启停部分传统发电机组，停机的原则为：风电功率的50％替代了具有不具备一次调频能力的部分传统发电单元，其余的50％替代了具有一次调频能力的部分发电单元，结合步骤2)的仿真参数整定方法，确定含有风电的电力系统的仿真参数，仿真分析不同风电渗透率下的电力系统的一次调频特性；
依据步骤4)确定电力系统在不同风电功率及负荷条件下发生最大功率脱落时系统频率最低值，若最低值超过低频减载限值，则需要风电场提供一定容量的一次调频备用；具体电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法为：风电场留出一部分备用容量，原来由风电场承担的部分负荷由传统火电机组增发一部分功率来承担，并在系统发生功率脱落时释放风电场的备用容量，根据此原理不断调整风电场的一次调频备用容量并通过仿真确定系统频率最低点，直至电力系统频率最低点等于低频减载限值为止，此时得到的风电场的备用容量为电力系统需要风电场提供一次调频备用容量。
电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法。
背景技术
[0002] 近年来，在全球范围内煤炭、石油等传统化石能源正日趋枯竭，气候变暖、环境污染等问题日趋严重。在此背景下以风能和太阳能为代表的可再生一次能源越来越受到人类的重视，并得到了快速的发展，其中风力发电技术发展最为迅速。
[0003] 风电渗透率的不断增高，给传统电力系统的安全稳定运行带来了很多前所未有的挑战。与传统火电机组不同，当前主流风力发电机组为变速风力发电机组，转速与电力系统频率解耦，不具备惯性响应及辅助调频能力，大规模风电接入替代了部分传统电源，减小了整个电力系统的惯性，削弱了电力系统的频率调节能力，对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。有必要要求风电场具有参与电力系统频率调节的能力，为此分析电力系统需要风电场提供一次调频备用容量具有重要意义。
发明内容
[0004] 为了解决分析电力系统需要风电场提供一次调频备用容量过程中所遇到的问题，提供一种能够适应电力系统中的负荷及风电功率均随着时间的变化而变化，提高不同时刻电力系统的风电功率渗透率，科学合理，应用效果佳的电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法。
[0005] 解决其技术问题采用的方案是：一种电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法，其特征在于：它包括以下步骤：
[0006] 1)风电功率渗透率定义
[0007] 风电功率渗透率是指电力系统中各时刻风电功率的渗透水平，将电力系统中实时的风电功率与负荷的比值定义为风电功率渗透率(Wind Penetration Level)：
[0008] WPL(t)＝Pw(t)/PL(t) (1)
[0009] 式中WPL(t)为电力系统t时刻的风电功率渗透率，Pw(t)和PL(t)分别表示电力系统中t时刻的风电功率和负荷；
[0010] 2)电力系统惯性时间常数及调差系数整定
[0011] 当电力系统发生功率波动时，电力系统的惯性时间常数决定了电力系统的瞬时频率变化率；发电机组惯性时间常数H/(MVA·s)/MVA与发电机额定装机容量成反比；整个电力系统惯性时间常数Hsys与单台发电机装机容量的关系：
[0012]
[0013] 式中n为电力系统中发电机组的台数，Hi、Si分别为第i台发电机组的惯性时间常数及装机容量；
[0014] 设某一系统中所有的发电机组具有相同的容量S，系统中有m台同步发电机组且每台发电机组具有相同的惯性时间常数H，其余发电机组不具备惯性响应能力，则其惯性时间常数为0，则该电力系统的惯性时间常数Hsys为：
[0015]
[0016] 电力系统的调差系数σG％与单机调差系数σ％的关系为：
[0017]
[0018] 式(4)中σG％为电力系统的调差系数、σ％为单机调差系数，n为系统中发电机的总台数，m为参加电力系统一次调频的发电机台数；
[0019] 3)需要风电场提供一次调频备用时段的确定
[0020] 电力系统中的负荷及风电功率都随着时间的变化而变化，因此不同时刻电力系统的风电渗透率不同，所以不同时刻对应电力系统的频率响应能力就不同，电力系统对风电场一次调频备用需求也在不断变化，对于部分调度周期需要风电场提供一次调频备用，满足电力系统频率要求的风电渗透率极限和负荷的关系为：
[0021]
[0022] 由式(5)可以得出发生功率脱落并且频率跌落至最低值时任意负荷对应的风电渗透率的限值WPLlim，并能够判断任意时刻的负荷场景下是否需要风电场提供一次调频备用，判断方法为：基于实时风电功率及负荷数据，计算任意时刻t的风电渗透率WPL(t)，若该时刻对应的风电渗透率限值WPLlim(t)
[0023] 4)风电并网对电力系统调频影响
[0024] 电力系统根据风电功率大小，启停部分传统发电机组，停机的原则为：风电功率的50％替代了具有不具备一次调频能力的部分传统发电单元，其余的50％替代了具有一次调频能力的部分发电单元，结合步骤2)的仿真参数整定方法，确定含有风电的电力系统的仿真参数，仿真分析不同风电渗透率下的电力系统的一次调频特性；
[0025] 5)电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析
[0026] 依据步骤4)确定电力系统在不同风电功率及负荷条件下发生最大功率脱落时系统频率最低值，若最低值超过低频减载限值，则需要风电场提供一定容量的一次调频备用；具体电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法为：风电场留出一部分备用容量，原来由风电场承担的部分负荷由传统火电机组增发一部分功率来承担，并在系统发生功率脱落时释放风电场的备用容量，根据此原理不断调整风电场的一次调频备用容量并通过仿真确定系统频率最低点，直至电力系统频率最低点等于低频减载限值为止，此时得到的风电场的备用容量为电力系统需要风电场提供一次调频备用容量。
[0027] 本发明的电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法，能够适应电力系统中的负荷及风电功率均随着时间的变化而变化，提高不同时刻电力系统的风电功率渗透率，具有方法科学合理，应用效果佳等优点。
附图说明
[0028] 图1不同风电渗透率下的频率响应曲线；
[0029] 图2第一季度负荷最低点频率响应曲线(Pw(t)＝636.3MW、PL(t)＝1274.4MW)；
[0030] 图3风电场参与一次调频响应曲线(Pw(t)＝636.3MW、PL(t)＝1274.4MW)。
具体实施方式
[0031] 本发明的电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法，它包括以下步骤：
[0032] 1)风电功率渗透率定义
[0033] 风电功率渗透率是指电力系统中各时刻风电功率的渗透水平，将电力系统中实时的风电功率与负荷的比值定义为风电功率渗透率(Wind Penetration Level)：
[0034] WPL(t)＝Pw(t)/PL(t) (1)
[0035] 式中WPL(t)为电力系统t时刻的风电功率渗透率，Pw(t)和PL(t)分别表示电力系统中t时刻的风电功率和负荷；
[0036] 2)电力系统惯性时间常数及调差系数整定
[0037] 当电力系统发生功率波动时，电力系统的惯性时间常数决定了电力系统的瞬时频率变化率；发电机组惯性时间常数H/(MVA·s)/MVA与发电机额定装机容量成反比；整个电力系统惯性时间常数Hsys与单台发电机装机容量的关系：
[0038]
[0039] 式中n为电力系统中发电机组的台数，Hi、Si分别为第i台发电机组的惯性时间常数及装机容量；
[0040] 设某一系统中所有的发电机组具有相同的容量S，系统中有m台同步发电机组且每台发电机组具有相同的惯性时间常数H，其余发电机组不具备惯性响应能力，则其惯性时间常数为0，则该电力系统的惯性时间常数Hsys为：
[0041]
[0042] 电力系统的调差系数σG％与单机调差系数σ％的关系为：
[0043]
[0044] 式(4)中σG％为电力系统的调差系数、σ％为单机调差系数，n为系统中发电机的总台数，m为参加电力系统一次调频的发电机台数；
[0045] 3)需要风电场提供一次调频备用时段的确定
[0046] 电力系统中的负荷及风电功率都随着时间的变化而变化，因此不同时刻电力系统的风电渗透率不同，所以不同时刻对应电力系统的频率响应能力就不同，电力系统对风电场一次调频备用需求也在不断变化，对于部分调度周期需要风电场提供一次调频备用，满足电力系统频率要求的风电渗透率极限和负荷的关系为：
[0047]
[0048] 由式(5)可以得出发生功率脱落并且频率跌落至最低值时任意负荷对应的风电渗透率的限值WPLlim，并能够判断任意时刻的负荷场景下是否需要风电场提供一次调频备用，判断方法为：基于实时风电功率及负荷数据，计算任意时刻t的风电渗透率WPL(t)，若该时刻对应的风电渗透率限值WPLlim(t)
[0049] 4)风电并网对电力系统调频影响
[0050] 电力系统根据风电功率大小，启停部分传统发电机组，停机的原则为：风电功率的50％替代了具有不具备一次调频能力的部分传统发电单元，其余的50％替代了具有一次调频能力的部分发电单元，结合步骤2)的仿真参数整定方法，确定含有风电的电力系统的仿真参数，仿真分析不同风电渗透率下的电力系统的一次调频特性；
[0051] 5)电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析
[0052] 依据步骤4)确定电力系统在不同风电功率及负荷条件下发生最大功率脱落时系统频率最低值，若最低值超过低频减载限值，则需要风电场提供一定容量的一次调频备用；具体电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法为：风电场留出一部分备用容量，原来由风电场承担的部分负荷由传统火电机组增发一部分功率来承担，并在系统发生功率脱落时释放风电场的备用容量，根据此原理不断调整风电场的一次调频备用容量并通过仿真确定系统频率最低点，直至电力系统频率最低点等于低频减载限值为止，此时得到的风电场的备用容量为电力系统需要风电场提供一次调频备用容量。
[0053] 下面利用附图和实施例对本发明的电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法作进一步说明。
[0054] 本实施例结合某电力系统的真实负荷及风电功率数据，依据不同的风电功率及负荷场景对电力系统频率响应模型的参数进行整定，分析不同风电渗透率下的电力系统的一次调频响应特性，对电力系统需要风电场提供一次调频备用容量进行分析。
[0055] 实施例计算条件说明如下：
[0056] (1)系统年最大负荷2155.9MW，最大单机容量200MW，风电装机容量为700MW，风电及负荷数据为1min时间间隔；
[0057] (2)系统发生200MW(系统最大单机容量)的功率脱落，系统频率低频减载限值为49.3Hz；
[0058] 在上述计算条件下，应用本发明的电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析方法相关原理计算仿真结果说明如下：
[0059] 1.风电功率渗透率的计算
[0060] 根据式(1)计算得到不同风电及负荷场景下的电力系统的风电渗透率WPL，起结果如表1所示。
[0061] WPL(t)＝Pw(t)/PL(t) (1)
[0062] 表1
[0063]
[0064] 2.需要风电场提供一次调频备用时段的确定
[0065] 根据式(5)，可得不同负荷条件下的需要风电场提供一次调频备用的风电功率渗透率极限值，几个典型的负荷场景下的计算结果如表2所示。
[0066]
[0067] 表2
[0068]
[0069] 3.风电并网对电力系统一次调频影响
[0070] 根据上述数据及前提条件，仿真分析在负荷不变时，发生10％的功率脱落，不同风电渗透率下的电力系统的一次调频响应能力，具体仿真结果如附图1所示。
[0071] 4.电力系统需要风电场提供一次调频备用容量分析
[0072] 对第一季度负荷最低点(风电功率Pw(t)＝636.3MW、负荷功率PL(t)＝1274.4MW)进行仿真分析，风电场不提供一次调频备用的仿真结果如附图2所示，此时系统频率最低值明显低于系统频率低频减载限值为49.3Hz；不断调整风电场为电力系统提供的一次调频备用容量，此种条件下(风电功率Pw(t)＝636.3MW、负荷功率PL(t)＝1274.4MW)电力系统需要风电场提供一次调频备用容量的仿真结果如附图3所示，图中曲线f为系统频率响应曲线、曲线ΔPw及ΔPc分别为风电场及传统发电机组一次调频响应曲线，此时风电场预留出一次调频备用Pres＝93.3MW，传统同步发电机组增发93.3MW以补充系统中的功率缺额，发生200MW的N-1事故系统，风电机组参与一次调频，系统频率最低点为49.3Hz，满足系统低频减载限值的要求。其他几种典型负荷场景下的电力系统需要风电场提供一次调频备用容量的仿真结果如表3所示。
[0073] 表3
[0074]
