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基于同步测量的分区惯量估计方法
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摘要：0 引 言 随着新能源发电技术的发展，电力系统中新能源发电占比不断提高[1]。新能源发电系统通过电力电子换流器接入系统，其功率输出与电网频率动态解耦，无法像传统同步发电机一
0 引 言
随着新能源发电技术的发展，电力系统中新能源发电占比不断提高[1]。新能源发电系统通过电力电子换流器接入系统，其功率输出与电网频率动态解耦，无法像传统同步发电机一样，为系统提供惯量支撑和频率控制。随着电网中新能源占比的提高，电网的惯性时间常数下降，维持系统频率稳定的能力降低，另一方面，由于特高压交直流输电工程的大量投运，系统输送功率巨大，遭受大功率扰动的风险增大，系统频率稳定风险加大。评估系统惯量，对于研究系统的频率动态特性、指导新能源并网、研究电网频率稳定控制措施具有重要意义[2]。
系统的惯量水平通常用惯性时间常数来表示，表征了系统在出现功率不平衡时抑制频率变化的能力[3]，电网出现有功缺额后频率初始下降速度、频率最低点和最低点发生时间等重要指标均与系统惯性时间常数H密切相关。目前，对于系统惯量的评估主要有以下几种方法：基于小扰动估计方法、大扰动估计方法和基于稳态的估计方法。小扰动估计方法主要通过建立系统小信号模型，分析振荡特征等与系统惯量的关系，通过对振荡频率的测量来求取惯量常数[4,5]，这种方法适用于阻尼性能良好的系统，且对信号的处理技术要求较高,易受噪声影响，造成评估结果不准确。大扰动分析方法主要基于经典的发电机和转子运动方程，通过扰动发生后系统的功率不平衡量和系统频率变化率来计算系统惯量。随着PMU在电网中的大量装备，为准确测量系统中这些电气量提供了基础[6,7]。文献[8]通过最小二乘法对故障后的系统频率曲线进行5阶拟合，取一次项参数作为系统频率变化率，再根据测得的系统功率不平衡量求取系统惯性时间常数。文献[9]采用英国电网几次大扰动故障下PMU实测频率数据和功率不平衡量数据对电网的惯量进行估计，要准确评估系统惯量，需要已知功率缺额的大小。稳态估计方法主要是采用对机组惯量进行加权并结合各种机器学习方法进行评估，通过对大量历史数据的学习，建立系统稳态运行情况下，平均频率变化与系统惯量的关系，从而对实时运行的系统状态评估其对应的惯性时间常数[10,11]，对系统的惯量评估具有很高的精度，但这些机器学习方法通常只能计及机组提供的惯量，没有考虑负荷对系统的惯量贡献。系统中有大量感应电机负荷，文献[12-14]指出，故障后，不仅系统中的同步发电机组对惯量有贡献，负荷等也成为影响系统惯量响应的重要因素。
针对以上方法的不足，本文提出了一种基于PMU同步测量的分区惯量估计方法。这种方法利用扰动发生后PMU测得的各区域间联络线上功率的变化和系统频率变化，可分别计算出各区域的惯性时间常数，对系统的惯量水平有一个更为具体细致的描述，评估结果不仅仅包括发电机对于惯量的贡献，还考虑了具有惯量响应的负荷因素的影响。本文提出的估计方法，采用一种差值法进行计算，计算过程中不需要已知功率缺额的大小，解决了实际测量中功率不平衡量难以获得的问题。
1 系统惯量评估
1.1 惯量评估原理
电力系统的转动惯量表征了系统以额定速度转动时所储存的旋转动能，单个旋转部件的惯量通常用惯性时间常数H来表示，其计算公式如下：
式中：J为发电机转子的转动惯量；ωn为发电机额定转速；S为发电机的额定容量。
系统中的旋转部件如发电机转子具有旋转动能，当机端出现功率不平衡时，发电机会释放转子中的旋转动能来补偿功率不平衡量，此时，发电机转速会下降，发电机端频率下降，发电机转子运动方程如下：
式中：H为发电机惯性时间常数；f为机端频率；Pm，Pe分别为发电机的机械功率和电磁功率。
当系统发生扰动，出现功率不平衡时，在系统调速器作用前，系统中具有旋转动能的部件会释放转子动能来补偿功率缺额，系统频率下降，频率跌落速度与系统功率不平衡量满足如下关系式：
式中：Hsys为系统等效惯性时间常数；fCOI为系统等效惯性中心频率；ΔP为系统功率不平衡量。系统等效惯性中心频率fCOI由系统各发电机机端频率聚合到等效惯性中心得到，计算公式如下：
式中：n为发电机台数；Hgi，fgi分别为发电机i的惯性时间常数和机端频率，i=0,1,2,…，n。
由式(3)可以得到，系统的等效惯性时间常数的计算公式如下：
由式(5)可知，若发生扰动后，系统总的功率不平衡量和系统频率可测，则可以利用扰动后数据计算系统等效惯性时间常数。随着PMU技术的不断发展，对系统运行状态的实时同步监测已经逐步实现，也为利用上述方法评估系统惯量水平奠定了基础。
文章来源：《区域治理》 网址: http://www.qyzlzz.cn/qikandaodu/2021/0314/1335.html