基于最小惯量评估的高比例新能源电力系统优化运行策略_叶畅.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0502-08 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 基于最小惯量评估的高比例新能源电力系统优化运行策略叶畅1，柳丹1，杨欣宜2，刘子文2，冀肖彤3，曹侃1，王伟3（1国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北省 武汉市 430077；2河海大学能源与电气学院，江苏省 南京市 211100；3国网湖北省电力有限公司，湖北省 武汉市 430077）Optimal Operation Strategy of High Proportion New Energy Power System Based on Minimum Inertia Evaluation YE Chang1,LIU Dan1,YANG Xinyi2,LIU Ziwen2,JI Xiaotong3,CAO Kan1,WANG Wei3(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan 430077,Hubei Province,China;2.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,Jiangsu Province,China;3.State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Wuhan 430077,Hubei Province,China)1ABSTRACT:The integration of high proportional renewable power generation has brought great challenges to the power system frequency stability and put forward a new requirement for the power system safe and economical operation.Most of the existing studies use the integration of frequency stability constraints to solve this problem.However,this treatment normally needs the linearization process or the complex non-linear optimization to obtain the solution.Also,these studies usually deal with the problem of insufficient inertia with scheduling.Inspired by the minimum inertia evaluation,this paper proposes an optimal operation for the power system with a high proportion of renewable power generation.Based on a three-step operational framework of pre-treatment-minimum inertia evaluation-optimal operation,the problem of power system optimal operation integrated with the frequency stability constraint is decoupled into two steps with“minimum inertia evaluation”and“optimal operation”.In this proposed method,the frequency stability of the system is ensured by coupling the minimum power system inertia constraint.In addition,the support of inertia by ways of scheduling and virtual inertia improvement is also considered in this paper.The proposed method has the advantages of clear planning and easy implementation with a high degree of linearization,having practical application prospects.Finally,the effectiveness and superiority of the method is verified by simulation analysis.基金项目：国家电网有限公司总部科技项目(4000-202222070A-1-1-ZN)。Project Supported by Science&Technology Project of State Grid Corporation of China(4000-202222070A-1-1-ZN).KEY WORDS:high proportion of new energy power system;virtual inertia;minimum inertia evaluation;frequency stability constraint;optimal operation 摘要：高比例新能源接入给电力系统频率稳定带来了严峻挑战，同时也给电力系统的安全经济运行提出了新要求。现有研究大多采用内嵌频率稳定约束的方式来应对该问题，但该应对手段通常需要通过线性化处理或复杂的非线性优化手段进行求解，且通常仅从调度手段出发应对惯量不足问题。从最小惯量评估的思路出发，提出了一种面向高比例新能源电力系统优化运行方法。该方法基于“预处理”“最小惯量评估”“优化运行”三阶段运行架构，将内嵌频率稳定约束的优化运行问题解耦为“最小惯量评估”和“优化运行”2 个步骤。该方法通过加入最小惯量约束的方式保障系统的频率稳定性，且可兼顾考虑调度手段和虚拟惯量补充手段对惯量不足场景的支撑作用。该方法思路清晰、易操作，优化运行模型的线性程度高，具有一定工程应用前景。最后，通过仿真分析验证了该方法的有效性和优越性。关键词：高比例新能源电力系统；虚拟惯量；最小惯量评估；频率稳定约束；优化运行 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1050 0 引言 随着“碳达峰、碳中和”目标的持续推进，构建新型电力系统已成为我国的重要能源战略之一。2021 年 9 月 22 日，国务院发布关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见1，明确指出：2030 年，我国风光总装机目标达到 12万亿 kW 以上，2060 年，我国非化石能源消费比重第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 503 超 80%。可见，电力系统即将迎来高比例新能源时代。然而，由于新能源固有的间歇性、不确定性等不友好特征，高比例新能源接入会给电力系统的安全稳定运行带来严峻挑战。其中，高比例新能源电力系统的频率稳定问题尤为突出。当前电力系统的调节资源以常规火电为主，然而在高比例新能源并网的背景下，火电的装机份额不断被风电与光伏发电取代，系统惯量水平和抗扰能力持续下降2，给电力系统的频率稳定带来威胁3，也给电力系统的优化调度运行提出了新的要求。为此，学者们针对考虑频率稳定的电力系统优化调度策略开展了大量研究。文献4针对系统频率的响应曲线采用直线近似的方法进行分析，建立考虑风电功率不确定性与频率安全约束的机组组合模型，以满足系统发生大功率扰动下的频率安全需要。文献5将风电并网系统的频率响应模型简化为开环形式，基于最低点频率建立动态频率约束并进行分段处理，有效提高了大规模风电渗透的电力系统频率稳定性。文献6计及电力系统源荷储多主体动态频率响应特性，构建了系统机组组合模型，在改善系统运行经济性的同时能够有效提高系统的频率安全水平。文献7考虑了各类型虚拟同步机(virtual synchronous generator，VSG)对微电网惯性和备用的贡献，分别构建了计及基准状态运行约束和预想故障冲击下频率稳定约束的优化调度模型。文献8采用综合惯性(synthetic inertia，SI)控制来表示风电机组和储能的频率响应模型，并将其纳入微电网的优化调度模型中，实现了从微电网角度提供频率的主动支撑。以上文献在如何将频率稳定约束有效内嵌进电力系统优化调度模型中开展了有益的探索，研究结论能够为制定面向高比例新能源电力系统的优化调度策略提供借鉴。但是，上述文献存在以下可完善之处：1）由于频率稳定相关约束通常具有强非线性，容易导致模型求解困难，现有文献中通常采用较为复杂的凸松弛技术、模型线性化技术或双层嵌套求解方法来应对，理论推导过程较为复杂，模型求解依赖较高的技术性和大量计算资源，导致以上方法在电力系统实际应用过程中面临一定阻碍。2）现有文献大多仅关注从调度手段出发解决频率约束问题，而增配储能、面向虚拟惯量提升的升级改造、甚至在未来惯量市场出现后，购置惯量等增加系统惯量的补充手段是否为更加经济的方式，在以上方法中尚未涉及相关讨论。近年来，最小惯量评估给电力系统优化运行策略的制定提供了新的解决思路。最小惯量评估通常用于衡量电力系统的抗扰能力，通过预想扰动下的频率变化率(rate of change of frequency，RoCoF)和频率偏差约束得到评估结果后，即可获知满足系统频率稳定性指标的最小惯量需求。该方法不需要内嵌复杂的凸松弛与线性化过程，不需要大量的优化计算资源，具有较好的工程化应用前景。目前，国内外在输电网最小惯量评估领域的研究尚处于起步阶段。文献9在构建 RoCoF 约束时考虑了静态负荷特性和动态频率空间分布特性，在频率最低点约束中计及了多类型调频资源的系统频率响应模型进行最小惯量评估。文献10针对大功率扰动下惯量响应与一次调频之间的相互作用进行了研究，以最低点频率为动态频率稳定约束建立评估模型，估算了系统的最小一次调频容量和最小惯性时间常数。上述研究具有良好的借鉴意义，但总体而言，在现有最小惯量求取方法中，大多采用离散化处理或基于线性化处理的方式来直接应对复杂系统频率响应问题，当系统调度资源种类丰富、数量众多且采用的控制策略类型各异的情况下，直接求得系统故障后的时域频率变化表达式将变得尤为困难，其给传统的系统最小惯量求取方法带来挑战。为此，本文提出了一种基于优化模型的高比例新能源电力系统的最小惯量评估方法，模型中详细考虑了常规火电机组、风电、光伏、储能和系统负荷的频率响应特性，通过将系统频率响应模型内嵌至优化问题中，并通过求解优化模型得到系统各时段的最小惯量需求。基于最小惯量评估结果，本文综合考虑调度手段和虚拟惯量补充手段，进一步提出了面向高比例新能源电力系统的优化运行方法，旨在保障系统频率稳定需求的前提下提升系统经济运行水平。本文首先分析了高比例新能源电力系统的最小惯量需求影响因素，建立了综合考虑各类调频资源的频率响应模型；其次，建立系统的最小惯量评估模型，求解得到各时段能够保障高比例新能源电力系统安全稳定运行的最低惯量需求；进而，结合得到的系统最小惯量需求，建立考虑最小惯量约束的优化运行模型，提出了系统惯量不足情况下的优化运行策略。最后，通过算例结果验证了本文方法的有效性。1 基于最