考虑负荷特性的区域电网在线转动惯量快速估计算法_曾辉.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）02-0423-12 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑负荷特性的区域电网在线转动惯量快速估计算法曾辉1,2，苏安龙3，葛延峰3，陈晓东3，李正文3，王顺江3，赵鹏3，李卫东1（1大连理工大学电气工程学院，辽宁省 大连市 116024；2国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁省 沈阳市 110006；3国网辽宁省电力有限公司，辽宁省 沈阳市 110006）Fast Estimation Algorithm for On-line Moment of Inertia of Regional Power Grid Considering Load Characteristics ZENG Hui1,2,SU Anlong3,GE Yanfeng3,CHEN Xiaodong3,LI Zhengwen3,WANG Shunjiang3,ZHAO Peng3,LI Weidong1(1.School of Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang 110006,Liaoning Province,China;3.State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang 110006,Liaoning Province,China)1ABSTRACT:The system moment of inertia resources is becoming increasingly scarce with the continuous increase of the proportion of renewable energy capacity.It is necessary to accurately estimate it to provide a good basis for the operation analysis.The moment of inertia of a power system is composed of the power generation side one and the load side one.The moment of inertia at the power generation side can be accurately obtained by statistics,while the one at the load side is difficult to obtain due to its large number and dispersion.Starting from the analysis of the load side inertia mechanism,through the analysis of the load power and the voltage change rate before and after the disturbance,the equivalent inertia characteristics of the constant impedance,the synchronous motor and the asynchronous motor load are theoretically deduced in the way of the disturbance method.Then,the inertia characteristics of various loads are clarified and an on-line fast estimation of the overall moment of inertia of the system considering the inertia characteristics of both sides of the source load is proposed.The simulation analysis verifies the correctness of the analysis conclusion of the load side inertia characteristics.Based on the measured data of two frequency fluctuation events in a regional power grid in 2019 and 2020,there is only an error within 5%between the estimated values 基金项目：国家电网有限公司科技项目(合同号 2021YF-11)：“数据驱动的高比例新能源接入下辽宁电网转动惯量量化评估方法研究”。Project Supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(2021YF-11):“Research on Quantitative Evaluation Method of Moment of Inertia of Liaoning Power Grid Under Data-driven High Proportion Renewable Energy Access”.of the system inertia by the proposed method and by the disturbance method.KEY WORDS:moment of inertia;synchronous motor;disturbance method;statistical method;frequency fluctuation event 摘要：随着新能源容量占比的不断提升，系统转动惯量资源日益短缺，需要对其进行准确估计为运行分析提供良好基础。电力系统转动惯量由发电侧和负荷侧构成，发电侧可利用统计法准确获得，而负荷侧由于数量多且分散而难以获取。从负荷侧惯量机理分析入手，以扰动法的方式通过扰动前后负荷功率及电压变化率的分析，对恒阻抗、同步电动机和异步电动机负荷的等效惯量特性进行理论推导，以明确各类负荷的惯量特性，进而提出了考虑源荷两侧惯量特性的系统整体转动惯量在线快速估计方法。仿真分析验证了所做负荷侧惯量特性分析结论的正确性；利用 2019、2020 年某区域电网2 次频率波动事件实测数据进行分析，所提方法的系统惯量估计值与扰动法估计值之间的误差在5%以内。关键词：转动惯量；异步电动机；扰动法；统计法；频率波动事件 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0312 0 引言 惯量是频率稳定控制的第一道防线，其为频率一次调节的介入赢得时间，是频率安全的主要保障。近年来，随着新能源容量占比的不断提升，作为频率控制主力资源的常规机组逐步退出运行，导致系统转动惯量降低所造成的频率崩溃所引发的424 曾辉等：考虑负荷特性的区域电网在线转动惯量快速估计算法 Vol.47 No.2 大停电事故频发1-5。我国电网新能源发展目标的确定加剧了频率波动的危险性6，需要在运行与控制中重点关注7-9。在电网运行计划编制与实时控制中，系统转动惯量是相关计算中的基本参量，其准确与否对系统分析的可信性至关重要。因此，需要对系统的实时惯量水平进行在线准确估计。我国虽然已有系统整体惯量的定性与定量分析研究，但未见负荷侧惯量的计算方法及基于实测数据的算例。扰动法是依据系统受扰后的系统状态参量，利用线性化转子运动方程，计算系统整体等效转动惯量的方法，其已在国内外电网规划与事故分析中得到了应用10-16。系统整体转动惯量来源可分为两部分：发电侧转动惯量和负荷侧转动惯量。发电侧惯量资源数量，如常规机组，其数量可利用铭牌参数获取，故可对所有元件通过统计计算求取。负荷侧由于分散且元件数量大，一般是采取先通过扰动法获取系统整体惯量，然后减去利用统计法所获得的发电侧惯量的方式获得17-18。部分地区电网中异步电机的负载可占系统负载的 60%以上，其受扰后几十秒内的系统负荷动态过程主要是由感应电动机引起19-21，因此，该地区电网的系统转动惯量性态由异步电动机的惯量特性所主导。研究表明，负荷侧的惯性可以占系统惯性的 20%左右18。文献22指出感应电动机所占比例越大对频率的影响越大，因此，如果能够准确估计异步电机的惯量，则可为系统惯性水平的精确估计奠定良好基础。与同步电动机不同，异步电机复杂的机械特性和电磁特性使得惯性机理十分复杂，其整体惯性呈现多变性质。文献23在假定异步电动机机端电压固定不变的前提下，探讨了异步电动机频率特性，进而分析其惯性特性；由于在受扰后，不仅负荷端电压有所改变，其输出有功功率和无功功率均同时发生变化，这些因素都会较为显著地影响异步电动机的惯性响应进程，这使得依据文献23方法所做出的分析与实际存在偏差。文献24对综合负荷模型静态和动态负荷中的频率相关部分进行了改进，以电压和频率为输入量进行负荷建模并仿真验证。文献25指出，考虑频率特性所得负荷模型参数辨识结果更精确，拟合效果更好。本文以确定负荷侧等效转动惯量为出发点，对恒阻抗、同步电动机和异步电动机的惯量特性进行剖析，提出了一种计及恒阻抗和异步电动机占比的区域电网转动惯量在线快速估计方法，利用 2019、2020年某区域电网2次频率波动事件的历史数据进行分析，验证了所提出在线快速估计方法的合理与准确。1 系统等效转动惯量估计方法 1.1 系统等效转动惯量 电力系统的频率动态特性与系统中的电源备用容量大小、负荷调节效应、电源机组的机械惯性和负荷的机械惯性等相关21。因此本文分析系统转动惯量的 2 个前提是：1）独立电网，忽略联络线传送的功率；2）系统电源备用充足，随时可补充功率缺额。在此前提下，分别介绍扰动法、统计法和负荷侧等效转动惯量算法。对于转动惯量为 Jtbi的第 i 个同步发电机，其惯性时间常数的有名值 Htbi和标幺值*tbiH描述了发电机转动动能状态，与刚体转动动能 Eg的表达方式 相同：2ggg2tbttb2*tbttbN1222iiiiEJ J HJ HS(1)式中：Jg为刚体对转轴的转动惯量；g为刚体绕轴的角速度26；SN为额定容量；t为单台同步发电机平均角速度；Htbi代表了同步发电机的转动动能，也是单位时间内外力矩所做的功，在单机转动惯量Jtbi不变的条件下，Htbi与角速度 t2成正比。同步发电机组运动方程14,27-29为 tbtjd202ddiHTTTt (2)式中：Tj为输入机械力矩；Td为输出电磁力矩(即负荷)；Htbi为同步发电机组惯性时间常数有名值；dt/dt 为同步发电机组的角加速度；0为角速度初始值。功率 P 与角速度、力矩 T 之间存在转换关系；与频率 f 存在转换关系，如下式所示：2PTf(3)由式(2)(3)得到传递函数：tbttbtjd002d2dddiiHHfPPtft(4)式中：Pj为原动机功率；Pd为发电机电磁功率；0和 f0为角速度和频率的初始值；dt/dt 和 dft/dt 为角 第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 425 加速度和频率加速度；ft为频率现值；f0为频率初始值。由式(1)可得：biNt