CN103715720A - 高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法 - Google Patents

Abstract

高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，属于电力系统控制技术领域。所述方法以一次备用打头阵，二次备用承前启后的原则，在增补一次调频备用容量，使得快速调频容量充裕，再运用波动窗原理计算电网二次调频备用容量，从而实现一次调频备用与二次调频备用的协调控制，保证电网安全稳定运行。本发明在高渗透率风电的电网运行中，一次调频备用与二次调频备用的协调配合，可以应对风电间歇性的扰动，稳定系统频率；运用波动窗原理进行二次备用分配，可以使发电机组在完成二次调频任务的同时，明显地减少调节次数，提高二次备用的效率。

Description

高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，涉及一种风电的一次和二次备用协调控制方法。

背景技术

随着风电并网的比例逐年提高，特别是在高渗透率风电并网的情况下，风电的随机性、波动性特点使电力供需平衡矛盾加剧，用传统备用调度方法进行电力有功平衡和实时控制异常困难。而电网要求实时平衡系统频率稳定，这时电网需有充足的备用容量来快速响应风电出力不规律造成的电力供需不平衡。如果备用不足会使电能质量下降，在紧急情况下甚至会危及系统的安全、稳定运行，如果备用过量则会造成容量浪费，电网不能实现经济运行。大规模风电并网后如何实现一次和二次备用协调控制的问题至今在全国范围内仍未能很好地解决。由于不同地区电网结构、负荷构成、机组性能等因素多种多样，各有特点，所以针对不同电网所采用确定方法也各不相同。

发明内容

本发明的目的是提供一种高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，以一次备用打头阵，二次备用承前启后的原则，在增补一次调频备用容量，使得快速调频容量充裕，再运用波动窗原理计算电网二次调频备用容量，从而实现一次调频备用与二次调频备用的协调控制，保证电网安全稳定运行。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

(1)一次调频备用建模：

按照下式确定一次调频备用容量：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\min \{(P_i^{\max }-P_i),(P_i^{\max }\×{\mathrm{\ΔP}}_i^{\′\max })\}\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a};$

式中：

—第i台发电机组出力上限，P_i—第i台发电机组出力，

—第i台发电机组一次调频上限，N—一次调频发电机机组个数；

(2)二次调频备用建模：

采用滚动平均法确定系统二次调频备用总需求容量，所述二次调频备用总需求容量是t时刻的实际净负荷值与该时刻的滚动平均净负荷值的差；

(3)按分配因子确定电网中各发电机组分担的二次调频备用容量：

设t时段系统中第i台发电机组分担的二次调节容量△P_2ti为：

${\mathrm{\ΔP}}_{2\mathrm{ti}}={\mathrm{\α}}_i\×{\mathrm{ACE}}_t+{\mathrm{\β}}_i\×\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_{1\mathrm{hi}};$

式中：ACE_t—第t时段区域控制偏差预测值，

—第t时段内消耗一次调频备用的总量，α_i—第i台发电机组对区域控制偏差的分配因子，β_i—第i台发电机组对一次调频备用消耗的分配因子，n—在二次调频周期内一次调频的个数，h=1,…,n；

(4)基于波动窗原理计算二次调频备用速率和时间：

二次调频备用速率RR为：

$\mathrm{RR}=\frac{p_{k\min }-p_{i\min }}{t_k-t_i};$

二次调频备用时间RT为：

RT=t_k-t_i             ；

式中：t_i、t_k—i、k两点处时刻，p_imax、p_kmax—i、k两点处二次调频备用爬升的最大量，p_imin、p_kmin—i、k两点处二次调频备用向不调整的最大量；

(5)当电网频率发生较大变化时，首先以系统的一次调频备用打头阵，由一次调频备用进行调节，然后启动系统的二次调频备用，二次调频备用增补一次调频备用容量，从而实现一次调频备用与二次调频备用的协调控制，保证电网安全稳定运行。

本发明具有如下有益效果：

1、在高渗透率风电的电网运行中，一次调频备用与二次调频备用的协调配合，可以应对风电间歇性的扰动，稳定系统频率。

2、以一次备用打头阵，二次备用承前启后的原则，在增补一次调频备用容量，使得快速调频容量充裕，二次备用对一次备用起到增补与支持的作用。

3、运用波动窗原理进行二次备用分配，可以使发电机组在完成二次调频任务的同时，明显地减少调节次数，提高二次备用的效率。

附图说明

图1为一次和二次备用协调关系图；

图2为基于波动窗原理计算二次调频备用速率和时间示意图；

图3为机组二次调频备用速率与备用时间计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供的高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，包括如下步骤：

一、一次调频备用建模

为了加强一次调频的“公开、公平、公正”性，我国对发电机组调速系统死区范围一般都给出了统一推荐值，普遍推广实行的频率f死区范围是[49.967Hz，50.033Hz]。在实行统一的频率死区范围后，电网频率的变化△f由下式计算得出：

$\mathrm{\Δf}=\left\{\begin{array}{cc}0& f_{\min }\≤f\≤f_{\max }\\ f-f_{\max }& f\≥f_{\max }\\ f-f_{\min }& f\≤f_{\min }\end{array}\right.---\left(1\right);$

其中，f是死区频率，f_min为死区下限频率，f_max为死区上限频率。

为了维持电网频率的稳定，一次调频备用不仅要有较高的响应速度，而且还要有充足的备用容量。根据DL755-2001《电力系统安全稳定导则》要求，电网一次调频备用容量安排应扣除不具备一次调频能力的机组，同时，确保电网发生单一元件故障后引起的功率偏差能有效控制在稳态频率，电网一次调频备用容量由式(2)确定：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\min \{(P_i^{\max }-P_i),(P_i^{\max }\×{\mathrm{\ΔP}}_i^{\′\max })\}\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}---\left(2\right);$

式中：—第i台发电机组出力上限；

P_i—第i台发电机组出力；

—第i台发电机组一次调频上限；

N—是一次调频发电机机组个数。

二、确定一次和二次备用协调关系

在净负荷预测的基础上，基于机组群体分担调整量的原则，建立一次备用打头阵、二次备用承上启下的协调机制。只有一、二次备用紧密配合，才能保证系统发生扰动时快速恢复频率，二次备用可实现无差调节，同时释放一次调频所调用的备用容量，在二次调频不能完全恢复一次调频所调用的备用时，三次备用必须恢复这部分备用容量并使频率回到标准值。一、二次备用无论在时间上还是在功能上都可以实现互补，共同应对间歇性扰动，维持电力系统安全、稳定运行。一次备用是旋转备用调节中最快者，也是抵御每一波冲击的第一道防线，二次备用承上启下，增补一次备用容量，为三次备用打冲锋，三次备用为一、二次备用提供补充，使一、二次备用裕量充足，为下一次净负荷冲击做好准备。一、二次备用之间的关系如图1所示。

三、二次调频备用建模

当区域电网频率发生较大波动时，首先由响应较快的一次调频进行调节，由于系统一次调频能力有限，无法完全平抑系统净负荷波动，这时启动系统的二次调频备用。由于二次调频备用能有效地调整分钟级负荷波动，并实现无差调节，二次备用对一次备用可以起到增补与支持的作用，一、二次备用在调节速率和功能上，具有互补的特性，电网运行中协调调度一、二次备用对快速恢复系统频率显得尤为重要。但二次备用调节使发电机组偏离经济运行点，这就需要由三次备用调度进行优化。所以说二次调频备用承上启下，连接着一次调频备用和经济调度备用，起着至关重要的作用。本发明采用滚动平均法来确定系统二次调频备用的需求容量。首先对历史净负荷数据进行求滚动平均值，求滚动平均的计算公式为：

${\mathrm{AVGP}}_{\mathrm{net}}^t=\mathrm{Average}[P_{\mathrm{net}}^{t-(m-1)},P_{\mathrm{net}}^{t-(m-2)},...,P_{\mathrm{net}}^t,P_{\mathrm{net}}^{t+1},...,P_{\mathrm{net}}^{t+m}]---\left(3\right);$

式中：

——t时刻滚动平均净负荷值；

——t时刻的净负荷值；

m——每次求滚动平均值的时段长度。

二次调频备用需求容量是t时刻的实际净负荷

与该时刻滚动平均值

的差。当求滚动平均的时段长度较长时，得到的净负荷曲线较为平缓，当用真实的净负荷与求滚动平均后的净负荷做差，求得的二次调频备用需求分量会较大。对于含高渗透率风电的区域电网，由于净负荷波动较大，可以选择求滚动平均的时段长度为5min。目前，根据国家电网公司有关文件要求，二次调频可调容量应占系统总容量的3～5%，或者按系统最大负荷的8～10%进行配置。

系统中秒级变化的负荷随机波动由一次调频来承担，二次调频备用主要负责调整分钟级周期的负荷波动，并实现无差调节，使频率复归。二次备用容量相比于一次调频容量较大，可实现对一次调频增补与支持的作用。

四、建立“承前启后”的二次备用分配策略

1、按分配因子确定电网二次调频备用容量

本发明在原有电力系统按分配因子分配电网二次调频备用容量的基础上，为了实现一次调频备用与二次调频备用的协调配合，加入增补一次调频备用容量项，这样就能空出部分一次快速调频容量，使得快速调频容量充裕，为应对风电连续的扰动做好准备。设t时段系统中第i台发电机组分担的二次调节容量△P_2ti为：

${\mathrm{\ΔP}}_{2\mathrm{ti}}={\mathrm{\α}}_i\×\mathrm{AC}{E}_t+{\mathrm{\β}}_i\×\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_{1\mathrm{hi}}---\left(4\right);$

式中：ACE_t—第t时段区域控制偏差预测值(MW)；

—第t时段内消耗一次调频备用的总量；

α_i—第i台发电机组对区域控制偏差的分配因子；

β_i—第i台发电机组对一次调频备用消耗的分配因子；

n是在二次调频周期内一次调频的个数；

h=1,…,n。

2、基于波动窗原理计算二次调频备用速率和时间

由于二次调频备用主要应对的是净负荷引起的分钟级波动，这就需要二次调频机组频繁动作，这既不利于电网的经济运行，同时也增加了机组的磨损程度。本发明引入一种广泛应用于和时间强相关的数据集对象的“波动窗”算法。利用该算法可以使发电机组在完成二次调频任务的同时，显著减少调节次数，其原理如图2所示。

在图2中，各数字点为二次调频备用发电运行点预测值，其上下的波动量为该时段内二次调频备用可达到的范围。以图2为例，平行四边形abcd可视为一个窗口，点2位于abcd这个窗口内，点2，3位于abef窗口内，所以点1～4的二次调频备用爬升速率可用ae或bf的斜率来表示，即1～4这3个时间段内，二次调频备用可按同一速率爬升。而点4则不同，当连接1，5的上下边界时，点4在窗口之外，故把4称为转折点。所以在点4以后，则以点4为起点画“波动窗”。这样，不同时间段内不同“波动窗”的斜率就决定了该时段内的二次调频备用速率。如图2所示，ρ_1-4,ρ_4-8决定了二次调频备用速率，σ₁～σ₇决定了二次调频备用时间。

下面以i、j、k三点为例，给出二次调频备用速率和二次调频备用时间的计算方法。根据线性规划理论方法，要使j点位于i点与k点形成的波动窗口中，只需满足：

$(\frac{p_j-p_{i\max }}{t_j-t_i}-\frac{p_{k\max }-p_{i\max }}{t_k-t_i})(\frac{p_j-p_{i\min }}{t_j-t_i}-\frac{p_{k\min }-p_{i\min }}{t_k-t_i})\≤0---\left(5\right);$

二次调频备用速率RR为：

$\mathrm{RR}=\frac{p_{k\min }-p_{i\min }}{t_k-t_i}---\left(6\right);$

二次调频备用时间RT为：

RT=t_k-t_i          (7)；

式中：t_i、t_k—i、k两点处时刻；

p_imax、p_kmax—i、k两点处二次调频备用爬升的最大量；

p_imin、p_kmin—i、k两点处二次调频备用向下调整的最大量。

二次调频备用速率与备用时间算法流程如图3所示，程序初始只需赋予i=0，j=0，输入5min电网负荷预测值及机组当前出力，即可得到各机组二次调频备用速率与备用时间。

Claims (5)

1.高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，其特征在于所述方法为：

(1)一次调频备用建模：

按照下式确定一次调频备用容量：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\min \{(P_i^{\max }-P_i),(P_i^{\max }\×{\mathrm{\ΔP}}_i^{\′\max })\}\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a};$

式中：—第i台发电机组出力上限，P_i—第i台发电机组出力，

—第i台发电机组一次调频上限，N—一次调频发电机机组个数；

(2)二次调频备用建模：

采用滚动平均法确定系统二次调频备用总需求容量，所述二次调频备用总需求容量是t时刻的实际净负荷值与该时刻的滚动平均净负荷值的差；

(3)按分配因子确定电网中各发电机组分担的二次调频备用容量：

设t时段系统中第i台发电机组分担的二次调节容量△P_2ti为：

${\mathrm{\ΔP}}_{2\mathrm{ti}}={\mathrm{\α}}_i\×\mathrm{AC}{E}_t+{\mathrm{\β}}_i\×\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_{1\mathrm{hi}};$

式中：ACE_t—第t时段区域控制偏差预测值，

—第t时段内消耗一次调频备用的总量，α_i—第i台发电机组对区域控制偏差的分配因子，β_i—第i台发电机组对一次调频备用消耗的分配因子，n—在二次调频周期内一次调频的个数，h=1,…,n；

(4)基于波动窗原理计算二次调频备用速率和时间：

二次调频备用速率RR为：

$\mathrm{RR}=\frac{p_{k\min }-p_{i\min }}{t_k-t_i};$

二次调频备用时间RT为：

RT=t_k-t_i  ；

式中：t_i、t_k—i、k两点处时刻，p_imax、p_kmax—i、k两点处二次调频备用爬升的最大量，p_imin、p_kmin—i、k两点处二次调频备用向下调整的最大量；

(5)当电网频率发生较大变化时，首先以系统的一次调频备用打头阵，由一次调频备用进行调节，然后启动系统的二次调频备用，二次调频备用增补一次调频备用容量，从而实现一次调频备用与二次调频备用的协调控制，保证电网安全稳定运行。

2.根据权利要求1所述的高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，其特征在于所述步骤(2)中，滚动平均值的计算公式为：

${\mathrm{AVGP}}_{\mathrm{net}}^t=\mathrm{Average}[P_{\mathrm{net}}^{t-(m-1)},P_{\mathrm{net}}^{t-(m-2)},...,P_{\mathrm{net}}^t,P_{\mathrm{net}}^{t+1},...,P_{\mathrm{net}}^{t+m}];$

式中：

——t时刻滚动平均净负荷值，

——t时刻的净负荷值，m—每次求滚动平均值的时段长度。

3.根据权利要求1所述的高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，其特征在于所述步骤(4)中，二次调频备用速率和二次调频备用时间需要满足以下条件：

$(\frac{p_j-p_{i\max }}{t_j-t_i}-\frac{p_{k\max }-p_{i\max }}{t_k-t_i})(\frac{p_j-p_{i\min }}{t_j-t_i}-\frac{p_{k\min }-p_{i\min }}{t_k-t_i})\≤0.$

4.根据权利要求1所述的高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，其特征在于所述步骤(5)中，电网频率变化△f由下式计算得出：

$\mathrm{\Δf}=\left\{\begin{array}{cc}0& f_{\min }\≤f\≤f_{\max }\\ f-f_{\max }& f\≥f_{\max }\\ f-f_{\min }& f\≤f_{\min }\end{array}\right.;$

其中，f是死区频率，f_min为死区下限频率，f_max为死区上限频率。

5.根据权利要求4所述的高渗透率风电的一次和二次备用协调控制方法，其特征在于所述死区频率f的范围是[49.967Hz，50.033Hz]。

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