CN106505619B - 一种考虑水电和风电场联合进行电网黑启动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑水电和风电机组联合进行电网黑启动的方法，首先在电网全停的情况下，由具备自启动能力的水电机组自启动；启动成功的水电机组为被启动的火电机组提供厂用电；为防止一次投入负荷过大可能导致因频率波动过大造成系统崩溃，采用负荷分批投入的方法；小系统稳定后，逐步投入风电场内的风电机组，通过控制水轮机输出保持水电和风电场联合运行系统总输出维持给定功率值；联合系统继续为其他火电机组提供厂用电，直至达到保留一定裕度下的最大输出功率。本发明用水电机组来平抑由于风速的波动性和间歇性导致的风电场输出功率波动，通过控制水轮机实现风水联合运行，使水电和风电场联合向电力系统提供较为稳定的黑启动功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统的运行、分析与调度领域，特别涉及一种考虑水电和风电机组联合进行电网黑启动的方法。
背景技术
随着社会的进步，经济的快速发展，电力用户和用电量大幅提高，电力需求越来越大。当前大容量的临界、超临界机组，高压、特高压长距离输电线路，交直流混合输电系统大量投入使用，电力系统向着大规模化迈进。由于人员操作失误或自然灾害等引起的电网事故可能会造成电网崩溃，酿成大面积、长时间的停电事故，严重影响人们的生产生活，给国民经济带来巨大损失和不良后果。随着电力系统规模和容量的增大，对电力系统的供电安全有了更高的要求，一旦发生电网系统的大面积停电，如何快速稳定的恢复电网的供电，是保证电网安全的基础。因此电力系统的黑启动研究有着重要的意义。
在电网发生大面积停电事故后，必须迅速进行黑启动，启动电网全停应急预案，在最短时间恢复电网出力，减少经济损失和社会动荡。制定黑启动方案首先要选定黑启动电源机组，传统的黑启动机组包括水轮机组，燃气机组和柴油发电机组。
随着风力发电的发展，风电场也可以作为本地黑启动的启动电源。但是风电场输出功率的不稳定、波动大导致了风电场不适合直接作为黑启动电源。虽然通过储能装备的配合可以平抑风电场的波动，但目前来说成本比较高。对于水电容量不足而风电容量比较充沛的电网黑启动子系统来说，考虑到风电和水电的互补性，可以用水电机组来平抑由于风速的波动性和间歇性导致的风电场输出功率波动，通过控制水轮机实现风水联合运行，使水电和风电场联合向电力系统提供较为稳定的黑启动功率输出。
发明内容
本发明针对水电容量不足而风电容量比较充沛的电网黑启动子系统的黑启动问题，提供一种用水电机组平抑风电场输出功率波动，通过控制水轮机实现风水联合运行的电网黑启动方法。包括：
步骤1、电网全停的情况下，由具备自启动能力的水电机组自启动；
步骤2、启动成功的水电机组为被启动的火电机组提供厂用电，包括：给水泵电机、循环泵电机、充灰泵电机、除尘泵电机、碎煤机电机等；为防止一次投入负荷过大可能导致因频率波动过大造成系统崩溃，采用负荷分批投入的方法；
步骤3、小系统稳定后，逐步投入风电场内的风电机组，通过控制水轮机输出保持水电和风电场联合运行系统总输出维持给定功率值；联合系统继续为其他火电机组提供厂用电，直至达到保留一定裕度下的最大输出功率。
在上述的一种考虑水电和风电场联合进行电网黑启动的方法，所述步骤3中，控制水轮机输出的具体方法是：
定义Pc为黑启动所需功率；Pw为风电场未来15s预测输出功率；Ph为水轮机理想输出功率，其值为黑启动所需功率Pc与风电预测输出功率Pw之差；Pg为水轮机实际输出功率。
控制方法是基于混沌时间序列的支持向量机短期风电功率预测模型来预测未来15s的风电输出功率，将其和黑启动所需功率的差值作为水轮机的期望输出，通过水电的快速调节能力跟踪调节、补偿风电输出功率的波动，从而提供较为稳定的黑启动功率输出。
附图说明
附图1是本发明涉及的风水联合运行原理图。
附图2是本发明涉及的风水联合控制原理图。
附图3是本发明涉及的仿真试验系统图。
附图4是本发明实施例中水电机组#1机输出有功功率曲线图。
附图5是本发明实施例中风电场1输出有功功率曲线图。
具体实施方式
本发明针对水电容量不足而风电容量比较充沛的电网黑启动子系统的黑启动问题，提出一种用水电机组平抑风电场输出功率波动，通过控制水轮机实现风水联合运行的电网黑启动方法。
水轮机的调节时间为15s左右，为使水轮机调节能跟踪上风电的波动，基于混沌时间序列的支持向量机短期风电功率预测模型来预测未来15s的风电输出功率。具体步骤如下：(1)分析风电功率时间序列的混沌特性，选取最佳嵌入维数m和延迟时间τ，本控制模型里τ取15s；计算样本的关联维数及最大Lyapuno指数等参数。采用小数据量法方法计算时间序列的最大Lyapuno指数，利用G-P算法确定嵌入维数m。(2)对于风电功率时间序列的预测，通过到目前时刻为t已知的序列值来预测将来t+τ时刻的序列值。实际操作上一般是通过建立一个映射关系来实现。用前m个采样点来构造一个t+τ时刻序列映射关系：[x(t-(m-1)τ),x(t-(m-2)τ),…,x(t),x(t+τ)]。
式中，x(t-(m-1)τ),x(t-(m-2)τ),…,x(t)为最小二乘支持向量机模型的输入数据；x(t+τ)为最小二乘支持向量机模型的预测输出，m为嵌入维数，τ为延迟时间。(3)根据贝叶斯框架下的最小二乘支持向量机对风电功率进行预测。
预测风电场未来15s的输出功率后，将其和黑启动所需功率的差值作为水轮机的期望输出，通过水电的快速调节能力跟踪调节、补偿风电输出功率的波动，从而提供较为稳定的黑启动功率输出。
控制水轮发电机的输出功率与风电功率进行互补的原理如图1所示。其中，Pc为黑启动所需功率；Pw为风电场未来15s预测输出功率；Ph为水轮机理想输出功率，其值为黑启动所需功率Pc与风电预测输出功率Pw之差；Pg为水轮机实际输出功率。
风水联合运行控制原理图如图2所示。
Wa(s)为水轮机调速器的比例积分微分调节模块，其动态特性为
式中：Kp、K1、KD分别为比例增益、积分增益、微分增益；yin为导叶接力器开度给定(标么值)；yPID为PID调节输出的导叶接力器开度(标么值)；Pc和P分别为功率给定和输出功率；fc和f分别为频率给定和输出频率；Δf为频差；Δf′为经过频率死区ef后的频率偏差；bt为暂态转差系数；Td为缓冲时间常数；Tn为加速度时间常数。
W2(s)为水轮机机械液压系统模块，特性为
式中：y为机械液压系统输出变量；Ty为接力器响应时间常数，取值范围为0.05～0.25s。
W1(s)为水轮机及引水系统模块，其动态特性为
式中：Tw为水流惯性时间常数，取值范围为0.5～4s；y为接力器导叶开度。
控制原理是提前预测由于风速的波动性和间歇性导致的风电功率随机变化的情况，将风电并网的差额功率作为水轮发电机组的期望输出功率，通过在水轮发电机组的PID微机调速器实现对水轮发电机组的功率闭环控制，达到当风电功率发生变化时，水电能快速跟踪补偿风电的波动。
风水联合进行黑启动的具体步骤如下：
1、电网全停的情况下，由具备自启动能力的水电机组自启动；
2、启动成功的水电机组为被启动的火电机组提供厂用电，包括：给水泵电机、循环泵电机、充灰泵电机、除尘泵电机、碎煤机电机等。为防止一次投入负荷过大可能导致因频率波动过大造成系统崩溃，可采用负荷分批投入的方法，每投一组负荷应检测试验系统的频率及各部分电压，待系统频率、电压稳定后，再投入其他负荷；
3、小系统稳定后，逐步投入风电场内的风电机组，通过控制水轮机输出保持水电和风电场联合运行系统总输出维持给定功率值。启动过程中应合理设置电力系统稳定器(PSS)参数，阻尼功率振荡，提高联合运行系统的动态品质；
联合系统继续为其他火电机组提供厂用电，直至达到保留一定裕度下的最大输出功率。
下面以某地具体案例为例。
某系统水电#1机装机容量为50MW，参数选取如表1所示；风电场装机容量为50MW。通过水电#1机和风电场1联合运行启动被启动火电#1机。
表1水电机组参数对照表
为启动火电#1机，通过高备变为火电#1机提供厂用电20MW。在0-60秒内，火电#1机厂用电逐步投入，水电#1机出力同步增加到20MW，之后厂用电一直保持在20MW，以保证火电#1机能否成功启动成功。实际过程厂用电负荷负荷是分批投入的，变化过程和本仿真显示的平滑变化有差异，本仿真只是做了理想化处理。从120秒开始逐步投入风机，同时降低水电出力，直至210秒水电#1机和风电场各承担10MW的有功负荷。210秒后，随着风电机组出力的波动，火电#1机相应进行跟踪调节，以保证总出力维持在20MW。水电#1机和风电场1的出力仿真结果如图4、图5所示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种考虑水电和风电场联合进行电网黑启动的方法，其特征在于，水轮机的调节时间为15s，为使水轮机调节能跟踪上风电的波动，基于混沌时间序列的支持向量机短期风电功率预测模型来预测未来15s的风电输出功率；具体步骤如下：(1)分析风电功率时间序列的混沌特性，选取最佳嵌入维数m和延迟时间τ，本控制模型里τ取15s；计算样本的关联维数及最大Lyapuno指数参数；采用小数据量法方法计算时间序列的最大Lyapuno指数，利用G-P算法确定嵌入维数m；(2)对于风电功率时间序列的预测，通过到目前时刻为t已知的序列值来预测将来t+τ时刻的序列值；实际操作上通过建立一个映射关系来实现；用前m个采样点来构造一个t+τ时刻序列映射关系：[x(t-(m-1)τ),x(t-(m-2)τ),…,x(t),x(t+τ)]；
式中，x(t-(m-1)τ),x(t-(m-2)τ),…,x(t)为最小二乘支持向量机模型的输入数据；x(t+τ)为最小二乘支持向量机模型的预测输出，m为嵌入维数，τ为延迟时间；(3)根据贝叶斯框架下的最小二乘支持向量机对风电功率进行预测；
预测风电场未来15s的输出功率后，将其和黑启动所需功率的差值作为水轮机的期望输出，通过水电的快速调节能力跟踪调节、补偿风电输出功率的波动，从而提供较为稳定的黑启动功率输出；
控制水轮发电机的输出功率与风电功率进行互补原理中，定义Pc为黑启动所需功率；Pw为风电预测输出功率；Ph为水轮机理想输出功率，其值为黑启动所需功率Pc与风电预测输出功率Pw之差；Pg为水轮机实际输出功率；
Wa(s)为水轮机调速器的比例积分微分调节模块，其动态特性为
式中：Kp、K1、KD分别为比例增益、积分增益、微分增益；yin为导叶接力器开度给定；yPID为PID调节输出的导叶接力器开度；Pc和P分别为黑启动所需功率和输出功率；fc和f分别为频率给定和输出频率；Δf为频差；Δf′为经过频率死区ef后的频率偏差；bt为暂态转差系数；Td为缓冲时间常数；Tn为加速度时间常数；
W2(s)为水轮机机械液压系统模块，特性为
式中：y为机械液压系统输出变量；Ty为接力器响应时间常数，取值范围为0.05～0.25s；
W1(s)为水轮机及引水系统模块，其动态特性为
式中：Tw为水流惯性时间常数，取值范围为0.5～4s；y为接力器导叶开度；
控制原理是提前预测由于风速的波动性和间歇性导致的风电功率随机变化的情况，将风电并网的差额功率作为水轮发电机组的期望输出功率，水轮发电机组的PID微机调速器对水轮发电机组进行功率闭环控制，当风电功率发生变化时，水电能能够快速跟踪并补偿风电的波动；
风水联合进行黑启动的具体步骤如下：
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联合系统继续为其他火电机组提供厂用电，直至达到保留一定裕度下的最大输出功率。
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