CN107147133B - 一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，涉及电力系统运行控制与新能源消纳领域。通过构建电网分时多频鲁棒控制模型，以不确定消纳量需求与负荷频率响应间的调度期望关系作为状态方程，在鲁棒控制模型的反馈环节中加入反馈加权方程。最后，建立本发明的电网分时多频鲁棒控制模型的求解方程，实现模型最优解的证明与求解。通过本发明的电网分时多频鲁棒控制模型最优解的实施，能够实现虚拟频率控制跟随新能源不确定性波动，满足状态方程中的期望关系，其中所求得的虚拟频率控制量在实际运行中以相应调频单元等效响应，最终实现电网对新能源发电量的按期望消纳。
Description
所属技术领域
本发明涉及电力系统运行控制与新能源消纳领域，特别涉及一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法。为提升电力系统在负荷低谷时段的新能源消纳能力。
背景技术
随着新能源发电技术的不断发展，含高比例新能源电网已成为未来电力系统结构发展的必然趋势。同时，由于新能源发电具有随机性、波动性、反调峰等的特点，提升电网侧消纳能力是新能源发电稳定运行、可持续发展的有效措施。目前国内外科研领域，关于新能源消纳技术的发展，主要包括：新能源发电储热消纳技术、基于多元火电/水电机组快速启停的风电消纳技术、基于需求侧响应的风电消纳技术、跨区互联电网能源互补消纳技术等。但是因为新能源出力的间歇性与不确定性，以及现有电网运行调度方法合理性的欠缺，造成严重的弃新能源现象。
在目前新能源电网消纳能力提升分析与研究中，主要聚焦在电力系统充裕性方面，其中包括机组备用的合理优化、储能单元的裕度调峰、抽水蓄能以及火电机组的深度调峰等等，然而在系统稳定性方面，却独立于充裕性进行分析，在充裕性与安全稳定性方面缺乏科学合理的中间变量进行模型求解与推导，本发明提出虚拟频率变量，考虑虚拟频率变量变化下电网消纳风电能力，求解计算出分时控制虚拟频率的响应方式，应用该响应控制方式来指导电网中调频单元的合理动作。
专利CN201610105893.5中提出了一种用于提升新能源消纳能力的动态峰谷分时电价方法，动态引导用户理性用电，建立了考虑动态峰谷电价的需求响应评估模型，模拟用户根据新能源预测出力的变化而动态响应，从而促进新能源消纳。与本发明专利的区别之处在于，该专利通过需求侧电价激励政策来实现新能源消纳，而本发明基于新能源消纳的频率响应特性原理，从物理原理、安全稳定性、充裕性三个层面提出了一种分时多频率响应的鲁棒控制方法，既能够满足决策者对消纳量的期望，同时又给出了稳定性与充裕性的数学关系模型，解决了新能源消纳充裕性的同时，兼顾了系统安全稳定运行特性。
发明内容
本发明的研究目标为：本发明突破传统电网运行方式，充分利用负荷低谷时段出力特性，负荷结构时段变化特性，电网周波频率响应特性，提出了含新能源电网的分时多频灵活消纳控制方法。在本发明中提出一个概念为虚拟频率，以下所阐述的频率均指虚拟频率，虚拟频率在计算求解中等效于频率，在电网实施中，依据本发明模型所计算得出的虚拟频率值作为指标，采用相应措施(储能、负荷转移等)等效该虚拟频率计算值的响应量。通过控制系统在合理范围内的运行频率响应，抑制新能源发电出力的不确定性，满足系统消纳量期望值。本发明提出了一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，利用负荷时序特性与电网周波频率响应，构建电网分时多频鲁棒控制器，以不确定消纳量需求与负荷频率响应间的调度期望关系作为状态变量，建立预测值与模型值加权求解作为控制器反馈，实现电网分时多频鲁棒控制。通过本发明的实施，能够实现在不确定新能源消纳需求下，通过电网频率响应的超前调整，消纳所期望的新能源发电量。
本发明的技术方案是：
一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，包括如下步骤：
步骤1：提出虚拟频率概念，本发明说明书所涉及的频率均为虚拟频率，其含义在于虚拟频率代表模型计算中的频率变量，该变量的作用将电网稳定变量与电网充裕过程有效衔接起来，然而，在电网实际运行时应以该虚拟频率的求解值作为指导，采用相应措施等效替代虚拟频率所产生的响应量，措施一般指储能、可转移负荷等。
步骤2：模型基础数据收集、预测与统计。其中包括：新能源出力预测曲线、日负荷预测曲线、区域电源的装机容量、区域电源技术最小出力统计；
步骤3：构建一种电网分时多频消纳控制模型，定义数学表达式，表示如下：
其中：J(fc,Pw)为模型的目标函数，y(t)为模型输出矩阵；x(t)为模型系统的状态变量；为状态变量的一阶导数；δ为L2e增益同时也是待消纳量Pw(t)的期望成本系数；KL(t)为负荷频率调节因子；fc(t)为电网频率控制量；fN(t)为电网基准频率；C为负荷频率调节因子有效集；fc(t)为频率控制允许下限，为频率控制允许上限。
步骤3.1：建立目标函数，以应对Pw最大变化时调整fc使控制系统增益最小为目标。表示如下：
步骤3.2：建立状态方程，即定义频率控制量fc(t)与不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)之间关系的状态变量。其物理含义为负荷频率响应量与待消纳期望值的平衡状态约束。表示如下：
其中：β(t)为待消纳量Pw(t)与负荷频率响应量的调控期望系数。
步骤4：为提高步骤3模型解的实时鲁棒性，建立步骤3模型解与预测解的加权求解方程，设计反馈方程，表示如下：
其中：α(t)为权向量；f(t)为待加权向量；fc *(x)为步骤3中的模型解；f’(t)为t时刻预测解；α*(t)为α(t)中模型解的加权系数；α’(t)为α(t)中预测解的加权系数；fΔ(t)为分时多频控制模型的最优解，f(t)为频率控制允许下限，为频率控制允许上限；
步骤5：建立步骤3中目标函数的Hamilton函数，提出步骤4中模型最优解的求解方程。
步骤5.1：求解负荷频率响应系数KL(t)，表示如下：
其中：fN为频率标幺值的基准；f*为频率标幺值；PL*(t)为负荷功率标幺值；ak(t)为负荷结构因子，表示各类负荷的结构比例，具有分时性。
步骤5.2：建立目标函数的Hamilton函数，求解函数极值，表示如下：
Hamilton函数：
函数极值：
其中：V∈Rn是lagrange乘子向量，又叫协态向量，VT为协态向量转置；
步骤5.3：求解步骤5.2中函数极值，当Hamilton函数不大于0时，存在非负解，得出Hamilton不等式中协态向量V的解。表示如下：
步骤5.4：将步骤5.3中的非负解带入步骤5.2中的函数极值中，同时采用步骤4中反馈方程，最终得出模型最优解的求解方程。表示如下：
有益效果：
本发明提出虚拟频率概念，依据负荷频率响应的分时特性、多频运行跟随不确定性消纳量鲁棒控制特性，提出了一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，突破安全稳定频率指标与充裕消纳的相对独立限制，科学合理分时段控制电网多频运行，以虚拟频率为当量，给出调频单元的动作指标值，进一步增加大规模新能源消纳电量，实现了电网分时多频灵活控制下新能源的合理消纳。本发明减轻负荷低谷时段电网调峰压力，以新的技术形式提升了新能源消纳能力，促进电网运行的现代化与清洁化，具有巨大的经济效益和社会效益。同时，对现代电网的新能源接纳技术具有指导意义和推广价值。
附图说明
图1是本发明中的一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法的模型机理图。
图2是本发明电网分时多频控制模型的最优解。
图3是本发明电网分时多频控制模型的鲁棒性对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。
对上述一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，包括如下步骤：
步骤1：提出虚拟频率概念，本发明说明书所涉及的频率均为虚拟频率，其含义在于虚拟频率代表模型计算中的频率变量，该变量的作用将电网稳定变量与电网充裕过程有效衔接起来，然而，在电网实际运行时应以该虚拟频率的求解值作为指导，采用相应措施等效替代虚拟频率所产生的响应量，措施一般指储能、可转移负荷等。
步骤2：基础数据收集、预测与整理。本具体实施中选取某区域电网新能源发电出力数据，模型参数初值给定，如下表1与表2所示：
表1全网运行参数表(单位：万千瓦)
表2全网运行参数表
步骤3：构建一种电网分时多频消纳控制模型，定义数学表达式，表示如下：
步骤3.1：建立目标函数，以应对Pw最大变化时调整fc使控制系统增益最小为目标。表示如下：
步骤3.2：建立状态方程，即定义频率控制量fc(t)与不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)之间关系的状态变量。其物理含义为负荷频率响应量与待消纳期望值的平衡状态约束。表示如下：
步骤4：为提高步骤2模型解的实时鲁棒性，建立步骤2模型解与预测解的加权求解方程，设计反馈方程，表示如下：
步骤5：建立步骤2中目标函数的Hamilton函数，提出步骤3中模型最优解的求解方程。
步骤5.1：求解负荷频率响应系数KL(t)，表示如下：
设分时负荷结构因子a1＝a2＝0，a3＝1，,基准值：PN＝6000万千瓦，fN＝50Hz，
得出
KL≈0.144(fc+50)2
步骤5.2：建立目标函数的Hamilton函数，求解函数极值，表示如下：
Hamilton函数：
函数极值：
其中：V∈Rn是lagrange乘子向量，又叫协态向量。
步骤5.3：求解步骤5.2中函数极值，当Hamilton函数不大于0时，存在非负解，得出Hamilton不等式中协态向量V的解。表示如下：
V(x)＝4.44x
步骤5.4：将步骤5.3中的非负解带入步骤5.2中的函数极值中，同时采用步骤4中反馈方程，最终得出模型最优解的求解方程。表示如下：
本发明实例的求解结果与鲁棒性对比图如表3与图1、图2所示，表3与图1是本发明提出的一种电网分时多频消纳控制模型寻优得出的数值结果，其中包括了期望解、预测解与最优解，计算结果表明模型解是收敛的，并且最优解逼近于期望解，从而证明了本发明的模型的计算可行性。图2表示了本发明提出的一种电网分时多频消纳控制模型的鲁棒性，图2的结果曲线是由预测解、最优解相对于期望解的绝对差额值描绘的，从图2可以看出本发明通过模型寻优求解后，相对期望解的动态鲁棒性整体优于确定性预测解，进而证明了本发明方法在满足消纳期望的同时实现了鲁棒性最优控制。
表3本发明模型的求解结果表(单位：Hz)
Claims (11)
1.一种提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，包括如下步骤：
步骤1：提出虚拟频率概念；虚拟频率为模型所计算解出的目标频率值，电网按该频率值或与该频率值等效的响应量进行控制；步骤2：模型基础数据收集、预测与统计；步骤3：构建一种电网分时多频消纳控制模型，定义数学表达式，步骤如下；步骤3.1：建立目标函数以应对Pw(t)最大变化时调整fc(t)使控制系统增益最小为目标；步骤3.2：建立状态方程，即定义频率控制量fc(t)与不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)之间关系的状态变量；步骤4：为提高步骤3模型解的实时鲁棒性，建立步骤3模型解与预测解的加权求解方程，设计反馈方程；步骤5：建立步骤3中目标函数的Hamilton函数，提出步骤4中模型最优解的求解方程。
2.如权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：
步骤2包括：新能源出力预测曲线、日负荷预测曲线、区域电源的装机容量、区域电源技术最小出力统计。
3.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤3所述的电网分时多频消纳控制模型，表示如下：
其中：J(fc(t),Pw(t))为模型的目标函数，y(t)为模型输出矩阵；x(t)为模型系统的状态变量；为状态变量的一阶导数；δ为L2e增益同时也是不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)的期望成本系数；KL(t)为负荷频率调节因子；fc(t)为电网频率控制量；fN为电网基准频率；C为负荷频率调节因子有效集；f c(t)为频率控制允许下限，为频率控制允许上限，β(t)为不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)与负荷频率响应量的调控期望系数。
4.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤3.1所述的目标函数，表示如下：
其中，δ为L2e增益同时也是不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)的期望成本系数；J(fc(t),Pw(t))为模型的目标函数，δ为L2e增益同时也是不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)的期望成本系数，T为时间积分上限变量，y(t)为模型输出矩阵。
5.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤3.2所述的状态方程，表示如下：
其中：β(t)为不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)与负荷频率响应量的调控期望系数；KL(t)为负荷频率调节因子；
其物理含义为负荷频率响应量与待消纳期望值的平衡状态约束。
6.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤4所述的反馈方程，表示如下：
其中：α(t)为权向量；f(t)为待加权向量；fc *(x)为步骤3中的模型解；f’(t)为t时刻预测解；α*(t)为α(t)中模型解的加权系数；α’(t)为α(t)中预测解的加权系数；fΔ(t)为分时多频控制模型的最优解；f c(t)为频率控制允许下限，为频率控制允许上限。
7.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤5包括步骤5.1：求解负荷频率调节因子KL(t)，表示如下：
其中：fN为电网基准频率；f*(t)为频率标幺值；PL*(t)为负荷功率标幺值；ak(t)为负荷结构因子，表示各类负荷的结构比例，具有分时性；fc(t)为电网频率控制量。
8.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤5包括步骤5.2：建立目标函数的Hamilton函数，求解函数极值；
函数极值：
其中：V∈Rn是lagrange乘子向量，又叫协态向量，VT为协态向量转置，x为模型系统的状态变量；KL(t)为负荷频率调节因子；δ为L2e增益同时也是不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)的期望成本系数；β(t)为不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)与负荷频率响应量的调控期望系数；fc *(x(t),KL(t),β(t),V)为目标函数的J(fc(t),Pw(t))模型的电网频率控制量解；Pw *(x(t),KL(t),β(t),V)为目标函数的J(fc(t),Pw(t))模型的待消纳量解。
9.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤5包括步骤5.3：求解步骤5.2中函数极值，当Hamilton函数不大于0时，存在非负解，得出Hamilton不等式中协态向量V的解；
其中，β(t)为不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)与负荷频率响应量的调控期望系数；δ为L2e增益同时也是不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)的期望成本系数；x(t)为模型系统的状态变量。
10.根据权利要求1所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤5包括步骤5.4：将步骤5.3中的非负解带入步骤5.2中的函数极值中，同时采用步骤4中反馈方程，最终得出模型最优解的求解方程。
11.根据权利要求10所述的提升新能源消纳的电网分时多频控制方法，其特征在于：步骤5.4所述的模型最优解的求解方程，表示如下：
其中，fΔ(t)为分时多频控制模型的最优解；α*(t)为α(t)中模型解的加权系数；α(t)为权向量；x(t)为模型系统的状态变量；KL(t)为负荷频率调节因子；δ为L2e增益同时也是不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)的期望成本系数；β(t)为不确定待消纳量裕度需求量Pw(t)与负荷频率响应量的调控期望系数；α’(t)为α(t)中预测解的加权系数；f’(t)为t时刻预测解；f c(t)为频率控制允许下限，为频率控制允许上限。
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