CN108110776A - 主被动频率响应复合控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种主被动频率响应复合控制方法，具体是一种大扰动下的频率响应控制方法。本发明包括以下步骤：第一、建立单元火电机组数学模型，第二、建立互联电网数学模型。本发明实现了频率响应由分散控制到集中控制，由反馈控制到前馈控制、由校正控制到预防控制的转变，能够在不增加频率响应设施的前提下，提高系统整体频率响应能力，从而提升大扰动下的频率稳定抵御能力。还能协调全局与局部的控制目标，既能在大扰动下避免系统低频减载，又能使系统迅速恢复稳定，避免系统在主动控制过程中发生频率振荡。

Description

主被动频率响应复合控制方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种主被动频率响应复合控制方法，具体是一种大扰动下的频率响应控制方法。
背景技术
大扰动下电力系统频率稳定问题至关重要，特别是在特高压交直流混联电网逐渐成型、新能源大规模接入的背景下，频率稳定形势极为严峻。扰动后秒至分钟级时间尺度，即频率响应(一次调频)的作用期间，是决定频率稳定与否的关键阶段，历来为工程界和学术界所关注。
为保证整个电网运行安全和运行品质，频率响应被设置为跨区无偿相互支援的功能，是所有发电单元必备的输电辅助服务，其控制模式为依据本地频差的分散自主控制，虽系统的频率响应能力是所有发电机组频率响应能力的综合，但各发电机组间频率响应的不同步，会降低频率响应的整体作用效果。
大扰动下最受关注的是频率波动的最低点，因其决定低频减载的启动与否。从扰动发生到频率下降至最低点时间短暂，一般以秒计。频率响应的作用是在系统经受大功率扰动下频率快速下降时段迅速补充功率缺失，对频率下降实施有效拦截，在避免低频减载启动的同时，为后续缓慢调节手段的投入赢得时间。由于扰动后频率快速下降时间短暂，在此期间若能提高频率响应的执行速度，可极大地改变频率波动暂态过程，避免低频减载的发生。
针对大功率缺失下系统频率响应能力下降这一现状，需在现有频率响应设施的基础上，提高系统整体频率响应能力，提升大扰动下的频率稳定抵御能力。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种主被动频率响应复合控制方法，其目的是为了提出一种能够在特高压背景下，有效提高频率响应最低点位置，避免系统低频减载，并同时保证系统稳定的控制策略。
本发明为了达到上述发明目的，本发明是通过以下方式实现的：
主被动频率响应复合控制方法，包括以下步骤：
第一、建立单元火电机组数学模型：
对于单元火电机组，从有功平衡角度出发，单元火电机组参与电网频率调节的建模过程包括：
①发电机-负荷模块满足：
式中：Pm为机械频率；Pe为电磁频率；H为发电机惯性时间常数；D为负荷阻尼系数；
②调速器模块满足：
式中：R为机组调差系数；Psp为功率增量给定值；Δf1为机组的频率变化输入量；TG为调速器时间常数；ΔPV为蒸汽流量；
③汽轮机模块满足：
式中：FH为由涡轮机产生的功率比例；TR为再加热时间常数；Km为功率转化率；Pm为机械功率；
第二、建立互联电网数学模型：
联络线是一种专用导线，其将发电厂和电网联接在一起，将发电厂发出的功率输送给电网，或将电网中的功率输送回发电厂；电力系统中，称联络在线流过的功率为联络线功率PT，其计算公式为：
其中：U1，U2：传输线两端电压；
XT：传输线电路电抗；
δ10，δ20：传输线两端电压角；
从中可以看出，联络线功率的数值主要取决于两端电压的相位差角，将公式(4)进一步整理得：
其中：ΔfA：事故区的频率变化值；
ΔfB：支援区的频率变化值；
将式(5)进行拉氏变换可得：
所述控制方法，假定扰动区为A区，本地频差为Δfr，控制依据参量为cA；非扰动区为B区，本地频差为Δfl，控制依据参量为cB，α、γ为主-被动频率响应复合控制加权系数，且α、γ∈(0,1]，则两区域控制方式为：
1)扰动区的控制元件：
控制启动所依据的参量可选择频差参量，即参量启动方式，可采用反馈控制进行控制：
cA＝Δfr (7)；
2)非扰动区的控制元件：
由于依据扰动点频差控制对全局有利，而依据本地频差控制对局部有利，可采用两地频差加权组合的数值进行控制，通过加权系数的调整来协调控制目标，
cB＝αΔfr+γΔfl，α、γ∈(0,1] (8)。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1、本发明所提出的控制方法实现了频率响应由分散控制到集中控制，由反馈控制到前馈控制、由校正控制到预防控制的转变，能够在不增加频率响应设施的前提下，提高系统整体频率响应能力，从而提升大扰动下的频率稳定抵御能力。
2、本发明所提出的控制即主被动复合控制方法，协调全局与局部的控制目标。
既能在大扰动下避免系统低频减载，又能使系统迅速恢复稳定，避免系统在主动控制过程中发生频率振荡。
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细的描述，但不受本实施例所限。
附图说明
图1是本发明频率响应动态过程图；
图2是本发明两区域电网结构图；
图3是本发明中α增大时A区频率变化过程图；
图4是本发明中α＝1时B区频率变化过程图；
图5是本发明中α＝0.3时B区频率变化过程图；
图6是本发明中γ＝0.5时B区频率变化过程图；
图7是本发明中两区域互联电网模型框图。
具体实施方式
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种主被动频率响应复合控制方法，目的是提出一种能够在特高压背景下，有效提高频率响应最低点位置，避免系统低频减载，并同时保证系统稳定的控制策略。
本发明对于一个两区域电网，用实直线代表区域间联络线，虚线代表通信线路，A区为扰动区，B区为非扰动区，具体如图2示。其中主被动频率响应复合控制方法下两区域控制方式如下：
1、建立单元火电机组数学模型。
对于单元火电机组，从有功平衡角度出发，单元火电机组参与电网频率调节的建模过程包括：
①发电机-负荷模块满足：
式中：Pm为机械频率；Pe为电磁频率；H为发电机惯性时间常数；D为负荷阻尼系数。
②调速器模块满足：
式中：R为机组调差系数；Psp为功率增量给定值；Δf1为机组的频率变化输入量；TG为调速器时间常数；ΔPV为蒸汽流量。
③汽轮机模块满足：
式中：FH为由涡轮机产生的功率比例；TR为再加热时间常数；Km为功率转化率；Pm为机械功率。
2、建立互联电网数学模型
联络线是一种专用导线，其将发电厂和电网联接在一起，可以将发电厂发出的功率输送给电网，也可以将电网中的功率输送回发电厂。电力系统中，称联络在线流过的功率为联络线功率PT，其计算公式为：
其中：U1，U2：传输线两端电压；
XT：传输线电路电抗；
δ10，δ20：传输线两端电压角。
从中可以看出，联络线功率的数值主要取决于两端电压的相位差角，将公式(4)进一步整理得：
其中：ΔfA：事故区的频率变化值；
ΔfB：支援区的频率变化值。
将式(5)进行拉氏变换可得：
因此，两区域互联电网仿真模型框图如图7所示。
当系统发生大功率缺失故障后，功率偏差量在各发电机组间分配依据的是机组与故障点间的电气距离，各发电机组被分配的功率偏差量不同。靠近故障点的发电机由于被分配数量较大，其转速下降较为明显，频率跌落较快，而远离故障点的机组则频率下降较为缓慢，这就导致电网中各点频率变化不一致，使得系统各节点的频率呈现出较为明显的时空分布特性。在大规模系统中，扰动所引起的频率变化在空间上呈现为从扰动中心向电网传播，随电气距离的增加，频率变化量趋于减小，响应延时趋于增加，但该过程非严格单调变化。
在现有频率响应控制策略下，故障后系统中具有频率响应能力的发电机组依据本地频差确定增减输出功率数量，消除频率波动或拦截频率大幅下降，为后续缓慢的调节手段赢取时间，从而保证系统运行安全。但是当系统规模大造成频率时空分布特性较为显著时，该策略的实施效果具有一定的局限性。
当功率缺失数量较大时，整个系统内频差时空分布特性较为明显，与远离故障点的发电机组相比，靠近故障点的机组所“感知”的频差不仅较大而且较早，使得系统内所有机组的频率响应不仅启动时刻不一样，而且所依据的频差亦不相同。其后果是，在故障发生后，靠近故障点处机组的频率响应能力发挥较为充分，而其他位置的发电机组还未发挥或只发挥出部分频率响应能力。
系统的频率响应能力是所有发电机组频率响应能力的综合。目前被普遍采用的被动频率响应方式，会导致系统内所有发电机组的频率响应不能迅速同步启动并发挥预期能力，造成系统的频率响应能力难以充分发挥。若能采取措施使得系统内所有机组同步且快速响应，则可有效发挥系统内机组的频率响应能力，提升故障后频率最低点，提高频率稳定性，从而避免低频减载和解列事故的发生，保证系统运行的安全与稳定。
随着电网通信技术的发展，基于同步相量测量单元(phasor measurement unit-PMU)的广域测量系统(wide area measurement system-WAMS)，不仅能提供高密度精准频率采样数据，还能实现频差信号的远距离实时传播，这些为发电机组频率响应实现由分散控制到集中控制的转变提供技术基础。
集中控制下，距扰动点较远机组能够依据扰动点频差动作，实现所有机组频率响应的同步控制，以快速且充分地发挥整个系统的频率响应潜力，从而更好地保证系统运行安全与稳定。在这种控制方式下，由于频率响应是依据扰动处信息，按照制定好的的控制参数进行主动控制，故将这种频率响应方式称为“主动频率响应”，这种方式下的控制策略称为“主动频率响应控制方法”。
主动频率响应，控制所依据的参量可以为故障点或系统其他节点的运行参量，亦可是本地频差。大功率缺失下系统频率下降很快，为避免低频减载等事件的发生，要求频率响应控制具有快速性。而现有依据频差这一连续量为控制依据的反馈控制方式，由于需要采样、比较等环节，控制时效性较差。大功率缺失下的频率响应控制应该分秒必争，因此，可依据表示故障事件发生与否的逻辑量，采取前馈控制的方式，提高控制时效性。
显然，依据本地量控制仅考虑局部区域系统稳定问题，而依据外地量控制可计及系统频差时空分布特性，能够从全局出发考虑整个系统的频率稳定性问题。
依据本地量的反馈控制在扰动引起被控量偏差后才开始动作，动作不及时，但其控制方式为闭环控制，能够消除多种扰动对被控变量的影响；而依据外地量的前馈控制可在扰动发生后偏差出现前及时动作，能够抑制被控量由扰动引起的偏差，但该控制具有指定性补偿的局限性，通常一种前馈作用只能克服一种干扰，且由于控制输出不会对系统控制进行反馈，系统抗扰动性差。
大扰动下的频率波动及演变过程可大体分为两阶段：频率下降阶段和频率恢复阶段。如图1所示，图1是本发明频率响应动态过程图。其中ΔtAC为频率下降阶段，ΔtCB为频率恢复阶段。
在系统运行频率演变过程的不同阶段，对频率响应控制的要求亦不相同。在频率下降阶段对频率响应的要求是快速性，而在频率恢复阶段，因频率已被拦截，此时对频率响应的要求由快速性转变为准确性.
但是倘若非扰动区域控制元件依据扰动点参量实施主动频率响应控制，则会造成非扰动点控制元件控制行为与本地控制目标相互矛盾，这不仅会加剧系统频率振荡，延长其恢复至稳态的时间，严重情况下，特别是频率下降阶段，还可能会导致频差越上限，引起新的频率稳定问题。因此，将常规频率响应控制策略与主动频率响应控制策略结合起来，提出一种新的控制策略——“主-被动频率响应复合控制方法”。
对于一个两区域电网，用实直线代表区域间联络线，虚线代表通信线路，A区为扰动区，B区为非扰动区，具体如图2所示，图2是本发明两区域电网结构图。
本发明控制方法实施时：
在主被动频率响应复合控制方法下，假定扰动区为A区，本地频差为Δfr，控制依据参量为cA；非扰动区为B区，本地频差为Δfl，控制依据参量为cB，α、γ为主被动频率响应复合控制加权系数，且α、γ∈(0,1]，则两区域控制方式为：
1)扰动区的控制元件。
控制启动所依据的参量可选择频差参量，即参量启动方式，可采用反馈控制进行控制，
cA＝Δfr (7)；
2)非扰动区的控制元件。
由于依据扰动点频差控制对全局有利，而依据本地频差控制对局部有利，可采用两地频差加权组合的数值进行控制，通过加权系数的调整来协调控制目标，
cB＝αΔfr+γΔfl，α、γ∈(0,1] (8)。
对于某具体仿真系统，当参数α、γ取值发生变化时，系统仿真结果如图3-图6所示，图3是本发明中α增大时A区频率变化过程图；图4是本发明中α＝1时B区频率变化过程图；图5是本发明中α＝0.3时B区频率变化过程图；图6是本发明中γ＝0.5时B区频率变化过程图。图3中：α↑，γ任取，图4中：α＝1。图5中：α＝0.3，图6中γ＝0.5。
需要说明的是，以上实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换、改进等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.主被动频率响应复合控制方法，其特征是：包括以下步骤：
第一、建立单元火电机组数学模型：
对于单元火电机组，从有功平衡角度出发，单元火电机组参与电网频率调节的建模过程包括：
①发电机-负荷模块满足：
<mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>)</mo> <mi>g</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>H</mi> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mi>D</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mo>;</mo> </mrow>
式中：Pm为机械频率；Pe为电磁频率；H为发电机惯性时间常数；D为负荷阻尼系数；
②调速器模块满足：
<mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>R</mi> </mfrac> <msub> <mi>&amp;Delta;f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> <mi>g</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>sT</mi> <mi>G</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mi>V</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> <mo>;</mo> </mrow>
式中：R为机组调差系数；Psp为功率增量给定值；Δf1为机组的频率变化输入量；TG为调速器时间常数；ΔPV为蒸汽流量；
③汽轮机模块满足：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mi>V</mi> </msub> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>H</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>H</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>sT</mi> <mi>R</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>gK</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
式中：FH为由涡轮机产生的功率比例；TR为再加热时间常数；Km为功率转化率；Pm为机械功率；
第二、建立互联电网数学模型：
联络线是一种专用导线，其将发电厂和电网联接在一起，将发电厂发出的功率输送给电网，或将电网中的功率输送回发电厂；电力系统中，称联络在线流过的功率为联络线功率PT，其计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>X</mi> <mi>T</mi> </msub> </mfrac> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>10</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>20</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中：U1，U2：传输线两端电压；
XT：传输线电路电抗；
δ10，δ20：传输线两端电压角；
从中可以看出，联络线功率的数值主要取决于两端电压的相位差角，将公式(4)进一步整理得：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>X</mi> <mi>T</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>10</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>20</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>t</mi> </mover> <msub> <mi>&amp;Delta;f</mi> <mi>A</mi> </msub> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>t</mi> </mover> <msub> <mi>&amp;Delta;f</mi> <mi>B</mi> </msub> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中：ΔfA：事故区的频率变化值；
ΔfB：支援区的频率变化值；
将式(5)进行拉氏变换可得：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;f</mi> <mi>A</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;f</mi> <mi>B</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1所述的主被动频率响应复合控制方法，其特征是：所述控制方法，假定扰动区为A区，本地频差为Δfr，控制依据参量为cA；非扰动区为B区，本地频差为Δfl，控制依据参量为cB，α、γ为主被动频率响应复合控制加权系数，且α、γ∈(0,1]，则两区域控制方式为：
(1)扰动区的控制元件：
控制启动所依据的参量可选择频差参量，即参量启动方式，可采用反馈控制进行控制：
cA＝Δfr (7)；
(2)非扰动区的控制元件：
由于依据扰动点频差控制对全局有利，而依据本地频差控制对局部有利，可采用两地频差加权组合的数值进行控制，通过加权系数的调整来协调控制目标，
cB＝αΔfr+γΔfl，α、γ∈(0,1] (8)。
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