CN108631301A - 一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，具体步骤为：S1：建立考虑多种调频资源的快速频率响应系统模型：S2：根据S1中建立的快速频率响应系统模型，计算在电力系统发生一次扰动后频率下降达到的最低点频率以及频率下降达到的最低点的时间；S3：设计考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方案。本方法综合考虑火电、可中断负荷以及直流调制多种调频资源建立分析快速频率响应的系统模型，计算出在系统发生一次大功率缺失下的频率下降达到的最低点，进而划分考虑多种快速频率响应资源的安全裕度，为电力系统准确评估考虑多种调频资源的快速频率响应能力提供依据。

Description

一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法。

背景技术

在特高压的大力发展之下，发生大功率缺失会对系统的安全稳定造成严重影响，可再生能源的加入挤占了常规快速频率响应机组的上网空间，并且风电、光伏等可再生能源的波动性为电力系统的频率调整带来更大挑战。

电力系统受到一个大功率缺失扰动，，电力系统将经过一个暂态过程，这个过程可以分为惯性环节、一次调频环节、二次调频环节以及三次调频环节，最终使得频率稳定恢复到正常水平，那么要使得频率的跌落得到快速控制，主要应集中关注惯性环节和一次调频环节即快速频率调整过程。在此过程中，若要判断系统受到一次扰动后的频率跌落是否超过规定的低频减载安全限额，就需要快速准确的计算出频率下降的最低点。目前的研究以及实践中，大多把火电机组作为一种快速频率响应资源，并作为一项辅助服务，广泛的应用于实际运行中，但是在电力系统变得愈加复杂的今天，仅仅依靠火电机组不能满足系统的快速频率调整需要。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，具体包括以下步骤：

S1：建立考虑多种调频资源的快速频率响应系统模型：包括建立火电机组动态响应模型及其简化模型、建立直流调制以及可中断负荷的快速频率响应模型、建立考虑多种调频资源快速频率响应系统模型；

S2：根据S1中建立的快速频率响应系统模型，计算在电力系统发生一次扰动后频率下降达到的最低点频率以及频率下降达到的最低点的时间；

S3：根据获取的由快速频率响应系统模型计算得到的最低点频率和达到频率最低点的时间、同时考虑电力系统频率安全要求设计考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方案。

所述建立火电机组动态响应模型及其简化模型采用如下方式：

建立发电机调速器的一阶惯性关节，当频率变化时调速器动作引起的功率变化表示为：

利用调速器的一阶惯性环节将第i台发电机的输出功率表示为如下变爬坡率的指数函数形式：

利用火电机组调速器的一阶惯性环节以及发电机输出功率的指数函数形式在快速频率响应阶段，发电机的输出简化为用频率最低点爬坡率C_i代替变化的爬坡率，则简化后的发电机输出功率表示为：

ΔP_Gi(t)≈C_i·t

其中，ΔP_G为发电机在频率动态响应过程中通过一次调频增发的功率，T表示发电机的时间时间常数，K是调速器的功频静特性系数；

根据简化的爬坡发电机输出模型，建立火电机组系统频率响应的模型，设在系统中有N台发电机，在电力系统受到大功率缺失扰动后，系统的动态频率偏差为表示为：

其中，H是系统的惯性时间常数，D是负荷阻尼，ΔP_L是初始功率缺额。

建立可中断负荷的快速频率响应模型采用如下方式：

可中断负荷通过中断负荷来进行调频，每次中断的负荷都是离散量，将可中断负荷在快速频率响应阶段的有功出力表示为：

ΔP_ILj(t)＝C_ILjt

其中，C_IL是可中断负荷简化模型的时间特性系数；

建立直流调制的快速频率响应模型采用如下方式：

直流调频改变的传输功率ΔP_D及两侧交流区域频率偏差Δf之间的关系等效为：

ΔP_D＝K_D1Δf₁-K_D2Δf₂

其中，K_D1和K_D2是区域两侧直流调频的单位调节功率，当只有某一侧具有频率调节能力时，相应的单位频率调节功率系数为零；

在快速频率调整过程中，设定直流调制以一个固定的斜率为受端电网快速提供功率支援，因此，直流调制在快速频率响应阶段的有功出力表示为：

ΔP_Dk(t)＝C_Dkt

其中，C_D是直流调制模型的时间特性系数。

所述建立考虑多种调频资源包括火电机组、可中断负荷以及直流调制的快速频率响应系统模型采用如下方式：

把建立的可中断负荷的快速频率响应模型和直流调制的快速频率响应模型加入到建立的火电机组动态响应简化爬坡模型中得到考虑多种调频资源的快速频率响应模型；

忽略频率的空间分布，假定系统具有统一的频率，计及各台火电机组的惯性时间常数，假设在此系统中有N台火电机组，M个可中断负荷以及Q个直流调制参与快速频率响应，则在电力系统中突发一个有功缺额扰动后，频率的动态频率偏差为：

其中，H是系统的惯性时间常数，D是负荷阻尼，Δω是系统的频率偏差，ΔP_L是初始功率缺额，是系统中N台火电机组的有功出力之和，是M个可中断负荷的有功出力之和，是Q个直流调制的有功出力之和。

S2具体采用如下方式：

根据步骤S1中建立的快速频率响应系统模型，对于火电机组用系统频率达到最低点时的简化爬坡代替复杂模型的爬坡，因此有：

得到：

对于可中断负荷，设系统频率达到最低点时，可中断负荷能够快速响应，切断负荷，此过程用如下关系表示：

ΔP_ILj(t_min)＝C_ILjt_min

得到：

对于直流调制，设定系统频率达到最低点时，直流调制为受端电网紧急提供功率，用如下关系表示：

ΔP_Dk(t_min)＝C_Dkt_min

得到：

因此得出电力系统中传统火电机组、可中断负荷以及直流调制这几种快速频率响应资源的调节参数C_i、C_ILj、C_Dk，

根据步骤S13得到的系统的频率动态偏差，忽略负荷阻尼，有：

对上式求积分，得到频率偏移在时域的计算公式：

要得到频率下降的最低点，利用求极值的数学方法，最小值用导数等于0的方法解决，即即得到频率下降到最低点的时间：

最大的频率偏移为：

得到，系统受到大功率缺失扰动之后的频率最低点为：

其中，f₀是系统受到扰动之前的频率，f_B是系统的基准频率，f_min是系统最低点频率；ΔP_L为系统的初始不平衡功率其中，t_min是频率达最大偏移时的时间，H为系统的惯性。

考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法包括以下步骤：

读取传统火电机组、可中断负荷及直流调制参数；

利用步骤S2计算当电力系统突发大功率缺失时，考虑传统火电机组参数以及可中断负荷、直流调制调频资源的频率下降达到的频率最低点值f_min；

设定频率偏移安全裕度门槛值f_cr，根据得到的安全裕度指标δ_fm判断系统安全状态；

其中考虑多种快速频率响应资源的安全裕度指标定义为：

δ_fm＝(f_min-f_cr)×100％

其中，f_min为系统受到大功率缺失扰动后的最低点频率；f_cr为频率偏移安全裕度门槛值。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，本方法利用火电机组分析快速频率响应的模型得到了火电机组分析快速频率响应的简化爬坡模型，建立可中断负荷以及直流调制分析快速频率响应的模型，综合考虑火电、可中断负荷以及直流调制多种调频资源建立分析快速频率响应的系统模型，计算出在系统发生一次大功率缺失下的频率下降达到的最低点，进而划分考虑多种快速频率响应资源的安全裕度，为电力系统准确评估考虑多种调频资源的快速频率响应能力提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为火电机组系统分析频率响应模型

图2为火电机组系统分析频率响应的简化爬坡模型

图3为多种调频资源分析频率响应的系统模型

图4为考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分流程

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-图4所示的一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，具体包括步骤为：

S1：建立考虑多种调频资源的快速频率响应系统模型：包括建立火电机组动态响应模型及其简化模型、建立直流调制以及可中断负荷的快速频率响应模型、建立考虑多种调频资源快速频率响应系统模型；

S2：根据S1中建立的快速频率响应系统模型，计算在电力系统发生一次扰动后频率下降达到的最低点频率以及频率下降达到的最低点的时间；

S3：根据获取的由快速频率响应系统模型计算得到的最低点频率和达到频率最低点的时间、同时考虑电力系统频率安全要求设计考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方案。

进一步的，所述建立火电机组动态响应模型及其简化模型采用如下方式：

在频率阶跃响应作用下，原动机的功率响应可假设认为是一个线性的一阶惯性环节，当系统频率变化时，调速器动作而引起的发电机功率变化量为：

其中，ΔP_G为发电机在频率动态响应过程中通过一次调频增发的功率，T表示发电机的时间时间常数，K是调速器的功频静特性系数。

利用一阶惯性模拟发电机和调速器的模型，提出分析火电机组系统频率响应的模型，这个模型可以考虑多台发电机，假设在系统中有N台发电机，输出是每个发电机对频率调节响应贡献的总和。则扰动后的火电机组频率动态响应模型如图1所示。

在图1中，第i台发电机的输出可以用如下公式表示：

由于本文仅仅关注从频率开始下降到它达到最小值的动态变化过程，在这个短暂的过程中，可以把发电机的输出简化为以线性爬坡率C_i的输出，即：

ΔP_Gi(t)≈C_i·t

如图2所示，得到火电机组频率动态响应简化爬坡率模型。

因此，仅考虑传统火电机组的快速频率响应时，系统受扰后，系统的动态频率偏差为：

其中，H是系统的惯性时间常数，D是负荷阻尼，ΔP_L是初始功率缺额。

进一步的，建立可中断负荷的快速频率响应模型采用如下方式：

可中断负荷直接参与调频的方式与发电机组的调频方式类似，不同点在于发电机组通过调整机组出力来调频，可中断负荷则是通过中断负荷实现调频，每次中断的负荷都是离散量。由于可中断负荷的调节速度非常快，可以以斜坡函数的形式给出调节的功率P_IL以简化计算：

ΔP_ILj(t)＝C_ILjt

其中，C_IL是可中断负荷简化模型的时间特性系数。

建立直流调制的快速频率响应模型；

直流调制就是在高压直流输电系统的控制器中附加一个直流功率调制器，以快速缓解系统功率的不平衡，该控制器的输入信号为两侧交流区域的频率偏差信号通过传递函数计算得到附加的直流电流输出信号，通过改变直流电流来调节传输的有功功率。总体来说，直流调频改变的传输功率ΔP_D及两侧交流区域频率偏差Δf之间的关系，可以等效为：

ΔP_D＝K_D1Δf₁-K_D2Δf₂

其中，K_D1和K_D2是区域两侧直流调频的单位调节功率，当只有某一侧具有频率调节能力时，相应的单位频率调节功率系数可以为零。

直流调制的结果实际上与调制策略以及对方区域的能力有关，研究时假设送端电网调频能力充足，故可对受端电网进行直流功率紧急支援，根据事先制定的预案迅速改变直流系统的输电功率。

因此，在快速频率调整过程中，可以认为直流调制以一个固定的斜率为受端电网快速提供功率支援，可以表示为：

ΔP_Dk(t)＝C_Dkt

其中，C_D是直流调制模型的时间特性系数。

进一步的，所述建立考虑多种调频资源包括火电机组、可中断负荷以及直流调制的快速频率响应系统模型采用如下方式：把建立的可中断负荷的快速频率响应模型和直流调制的快速频率响应模型加入到建立的火电机组动态响应简化爬坡模型中得到考虑多种调频资源的快速频率响应模型，如图3所示；

忽略频率的空间分布，假定系统具有统一的频率，计及各台火电机组的惯性时间常数，假设在此系统中有N台火电机组，M个可中断负荷以及Q个直流调制参与快速频率响应，则可以得到，在电力系统中，突发一个有功缺额扰动后，频率的动态频率偏差为：

其中，H是系统的惯性时间常数，D是负荷阻尼，Δω是系统的频率偏差，ΔP_L是初始功率缺额，是系统中N台火电机组的有功出力之和，是M个可中断负荷的有功出力之和，是Q个直流调制的有功出力之和。

进一步的，所述的步骤S2具体采用以下方法：

根据步骤S1中建立的快速频率响应系统模型，对于火电机组，可以用系统频率达到最低点时的简化爬坡代替复杂模型的爬坡，因此有：

可以得到：

对于可中断负荷，可以认为系统频率达到最低点时，可中断负荷能够快速响应，切断负荷，此过程可用如下关系表示：

ΔP_ILj(t_min)＝C_ILjt_min

可以得到：

对于直流调制，可以认为系统频率达到最低点时，直流调制可以为受端电网紧急提供功率，用如下关系表示：

ΔP_Dk(t_min)＝C_Dkt_min

可以得到：

因此，电力系统中传统火电机组、可中断负荷以及直流调制这几种快速频率响应资源的的调节参数可以计算得出。

又根据步骤S13得到的系统的频率动态偏差，忽略负荷阻尼，有：

对上式求积分，可以得到频率偏移在时域的计算公式：

要得到频率下降的最低点，利用求极值的数学方法，最小值可以用导数等于0的方法解决，即即可得到频率下降到最低点的时间：

最大的频率偏移为：

可以得到，系统受到大功率缺失扰动之后的频率最低点为：

其中，f₀是系统受到扰动之前的频率，f_B是系统的基准频率，f_min是系统最低点频率；ΔP_L为系统的初始不平衡功率其中，t_min是频率达最大偏移时的时间；H为系统的惯性。

进一步的，频率变化是影响系统安全稳定的重要因素，《电力系统自动低频减负荷技术规定》规定低频减载装置的首轮动作频率为49.5Hz，并规定系统频率可以在短时间内允许低于49.8Hz，因此，可认为，电力系统受到大功率缺失扰动后，最低点频率低于49.5Hz时，系统处于不安全状态，发生低频减载事故；最低点频率低于49.8Hz，且不低于49.5Hz时，系统处于较安全状态，可以通过快速频率调整，阻止频率进一步跌落，进一步恢复频率到安全状态；最低点频率高于49.8Hz时，系统处于安全状态。基于此，频率偏移安全裕度门槛值f_cr可以设定为49.5Hz、49.8Hz两个值，考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法可以利用以下步骤，如图4所示：

读取传统火电机组、可中断负荷及直流调制参数；

利用步骤S2计算当电力系统突发大功率缺失时，考虑传统火电机组参数以及可中断负荷、直流调制调频资源的频率下降达到的频率最低点值f_min；

设定频率偏移安全裕度门槛值f_cr，根据得到的安全裕度指标δ_fm判断系统安全状态；

首先，设定频率偏移安全裕度门槛值f_cr＝49.8Hz，计算并判断安全裕度指标δ_fm如果为正值则系统处于安全状态，如果为负值，进行下一步；

然后，设定频率偏移安全裕度门槛值f_cr＝49.5Hz，计算并判断安全裕度指标δ_fm如果为正值则系统处于较安全状态，如果为负值，系统处于不安全状态。

其中考虑多种快速频率响应资源的安全裕度指标定义为：

δ_fm＝(f_min-f_cr)×100％

其中，f_min为系统受到大功率缺失扰动后的最低点频率；f_cr为频率偏移安全裕度门槛值。

本发明公开的方法以准确的获得在系统受到扰动之后频率下降的最低点，并且考虑多种快速频率响应资源进行安全裕度划分，使系统能够准确的评估加入多种调频资源下的系统的快速频率响应能力，为系统配置合理的备用避免低频减载事故提供依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立考虑多种调频资源的快速频率响应系统模型：包括建立火电机组动态响应模型及其简化模型、建立直流调制以及可中断负荷的快速频率响应模型、建立考虑多种调频资源快速频率响应系统模型；

S2：根据S1中建立的快速频率响应系统模型，计算在电力系统发生一次扰动后频率下降达到的最低点频率以及频率下降达到的最低点的时间；

S3：根据获取的由快速频率响应系统模型计算得到的最低点频率和达到频率最低点的时间、同时考虑电力系统频率安全要求设计考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方案。

2.根据权利要求1所述的一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，其特征还在于：所述建立火电机组动态响应模型及其简化模型采用如下方式：

建立发电机调速器的一阶惯性关节，当频率变化时调速器动作引起的功率变化表示为：

利用调速器的一阶惯性环节将第i台发电机的输出功率表示为如下变爬坡率的指数函数形式：

利用火电机组调速器的一阶惯性环节以及发电机输出功率的指数函数形式在快速频率响应阶段，发电机的输出简化为用频率最低点爬坡率C_i代替变化的爬坡率，则简化后的发电机输出功率表示为：

ΔP_Gi(t)≈C_i·t

其中，ΔP_G为发电机在频率动态响应过程中通过一次调频增发的功率，T表示发电机的时间时间常数，K是调速器的功频静特性系数；

根据简化的爬坡发电机输出模型，建立火电机组系统频率响应的模型，设在系统中有N台发电机，在电力系统受到大功率缺失扰动后，系统的动态频率偏差为表示为：

其中，H是系统的惯性时间常数，D是负荷阻尼，ΔP_L是初始功率缺额。

3.根据权利要求1所述的一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，其特征还在于：建立可中断负荷的快速频率响应模型采用如下方式：

可中断负荷通过中断负荷来进行调频，每次中断的负荷都是离散量，将可中断负荷在快速频率响应阶段的有功出力表示为：

ΔP_ILj(t)＝C_ILjt

其中，C_IL是可中断负荷简化模型的时间特性系数；

建立直流调制的快速频率响应模型采用如下方式：

直流调频改变的传输功率ΔP_D及两侧交流区域频率偏差Δf之间的关系等效为：

ΔP_D＝K_D1Δf₁-K_D2Δf₂

其中，K_D1和K_D2是区域两侧直流调频的单位调节功率，当只有某一侧具有频率调节能力时，相应的单位频率调节功率系数为零；

在快速频率调整过程中，设定直流调制以一个固定的斜率为受端电网快速提供功率支援，因此，直流调制在快速频率响应阶段的有功出力表示为：

ΔP_Dk(t)＝C_Dkt

其中，C_D是直流调制模型的时间特性系数。

4.根据权利要求1所述的一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，其特征还在于：所述建立考虑多种调频资源包括火电机组、可中断负荷以及直流调制的快速频率响应系统模型采用如下方式：

把建立的可中断负荷的快速频率响应模型和直流调制的快速频率响应模型加入到建立的火电机组动态响应简化爬坡模型中得到考虑多种调频资源的快速频率响应模型；

忽略频率的空间分布，假定系统具有统一的频率，计及各台火电机组的惯性时间常数，假设在此系统中有N台火电机组，M个可中断负荷以及Q个直流调制参与快速频率响应，则在电力系统中突发一个有功缺额扰动后，频率的动态频率偏差为：

其中，H是系统的惯性时间常数，D是负荷阻尼，Δω是系统的频率偏差，ΔP_L是初始功率缺额，是系统中N台火电机组的有功出力之和，是M个可中断负荷的有功出力之和，是Q个直流调制的有功出力之和。

5.根据权利要求1所述的一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，其特征还在于：S2具体采用如下方式：

根据步骤S1中建立的快速频率响应系统模型，对于火电机组用系统频率达到最低点时的简化爬坡代替复杂模型的爬坡，因此有：

得到：

对于可中断负荷，设系统频率达到最低点时，可中断负荷能够快速响应，切断负荷，此过程用如下关系表示：

ΔP_ILj(t_min)＝C_ILjt_min

得到：

对于直流调制，设定系统频率达到最低点时，直流调制为受端电网紧急提供功率，用如下关系表示：

ΔP_Dk(t_min)＝C_Dkt_min

得到：

因此得出电力系统中传统火电机组、可中断负荷以及直流调制这几种快速频率响应资源的调节参数C_i、C_ILj、C_Dk，

根据步骤S13得到的系统的频率动态偏差，忽略负荷阻尼，有：

对上式求积分，得到频率偏移在时域的计算公式：

要得到频率下降的最低点，利用求极值的数学方法，最小值用导数等于0的方法解决，即即得到频率下降到最低点的时间：

最大的频率偏移为：

得到，系统受到大功率缺失扰动之后的频率最低点为：

其中，f₀是系统受到扰动之前的频率，f_B是系统的基准频率，f_min是系统最低点频率；ΔP_L为系统的初始不平衡功率其中，t_min是频率达最大偏移时的时间，H为系统的惯性。

6.根据权利要求1所述的一种考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法，其特征还在于：考虑多种快速频率响应资源的安全裕度划分方法包括以下步骤：

读取传统火电机组、可中断负荷及直流调制参数；

利用步骤S2计算当电力系统突发大功率缺失时，考虑传统火电机组参数以及可中断负荷、直流调制调频资源的频率下降达到的频率最低点值f_min；

设定频率偏移安全裕度门槛值f_cr，根据得到的安全裕度指标δ_fm判断系统安全状态；

其中考虑多种快速频率响应资源的安全裕度指标定义为：

δ_fm＝(f_min-f_cr)×100％

其中，f_min为系统受到大功率缺失扰动后的最低点频率；f_cr为频率偏移安全裕度门槛值。