CN108649564B - 一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，包括以下步骤：S1：获取电力系统在不同安全裕度下的快速频率响应频率最低点的限额信息；S2：建立考虑不同安全裕度的快速频率响应备用配置模型，包括设置快速频率响应备用优化配置的目标函数和约束条件；S3：获取传统调频机组与各类调频资源参与快速频率响应的协调关系；S4：设计考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置流程。该方法综合考虑了传统火电机组、可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵等快速频率响应手段进行配置，运用此方案，能在系统发生大功率缺失时，快速选择备用手段与容量，避免发生低频减载事故。

Description

一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法

技术领域

本发明涉及电网运行与控制领域，尤其涉及一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法。

背景技术

现代电力系统以特高压、大容量、远距离输电为其主要特征，这些特点和变化在提高电力系统经济效益的同时，也使电网结构日趋复杂化，电力系统的安全、稳定运行面临严峻挑战。

在正常的电力系统同步运行时，系统的供需应该时刻维持平衡，发电机的调度都能根据负荷预报进行平滑的变化，系统频率也维持在一个可以允许的变化范围之内，但是，在特高压大功率缺失的情况之下，系统频率将经过一个暂态过程，电力系统将通过频率调节等措施使系统频率恢复到额定值或接近额定值，频率快速恢复的能力与系统的备用水平有关。在现有研究以及实践中，并未明确提出一次调频备用或者快速频率响应备用，目前，国内各电网公司在旋转事故备用容量方面沿袭了《电力系统技术导则》的要求，即按最大发电负荷固定比例(经验值4％～5％)选取，但实际上，特高压交直流电网大功率缺失的快速恢复需求主要取决于系统一次调频能力，因此有必要单独对一次调频备用或者快速频率响应备用进行研究。而新能源上网不仅挤占了传统机组作为备用的潜力，而且新能源的波动性和不可控性增大了系统对快速频率响应备用的需求。在电力市场环境之下，除了传统火电机组可以提供快速调频作为一项辅助服务，由于可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵具有调节速度快、灵活性强等特点也可以作为快速频率响应资源。

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安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，其目的是提供一种在特高压大功率缺失背景之下，考虑不同安全裕度要求，传统火电机组可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵等多种快速频率响应手段进行备用的优化选择与配置，具体方案包括以下步骤：

S1：获取电力系统在不同安全裕度的快速频率响应频率最低点的限额信息；

S2：建立考虑不同安全裕度的快速频率响应备用配置模型，包括设置快速频率响应备用优化配置的目标函数和约束条件；

S3：获取传统调频机组与各类调频资源参与快速频率响应的协调关系；

S4：设计考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置流程。

进一步的，为了同时满足以下两个条件:电力系统满足频率安全、在大功率缺失后不发生低频减载；在各类调频资源满足调配需求时，配置方案的经济性最好的情况下建立快速频率响应备用模型，其中快速频率响应备用模型采用如下方式建立：设置考虑安全裕度的快速频率响应备用配置模型的目标函数，预设多种快速调频资源的备用容量保证电力系统一次调频备用成本最低，其中快速频率响应备用配置模型的目标函数表达式为：

其中，u_i第i种调频手段是否参与快速调频，取值为1或0；c_i为第i种调频手段快速调频备用单位成本；R_i为第i种调频手段快速调频备用容量。

进一步的，设置快速频率响应备用优化配置的约束条件包括：

备用容量约束：各种快速频率响应资源备用容量应小于其最大容量限制，同时调用的各种快速频率响应资源备用容量的总和大于等于系统快速频率调整备用需求，则有：

R_i≤u_iR_max

∑R_i≥R_d

其中，R_max为各类快速频率响应备用允许的最大值，R_d为电力系统受到大功率缺失扰动下的备用需求；

备用响应时间约束：快速频率调整备用应该在频率达到最低点之前投入：

t_i≤t_min

其中，t_i为各种调频备用资源响应的时间，t_min为系统受到大功率缺失扰动后频率下降到最低点的时间。

机组爬坡约束：火电机组的出力拟合为

在快速频率调整范围内简化为常数爬坡率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表示发电机的时间常数，K是调速器的功频静特性系数，C_i是火电机组的简化爬坡率。

机组出力上限约束：传统的调频机组的功率小于机组出力的最大值；

P_Gi(t)≤P_Gimax

其中，P_Gi是各机组的实际出力，P_Gimax为第i台火电机组的最大出力，

频率安全约束：在电力系统中发生一次大功率缺失扰动后，频率的最低点不超过规定的安全裕度的限额，即

f_min≥SL_k

其中，f_min是电力系统最低点频率；SL_k是规定的安全裕度限额；

功率平衡约束：在大功率缺失下按照能量守恒原则，惯性完全释放使机组的有功出力之和与电力系统初始的功率缺失量相等，即

其中，ΔP_L为系统的率缺额；t_min是频率达最大偏移时的时间；H为电力系统的时间惯性常数。

进一步的，传统调频机组与各类调频资源参与快速频率响应的协调关系为：

如果仅靠传统机组的快速频率调整能力能够满足系统的安全裕度要求，则不需要其他调频方式参与；

如果仅由传统机组进行的快速频率调整无法使频率最低点大于电力系统单次扰动下的快速频率响应频率最低点限额，则需计算出除传统机组外剩余的频率响应容量需求，由各类其他快速调频资源满足该需求。

进一步的，快速频率响应备用优化配置流程为：

S41：读取传统火电机组发电机的时间常数T、调速器的功频静特性系数K、电力系统的时间惯性常数H，可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵的调节时间t_i和成本c_i，计算频率达到最低点时的传统火电机组的等效爬坡C₁、C₂...C_N及时间t_min；

S42：计算在电力系统频率下降最低点时，各传统调频机组的有功出力P_Gi(t_min)，并判断机组出力是否在最大限制约束之内，即判断是否满足P_Gi(t_min)≤P_Gimax；

如果满足进行S43，若不满足，则返回至S41重新计算；

S43：求解最低点频率并进行安全校验；

利用S41计算得到的频率达到最低点时的机组等效爬坡C₁、C₂...C_N和时间t_min，根 据频率最低点计算公式得到判断频率最低点的值是否满足频率安全约 束，如果不满足，则对ΔP_L的值进行修正，直到

S44：计算满足电力系统安全裕度约束的备用需求：在最低点频率满足要求后，此时得到ΔP_L'为满足频率安全约束的系统有功缺额，进而计算得到满足系统安全裕度约束的快速频率响应备用需求R_d＝ΔP_L-ΔP_L'；

S45：反复迭代并判断可中断负荷、直流调制和抽蓄切泵这几种快速频率响应备用资源的容量是否满足快速频率响应模型中的容量约束R_i≤u_iR_max、∑R_i≥R_d；判断可中断负荷、直流调制和抽蓄切泵这几种快速频率响应备用资源的响应时间是否满足快速频率响应模型中的调节时间约束t_i≤t_min；同时这几种调节方式的备用成本是否满足快速频率响应模型中的成本之和最小的目标函数

如果以上约束条件和目标函数均满足，则得到考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，本方法综合考虑了传统火电机组、可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵等快速频率响应手段进行配置。模型以备用配置成本最低为目标函数，以备用容量、备用投入时间、火电机组爬坡、火电机组出力限制、有功平衡以及频率安全限制为约束条件，在此模型基础之上形成了考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置的计算流程，最终能够得到考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方案，运用此方案，能在系统发生大功率缺失时，快速选择备用手段与容量，避免发生低频减载事故。

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为本发明方法的流程图。

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所示的一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，具体步骤为：

S1：获取电力系统在不同安全裕度下的快速频率响应频率最低点的限额信息；为了电力系统突发大功率缺失后不发生低频减载事故，需配置足够的快速频率响应备用容量，考虑连续扰动的安全裕度要求，获取电力系统单次扰动下的快速频率响应频率最低点限额为SL_k。

配置快速频率响应备用的目的是当系统突发大功率缺失时，能提供足够的快速频率响应备用容量，阻止系统频率急剧下降，避免低频减载事故的发生。

《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。若配置备用容量，使得单次扰动下快速频率响应的频率最低点限额直接等于接近49.5Hz的值(如49.52Hz),则一旦出现连续扰动，由于其累积效应，系统最低频率将降至49.5Hz以下，引发低频减载。应根据不同的安全裕度要求，形成不同的安全裕度，确定单次扰动下快速频率响应的频率最低点限额，如：49.6Hz，49.7Hz等。本发明以其中一个安全裕度限额SL＝49.5Hz为例进行配置，其他裕度同理。

S2：建立考虑不同安全裕度的快速频率响应备用配置模型，包括设置快速频率响应备用优化配置的目标函数和约束条件

S21：设置快速频率响应备用优化配置的目标函数；

快速频率响应备用配置模型的设计原则为：首先满足系统频率安全，在大功率缺失后不发生低频减载，其次在系统资源满足调配需求时，配置方案的经济性最好。

因此，设置考虑安全裕度的快速频率响应备用的目标函数为，合理安排各种快速调频资源的备用容量，使得系统一次调频备用成本最低：其中快速频率响应备用配置模型的目标函数表达式为

其中，u_i第i种调频手段是否参与快速调频，取值为1或0；c_i为第i种调频手段快速调频备用单位成本，可以表示为不同资源的相对成本，用无量纲的系数来表示；R_i为第i种调频手段快速调频备用容量。

S22：设置快速频率响应备用优化配置的约束条件；

设置考虑安全裕度的快速频率响应备用的约束条件包括：备用容量约束、机组爬坡约束、机组出力上限约束、频率安全约束、功率平衡约束。

备用容量约束：综合利用各种调频资源进行配置，其中包括可中断负荷、抽蓄切泵以及直流调制等，根据各种调频资源的调节特点，作为备用参与电网快速频率响应的备用手段应该有一定的最大容量限制，在调用响应的手段时不应超过此范围。另外，调用的各种调频手段的总和应大于等于系统快速频率调整备用需求，因此有：

R_i≤u_iR_max

∑R_i≥R_d

其中，R_max为各种快速频率响应备用允许的最大值，R_d为电力系统受到大功率缺失扰动下的备用需求；。

备用响应时间约束：快速频率调整备用应该在频率达到最低点之前投入：

t_i≤t_min

其中，t_i为各种调频备用资源响应的时间，t_min为系统受到大功率缺失扰动后频率下降到最低点的时间。

机组爬坡约束：火电机组的出力可以拟合为

在快速频率调整范围内可以简化为常数爬坡率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表示发电机的时间常数，K是调速器的功频静特性系数，C_i是火电机组的简化爬坡率。

机组出力上限约束：传统的调频机组的功率应该小于机组出力的最大值。

P_Gi(t)≤P_Gimax

其中，P_Gi是各机组的实际出力；P_Gimax为第i台机组的最大出力；频率安全约束：应使得系统在发生一次大功率缺失扰动后，频率的最低点不超过规定的安全裕度的限额。

f_min≥SL_k

其中，f_min是系统最低点频率；SL_k是规定的安全裕度限额。

功率平衡约束：在大功率缺失下，按照能量守恒，惯性完全释放使得机组的有功出力之和与系统初始的功率缺失量相等。

其中，ΔP_L为系统的率缺额；t_min是频率达最大偏移时的时间；H为系统的惯性时间常数。

S3：获取传统调频机组与各类调频资源的参与快速频率响应的协调关系；

本方法在进行快速频率响应的备用配置时考虑了四类调频资源：传统的火电机组、各种可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵。

我国各大电网以火电为主，当电网频率发生变化时，在保证机组安全的前提下，各发电机组通过快速改变汽门开度，调节发电机输出功率，自动平衡电力系统的第一种扰动负荷分量，从而抑制频率快速变化。火电机组的一次调频特性对电力系统频率稳定，防止因突发的负荷变动及发电机跳闸，造成频率大范围波动而引发连锁反应至关重要，所以投入运行的火电机组都要求具有一次调频能力，而且作为一种辅助服务，无偿提供。

而可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵的调节性能与其投入时间、投入容量以及价格因素有直接关系。一般来说，在系统发生扰动后这些备用资源的投入时间越快，投入容量越大越能快速的抵御频率波动，但是相应的调节成本也越高。

因此形成以下传统调频机组和其他调频手段的协调方案：

(1)如果仅靠传统机组的快速频率调整能力能够满足系统的安全裕度要求，则不需要其他调频方式参与。

(2)如果仅由传统机组进行的快速频率调整无法使频率最低点大于前述频率安全限额，则需计算出除传统机组外剩余的频率响应容量需求，由各类其他调频资源满足该需求(且需满足总成本最小的目标)。

S4：设计考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置流程；

如图1，首先计算出备用需求，然后综合各种调频手段的经济特性和时间特性，进行备用的优化选择与容量的分配。

S41：读取传统火电机组的发电机的时间常数T、调速器的功频静特性系数K、电力系统的时间惯性常数H以及可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵的调节时间t_i和成本c_i参数，计算频率达到最低点时火电机组的等效爬坡C₁、C₂...C_N及时间t_min：

...

S42:计算在系统频率下降最低点时各传统的调频机组的有功出力P_Gi(t_min)，并判断机组出力是否在最大限制约束之内，即判断是否满足P_Gi(t_min)≤P_Gimax。如果满足进行S43，若不满足，则回到S41重新计算。

S43:求解最低点频率并进行安全校验。

利用在S41中计算得到的频率达到最低点时的机组等效爬坡C₁、C₂...C_N和时间 t_min，可以根据频率最低点计算公式得到判断频率最低点的值是否满足 频率安全约束，如果不满足，则对ΔP_L的值进行修正，直到

S44:计算满足系统安全约束的备用需求。

在最低点频率满足要求后，此时得到ΔP_L'为满足频率安全约束的系统有功缺额，进而可以计算得到系统满足安全约束的备用需求R_d＝ΔP_L-ΔP_L'。

S45：反复迭代并判断可中断负荷、直流调制和抽蓄切泵这几种快速频率响应备用资源的容量是否满足快速频率响应模型中的容量约束R_i≤u_iR_max、∑R_i≥R_d；判断可中断负荷、直流调制和抽蓄切泵这几种快速频率响应备用资源的响应时间是否满足快速频率响应模型中的调节时间约束t_i≤t_min；同时这几种调节方式的备用成本是否满足快速频率响应模型中的成本之和最小的目标函数

如果以上约束条件和目标函数均满足，则得到考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置。

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 (4)

1.一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：获取电力系统在不同安全裕度的快速频率响应频率最低点的限额信息；

S2：建立考虑不同安全裕度的快速频率响应备用配置模型，包括设置快速频率响应备用优化配置的目标函数和约束条件；

S3：获取传统调频机组与各类调频资源参与快速频率响应的协调关系；

S4：设计考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置流程；

为了同时满足以下两个条件:电力系统满足频率安全、在大功率缺失后不发生低频减载；在各类调频资源满足调配需求时，配置方案的经济性最好的情况下建立快速频率响应备用模型，其中快速频率响应备用模型采用如下方式建立：设置考虑安全裕度的快速频率响应备用配置模型的目标函数，预设多种快速调频资源的备用容量保证电力系统一次调频备用成本最低，其中快速频率响应备用配置模型的目标函数表达式为：

其中，u_i第i种调频手段是否参与快速调频，取值为1或0；c_i为第i种调频手段快速调频备用单位成本；R_i为第i种调频手段快速调频备用容量。

2.根据权利要求1所述的一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，其特征还在于：设置快速频率响应备用优化配置的约束条件包括：

备用容量约束：各种快速频率响应资源备用容量应小于其最大容量限制，同时调用的各种快速频率响应资源备用容量的总和大于等于系统快速频率调整备用需求，则有：

R_i≤u_iR_max

∑R_i≥R_d

其中，R_max为各类快速频率响应备用允许的最大值，R_d为电力系统受到大功率缺失扰动下的备用需求；

备用响应时间约束：快速频率调整备用应该在频率达到最低点之前投入：

t_i≤t_min

其中，t_i为各种调频备用资源响应的时间，t_min为系统受到大功率缺失扰动后频率下降到最低点的时间；

机组爬坡约束：火电机组的出力拟合为

在快速频率调整范围内简化为常数爬坡率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表示发电机的时间常数，K是调速器的功频静特性系数，C_i是火电机组的简化爬坡率；

机组出力上限约束：传统的调频机组的功率小于机组出力的最大值；

P_Gi(t)≤P_Gimax

其中，P_Gi是各机组的实际出力，P_Gimax为第i台火电机组的最大出力，

频率安全约束：在电力系统中发生一次大功率缺失扰动后，频率的最低点不超过规定的安全裕度的限额，即

f_min≥SL_k

其中，f_min是电力系统最低点频率；SL_k是规定的安全裕度限额；

功率平衡约束：在大功率缺失下按照能量守恒原则，惯性完全释放使机组的有功出力之和与电力系统初始的功率缺失量相等，即

其中，ΔP_L为系统的功率缺额；t_min是频率达最大偏移时的时间。

3.根据权利要求1所述的一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，其特征还在于：

传统调频机组与各类调频资源参与快速频率响应的协调关系为：

如果仅靠传统机组的快速频率调整能力能够满足系统的安全裕度要求，则不需要其他调频方式参与；

如果仅由传统机组进行的快速频率调整无法使频率最低点大于电力系统单次扰动下的快速频率响应频率最低点限额，则需计算出除传统机组外剩余的频率响应容量需求，由各类其他快速调频资源满足该需求。

4.根据权利要求1所述的一种考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置方法，其特征还在于：快速频率响应备用优化配置流程为：

S41：读取传统火电机组发电机的时间常数T、调速器的功频静特性系数K、电力系统的时间惯性常数H，可中断负荷、直流调制以及抽蓄切泵的调节时间t_i和成本c_i，计算频率达到最低点时的传统火电机组的等效爬坡C₁、C₂...C_N及时间t_min；

S42：计算在电力系统频率下降最低点时，各传统调频机组的有功出力P_Gi(t_min)，并判断机组出力是否在最大限制约束之内，即判断是否满足P_Gi(t_min)≤P_Gimax；

如果满足进行S43，若不满足，则返回至S41重新计算；

S43：求解最低点频率并进行安全校验；

利用S41计算得到的频率达到最低点时的机组等效爬坡C₁、C₂...C_N和时间t_min，根据频率最低点计算公式得到

判断频率最低点的值是否满足频率安全约束，如果不满足，则对ΔP_L的值进行修正，直到

S44：计算满足电力系统安全裕度约束的备用需求：在最低点频率满足要求后，此时得到ΔP_L'为满足频率安全约束的系统有功缺额，进而计算得到满足系统安全裕度约束的快速频率响应备用需求R_d＝ΔP_L-ΔP_L'；

S45：反复迭代并判断可中断负荷、直流调制和抽蓄切泵这几种快速频率响应备用资源的容量是否满足快速频率响应模型中的容量约束R_i≤u_iR_max、∑R_i≥R_d；判断可中断负荷、直流调制和抽蓄切泵这几种快速频率响应备用资源的响应时间是否满足快速频率响应模型中的调节时间约束t_i≤t_min；同时这几种调节方式的备用成本是否满足快速频率响应模型中的成本之和最小的目标函数

如果以上约束条件和目标函数均满足，则得到考虑安全裕度的快速频率响应备用优化配置。

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