CN108879721B - 一种基于风电消纳的频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风电消纳的频率控制方法，步骤包括：A、计算控制区域内每个子区域的风功率偏差；B、计算控制区域内所有子区域的总风功率偏差；C、将总风功率偏差分摊至控制区域各个子区域内进行区域控制偏差调整，并计算每个子区域动态调整之后的调整后区域控制偏差；D、根据调整后区域控制偏差大小，对应子区域的自动发电控制系统对该子区域内发电机组发出控制命令，实现调频控制；本发明能够在控制区域的各个子区域间公平分摊调频责任，进而改善电网频率调节现状，以实现在子区域间调频能力的最大程度互补，在提高电网风电消纳能力的同时保证电网安全稳定运行。

Description

一种基于风电消纳的频率控制方法

技术领域

本发明涉及电力电网设备技术领域，尤其涉及一种基于风电消纳的频率控制方法。

背景技术

我国地域辽阔，地形复杂，因此，根据不同的地形，发电方式也不同。其中，风力发电多集中在“三北地区”，具有强波动性、间歇性、反调峰等不友好特性，弃风现象非常严重。风电并网，是指数量有上百至上千不等的风力机安装在旷野上，并网运行的中大型风力发电机，由计算机控制和统一管理，并向电网输送强大的电力。目前，随着特高压交直流线路的不断普及和国家节能环保等政策的实施，风电并网量大规模提升，但也同时造成常规机组的上网空间被大大挤占，使其系统惯性减小，频率响应能力降低，大大影响风电消纳的效率，对电网的频率安全造成极大安全隐患，而传统的电网频率控制方式已无法消除风电并网带来的不利影响，无法满足日益严峻的电网调频形势需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于风电消纳的频率控制方法，能够在控制区域的各个子区域间公平分摊调频责任，进而改善电网频率调节现状，以实现在子区域间调频能力的最大程度互补，在提高电网风电消纳能力的同时保证电网安全稳定运行。

本发明采用的技术方案为：

一种基于风电消纳的频率控制方法，包括以下过程：

A、计算控制区域内每个子区域的风功率偏差：基于风电功率预测技术，使用历史数据离线预测子区域的预测风电输出功率，实时采集子区域的实际风电输出功率，计算子区域的风功率偏差，获取子区域的风功率偏差曲线；子区域的风功率偏差的计算公式为：

ΔP_i＝P_in-P₀ (1)

公式(1)中，P₀为子区域i的预测风电输出功率；P_in为子区域i的实际风电输出功率；ΔP_i为子区域i的风功率偏差；

B、计算控制区域内所有子区域的总风功率偏差，并获取整个控制区域的总风功率偏差曲线；

总风功率偏差的计算公式为：

P_sum＝∑ΔP_i (2)

公式(2)中，ΔP_i为子区域i的风功率偏差，P_sum为控制区域内总风功率偏差；

C、将总风功率偏差分摊至控制区域各个子区域内进行区域控制偏差调整，并计算每个子区域动态调整之后的调整后区域控制偏差；动态调整控制偏差的计算公式为：

ACE′_i＝ACE_i+P_sum*_i/_sum (3)

B_sum＝∑B_i (4)

公式(3)和公式(4)中，ACE_i为子区域i的区域控制偏差；ACE′_i为子区域i动态调整之后的调整后区域控制偏差；B_i为子区域i的频率偏差系数；B_sum为控制区域内总的频率偏差系数；

D、根据调整后区域控制偏差大小，对应子区域的自动发电控制系统对该子区域内发电机组发出控制命令，实现调频控制。

所述的步骤D具体包括以下步骤：

D1、子区域i的一次调频建模和二次调频建模：

D2、当子区域i发生频率扰动时，一次调频模型根据本地频差进行一次调频动作，二次调频模型依据调整后区域控制偏差对子区域i对应发电机组实施二次调频动作，使系统频率恢复至给定值；二次调频动作在一次调频动作的秒级至分钟级之后进行；

一次调频模型的动作过程为：

一次调频模型实时监测子区域i中发电机组的功率扰动P_L，并根据功率扰动P_L获取子区域i的系统频差Δf；系统频差Δf的数值以0为基准值并在基准值上下浮动，若系统频差Δf不超出频率响应动作死区范围，则判定未发生功率频率扰动，若系统频差Δf的数值超出频率响应动作死区范围，则判定发生频率扰动；频率扰动发生后，一次调频模型根据系统频差Δf确定增发功率值，并通过发电机组设备进行功率增发，使系统频差Δf恢复至频率响应动作死区范围内；

二次调频模型的动作过程为：

二次调频模型根据实时采集的发电机组负荷数据计算调整后区域控制偏差，根据调整后区域控制偏差计算功率调节量，二次调频模型将功率调节量发送至子区域i场站端，子区域i 场站端根据接收到的指令调控机组出力，将频率扰动引起的调整后区域控制偏差控制在正常范围内；负荷数据包括频率、机组出力和联络线功率。

所述步骤D1中，一次调频建模包括调速器模块、汽轮机模块和发电机-负荷模块的建模；其中，

Ⅰ、发电机-负荷模块满足：

公式(5)中：ΔP_t,i为子区域i的汽轮机输出功率；ΔP_L,i为总风功率偏差；H_i为子区域i 的系统惯性时间常数；D_i为子区域i的系统负荷阻尼常数；

Ⅱ、调速器模块满足：

公式(6)中：R_i为子区域i的机组调差系数；P_sp,i为子区域i的PID控制器i的输出功率；Δf_i为子区域i的频差；T_g,i为子区域i的调速器时间常数；ΔP_g,i为子区域i的调速器输出功率；

Ⅲ、汽轮机模块满足：

公式(7)中：_t,i为子区域i的汽轮机时间常数；ΔP_t,i为子区域i的汽轮机输出功率。

所述步骤D1中，二次调频建模过程如下：

计算子区域i的子区域控制偏差，满足：

ACE_i＝ΔP_tie+B_iΔf_i (8)

公式(8)中，ΔP_tie为子区域i和区域j之间联络线的联络线交换功率，ACE_i为子区域i 的区域控制偏差，B_i为子区域i的频率偏差系数，Δf_i为子区域i的频差；

其中，联络线的交换功率满足条件为：

公式(9)中，ΔP_tie为联络线交换功率，T_ij为联络线功率同步系数，Δf_i、Δf_j分别为子区域i和子区域j的频差。

本发明具有以下有益效果：

(1)通过将总风功率偏差按比例分摊至控制区域内各个子区域，使整个控制区域的电网系统能够在系统参数不变的情况下，充分发挥扰动区与非扰动区机组频率调节能力，对控制区域内整个互联电网的频率控制效果好，频率响应能力增强，抗扰动性能好，风电消纳能力强，改善风电并网后系统频率特性，在大规模风电并网时具有重要意义；

(2)通过采用基于风电消纳结果对电网频率进行控制的方法，有助于满足我国节能环保等政策性需求，在保证系统风电消纳能力满足条件的前提下，减少各种频率响应调节手段的投入，并降低火电机组等常规机组所占比例，从而有助于改善我国电网电源结构，降低发电成本。

附图说明

图1为实施例中的系统配置框图；

图2为实施例中的控制区域总风功率偏差曲线图；

图3为实施例中子区域i采用本发明控制方法和采用传统控制方法的控制效果仿真图；

图4为实施例中子区域j采用本发明控制方法和采用传统控制方法的控制效果仿真图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

使用单机组两区域系统进行建模仿真，系统模型框图如图1示，其中子区域i为风电扰动区，区域j为非扰动区，为简化计算，使用集中参数进行仿真分析；如图1所示，B_i、B_j为频率偏差系数；a_i、b_i为ACE分配系数；R_i、R_j为调差系数；ACE_i、ACE_j为区域控制偏差；T_g,i、T_g,j为调速器时间常数；T_t,i、T_t,j为汽轮机时间常数；H_i、H_j为系统惯性时间常数；D_i、D_j为系统负荷阻尼常数；ΔP_g,i、ΔP_g,j为调速器输出功率；ΔP_t,i、ΔP_t,j为汽轮机输出功率；Δf_i、Δf_j为子区域i、j的频差；T_ij为联络线功率同步系数；ΔP_L,i为总风功率偏差。

该两区域系统中，各区域均包含一台火电机组，同时参数一次调频与二次调频，下面以子区域i为例进行介绍，区域j与子区域i系统配置相同。

本实施例的控制步骤包括以下过程：

A、计算控制区域内每个子区域的风功率偏差，即单个风电场内的风功率偏差，并获取风功率偏差曲线；

基于风电功率预测技术，使用历史数据离线预测子区域的预测风电输出功率，实时采集子区域的实际风电输出功率，根据公式(1)计算子区域的风功率偏差，获取子区域的风功率偏差曲线；其中，公式(1)为：

ΔP_i＝P_in-P₀ (1)

公式(1)中，P₀为子区域i的预测风电输出功率；P_in为子区域i的实际风电输出功率；ΔP_i为子区域i的风功率偏差；

B、计算控制区域内所有子区域的总风功率偏差，并获取整个控制区域的总风功率偏差曲线；

总风功率偏差的计算公式为：

P_sum＝∑ΔP_i (2)

公式(2)中，ΔP_i为子区域i的风功率偏差，P_sum为控制区域内总风功率偏差；

C、将总风功率偏差分摊至控制区域各个子区域进行区域控制偏差调整，并计算每个子区域动态调整之后的调整后区域控制偏差；动态调整控制偏差的计算公式为：

ACE′_i＝ACE_i+P_sum*_i/_sum (3)

B_sum＝∑B_i (4)

公式(3)和公式(4)中，ACE_i为子区域i的区域控制偏差；ACE′_i为子区域i动态调整之后的调整后区域控制偏差；B_i为子区域i的频率偏差系数；B_sum为控制区域内总的频率偏差系数；

D、根据调整后区域控制偏差大小，对应子区域的自动发电控制系统对该子区域内发电机组发出控制命令，实现调频控制。

步骤D中子区域进行调频控制的方式采用基于发电机组一次调频和二次调频的频率响应控制方式，下面以子区域i为例进行说明；子区域i的调频控制包括以下过程：

D1、子区域i的一次调频建模和二次调频建模：

一次调频建模：

一次调频建模包括调速器模块、汽轮机模块和发电机-负荷模块的建模；其中，

Ⅰ、发电机-负荷模块满足：

公式(5)中：ΔP_t,i为子区域i的汽轮机输出功率；ΔP_L,i为总风功率偏差；H_i为子区域i 的系统惯性时间常数；D_i为子区域i的系统负荷阻尼常数；

Ⅱ、调速器模块满足：

公式(6)中：R_i为子区域i的机组调差系数；P_sp,i为子区域i的PID控制器i的输出功率；Δf_i为子区域i的频差；T_g,i为子区域i的调速器时间常数；ΔP_g,i为子区域i的调速器输出功率；

Ⅲ、汽轮机模块满足：

公式(7)中：_t,i为子区域i的汽轮机时间常数；ΔP_t,i为子区域i的汽轮机输出功率。

二次调频建模：

首先，计算子区域i的区域控制偏差，满足：

ACE_i＝ΔP_tie+B_iΔf_i (8)

公式(8)中，ΔP_tie为子区域i和区域j之间联络线的联络线交换功率，ACE_i为子区域i 的区域控制偏差，B_i为子区域i的频率偏差系数，Δf_i为子区域i的频差；

其中，联络线的交换功率满足条件为：

公式(9)中，ΔP_tie为联络线交换功率，T_ij为联络线功率同步系数，Δf_i、Δf_j为子区域i、 j的频差；

D2、当子区域i发生频率扰动时，一次调频模型根据本地频差进行一次调频动作，二次调频模型依据调整后区域控制偏差对子区域i对应发电机组实施二次调频动作，使系统频率恢复至给定值；二次调频动作在一次调频动作的秒级至分钟级之后进行；

其中，一次调频模型的动作过程为：

一次调频模型实时监测子区域i中发电机组的功率扰动P_L，并根据功率扰动P_L获取子区域i的系统频差Δf；系统频差Δf的数值以0为基准值并在基准值上下浮动，若系统频差Δf不超出频率响应动作死区范围，则判定未发生功率频率扰动，若系统频差Δf的数值超出频率响应动作死区范围，则判定发生频率扰动；频率扰动发生后，一次调频模型根据系统频差Δf确定增发功率值，并通过发电机组设备进行功率增发，使系统频差Δf恢复至频率响应动作死区范围内；

二次调频模型的动作过程为：

二次调频模型根据实时采集的发电机组负荷数据计算调整后区域控制偏差，根据调整后区域控制偏差计算功率调节量，二次调频模型将功率调节量发送至子区域i场站端，子区域 i场站端根据接收到的指令调控机组出力，将频率扰动引起的调整后区域控制偏差控制在正常范围内。其中，负荷数据包括频率、机组出力和联络线功率。

在电网系统每次发生频率扰动时，一次调频模型和二次调频模型依次进行一次调频和二次调频动作的过程为一轮频率响应调控，若Δf为正值，则系统通过一次调频和二次调频减少出力，若Δf为负值，则系统通过一次调频和二次调频增发功率；

将本实施例中的两区域仿真模型通过离线分析和实时检测计算后，获取的控制区域总风功率偏差曲线如图2所示，本发明有效增加二次调频增发功率，系统抗扰动性增强，频率波动变小，风电消纳能力增强。

如图3和图4所示，采用本发明中基于风电消纳影响动态调整后的调整后区域控制偏差 ACE′_i对控制区域的调控效果，对比采用传统区域控制偏差ACE_i对控制区域的调空效果，由仿真结果可以看出，在控制区域的系统参数保持不变的情况下，对风电扰动区与非扰动区而言，使用本发明所公开控制方法能够取得较传统控制方法更优的控制效果，系统频率响应能力增强，抗扰动性变好，风电消纳能力增大，在大规模风电并网时具有重要意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于风电消纳的频率控制方法，其特征在于：包括以下过程：

A、计算控制区域内每个子区域的风功率偏差：基于风电功率预测技术，使用历史数据离线预测子区域的预测风电输出功率，实时采集子区域的实际风电输出功率，计算子区域的风功率偏差，获取子区域的风功率偏差曲线；子区域的风功率偏差的计算公式为：

ΔP_i＝P_in-P₀ (1)

公式(1)中，P₀为子区域i的预测风电输出功率；P_in为子区域i的实际风电输出功率；ΔP_i为子区域i的风功率偏差；

B、计算控制区域内所有子区域的总风功率偏差，并获取整个控制区域的总风功率偏差曲线；

总风功率偏差的计算公式为：

ΔP_L,i＝∑ΔP_i (2)

公式(2)中，ΔP_i为子区域i的风功率偏差，ΔP_L,i为控制区域内总风功率偏差；

C、将总风功率偏差分摊至控制区域各个子区域内进行区域控制偏差调整，并计算每个子区域动态调整之后的调整后区域控制偏差；动态调整控制偏差的计算公式为：

ACE′_i＝ACE_i+P_sum*B_i/B_sum (3)

B_sum＝∑B_i (4)

公式(3)和公式(4)中，ACE_i为子区域i的区域控制偏差；ACE′_i为子区域i动态调整之后的调整后区域控制偏差；B_i为子区域i的频率偏差系数；B_sum为控制区域内总的频率偏差系数；

D、根据调整后区域控制偏差大小，对应子区域的自动发电控制系统对该子区域内发电机组发出控制命令，实现调频控制。

2.根据权利要求1所述的基于风电消纳的频率控制方法，其特征在于：所述的步骤D具体包括以下步骤：

D1、子区域i的一次调频建模和二次调频建模：

D2：当子区域i发生频率扰动时，一次调频模型根据本地频差进行一次调频动作，二次调频模型依据调整后区域控制偏差对子区域i对应发电机组实施二次调频动作，使系统频率恢复至给定值；二次调频动作在一次调频动作的秒级至分钟级之后进行；

一次调频模型的动作过程为：

一次调频模型实时监测子区域i中发电机组的功率扰动P_L，并根据功率扰动P_L获取子区域i的系统频差Δf；系统频差Δf的数值以0为基准值并在基准值上下浮动，若系统频差Δf不超出频率响应动作死区范围，则判定未发生功率频率扰动，若系统频差Δf的数值超出频率响应动作死区范围，则判定发生频率扰动；频率扰动发生后，一次调频模型根据系统频差Δf确定增发功率值，并通过发电机组设备进行功率增发，使系统频差Δf恢复至频率响应动作死区范围内；

二次调频模型的动作过程为：

二次调频模型根据实时采集的发电机组负荷数据计算调整后区域控制偏差，根据调整后区域控制偏差计算功率调节量，二次调频模型将功率调节量发送至子区域i场站端，子区域i场站端根据接收到的指令调控机组出力，将频率扰动引起的调整后区域控制偏差控制在正常范围内；负荷数据包括频率、机组出力和联络线功率。

3.根据权利要求2所述的基于风电消纳的频率控制方法，其特征在于：所述步骤D1中的一次调频建模包括调速器模块、汽轮机模块和发电机-负荷模块的建模；其中，

Ⅰ、发电机-负荷模块满足：

公式(5)中：ΔP_t,i为子区域i的汽轮机输出功率；ΔP_L,i为总风功率偏差；H_i为子区域i的系统惯性时间常数；D_i为子区域i的系统负荷阻尼常数；

Ⅱ、调速器模块满足：

公式(6)中：R_i为子区域i的机组调差系数；P_sp,i为子区域i的PID控制器的输出功率；Δf_i为子区域i的频差；T_g,i为子区域i的调速器时间常数；ΔP_g,i为子区域i的调速器输出功率；

Ⅲ、汽轮机模块满足：

公式(7)中：T_t,i为子区域i的汽轮机时间常数；ΔP_t,i为子区域i的汽轮机输出功率。

4.根据权利要求2所述的基于风电消纳的频率控制方法，其特征在于：所述步骤D1中的二次调频建模过程如下：

计算子区域i的子区域控制偏差，满足：

ACE_i＝ΔP_tie+B_iΔf_i (8)

公式(8)中，ΔP_tie为子区域i和区域j之间联络线的联络线交换功率，ACE_i为子区域i的区域控制偏差，B_i为子区域i的频率偏差系数，Δf_i为子区域i的频差；

其中，联络线的交换功率满足条件为：

公式(9)中，ΔP_tie为联络线交换功率，T_ij为联络线功率同步系数，Δf_i、Δf_j分别为子区域i和子区域j的频差。

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