CN109742774A - 一种多资源联合调频的电网频率态势在线预测方法 - Google Patents

Abstract

本专利针对光热电站接入地区电网后对周边电网频率特性的影响，根据一种光热发电机的调速器模型，提出了一种考虑火电、光热和需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法。该方法综合考虑了火电机组、光热机组以及需求侧响应在系统频率响应(SFR)过程中发挥的作用，通过在线收集电网的运行状态数据以及机组的设备信息，建立火电机组、光热机组以及需求侧响应联合调频的聚合模型。该聚合模型通过传递函数的形式来表征火电机组、光热机组和需求侧响应参与调频的过程。与现有的方法相比，本方法在传统系统频率响应模型的基础上，加入光热机组调速器和需求侧响应的调频作用，能够在线预测电网频率态势，提高电网对系统频率的预测能力。

Description

一种多资源联合调频的电网频率态势在线预测方法

技术领域

本发明涉及一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，属于电力系统态势感知及趋势预测技术领域。

背景技术

随着社会生产力的快速发展，能源危机和环境污染的压力日益加大，促使各国加大了对清洁能源的研究，光热发电作为一种新兴的新能源发电技术，相比于传统的风电、光伏发电技术，光热发电拥有与常规火电机组相媲美的调节特性，近年来成为国内外学者的研究热点。根据中国可再生能源学会的预测，2030年我国光热发电容量可能达到30GW，2050年将可能达到180GW，光热发电技术有希望成为我国主要的可再生能源发电技术之一，未来将成为支撑实现高比例可再生能源并网的重要技术。

受到不稳定太阳光辐射强度的影响，光热汽轮机一般会在每天早晨开始启动运转，到晚间无太阳光时关停或通过其它燃料补燃进行低负荷运转。所以目前大多数光热电站还没能实现24小时全天持续发电，因此虽然光热电站的发电系统与火电机组类似，但因为太阳能的昼夜变化规律及气候影响，光热汽轮机的各项参数将受到影响，它的调频特性也有所不同。因此，在电网频率在线预测的过程中，仅仅考虑火电机组的调频作用是不全面的，还需要考虑到关键参数变化后的光热机组的调频作用。除了火电机组以及光热机组在系统频率响应中能够发挥作用外，需求侧响应也能参与调频，其通过系统频率的变化对负荷功率进行相应的调整，可以提升系统的稳定性。

由此可见，传统的系统频率响应模型只考虑了火电机组的调频作用，针对可再生能源并网后，系统电源组成复杂，该模型在电网频率态势在线预测中将不够全面。因此一种综合考虑火电机组、光热机组、需求侧响应在系统频率响应中的调节作用，将提高电网频率态势预测的精度，提高电力系统频率预测的能力，对于电网调度具有重要的指导意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是解决电网频率态势在线预测的问题，提供了一种根据系统运行状态数据以及机组设备信息进行电网频率态势在线预测的方法。

技术内容：本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，包括如下步骤：

(1)实时监测电网的运行状态，判断电网是否有功率缺额；

(2)若电网没有发生功率缺额，则返回步骤(1)继续监测；若电网发生功率缺额，则进入步骤(3)；

(3)采集电网的运行状态数据以及机组设备信息；

(4)建立基于传统系统频率响应(SFR)的频率态势预测聚合模型，该聚合模型加入光热发电机的等效调速器模型，以及需求侧响应的等效调频模型；

(5)根据电网的功率缺额值以及步骤(3)中采集到的数据整定聚合模型中的参数；

(6)对所建立的频率态势预测聚合模型进行仿真计算或者根据模型推导所得的s域表达式给出相应运行工况下电网频率态势的在线预测结果。

进一步的，所述的火电机组、光热机组的运行状态数据、设备信息，包括第i台火电机组惯性时间常数H_i，阻尼常数D_i，机械功率增益K_mi、汽轮机时间常数T_Ri，一次调频系数R_i；、第j台光热机组调差系数δ_j，伺服机构时间常数T_sj，蒸汽容积时间常数T_0j，中间过热系数α_j，中间过热时间常数T_rhj。

进一步的，根据两种发电机组的基准功率，对采集到的数据进行归化、聚合，对于电网中的N台火电机组，M台光热机组，则定义火电机组总基准功率光热机组总基准功率其归化、聚合方法如下：

K_m、T_R、R分别为聚合后火电机组机械功率增益、汽轮机时间常数、火电机组一次调频系数；δ、T_s、T₀、α、T_rh分别为聚合后光热机组的调差系数、伺服机构时间常数、蒸汽容积时间常数、中间过热系数、中间过热时间常数；H表示系统惯性时间常数，D表示系统阻尼常数。

进一步的，加入的光热发电机的等效调速器模型，根据传递函数框图，得到光热机组的系统频率响应的s域表达式为：

所以权利要求1中所述建立基于传统系统频率响应的频率态势预测聚合模型其特征在于，由聚合模型可知，当系统发生功率缺额ΔP_d时，有：

Δω为频率偏差，对该式变形可以得到加入光热机组调速器和需求侧响应的调频作用后的系统频率响应的s域表达式为：

有益效果：

本发明提出了一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，该方法考虑了光热机组以及需求侧响应对于电网频率的调节作用，通过采集电网运行状态数据以及机组设备信息进行归化聚合，建立综合考虑火电机组、光热机组、需求侧响应的频率响应聚合模型。该模型相对于现有的系统频率预测模型，额外考虑了需求侧响应在系统频率调整中的作用，有助于提高接入光热电站后电网频率态势在线预测的精度，有利于相关人员进行电网的调控以及指挥调度。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图；

图2为光热发电机调速器的传递函数框图；

图3为考虑火电、光热、需求侧响应的电力系统频率响应模型；

图4为不同光热占比时，扰动后系统频率响应仿真图

图5为光热机组参与系统调频前后扰动时系统频率响应仿真图

图6为中间过热系数α对扰动后系统频率响应影响的仿真图

图7为中间过热时间常数Trh对扰动后系统频率响应影响的仿真图

具体实施方式：

一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，包括如下步骤：

(1)实时监测电网的运行状态，判断电网是否有功率缺额；

(2)若电网没有发生功率缺额，则返回步骤(1)继续监测；若电网发生功率缺额，则进入步骤(3)；

(3)采集电网的运行状态数据以及机组设备信息；

(4)建立基于传统系统频率响应(SFR)的频率态势预测聚合模型，该聚合模型加入光热发电机的等效调速器模型，以及需求侧响应的等效调频模型；

(5)根据电网的功率缺额值以及步骤(3)中采集到的数据整定聚合模型中的参数；对于系统中的N台火电机组，M台光热机组，则定义火电机组总基准功率光热机组总基准功率其归化、聚合方法如下：

(7)对所建立的频率态势预测聚合模型进行仿真计算或者根据模型推导所得的s域表达式给出相应运行工况下电网频率态势的在线预测结果。

由聚合模型可知，当系统发生功率缺额ΔP_d时，有

Δω为频率偏差，对该式变形可以得到系统频率响应为

本方法提到的光热发电机调速器模型的传递函数框图如图2所示，则光热机组的频率响应的s域表达式为：

所以综合考虑火电机组、光热机组、需求侧响应在系统频率响应中的调节作用的模型在对火电机组、光热机组聚合后如图3所示。

H_i表示第i台火电机组惯性时间常数，D_i表示第i台火电机组阻尼常数；K_mi、T_Ri、R_i分别为第i台火电机组机械功率增益、汽轮机时间常数与一次调频系数；δ_j、T_sj、T_0j、α_j、T_rhj分别为第j台光热机组调差系数、伺服机构时间常数、蒸汽容积时间常数、中间过热系数、中间过热时间常数；K_m、T_R、R分别为聚合后火电机组机械功率增益、汽轮机时间常数、火电机组一次调频系数；δ、T_s、T₀、α、T_rh分别表示聚合后光热机组调差系数、伺服机构时间常数、蒸汽容积时间常数、中间过热系数、中间过热时间常数，其中中间过热系数α和中间过热时间常数T_rh是影响光热机组调频特性的关键参数；H表示系统惯性时间常数，D表示系统阻尼常数；K_DR为负荷调频系数；ρ为系统中光热机组的占比。对于系统中的N台火电机组，M台光热机组，则定义火电机组总基准功率光热机组总基准功率其归化、聚合方法如下：

由聚合模型可知，当系统发生功率缺额ΔP_d时，有

Δω为频率偏差，对该式变形可以得到加入光热机组调速器和需求侧响应的调频作用后的系统频率响应的s域表达式为：

利用含光热和需求侧响应的系统频率响应模型，在Matlab/Simulink中进行测试，通过调整光热机组的有功出力，改变测试模型中的光热占比。在不同的光热占比下进行仿真，扰动设置为在0s时，负荷突增40MW，观测系统的频率响应情况，如图4所示。

p表示光热占比，由图4可以发现，随着光热占比的提高，在相同的扰动下，扰动后系统频率最低值变得更小，但扰动后系统所达到的稳态频率相同。

在光热占比为20％的情况下，扰动设置同样为在0s，负荷突增40MW，针对光热机组参与系统调频前后的频率响应过程进行仿真分析，如图5所示。

由图5可知，光热机组参与系统调频后可以改善扰动后系统的频率变化率，使最低频率值相对升高一些，稳态频率也相对较高。因此，光热参与系统调频对于系统的频率稳定具有非常重要的作用。

进一步针对光热机组参与系统频率调整的关键控制参数对扰动后系统的频率响应的影响进行分析研究。

图6为中间过热系数α对扰动后系统频率响应的影响，图7为中间过热时间常数Trh对扰动后系统频率响应的影响。图6和图7均是在光热占比与扰动与前述相同的情况下进行的分析研究。图6是在中间过热时间常数恒为10时，设置不同的中间过热系数分析扰动后系统的频率响应，由图6可以看出，中间过热系数对扰动后系统的稳态频率几乎没有影响，而对扰动后系统的最低频率及最低频率的到达时刻都有影响，随着中间过热系数的增大扰动后系统频率到达最低值的时间越早，最低频率值越大，频率偏差越小。图7是在中间过热系数恒为0.333时，设置不同的中间过热时间常数分析扰动后系统的频率响应，由图7可以看出，中间过热时间常数对扰动后的最低频率到达时刻几乎没有影响，对于扰动后系统的最低频率及系统恢复稳态后能达到的稳态频率是有着较为明显的影响的。中间过热时间常数越大，扰动后系统的最低频率值越小，稳态频率值越低。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的内容和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)实时监测电网的运行状态，判断电网是否有功率缺额；

(2)若电网没有发生功率缺额，则返回步骤(1)继续监测；若电网发生功率缺额，则进入步骤(3)；

(3)采集电网的运行状态数据以及机组设备信息；

(4)建立基于传统系统频率响应(SFR)的频率态势预测聚合模型，该聚合模型加入光热发电机的等效调速器模型，以及需求侧响应的等效调频模型；

(5)根据电网的功率缺额值以及步骤(3)中采集到的数据整定聚合模型中的参数；

(6)对所建立的频率态势预测聚合模型进行仿真计算或者根据模型推导所得的s域表达式给出相应运行工况下电网频率态势的在线预测结果。

2.根据权利要求1所述的一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，其特征在于，所述的火电机组、光热机组的运行状态数据、设备信息，包括第i台火电机组惯性时间常数H_i，阻尼常数D_i，机械功率增益K_mi、汽轮机时间常数T_Ri，一次调频系数R_i；、第j台光热机组调差系数δ_j，伺服机构时间常数T_sj，蒸汽容积时间常数T_0j，中间过热系数α_j，中间过热时间常数T_rhj。

3.根据权利要求1所述的一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，其特征在于，所述的采集到的数据的参数聚合的计算方法，根据两种发电机组的基准功率，对采集到的数据进行归化、聚合，对于电网中的N台火电机组，M台光热机组，则定义火电机组总基准功率光热机组总基准功率其归化、聚合方法如下：

K_m、T_R、R分别为聚合后火电机组机械功率增益、汽轮机时间常数、火电机组一次调频系数；δ、T_s、T₀、α、T_rh分别为聚合后光热机组的调差系数、伺服机构时间常数、蒸汽容积时间常数、中间过热系数、中间过热时间常数；H表示系统惯性时间常数，D表示系统阻尼常数。

4.根据权利要求1所述的一种考虑光热-火-需求侧响应联合调频的电网频率态势在线预测方法，其特征在于，所述加入的光热发电机的等效调速器模型，根据传递函数框图，得到光热机组的系统频率响应的s域表达式为：

所以权利要求1中所述建立基于传统系统频率响应的频率态势预测聚合模型其特征在于，由聚合模型可知，当系统发生功率缺额ΔP_d时，有：

Δω为频率偏差，对该式变形可以得到加入光热机组调速器和需求侧响应的调频作用后的系统频率响应的s域表达式为：