CN109888797A - 基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法，包括以下步骤：态势觉察：功频特性态势觉察的信息包括风电机组出力P_w、火力机组出力P_m、直流外送功率P_DC、送端系统内负荷P_LD以及旋转备用容量P_r；态势理解：判断送端系统的频率调整能力，以及风电渗透率及直流外送功率占比对系统频率调整的影响；态势预测：对功频特性态势的现状和发展变化规律进行总结，呈现出功频特性当前态势信息，以及预测未来态势的发展变化；态势利导：当送端系统预测的频率偏差越限或动态响应特性不满足要求时，调整送端系统的功频特性。本发明提高了系统频率恢复速率，同时对系统运行状态和发展趋势进行掌握，提前进行频率协调控制，提高系统稳定性。

Description

基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法

技术领域

本发明涉及送端系统频率控制技术领域，特别是一种基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法。

背景技术

一、送端系统的功频特性

含风电直流送端系统在忽略网络有功功率损耗的条件下，系统正常运行时频率处于额定值f₀，则有

P_G＝P_m+P_w＝P_D＝P_LD+P_DC (1)

式中：P_G表示发电机组输出功率；P_m和P_w分别表示火电机组和风电机组出力；P_D表示送端系统负荷需求功率，包括传统负荷P_LD及直流外送功率P_DC。

当系统有功功率平衡遭到破坏，引起频率偏差Δf时，发电机组的等效功频特性系数K_G可表示为

式中：K_G-m、K_G-w分别表示火电机组和风电机组的功频特性系数；ΔP_m和ΔP_w分别表示火电机组和风电机组出力的变化量。

为了适应负荷的增长，发电机组应有一定的旋转备用容量，即有

P_r＝P_GN-P_G0＝k_mP_m0+k_wP_w0 (3)

式中：P_G0、P_m0、P_w0为正常运行时发电机组输出功率；k_m、k_w分别为火电和风电机组的旋转备用容量与额定频率下输出功率的比值。

直流输送功率对送端系统而言，可看成整流负荷，系统等效负荷功频特性为

式中：K_LD、K_DC分别表示送端系统负荷和直流输电的频率调节效应系数；ΔP_LD和ΔP_DC分别表示负荷和直流输送功率的变化量。

综合发电机组和负荷的功频特性可得含风电直流外送系统综合等效功频特性系数

考虑风电机组和直流输电参与频率调整的非线性特性，送端系统总的功频特性系数为

式中：Δf_lim1表示风电机组参与频率调整的启动阈值；Δf_lim2表示直流输电参与频率调整的启动阈值。考虑到区域内有功不平衡问题优先内部解决，设置参与频率调整的启动阀值Δf_lim1较Δf_lim2小。

二、发电机组的功频特性

火电机组的功频特性系数是可以整定的，但受机组调速机构限制，调整范围有限。火电机组的功频特性如图1所示。图中AB段表示发电机组已经满额输出，BC段表示在额定频率附近火电机组的输出功率对频率变化的响应，CD段表示考虑火电机组的最小技术出力。

火电机组除了满足负荷的有功需求外，还能提供旋转备用、负荷跟踪/频率控制等辅助服务，其功频特性主要受图1中BC段斜率大小的影响。

考虑风电机组参与调频时风电机组的等效功频特性如图2所示。图中AB段表示风电机组正常运行，即风电场运行在最大功率跟踪控制状态；BC段表示系统频率上升时，风电机组能够快速减小出力；CD段表示频率过高时风电机组出力降至0，风电机组脱网。当风电渗透率较低时，A点与E点可以重合；当风电渗透率较高时，AE段可以类似火电机组在频率下降时增加出力。

送端系统频率降低时风电场参与频率调整的能力较弱，而在频率升高时能依据图2中BC段的斜率值快速减小出力。

负荷种类不同，有功功率与频率关系不同。有的负荷与频率变化无关，如整流负荷；有的负荷与频率的一次方或多次方成正比，其中三次方以上的负荷占比很小，可以忽略。当频率偏差额定值不大时，负荷功频特性可近似为直线。

高压直流输电正常运行时采用定功率控制方式，对于送端系统等效为整流负荷。当系统频率偏差较大时，利用高压直流输电的快速可控性，通过直流附加频率控制或紧急功率支援参与系统频率调整。考虑直流输电线路参与调频的功频特性如图3所示。图中AB段表示直流线路定功率运行，即在频率波动较小时不参与系统频率调整。AE、BC段表示频率下降时直流外送功率减小，EF、CD段表示频率下降到一定幅值后短时间内直流线路采取紧急功率支援减小送端系统的不平衡功率。

综上所述，含风电直流送端系统的功频特性如图4所示。图中黑色实线表示等效发电机组的功频特性；黑色虚线表示送端系统等效负荷的功频特性；黑色点化虚线表示送端系统等效负荷波动后的功频特性。

图4中黑色实线AB₁C₁D₁E₁表示风电渗透率为零时等效发电机组的功频特性；AB₁BCDE表示高风电渗透率时的等效发电机组的功频特性。BC段表示频率偏差较小，仅有火电机组参与系统频率调整；CD段表示风电场按最大功率跟踪控制时提高了等效发电机组的最小技术出力；DE段表示风电机组在频率升高时快速减小出力。从等效发电机组的功频特性曲线可以发现风电机组参与送端系统的频率协调控制的重点在于频率升高时的DE段斜率值以及对BC段斜率值的影响。

图4中黑色虚线12段表示不同直流外送功率占比对送端系统等效负荷的功频特性的影响，占比越高表示与频率无关的整流负荷比重越大，12段的斜率值越小。13段和24段表示直流输电在送端系统频率偏差超过启动阈值后参与频率调整，其斜率值越大表示直流输电对等效负荷的功频特性影响越大。

图4中黑色点化虚线表示负荷波动情况下送端系统的频率偏移量。从图中可以发现，在频率偏差不是特别大的范围内，风电渗透率越高或直流外送功率占比越大，送端系统频率偏差越大，需要风电场和直流输电参与送端系统的频率调整。

如何协调风电场的旋转备用容量与最大风能利用之间的冲突，以及各种频率调整措施之间的协调配合等问题都需要采集众多的运行信息并进行理解及综合判断？目前还未有考虑风电与直流的综合功频特性的含风电场接入的交直流送端系统的频率协调控制方法。

三、态势感知技术

在高度信息化的运行环境中，态势感知技术应对含风电直流送端系统中各种关键因素进行检测识别、理解和感知，并对运行状态进行分析和预测，基于态势感知的频率协调控制结构图如图5所示。

首先是感知送端系统的风电渗透率及直流外送功率占比等因素对功频特性的影响，然后通过态势理解及预测系统频率响应过程，依据频率调整的要求对功频特性进行态势利导。其中可控参数主要是送端系统的旋转备用容量P_r、风电机组的功频特性系数K_G-w及直流输电的负荷频率调节效应系数K_DC。其中，态势感知的关键是得到送端系统的频率偏差Δf，由此决定风电或直流是否参与调频，以及如何协调相应的调节量ΔP_w、ΔP_DC。

现有技术存在以下不足：

仅从直流调制和设计直流附加控制器的角度调节系统频率稳定，而对于含风电场接入的交直流送端系统的频率控制，现有方法均未考虑风电机组的工频特性；现有技术均是故障发生后系统稳定性下降到一定程度后控制器起作用，将导致频率变化偏差变大；

没有利用态势感知技术协调风电场、直流调制、系统调频措施之间的频率协调控制措施；

没有考虑风电与直流的综合功频特性的含风电场接入的交直流送端系统的频率协调控制方法。

相关现有技术：1、一种基于风火-需求侧响应的频率协调控制方法，杨森，杜文娟，王旭斌，等.《风火-需求侧响应协调频率控制方法》.电网技术，2017，41(3)：845-853；2、一种基于TLS-ESPRIT(总体最小二乘-旋转矢量不变技术)算法和改进射影控制理论设计的适合风电接入的直流输电辅助频率控制策略，邹朋，王渝红，李兴源，等.《适合风电接入的直流输电辅助频率控制策略》.中国电机工程学报，2016，36(21)：5750-5756；3、一种在风电场侧柔性直流外环控制结构中设计附加频率控制器的频率控制方法，孙宏达，赵威，吴辰阳，等.《柔性直流输电系统的附加频率控制》.云南电力技术，2018，46(2)：33-36。

发明内容

本发明提供了一种基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法，考虑风电机组和直流输电参与频率调整的非线性特性，建立送端系统的综合等效功频特性模型；明确风电渗透率及直流外送功率占比与系统功频特性的关系；基于态势感知明确了风电渗透率与火电机组旋转备用容量的关系。

本发明利用风电场与直流系统的功频特性进行频率协调控制更加快速可控，提高送端系统频率恢复速率，同时利用态势感知技术可对系统运行状态和发展趋势进行掌握，提前进行频率协调控制，提高系统的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：态势觉察

对被感知对象的重要元素和信息进行检测和获取，结合广域量测系统，功频特性态势觉察的信息包括风电机组出力P_w、火力机组出力P_m、直流外送功率P_DC、送端系统内负荷P_LD以及旋转备用容量P_r；

步骤2：态势理解

对态势觉察获取的元素和信息，通过态势评估技术进行综合分析和判断，形成对功频特性态势的综合评价；即通过态势觉察的数据判断送端系统的频率调整能力，以及风电渗透率及直流外送功率占比对系统频率调整的影响；

步骤3：态势预测

对功频特性态势元素和信息的感知、理解后，对功频特性态势的现状和发展变化规律进行总结，从而呈现出功频特性当前态势信息，以及预测未来态势的发展变化；态势预测的结果主要包括频率偏差变化率、频率偏差最大值及频率偏差稳态误差(频率偏差Δf是指的频率响应过程随时间变化的量，而频率偏差变化率、频率偏差最大值及频率偏差稳态误差是这个过程中的三个关键信息点)；

步骤4：态势利导

当送端系统预测的频率偏差越限或动态响应特性不满足要求时，调整送端系统的功频特性。

进一步的，所述风电机组出力P_w、火力机组出力P_m、直流外送功率P_DC和送端系统内负荷P_LD通过电力系统测量装置实时检测，所述旋转备用容量P_r根据火电机组总的额定功率和风电场运行状态综合判断。

进一步的，采用频率偏差Δf判断送端系统频率是否越限；在送端系统的功频特性位于线性区域，预测的频率偏差：

式中：K_G为发电机组的等效功频特性系数，K_D为系统等效负荷功频特性，△P_G表示发电机组输出功率的变化量，△P_D表示送端系统负荷需求功率的变化量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)利用风电场与直流系统的功频特性进行频率协调控制更加快速可控，提高了系统频率恢复速率，同时利用态势感知技术可对系统运行状态和发展趋势进行掌握，提前进行频率协调控制，提高系统的稳定性。

2)适用性更广，控制效果更好。例如，与现有技术1相比，现有技术1仅考虑了风火的响应，未考虑直流系统本身能提供的快速控制作用，而本发明利用的态势感知技术比现有技术1更能提前并快速控制系统频率。

3)可控制范围更广泛，控制速度快且准确。例如，与现有技术2相比，现有技术2的直流输电辅助频率控制虽然也适用于含风电场接入的系统，但未考虑风电场和直流影响的全系统工频特性，本发明能对风电场和直流附加频率控制进行协调控制，且利用态势感知技术控制时间更准确，对实际的含风电的系统更有效。

4)适用性更广，控制效果更好更准确。例如，与现有技术3相比，现有技术3的风电场侧的附加频率控制仅对直流系统参与调频进行了调整，而在含风电的系统中，风电与直流均影响着系统的频率调整，本发明考虑风电与直流的综合影响，且设置了不同的启动阈值合理利用风电与直流的控制作用，更加准确与迅速。

附图说明

图1是火电机组的功频特性示意图；

图2是风电机组的功频特性示意图；

图3是直流输电线路的功频特性示意图；

图4是含风电直流外送系统的功频特性示意图；

图5是基于态势感知的频率协调控制结构图；

图6是风电渗透率与火电机组旋转备用关系图；

图7是频率协调控制流程图；

图8是负荷突增时的频率响应示意图；

图9是不同风电渗透率下的频率响应示意图；

图10是不同故障持续时间下的频率响应示意图；

图11是风电机组参与系统调频下的频率响应示意图；

图12是不同直流附加频率控制系数下的频率响应示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一、态势觉察

态势觉察是指对被感知对象的重要元素和信息进行检测和获取，是态势感知技术的基础，其结果可为功频特性态势理解与预测做准备。结合广域量测系统，功频特性态势觉察的主要信息包括风电机组出力P_w、火力机组出力P_m、直流外送功率P_DC、送端系统内负荷P_LD以及旋转备用容量P_r等。

直流外送功率在调度周期内较固定，易于觉察，送端系统内传统负荷依据日负荷曲线也能大致判断。受风能的不确定性影响，风电机组出力会有一定波动，但通过中短期风电预测及风电场的储能等技术能平滑并网风电功率，较易觉察。火电机组能够主动响应系统频率的波动，平衡负荷的有功功率需求，其出力P_m可控并易于觉察。

以上信息通过电力系统测量装置能实时检测，较难确定的是系统的旋转备用容量P_r，需根据火电机组总的额定功率和风电场运行状态综合判断。

二、态势理解

态势理解是指对态势觉察获取的元素和信息，通过态势评估技术进行综合分析和判断，形成对功频特性态势的综合评价。态势理解在整个态势感知过程中最为重要，是实现有效态势感知的关键，也是态势呈现和预测的数据来源。态势理解的实质是通过态势觉察的数据判断送端系统的频率调整能力，以及风电渗透率及直流外送功率占比对系统频率调整的影响。

送端系统的旋转备用容量过大会降低发电机组的利用效率，过小会影响电力系统的静态稳定性。当风电渗透率较高时，系统要求风电场参与频率调整，但设置的k_w较火电机组要小，需要提高火电机组的旋转备用容量满足送端系统要求。系统静态稳定储备系数

式中：P_sl为发电机组能够提供的极限输送功率。

在不同的风电机组k_w值下，火电机组k_m与风电渗透率的关系如图6所示。图中黑色实线表示风电机组采取最大功率跟踪控制时的情况，带叉的黑色实线表示风能富余情况下可以设置较大的风电机组k_w值，从而降低火电机组的旋转备用容量。考虑网络损耗及功率传输的约束，火电机组的旋转备用容量要比图中所示的值要大一些。

三、态势预测

态势呈现和预测是指对功频特性态势元素的感知、理解后，对功频特性态势的现状和发展变化规律进行总结，从而呈现出功频特性当前态势信息，以及对未来态势的发展变化进行预测。态势呈现和预测的结果将提交给态势利导环节，引导对功频特性的进一步调整。

态势预测的结果主要是系统的频率偏差，包括频率偏差变化率、频率偏差最大值及频率偏差稳态误差这三个参数，其中频率偏差Δf可以简单判断系统频率是否越限。在系统扰动不特别大时，频率波动较小，系统的功频特性位于线性区域，能够大致预测频率偏差

当预测的频率偏差Δf超过直流输电的附加频率启动阈值及风电机组参与系统调频的阈值后，应进一步考虑K的非线性特性。

四、态势利导

当送端系统预测的频率偏差越限或动态响应特性不满足要求时，应主动调整系统的功频特性。态势利导的关键是如何尽快降低系统的不平衡功率，防止频率动态过程越限及振荡等。基于态势感知的含风电直流送端系统的频率协调控制策略如表1所示。

表1基于态势利导的频率协调控制策略

从表1可以看出，随着系统频率偏差及其变化率的不同，风力发电机组和直流输电主动参与送端系统的功频特性调整。不能满足频率调整要求时，应根据预设方案进行高频切机或低频减载。含风电直流外送系统功频特性的测控流程如图7所示。

下面通过仿真实例对基于态势感知的频率协调控制方法进行有益技术效果验证。

基于PSCAD平台搭建含风电大容量直流送端系统的仿真模型，仿真中初始条件设置系统全负荷功率P_D0为单位1，直流外送功率P_DC＝0.6P_D0，发电机输出功率P_G0＝P_D0＝1。

1)送端系统的旋转备用容量

当风电机组按最大功率跟踪控制运行时，为保证送端系统的静态稳定储备系数满足要求，在不同风电渗透率下调整火电机组的旋转备用容量。仿真中设置送端系统内负荷在t＝1.5s时突然增大10％P_D0，系统的频率响应如图8所示。图中粗线表示风电渗透率为0时的频率响应，细线表示风电渗透率为30％时的频率响应。

从图8中可以看出，随着火电机组旋转备用的提高，系统的频率偏差减小，在满足送端系统的静态稳定储备的条件下，基于态势感知能够依据风电出力调整火电机组的旋转备用容量。

考虑大扰动持续的时间不长，仿真设置系统内负荷在t＝1.5s～3.0s时间段突然增大10％P_D0，不同风电渗透率下系统的频率响应如图9所示。

从图9中黑色实线可以看出，风电出力代替相同容量火电机组后，在扰动发生的暂态过程中因风电出力不变使得频率偏差变大。随着风电渗透率的增高，火电机组并网容量不变化时，频率偏差变小。基于态势感知可以在系统频率偏差不超过±0.2Hz条件下降低火电机组的旋转备用容量，如图9中黑色点划线所示。

不同的故障类型及故障持续时间对系统的不平衡功率影响大，以单极直流闭锁故障为例，损失功率0.3P_D0，火电机组并网容量1.2P_D0，风电出力0.1P_D0。仿真设置在t₀＝5.0s发生直流闭锁故障，不同故障持续时间下的频率响应如图10所示。

从图10可以看出，故障持续的时间不同，送端系统中积累的不平衡功率变化较大。依据态势预测的结果，利用态势利导动态调整系统的功频特性系数，在满足送端系统频率稳定的基础上尽可能提高风能利用率。

2)风电机组的功频特性系数

从图10中可以看到故障在5.5秒恢复的频率偏差已经超过了0.5Hz，基于态势感知需要调整系统的功频特性。考虑风电机组参与系统频率调整的仿真如图11所示。

从图11中黑色实线和虚线可以看出，风电机组出力比例不高，但参与系统调频后能够进一步降低频率偏差，提高送端系统的频率稳定性。

3)直流输电线路的功频特性系数

直流外送功率占比越高，直流附加频率控制对送端系统等效负荷的功频特性影响越大。仿真中设置在t＝1.0s～1.5s发生单极直流闭锁故障，在频率偏差较大时调整直流输电的功频特性系数K_DC值，系统的频率响应如图12所示。

从图12中可以看出，虚线表示设置的K_DC值能够使系统频率偏差控制在±0.2Hz以内。K_DC值设置的过小频率偏差会较大，K_DC值设置的过大的会引起跨区域输送功率的变化过大，基于态势感知可以较好确定。

Claims (3)

1.一种基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：态势觉察

对被感知对象的重要元素和信息进行检测和获取，结合广域量测系统，功频特性态势觉察的信息包括风电机组出力P_w、火力机组出力P_m、直流外送功率P_DC、送端系统内负荷P_LD以及旋转备用容量P_r；

步骤2：态势理解

对态势觉察获取的元素和信息，通过态势评估技术进行综合分析和判断，形成对功频特性态势的综合评价；即通过态势觉察的数据判断送端系统的频率调整能力，以及风电渗透率及直流外送功率占比对系统频率调整的影响；

步骤3：态势预测

对功频特性态势元素和信息的感知、理解后，对功频特性态势的现状和发展变化规律进行总结，从而呈现出功频特性当前态势信息，以及预测未来态势的发展变化；态势预测的结果主要包括频率偏差变化率、频率偏差最大值及频率偏差稳态误差；

步骤4：态势利导

当送端系统预测的频率偏差越限或动态响应特性不满足要求时，调整送端系统的功频特性。

2.如权利要求1所述的基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法，其特征在于，所述风电机组出力P_w、火力机组出力P_m、直流外送功率P_DC和送端系统内负荷P_LD通过电力系统测量装置实时检测，所述旋转备用容量P_r根据火电机组总的额定功率和风电场运行状态综合判断。

3.如权利要求1所述的基于态势感知的含风电接入送端系统频率控制方法，其特征在于，采用频率偏差Δf判断送端系统频率是否越限；在送端系统的功频特性位于线性区域，预测的频率偏差：

式中，K_G为发电机组的等效功频特性系数，K_D为系统等效负荷功频特性，△P_G表示发电机组输出功率的变化量，△P_D表示送端系统负荷需求功率的变化量。