CN113013930B - 一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法及系统 - Google Patents

一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法及系统，包括负荷中心控制方案与虚拟电厂控制方案，负荷中心控制方案通过调用AGC机组与VSC‑HVDC系统的紧急功率支援(Emergency HVDC Power Support,EDCPS)，使控制区域内的频率偏差快速恢复至规定范围内；虚拟电厂控制方案通过模型预测控制，调整电解铝负荷消耗及火力机组出力，减少紧急功率支援过程中虚拟电厂内部的功率不平衡量，保证其安全运行。本公开设计了一种区域间二次调频控制策略，通过两区域间的交互，将负荷中心的控制指令通过前馈信号形式发送至虚拟电厂控制器，虚拟电厂内部功率不平衡量，保证工业电网运行过程中不出现较大频率偏差。

Description

一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法及系统
技术领域
本公开涉及电力系统需求响应与柔性直流输电相关技术领域，具体的说，是涉及一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
我国在能源分布与负荷需求上存在严重的逆向分布问题。我国的煤炭资源与风能资源具有高度重叠性，均主要分布在我国的西北及东北地区。由于煤炭及风能资源丰富，我国西北地区存在大量以重工业负荷为核心的工业电网。在该类工业电网中，往往包含配套的火力电厂与新能源发电厂，构成一个资源集中、功率密集且常常能源过剩的能源基地。反观我国的负荷中心，主要分布在环渤海、长三角、珠三角等经济发达地区，而这些地区能源严重匮乏。因此，能源分布与负荷需求的逆向分布决定了我国必须采用远距离、大规模、集中外送的输电方式实现区域间的资源互补。
在众多能源基地中，有一部分基地中的工业负荷具有较大的调节潜力，在适当的改造下可作为柔性负荷参与电力系统调控。以内蒙古通辽市霍林郭勒地区一个实际工业电网为例，该电网包含电解铝负荷、火力自备电厂、风电场以及少量居民负荷。其中，电解铝负荷具有功率密集、热惯性大、调节特性好等特点，是理想的需求侧调节资源，而与之配套的火力电厂也可在日常生产中根据负荷消耗情况与风电场的出力情况调整自身出力，维持工业电网内部的功率供需平衡，也是典型的发电侧调节资源。在该能源基地中，风电场、火力电厂与电解铝负荷在空间上分布相对集中，在发电容量、调节能力上可以实现整合互补，若能在保证其内部安全运行的前提下，对外整合为一个虚拟电厂，实现资源整合，则可以充分发掘能源基地的功率外送潜力，使其具有更高可控性以参与电力系统二次调频。
随着电力电子技术的逐步成熟，柔性直流输电(Voltage Source Control-HighVoltage Direct Current，VSC-HVDC)技术取得了长足发展并迅速成为一种电能传输的重要方式。相较于传统高压直流输电，柔性直流输电具有如下优势：(1)VSC-HVDC技术对交流系统强度的硬性要求较为宽松，适用于新能源电场如风电场的接入；(2)VSC-HVDC接入交流电网完全不需要配置交流无功补偿装置；(3)VSC-HVDC具有快速的功率调节能力，换流站可以在短时间内实现有功/无功功率的解耦控制，因此可以被应用于快速调节区域间不平衡功率。因此，若通过柔性直流输电技术实现能源基地的功率外送，不仅可以填补负荷中心的功率缺额，也可以有效提高能源基地内的新能源消纳能力，具有重大意义。
据发明人了解，目前能源基地直流外送的方式存在以下问题：(1)目前对能源外送的研究中，往往只考虑风电与火电打捆外送，对其中柔性负荷参与少有考虑；(2)现有柔性直流输电实现区域间频率控制的研究中，多研究一次调频范畴，二次调频研究相对较少，其中对于二次调频的控制器改进设计也较少；(3)现有研究的控制策略中，通过优化方法减少调节行为对能源基地运行的负面影响的研究较少。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法及系统，包括负荷中心控制方案与虚拟电厂控制方案，负荷中心控制方案通过调用AGC机组与VSC-HVDC系统的紧急功率支援(Emergency HVDC Power Support,EDCPS)，使控制区域内的频率偏差快速恢复至规定范围内；虚拟电厂控制方案通过模型预测控制，调整电解铝负荷消耗及火力机组出力，减少紧急功率支援过程中虚拟电厂内部的功率不平衡量，保证其安全运行。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一个或多个实施例提供了一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，包括负荷中心控制方法与虚拟电厂控制方法；
负荷中心控制方法以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制；
虚拟电厂控制方法以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，若负荷中心控制方法输出的控制信号中包含VSC-HVDC系统的直流功率调制量，以VSC-HVDC系统的直流功率调制量的作为前馈信号，采用定交换功率控制。
一个或多个实施例提供了一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制系统，其特征是：包括负荷中心控制部分和虚拟电厂控制部分，所述负荷中心控制部分和虚拟电厂控制部分通过VSC-HVDC系统连接；
负荷中心控制部分包含发电机组、负荷以及第一MPC控制器，第一MPC控制器执行上述的二次调频控制方法中的负荷中心控制方法；
虚拟电厂控制部分包含自备火力机组、风电场、电解铝负荷、负荷以及第二MPC控制器，第二MPC控制器执行上述的二次调频控制方法中的虚拟电厂控制方法。
一个或多个实施例提供了一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制系统，包括负荷中心控制模块和虚拟电厂控制模块；
负荷中心控制模块：被配置为以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制；
虚拟电厂控制模块：被配置为以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，若负荷中心控制方法输出的控制信号中包含VSC-HVDC系统的直流功率调制量，以VSC-HVDC系统的直流功率调制量的作为前馈信号，采用定交换功率控制。
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
(1)本公开设计了一种区域间二次调频控制策略，通过两区域间的交互，将负荷中心的控制指令通过前馈信号形式发送至虚拟电厂控制器，虚拟电厂内部功率不平衡量，保证工业电网运行过程中不出现较大频率偏差。
(2)本公开通过将VSC-HVDC系统参与系统二次频率控制的控制策略提高了二次调频过程中的暂态性能。考虑了柔性负荷的参与，在虚拟电厂控制过程中充分发挥了电解铝负荷可调节优势，提高了虚拟电网的可调控容量，也保障了调控过程中工业电网的安全运行。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1是本公开实施例1的虚拟电厂经柔性直流外送的区域间二次调频控制系统架构示意图；
图2是本公开实施例1的虚拟电厂经柔性直流外送的区域间二次调频控制系统系统模型；
图3是本公开实施例1的负荷中心控制方法流程图；
图4是本公开实施例1的虚拟电厂控制方法流程图；
图5是本公开实施例1提供的示例中霍林郭勒地区工业电网与新英格兰39节点系统经VSC-HVDC相连的算例系统单线图；
图6是本公开实施例1提供的示例中较小扰动下区域1内的系统频率变化曲线；
图7是本公开实施例1提供的示例中EDCPS未触发场景下区域2内的系统频率变化曲线；
图8是本公开实施例1提供的示例中较大扰动下区域1内的系统频率变化曲线；
图9是本公开实施例1提供的示例中EDCPS被触发场景下区域1内的虚拟电厂功率输出控制情况；
图10是本公开实施例1提供的示例中例提供的EDCPS被触发场景下区域2内的系统频率变化曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
实施例1
在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1-4所示，一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，包括负荷中心控制方法与虚拟电厂控制方法，负荷中心控制方法以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制；虚拟电厂控制方法以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，若负荷中心控制方法输出的控制信号中包含VSC-HVDC系统的直流功率调制量，以VSC-HVDC系统的直流功率调制量的作为前馈信号，采用定交换功率控制。
本实施例设计了一种区域间二次调频控制策略，通过两区域间的交互，将负荷中心的控制指令通过前馈信号形式发送至虚拟电厂控制器，虚拟电厂内部功率不平衡量，保证工业电网运行过程中不出现较大频率偏差。
虚拟电厂经柔性直流外送的区域间二次调频控制系统，如图1所示为系统架构图，区域1为负荷中心控制部分与区域2为虚拟电厂控制部分。所述负荷中心控制部分和虚拟电厂控制部分通过VSC-HVDC系统连接。
区域1以区域性负荷中心为原型，负荷中心控制部分包含发电机组及大量一般负荷，其中发电机组包括AGC机组与非AGC机组。可控资源包括AGC机组出力设定点与换流器(VSC)直流功率设定点。通过第一MPC控制器即图中的MPC控制器1控制执行负荷中心控制方法对可控资源进行控制。
区域2以地方工业电网为原型，虚拟电厂控制部分包含自备火力机组、风电场、电解铝负荷以及少量一般负荷，可控资源包括自备火力机组出力设定点与电解铝负荷功率参考值。通过第二MPC控制器即图中的MPC控制器2控制执行虚拟电厂控制方法对可控资源进行控制。
可选的，负荷中心控制方法可以以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制，获得AGC机组出力设定点与换流器(VSC)直流功率设定点的控制指令；
如图1所示，以最小化ACE1为目标计算得到最优控制指令，并下达至AGC机组与VSC1换流站，同时换流器(VSC)直流功率设定点也作为前馈信号发送至区域2。
虚拟电厂控制方法可以以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，以负荷中心控制方法输出的换流器(VSC)直流功率设定点的作为前馈信号，采用定交换功率控制，获得火力机组出力设定点与电解铝负荷功率参考的控制指令。
如图1所示，MPC控制器2接收到区域1发送的前馈信号，以此为参考并以最小化ACE2为目标进行计算得到最优控制指令，下达至自备火力机组与电解铝负荷内。
本实施例通过将VSC-HVDC系统参与系统二次频率控制的控制策略提高了二次调频过程中的暂态性能。考虑了柔性负荷的参与，在虚拟电厂控制过程中充分发挥了电解铝负荷可调节优势，提高了虚拟电网的可调控容量，也保障了调控过程中工业电网的安全运行。
如图2所示，虚拟电厂经柔性直流外送的区域间二次调频控制系统系统模型即为区域1和区域2的模型，可以为：
Figure BDA0002962278060000081
Figure BDA0002962278060000082
Figure BDA0002962278060000083
Figure BDA0002962278060000084
ΔP1＝Pm,1-Pl，1+Ps1 (5)
Figure BDA0002962278060000085
Pm,i＝FHP,iPmH,i+FLP,iPmL,i (7)
其中，以i为下标区分区域1与区域2内物理量，fi和Δfi为区域i内的频率和频率偏差,Hi为区域i内同步机组惯性时间常数，Di为区域i内同步机组阻尼系数，ΔPi是区域i内的功率不平衡量，Pm,i为区域i内的机组输出机械功率，Pvpp是虚拟电厂的输出功率，Ps1与Ps2为VSC1与VSC2输入交流系统的有功功率，Pasl为电解铝负荷消耗功率，Pwg为风电机组出力，Pl,1与Pl,2为区域1与区域2内一般负荷消耗功率，Ri区域内的机组调差系数，Pv,i为区域i内机组气门进气量，PmH,i与PmL,i区域i内机组高压缸输出功率与低压缸输出功率，Tg,i区域i内调速器时间常数，TCH,i与TRH,i区域i内机组高压缸与低压缸时间常数，FHP,i与FLP,i区域i内机组高压缸与低压缸比例系数。
可选的，负荷中心控制方法，可以为：
当负荷中心控制部分的区域控制偏差超出紧急功率支援阈值，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点与VSC直流功率设定点，控制AGC机组出力以及VSC-HVDC系统的输出功率，以使控制区域内的区域控制偏差快速恢复至规定范围内；当负荷中心控制部分的区域控制偏差介于规定值和紧急功率支援阈值之间，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点控制AGC机组出力，以使控制区域内的区域控制偏差ACE1快速恢复至规定范围内，此调控阶段VSC-HVDC功率设定为常数。
具体的，本实施例中，如图3所示，负荷中心控制方法，可以包括如下步骤：
步骤101、获取负荷中心控制部分的区域控制偏差ACE1,如果区域控制偏差超出设定的紧急功率支援阈值ACEtrig，执行下一步，否则，执行步骤103；
其中，区域控制偏差是指单个控制区的控制偏差，本实施例中，控制区包括作为送端的虚拟电厂和作为受端的负荷中心。
步骤102、启用紧急功率支援(EDCPS)：控制变量设定为AGC机组出力设定点与VSC-HVDC系统的直流功率调制量，以ACE1最小为目标求解以ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制问题，得到最优的AGC机组出力设定点与VSC直流功率设定点，得到VSC-HVDC系统的直流功率调制量，并将VSC-HVDC系统的直流功率调制量发送至虚拟电厂控制部分的控制器作为其前馈信号；
本实施例中，VSC直流功率设定点是通过模型计算获得的目标值，换流器VSC自行控制VSC-HVDC系统的直流功率调制量达到目标值。
步骤103、不启用EDCPS，控制变量设定为AGC机组出力设定点，通过求解以ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制问题，得到最优的AGC机组出力设定点；
步骤104：AGC机组与VSC-HVDC系统分别根据控制指令改变相应出力值与直流功率调制量；
步骤105：判断区域控制偏差ACE1是否小于规定值ACEreq：若未达到，则重新进行步骤101-步骤105；若达到，结束。
其中，区域控制偏差ACE1的计算公式，可以为：
ACE1＝(ωs-y1[k+1])T(ωs-y1[k+1]) (8)
x1[k+1]＝Ad1x1[k]+Bd1u1[k]+Dd1 (9)
y1[k+1]＝Cd1·x1[k+1]
＝Cd1Ad1x1[k]+Cd1Bd1u1[k]+Cd1Dd1 (10)
Figure BDA0002962278060000101
其中，k为当前离散周期序号；x1为区域1(负荷中心)的状态空间模型的状态变量；y1为区域1(负荷中心)的状态空间模型的输出变量；u1为区域1(负荷中心)的状态空间模型的控制变量(输入变量)；Ad1,Bd1为区域1(负荷中心)的状态空间模型的系数矩阵；Cd1＝[0 00 0 1]为区域1(负荷中心)的状态空间模型的输出矩阵；Dd1为区域1(负荷中心)的状态空间模型的常数矩阵；Pv,1为区域1内机组气门进气量；PmH,1与PmL,1区域1内机组高压缸输出功率与低压缸输出功率；δ1是发电机转子q轴与同步速度旋转的系统参考轴x间的电角度的转角；ω1是区域1(负荷中心)内的机组转子角速度；ωs是机组转子角速度的基值。系数矩阵由下式计算得到：
Figure BDA0002962278060000111
Figure BDA0002962278060000112
其中，Ts为采样周期；H1为区域1内同步机组惯性时间常数，D1为区域1内同步机组阻尼系数，Tg,1区域1内调速器时间常数，TCH,1与TRH,1区域1内机组高压缸与低压缸时间常数，FHP,1与FLP,1区域1内机组高压缸与低压缸比例系数；Ghvdc,1与Gnl,1与为由直流潮流法推导得到的HVDV与一般负荷注入功率系数矩阵。
所需求解的滚动优化问题为二次规划，即以ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，如下：
Figure BDA0002962278060000121
s.t.y1[k+1]＝C1Ad1x1[k]+C1Bd1u1[k]+C1Dd1 (14b)
u1,min≤u[k]≤u1,max (14c)
u1[k]-u1[k-1]≤Δu1,max (14d)
其中，控制变量
Figure BDA0002962278060000122
Figure BDA0002962278060000123
为AGC机组出力设定点，
Figure BDA0002962278060000124
为VSC-HVDC系统的直流功率调制量；目标函数(14a)包括ACE1与一个惩罚项，其中Q11与Q12为权重矩阵；
模型的约束条件包括：等约束条件(14b)是考虑电网约束的系统频率预测模型。不等约束条件(14c)是控制变量的幅值约束，包含AGC机组出力上下限与HVDC直流功率调制上下限；不等约束条件(14d)为控制变量变化率约束，包含AGC机组的爬坡约束与HVDC功率调制速率约束。
可选的，虚拟电厂控制方法，可以为：
当虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2超出规定范围，当接收到负荷中心控制部分发送的前馈信号，通过求解以虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，得到最优的自备火力机组出力设定点与电解铝负荷的功率消耗参考值，控制自备火力机组与电解铝负荷改变相应出力值与负荷功率消耗，以使控制区域内的区域控制偏差ACE2速恢复至规定范围内；当未接收到负荷中心控制部分发送的前馈信号，通过求解以虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，得到最优的自备火力机组出力设定点，控制自备火力机组改变相应出力值，以使控制区域内的区域控制偏差ACE2速恢复至规定范围内；
具体的，本实施例中，如图4所示，虚拟电厂控制方法，可以包括如下步骤：
步骤201：实时量测并计算虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2，如果接收到负荷中心控制部分发送的前馈信号(VSC-HVDC系统功率调制量)，执行步骤202，否则执行步骤203。
步骤202：将电解铝负荷参与虚拟电厂运行调控，控制变量设定为自备火力机组出力设定点与电解铝负荷的功率消耗参考值，通过求解以ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制问题，得到最优的自备火力机组出力设定点与电解铝负荷的功率消耗参考值。
步骤203：电解铝负荷不参与虚拟电厂运行调控，控制变量设定为自备火力机组出力设定点，通过求解以ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制问题，得到最优的自备火力机组出力设定点。
步骤204：执行控制指令，自备机组与电解铝负荷根据控制指令改变相应出力值与负荷功率消耗。
步骤205：判断区域控制偏差ACE2是否小于规定值ACEreq：若未达到，则重新进行步骤201-步骤205；若达到，则结束控制。
其中，区域控制偏差ACE2的计算公式，可以为：
Figure BDA0002962278060000131
Figure BDA0002962278060000132
其中，Pm,2为区域2(虚拟电厂控制部分)内的机组输出机械功率，Pasl为电解铝负荷消耗功率，Pl,2为区域2(虚拟电厂控制部分)内一般负荷消耗功率，
Figure BDA0002962278060000141
为风电出力预测值，erwg为风电出力预测误差，σ2为erwg的方差。
所需求解的滚动优化问题为经过机会约束处理的二次规划问题，即以ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，如下：
Figure BDA0002962278060000142
s.t.y2[k+1]＝Cd2Ad2x2[k]+Cd2Bd2u2[k]+Cd2Dd2 (17b)
Figure BDA0002962278060000143
u2,min≤u2[k]≤u2,max (17d)
u2[k]-u2[k-1]≤Δu2,max (17e)
fmin+Ωβ≤y2[k+1]≤fmax-Ωβ (17f)
其中，k为离散周期序号；ΔP2为区域2(工业电网)内的功率不平衡量；x2为区域2的状态空间模型的状态变量；y2为区域2的状态空间模型的输出变量；u2为区域2的状态空间模型的控制变量(输入变量)；Ad2,Bd2为区域2的状态空间模型的系数矩阵；Cd2＝[0 0 0 0 1]为区域2的状态空间模型的输出矩阵；Dd2为区域2的状态空间模型的常数矩阵；u2,max与u2,min为区域2内控制量上限与下限；fmin与fmax为系统频率上限与下限；Δu2,max为控制量增量的上限值；Pm,2为区域2(虚拟电厂控制部分)内的机组输出机械功率，Pasl为电解铝负荷消耗功率，Pl,2为区域2(虚拟电厂控制部分)内一般负荷消耗功率，
Figure BDA0002962278060000144
为风电出力预测值，erwg为风电出力预测误差，σ2为erwg的方差。
控制变量
Figure BDA0002962278060000145
Figure BDA0002962278060000148
为自备火力机组出力设定点，
Figure BDA0002962278060000147
为电解铝功率消耗参考值；目标函数(17a)包括ACE2与一个惩罚项，其中Q21与Q22为权重矩阵；
模型的约束条件包括：等约束条件(17b)是考虑电网约束的系统频率预测模型；等约束条件(17c)是功率不平衡量方程；不等约束条件(17d)是控制变量的幅值约束，包含自备火力机组出力上下限与电解铝负荷功率调整上下限；不等约束条件(17e)为控制变量变化率约束，包含自备火力机组的爬坡约束与电解铝负荷功率调节速率约束；不等约束条件(17f)为经过机会约束处理后的系统频率约束，其中Ωβ为置信水平为β下的不确定裕度。
为说明本实施例的方法的效果，下面以具体示例进行说明。
以图5所示的两端互联电力系统作为算例系统进行仿真，区域1以区域负荷中心为原型，为新英格兰39节点系统，区域2以地方工业电网为原型，为内蒙古通辽市一个实际工业电网拓扑图。各节点机组出力及负荷消耗值见图5。
两区域通过VSC-HVDC系统连接，额定传输功率为800MW，VSC-HVDC系统的参数如表1，其有功控制模式为：送端采用定直流电压控制，受端采用定有功功率控制；无功控制模式为两端均采用定交流电压控制。考虑到直流系统的过载能力与最小运行功率，对VSC-HVDC系统的传输功率设置上下限约束，其上下限值设定为额定传输功率的0.8与1.2倍。
表1 VSC-HVDC系统参数
Figure BDA0002962278060000151
在100s时，节点8的负荷增加100MW(约占负荷总量的2％)，对受端系统造成较小扰动。图6表明，EDCPS不被触发，但在本实施例中设计的MPC控制器的作用下，区域1内的频率恢复过程较传统PI控制更快。图7表明，区域2内由于风电波动而导致的频率偏差也更小。
在100s时，节点35处机组跳闸，损失650MW功率(约占负荷总量的13％)，对受端系统造成较大扰动，EDCPS被触发。图8表明，在本实施例设计的MPC控制器的作用下，区域1内的频率恢复过程较传统PI控制更快。图9表明，在本发明设计的区域间二次调频控制策略下，区域2内的虚拟电厂输出功率能够更好的跟踪目标值。图10表明，区域2内由于风电波动与EDCPS而导致的频率偏差也更小。
实施例2
基于实施例1，本实施例提供一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制系统，其特征是：包括负荷中心控制模块和虚拟电厂控制模块；
负荷中心控制模块以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制；
虚拟电厂控制模块以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，若负荷中心控制方法输出的控制信号中包含VSC-HVDC系统的直流功率调制量，以VSC-HVDC系统的直流功率调制量的作为前馈信号，采用定交换功率控制。
具体的，负荷中心控制模块执行以下步骤：
当负荷中心控制部分的区域控制偏差超出紧急功率支援阈值，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点与VSC-HVDC系统的直流功率调制量；当负荷中心控制部分的区域控制偏差介于规定值和紧急功率支援阈值之间，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点控制AGC机组出力；通过求解获得的输出值控制AGC机组出力或/和VSC-HVDC系统的输出功率，以使控制区域内的区域控制偏差快速恢复至规定范围内。
本实施例中，以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型具体为：
Figure BDA0002962278060000171
其中，ωs是机组转子角速度的基值，y1[k+1]为考虑电网约束的区域内发电机组频率预测值，控制变量
Figure BDA0002962278060000172
Figure BDA0002962278060000173
为AGC机组出力设定点，
Figure BDA0002962278060000174
为VSC-HVDC系统的直流功率调制量；Q11与Q12为权重矩阵；
约束条件包括：考虑电网约束的系统频率预测模型；控制变量的幅值约束，包含AGC机组出力上下限与HVDC直流功率调制上下限；控制变量变化率约束，包含AGC机组的爬坡约束与HVDC功率调制速率约束。
虚拟电厂控制模块，具体执行以下步骤：
当虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2超出规定范围，若接收到负荷中心控制部分发送的前馈信号，通过求解以虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，得到最优的自备火力机组出力设定点与电解铝负荷的功率消耗参考值，控制自备火力机组与电解铝负荷改变相应出力值与负荷功率消耗，以使控制区域内的区域控制偏差ACE2速恢复至规定范围内；
当虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2超出规定范围，当未接收到负荷中心控制部分发送的前馈信号，通过求解以虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，得到最优的自备火力机组出力设定点，控制自备火力机组改变相应出力值，以使控制区域内的区域控制偏差ACE2速恢复至规定范围内。
以ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，如下：
Figure BDA0002962278060000181
其中，k为离散周期序号；ΔP2为区域2(为工业电网或虚拟电厂)内的功率不平衡量；u2为区域2的状态空间模型的控制变量(输入变量)；Q21与Q22为权重矩阵，σ2为erwg的方差，erwg为风电出力预测误差；
约束条件包括：考虑电网约束的系统频率预测模型；功率不平衡量方程；控制变量的幅值约束，包含自备火力机组出力上下限与电解铝负荷功率调整上下限；控制变量变化率约束，包含自备火力机组的爬坡约束与电解铝负荷功率调节速率约束；经过机会约束处理后的系统频率约束，其中Ωβ为置信水平为β下的不确定裕度。
实施例3
本实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1的方法所述的步骤。
实施例4
本实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1的方法所述的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，其特征是：包括负荷中心控制方法与虚拟电厂控制方法；
负荷中心控制方法以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制；
负荷中心控制方法为：
当负荷中心控制部分的区域控制偏差超出紧急功率支援阈值，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点与VSC直流功率设定点；
当负荷中心控制部分的区域控制偏差介于规定值和紧急功率支援阈值之间，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点控制AGC机组出力；
通过求解结果控制AGC机组出力或/和VSC-HVDC系统的输出功率，以使控制区域内的区域控制偏差快速恢复至规定范围内；
虚拟电厂控制方法以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，若负荷中心控制方法输出的控制信号中包含VSC-HVDC系统的直流功率调制量，以VSC-HVDC系统的直流功率调制量的作为前馈信号，采用定交换功率控制。
2.如权利要求1所述的一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，其特征是：负荷中心控制方法以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制，获得AGC机组出力设定点与VSC直流功率设定点的控制指令。
3.如权利要求1所述的一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，其特征是：虚拟电厂控制方法以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，以负荷中心控制方法输出的VSC直流功率设定点的作为前馈信号，采用定交换功率控制，获得火力机组出力设定点与电解铝负荷功率参考的控制指令。
4.如权利要求1所述的一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，其特征是：以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型具体为：
min J1＝(ωs-y1[k+1])TQ11(ωs-y1[k+1])+(u1[k]-u1[k-1])TQ12(u1[k]-u1[k-1])
其中，k为离散周期序号，ωs是机组转子角速度的基值，y1[k+1]为考虑电网约束的区域内发电机组频率预测值，控制变量
Figure FDA0003475354440000021
Figure FDA0003475354440000022
为AGC机组出力设定点，
Figure FDA0003475354440000023
为VSC-HVDC系统的直流功率调制量；Q11与Q22为权重矩阵；
约束条件包括：考虑电网约束的系统频率预测模型；控制变量的幅值约束，包含AGC机组出力上下限与HVDC直流功率调制上下限；控制变量变化率约束，包含AGC机组的爬坡约束与HVDC功率调制速率约束。
5.如权利要求1所述的一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，其特征是，虚拟电厂控制方法为：
当虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2超出规定范围，若接收到负荷中心控制部分发送的前馈信号，通过求解以虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，得到最优的自备火力机组出力设定点与电解铝负荷的功率消耗参考值，控制自备火力机组与电解铝负荷改变相应出力值与负荷功率消耗，以使控制区域内的区域控制偏差ACE2速恢复至规定范围内；
当虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2超出规定范围，当未接收到负荷中心控制部分发送的前馈信号，通过求解以虚拟电厂控制部分的区域控制偏差ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，得到最优的自备火力机组出力设定点，控制自备火力机组改变相应出力值，以使控制区域内的区域控制偏差ACE2速恢复至规定范围内。
6.如权利要求5所述的一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制方法，其特征是：以ACE2最小为目标的电网二次调频优化控制模型，如下：
Figure FDA0003475354440000031
其中，k为离散周期序号；ΔP2为虚拟电厂控制区域内的功率不平衡量；u2为区域2的状态空间模型的控制变量；Q21与Q22为权重矩阵，σ2为erwg的方差，erwg为风电出力预测误差；
约束条件包括：考虑电网约束的系统频率预测模型；功率不平衡量方程；控制变量的幅值约束，包含自备火力机组出力上下限与电解铝负荷功率调整上下限；控制变量变化率约束，包含自备火力机组的爬坡约束与电解铝负荷功率调节速率约束；经过机会约束处理后的系统频率约束，其中Ωβ为置信水平为β下的不确定裕度。
7.一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制系统，其特征是：包括负荷中心控制部分和虚拟电厂控制部分，所述负荷中心控制部分和虚拟电厂控制部分通过VSC-HVDC系统连接；
负荷中心控制部分包含发电机组、负荷以及第一MPC控制器，第一MPC控制器执行权利要求1-6任一项所述的二次调频控制方法中的负荷中心控制方法；
虚拟电厂控制部分包含自备火力机组、风电场、电解铝负荷、负荷以及第二MPC控制器，第二MPC控制器执行权利要求1-6任一项所述的二次调频控制方法中的虚拟电厂控制方法。
8.一种虚拟电厂经柔性直流外送的二次调频控制系统，其特征是：包括负荷中心控制模块和虚拟电厂控制模块；
负荷中心控制模块：被配置为以减少控制区内频率偏差为控制目标，采用定频率控制；负荷中心控制方法为：
当负荷中心控制部分的区域控制偏差超出紧急功率支援阈值，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点与VSC直流功率设定点；
当负荷中心控制部分的区域控制偏差介于规定值和紧急功率支援阈值之间，通过求解以区域控制偏差ACE1最小为目标的电网二次调频优化控制模型，输出AGC机组出力设定点控制AGC机组出力；
通过求解结果控制AGC机组出力或/和VSC-HVDC系统的输出功率，以使控制区域内的区域控制偏差快速恢复至规定范围内；
虚拟电厂控制模块：被配置为以减少虚拟电厂输出功率与直流外送设定值间的功率偏差为控制目标，若负荷中心控制方法输出的控制信号中包含VSC-HVDC系统的直流功率调制量，以VSC-HVDC系统的直流功率调制量的作为前馈信号，采用定交换功率控制。
9.一种电子设备，其特征是，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-6任一项方法所述的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-6任一项方法所述的步骤。
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