CN113949105B - 考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，该方法包括以下步骤：1)根据风电机组预留调频备用的可行性，提出不同风速区间风机组的动态减载策略；2)根据风机通过超速控制实现可变虚拟惯量，获取考虑系统惯性需求的风机减载水平约束；3)将火电机组备用容量按响应时长细分为分钟级和秒级，提出对不同时间尺度备用间进行升、降级的调度策略；4)以电力系统运行总成本最小建立考虑多时间尺度风火电资源的日前‑日内联合调度模型，并进行求解得到最优的调度方案，包括火电机组的启停、出力、备用以及减载水平。与现有技术相比，本发明具有兼顾风电调频力度与经济性、增强备用灵活性、减少备用冗余、平滑调节等优点。
Description
技术领域
本发明涉及风火电机组优化调度领域，尤其是涉及一种考虑可变惯性响应能力的风火电机组多时间尺度备用协调优化调度方法。
背景技术
随着风电渗透率的不断提高，同步电网的惯量和调频能力不断下降，给系统在大功率缺额冲击下的频率稳定性与恢复能力带来了风险。针对高比例新能源接入的电网，可以通过风机虚拟同步机等控制策略，使本与电网解耦的新能源机组也具有频率调节能力。与此同时，如何进一步提高火电机组备用资源的灵活性，并使风火电机组协同配合为电力系统提供功率备用支撑，已越来越受到研究者的重视。
目前已有大量研究深入探讨了风机参与电力系统调频的可能性和具体方法。将风速分为低、中、高风速区间，并制定了不同的风机减载方案，实现了差异化的备用容量配置。然而，上述研究对风机采用了固定的减载水平，在负荷、风速变化时难以实现风电参与调频力度与经济性的统一。
此外，目前风电减载调频策略的研究较少考虑系统惯量安全的问题，如何精细化协调风火电机组的惯量配合，以提高电力系统的惯性响应能力，仍是亟待解决的问题，为应对功率缺额等突发事件，传统电力系统中针对火电机组一般会预留旋转备用，一些文献初步实现了不同响应特征机组备用之间的配合，但研究忽略了同一机组不同响应时间的备用之间的协调。并且没有考虑快速备用和慢速备用之间的相互转换，有必要提高火电机组提供备用的灵活性，因此需要一种考虑可变惯性响应能力的风火电机组多时间尺度备用协调优化调度方法，以实现电力系统在经济运行的同时，具有足够的安全性和灵活性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，包括以下步骤：
1)根据风电机组预留调频备用的可行性，提出不同风速区间风机组的动态减载策略；
2)根据风机通过超速控制实现可变虚拟惯量，获取考虑系统惯性需求的风机减载水平约束；
3)将火电机组备用容量按响应时长细分为分钟级和秒级，提出对不同时间尺度备用间进行升、降级的调度策略；
4)以电力系统运行总成本最小建立考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型，并进行求解得到最优的调度方案，包括火电机组的启停、出力、备用以及减载水平。
所述的步骤1)中，为充分发挥在不同风速下工况风电机组的调频能力以及不同调频技术的优势，将风速分为低、中、高三个区间，每个区间对应的减载策略如下：
(1)低风速区：超速+转子动能控制；
(2)中风速区：超速+转子动能控制；
(3)高风速区：桨距角+转子动能控制。
低风速区间和中风速区间风机通过改变叶尖速比实现超速控制，低风速区风机组优先减载，并且最大减载水平最大；
高风速区间风机通过改变桨距角实现桨距角控制，并且最大减载水平最低。
所述的步骤2)中，风机通过超速控制实现可变虚拟惯量，当风机转子动能控制在虚拟惯量控制方式下，对电网表现出的虚拟惯量Hvir具有可调性，则有：
其中，γ为可自行调节的比例系数，Hw为风机转子固有惯量，为风机减载转子转速，E为风机极对数，R为风机叶片半径，Vw为风速，λ为中间变量叶尖速比，Cp为风能利用系数。
所述的步骤2)中，考虑系统惯性需求的风机减载水平约束具体为：
其中，ui,t为火电机组i第t时段的出力状态，HG,i为火电机组i的惯量，Hvir,t为第t时段风电场提供的虚拟惯量，NG为火电机组总数，ΔDk,t为场景k下第t时段的功率缺额，Hsys,t为场景k下第t时段系统的总惯量，为系统的频率变化率，/>为系统允许的最大频率变化率，f0为系统的初始频率，/>为场景k下第t时段风机减载转速。
所述的步骤2)中，风机减载率还需满足备用需求约束，则有：
其中，和/>为场景k下第t时段的分钟级、秒级备用需求，/>和/>分别为火电机组i在场景k下第t时段的分钟级、秒级上备用容量，dk,t为场景k下第t时段的风机减载率。
所述的步骤3)中，对不同时间尺度备用间进行升、降级的调度策略具体为：
将响应时长处于10分钟和30秒的备用分别定义为分钟级备用和秒级备用，假设单台火电机组在初始时刻预留的备用容量中，包含分钟级备用和秒级备用，当不同时间尺度备用需求变化时，通过升/降级分钟级和秒级备用量设置火电机组的备用预留，火电机组的备用调整关系的表达式为：
其中，和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用量和秒级备用量，/>和/>分别为火电机组在第t-1时段的分钟级备用量和秒级备用量，/>和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用升级量和秒级备用降级量，/>和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用和秒级备用容量购买量。
所述的步骤4)中，考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型的目标函数为：
I、日前调度计划
以一天为一个调度周期，时间尺度为1h，考虑风火电机组协调配合情况下火电机组的机组组合问题，目的为确定各台机组的起停状态，则有：
其中，为火电机组的调度总成本，/>为风电机组的调度总成本，NK为场景总数，NT为调度时段长度，NG为火电机组总数，/>为火电机组启动成本，ρk为场景k的概率，Δt为每个时间段的时长，C(Pk,i,t)为火电机组i在场景k下第t时段出力的燃料成本，Pk,i,t为火电机组i在场景k下第t时段的出力大小，k为日前风电出力预测场景的编号，/>和/>分别为火电机组i的分钟级、秒级上备用容量价格，/>为火电机组i的下备用容量价格，/>和/>分别为火电机组i的在场景k下第t时段的分钟级、秒级上备用容量，/>为火电机组i的下备用容量，qw为风电场在t时段的单位电量价格，dk,t为风电场在场景k下第t时段的备用减载水平，/>为风电场在场景k下第t时段的最大出力，/>为风电场不参与调频备用情况下在场景k下第t时段的被迫弃风功率；
II、日内调度计划
以1h为一个调度周期，时间尺度为15min，基于日前的机组启停计划，引入火电机组备用的升、降级以及风电机组不同区间动态减载策略，最终动态确定火电机组的出力、备用以及风电机组的减载水平，则有：
其中，NC为场景总数，ρc为场景c的概率，和/>分别为火电机组i的在场景c下第t时段的分钟级、秒级上备用容量，/>为火电机组i在场景c下第t时段的下备用容量，和/>分别为机组i在场景c下第t时段的分钟级、秒级上备用调用量，/>为机组i在场景c下第t时段下备用调用量，qup,i为升级成本，/>为场景s下火电机组i在第t时段的备用升级量，NL、NM、NH分别为低、中、高风速区间风机数量，mL、mM,、mH,分别为低、中风速区间风机调频成本所占权重，/> 分别为在场景c下第t时段低、中风速区间风机wi、wj超速控制减载水平，/>为在场景c下第t时段高风速区间风机wk桨距角控制减载水平，/>和/>分别为场景c下第t时段低、中、高风速区间风机wi、wj、wm的最大输出功率，/> 和/>分别为不参与调频时，低、中、高风速区间的风机被迫弃风功率。
所述的步骤4)中，考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型的约束条件中，日前阶段约束包括最小惯量需求约束、减载率约束、备用需求约束、机组运行、启停状态的关系约束以及备用容量上下限约束。
所述的步骤4)中，考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型的约束条件中，日内阶段约束包括：
A、机组运行关系约束：
其中，Lt为t时段下的负荷需求，Pi,max和Pi,min分别为火电机组i的最大、最小输出功率，vup,i和vdn,i分别为机组的最大向上、向下爬坡速率，ui,t为火电机组i第t时段的出力状态，Ps,i,t为火电机组i在场景s下第t时段的出力大小，下标t-1表示t-1时段；
B、机组备用需求约束：
其中，和/>分别为场景c下第t时段的分钟级、秒级备用需求；
C、以风机减载水平约束作为减载率约束：
其中，ωw0c,wi,t和ωw0c,wj,t分别为场景s下第t时段低、中风速区间风电机组的初始转速。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明提出了针对不同风速区间风机的动态减载策略，使处于不同风速区间的风电机组拥有合适的减载方案，在风速与负荷等时变不确定性条件下合理安排风机出力水平，兼顾了风电参与调频的力度与经济性。
二、本发明在风机超速控制的基础上提出了可变虚拟惯量的概念，与火电机组的同步惯量结合，建立了风机减载水平约束以及系统最小惯量约束，可变虚拟惯量的提出既可以实现系统惯量水平的平滑调节，又使系统的运行成本进一步下降。
三、按不同响应时滞细分火电机组的备用级别，并根据系统备用的需求，建立了不同等级备用的升、降级模型，同时，增强了火电机组备用的灵活性，减少了备用冗余。
附图说明
图1为各时段系统惯量。
图2为实施例中各方案各时段风电机组提供的惯量对比。
图3为实施例中各方案时段8的火电机组启停状态对比。
图4为实施例中火电机组备用容量是否采用升、降级策略对比，其中，图(4a)为不采用升、降级策略的风、火电机组备用容量，图(4b)为采用升、降级策略的风、火电机组备用容量。
图5为实施例中各方案时段8的风机组减载水平对比。
图6为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图6所示，本发明提出一种考虑可变惯性响应能力的风火电机组多时间尺度备用协调优化调度方法，包括以下步骤：
步骤1、分析风电机组预留调频备用的可行性，给出不同风速区间风机组的动态减载策略；
为了充分发挥不同风速工况机组的调频能力以及不同调频技术的优势，将风速分为低、中、高三个区段，并制定不同工况下风机的减载策略，具体为：
1)低风速区：超速+转子动能控制；
2)中风速区：超速+转子动能控制；
3)高风速区：桨距角+转子动能控制。
低、中风速区间风机通过改变叶尖速比实现超速控制，低风速区风机转速可调范围较大，中风速区风机组的风速出现概率较高，适合用于发电出力，故低风速区风机组优先减载，并且最大减载水平最大。高风速区间风机通过改变桨距角实现桨距角控制，高风速区风机的输出功率可观，并且由于采用桨距角控制减载，频繁变桨会加大机械部件的磨损，所以最大减载水平最低。
当备用需求波动时，可以动态改变叶尖速比和桨距角以实现不同风速区间风机的最佳减载。
步骤2、根据风机通过超速控制实现可变虚拟惯量的原理，通过风机超速控制的转子转速，将风机提供的虚拟惯量与风机减载率建立联系，推导考虑系统惯性需求的风机减载水平约束，具体内容如下：
21)风机超速控制实现可变虚拟惯量
风机输出的机械功率Pm表示为：
其中，ρ、Vw、S、Cp分别为空气密度、风速、叶轮受风面积和风能利用系数，λ为中间变量叶尖速比，β为桨距角。
风机减载率d与风能利用系数Cp存在下列关系：
其中，Popt、ΔPdel分别为风机最大输出功率和输出功率减载量，Cpopt为风机最大风能利用系数，ΔCPdel为风机减载运行状态下风能利用系数减少量。
超速控制策略下默认β＝0°，则风能利用系数Cp与中间变量叶尖速比λ通过二项式拟合，并且风机减载转子转速与中间变量叶尖速比λ在同一风速下存在正比关系，则可以得到风机减载转子转速/>与风能利用系数Cp的关系函数：
其中，E为风机极对数，R为风机叶片半径。
风机转子动能控制包括虚拟惯性控制和下垂控制，虚拟惯量控制方式下，对电网表现出的虚拟惯量Hvir具有可调性，具体为：
其中，γ为比例系数，可以自行调整；Hw为风机转子固有惯量。当时，风电机组对电网表现出比自身固有惯性更大的虚拟惯性。
22)考虑系统惯性需求的风机减载水平约束
风机具有调频能力后，可与火电机组一起，为电力系统提供惯量，当系统发生功率波动时，在初始阶段的频率变化率最大，故系统的初始频率变化率应满足约束，则调度过程中所需满足的最小惯量需求约束为：
式中：ui,t为火电机组i第t时段的出力状态；HG,i为火电机组i的惯量；Hvir,t为第t时段风电场提供的虚拟惯量；ΔDk,t为场景k下第t时段的功率缺额；Hsys,t为场景k下第t时段系统的总惯量；为系统的频率变化率；/>为系统允许的最大频率变化率；f0为系统的初始频率；/>为场景k下第t时段风机减载转速。
风机减载率还需满足备用需求约束：
式中：和/>为场景k下第t时段的分钟级、秒级备用需求；/>和/>分别为火电机组i在场景k下第t时段的分钟级、秒级备用容量。
步骤3、将火电机组备用容量按响应时长进行区分，将响应时长处于10分钟和30秒的备用分别定义为分钟级备用和秒级备用，并建立了不同时间尺度备用间的升、降级通道，使不同时间尺度的备用更贴合系统的备用需求，具体为：
将火电机组备用容量按响应时长细分为分钟级和秒级，提出对不同时间尺度备用间进行升、降级的调度策略，具体如下：
将响应时长处于10分钟和30秒的备用分别定义为分钟级备用和秒级备用。假设单台火电机组在初始时刻预留的备用容量中，包含了分钟级备用和秒级备用，当不同时间尺度备用需求变化时，可以通过“升、降级”分钟级、秒级备用量来合理安排火电机组的备用预留，火电机组的备用调整关系具体可以表达为下式：
式中：和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用量和秒级备用量；/>和分别为火电机组在第t时段的分钟级备用升级量和秒级备用降级量；/>和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用和秒级备用容量购买量。
步骤4、以电力系统运行总成本最小建立考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型，日前阶段主要考虑风火电机组协调配合情况下火电机组的机组组合问题，并建立考虑系统惯性需求的风机减载水平约束，目的是确定各台机组的起停状态，日内阶段基于日前机组启停计划，引入火电机组备用的升、降级概念，以及风电机组不同区间动态减载策略；
考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型，兼顾了风火电机组的减载备用，实现了调度成本的最优化，目标函数如下：
41)日前调度计划
以一天为一个调度周期，时间尺度为1h。主要考虑风火电机组协调配合情况下火电机组的机组组合问题，目的是确定各台机组的起停状态，其表达式如下：
式中：为火电机组的调度总成本；/>为风电机组的调度总成本；NK为场景个数；NT为调度时段长度；NG为火电机组个数；/>为机组启动成本；ρk为场景k的概率；Δt为每个时间段的时长；C(Pk,i,t)为火电机组i在场景k下第t时段出力的燃料成本；Pk,i,t为火电机组i在场景k下第t时段的出力大小；k为日前风电出力预测场景的编号；/>和/>分别为火电机组i的分钟级、秒级上备用容量价格；/>为火电机组i的下备用容量价格；/>和/>分别为火电机组i的在场景k下第t时段的分钟级、秒级上备用容量；/>为火电机组i的下备用容量；qw为风电场在t时段的单位电量价格；dk,t为风电场在场景k下第t时段的备用减载水平；/>为风电场在场景k下第t时段的最大出力；/>为风电场不参与调频备用情况下在场景k下第t时段的被迫弃风功率。
42)日内调度计划
以1h为一个调度周期，时间尺度为15min。基于日前的机组启停计划，引入火电机组备用的升、降级概念，以及风电机组不同区间动态减载策略。最终动态确定火电机组的出力、备用，以及风电机组的减载水平。
式中：NC为场景个数；ρc为场景c的概率；和/>分别为火电机组i的在场景c下第t时段的分钟级、秒级上备用容量；/>为火电机组i在场景c下第t时段的下备用容量；/>和/>分别为机组i在场景c下第t时段的分钟级、秒级上备用调用量；/>为机组i在场景c下第t时段下备用调用量；qup,i为升级成本；/>为场景s下火电机组i在第t时段的备用升级量；NL，NM，NH分别为低、中、高风速区间风机数量；mL,mM,,mH,分别为低、中风速区间风机调频成本所占权重；/> 分别为在场景c下第t时段低、中风速区间风机wi，wj超速控制减载水平；/>为在场景c下第t时段高风速区间风机wk桨距角控制减载水平；/>和分别为场景c下第t时段低、中、高风速区间风机wi，wj，wm的最大输出功率；/> 和/>分别为不参与调频时，低、中、高风速区间的风机被迫弃风功率。
约束条件为：
1)日前阶段
除最小惯量需求约束、减载率约束、备用需求约束外，还包括机组运行、启停状态的关系约束，备用容量上下限约束等。
2)日内阶段
机组运行关系约束：
式中：Lt为时刻t时的负荷需求；Pi,max和Pi,min分别为火电机组i的最大、最小输出功率；vup,i和vdn,i分别为机组的最大向上、向下爬坡速率。
机组备用需求、减载率约束：
日内阶段风机划分了风速区间，可有
式中：和/>分别为场景c下第t时段的分钟级、秒级备用需求。
日内调度中，将有低、中风速区间风机参与惯性响应，高风速区间风机由于只采用桨距角控制，所以不参与惯性响应，可有：
式中：ωw0c,wi,t和ωw0c,wj,t分别为场景s下第t时段低、中风速区间风电机组的初始转速。
步骤5、通过混合整数规划法进行求解，得出调度统计信息，包括火电机组的启停、出力、备用以及风电机组的减载水平。
实施例
本例中以10台火电机组、9个风电场组成的电力系统进行测算。其中，火电机组数据来自于IEEE10机39节点标准算例，系统中风火的装机比例分别为30％和70％，频率约束中取γ＝1。
本发明对比了日前阶段最小惯量约束中风机采用定惯量和本发明提出的可变惯量对调度决策的影响，并给出了以下两种比较方案：
方案1：风电机组采用固定惯量，其值为风电机组转子固有的转动惯量大小。
方案2：风电机组采用可变惯量。
对比两种方案系统的总惯量以及风机提供的惯量，结果如图1、2所示。从图1可以看出，两种方案在各个时刻均可以满足最小惯量需求，但方案2的系统惯量曲线与最小惯量需求曲线更加贴合，这是因为风电机组通过可变减载率可以实现惯量的平滑调节，相比火电机组通过启停来实现对惯量的阶梯调节，具有更大的灵活性。由图2可以看出，方案1风电机组提供的惯量为固定的3.15GWs，方案2则在不同的时段改变了输出虚拟惯量的大小，由于风机出力呈现“反调峰”的特性，所以在非用电高峰时段不可避免地会产生弃风，可以通过超速控制将这部分弃风量作为减载备用。随着风机转子转速的上升，方案2风机提供的虚拟惯量也相应增加，图2中的1、2、3、4、6、7、8、20、23、24等时段的虚拟惯量均大于方案1的固定惯量值，进一步地，在图3中对比了不同方案下火电机组的启停状态。
结合图2和图3可以发现，由于在一些时段方案2的风电机组比方案1提供了更多的虚拟惯量，则方案2相较方案1减少了火电机组的启动数量，如在时段8时，方案2中8、9号机组没有启动，从而节约了火电机组的运行成本。但同时，从图3中又可以看出，时刻8时两种方案的系统总惯量几乎相同。另外，两种方案优化后的运行成本分别为453249元和444039元，方案2的成本较方案1降低了2.03％，所以本发明提出的风电机组可变虚拟惯量方案既可以在有效利用多余弃风的前提下保证电力系统频率安全，又可以进一步提高经济性。
进一步验证本发明提出的火电机组备用容量升、降级策略的优越性。选取时段8，将常规不采用升降级策略的机组备用预留方案与采用备用升降级方案的日内发电成本进行了对比。
两种方案均满足备用需求，发电成本分别为33179元和31670元，本发明所提的备用升降级方案的发电成本降低了3.04％。为了更好展现本发明所提方案的优越性，进一步对比了分钟级、秒级备用需求波动时火电机组备用容量升、降级与否以及具体改变量的差异，对比结果见图4。此外，还对比了是否考虑升降级方案时各时刻备用的冗余量，即分钟级备用和秒级备用的预留量与对应分钟级备用和秒级备用需求的差值，如表1所示。
表1火电机组是否采用升降级策略时分钟级和秒级备用的冗余量
对照图4(a)、(b)不难发现，火电机组不管是否采用升、降级策略，风机在各个时刻的减载量都是相等的，这是因为风机的备用预留费用高于火电机组，所以风电机组的备用减载量是满足最小惯量需求约束前提下的最小值。当火电机组尚有备用预留能力时，不会额外增加风电机组的备用预留量。
结合图4(a)、(b)可知，30min时秒级备用需求增加，分钟级备用需求降低，则机组将9.32MW分钟级备用容量升级为秒级备用容量。45min时的分钟级、秒级备用需求均较30min时增加，但30min时分钟级备用预留较多，所以仍有3.216MW分钟级备用可以升级为秒级备用，节约了5.8％秒级备用的常规购买。60min时，分钟级备用需求继续增加，秒级备用需求降低，同时此时风电机组的减载备用量增加，所以通过将10.631MW火电机组秒级备用容量降级为分钟级备用容量，减少了24.61％火电机组分钟级备用容量的常规预留。另外，从表1可知，在30min时，火电机组采用升、降级策略时的分钟级备用冗余更多，这是因为在45min时分钟级备用需求和秒级备用需求均增加，此前预留的更多分钟级备用使火电机组可以更好进行升级操作。而在其他时段，采用本发明提出的备用升降级策略得到的分钟级备用和秒级备用的冗余量均小于不考虑升降级策略的常规方案，并且通过升降级策略，所有时段的备用预留的总冗余度均有减少，从而整体上降低了时段8火电机组各级备用的不必要预留量，使火电机组的备用预留更加合理高效。
为分析风机不同减载方式对系统优化调度的影响，本节设置三种减载策略，具体如下：
策略A：风电机组采用固定减载率，取减载率d＝0.1，不划分风速区间；
策略B：风电机组采用固定减载率，划分风速区间，取dL＝0.2，dM＝0.1，dH＝0.05；
策略C：本发明方案，风电机组采用动态减载率，划分风速区间；
表2对比了三种策略的特点。取典型时段8，计算了风机采用不同的减载策略时的成本，结果如表3所示。同时进一步比较了时段8内4个时刻不同策略下风机的具体减载水平，如图5所示。为了使对比更加直观，在图5对采用策略AB，但实际处于不同风速区间的风机组以不同颜色加以区分。
表2各策略特点对比
| 策略 | 是否采用动态减载率 | 是否划分风速区间 | 总成本/元 |
| A | 否 | 否 | 42932 |
| B | 否 | 是 | 33677 |
| C | 是 | 是 | 32169 |
表3各策略成本对比
| 策略 | 火电机组成本/元 | 风电机组成本/元 | 总成本/元 |
| A | 27841 | 15091 | 42932 |
| B | 25503 | 14534 | 40037 |
| C | 16541 | 15127 | 31670 |
由图5可知，与策略A相比，策略B针对处于不同风速区间的风机组采用了差异化的减载策略，由于低风速区间的风机具有较大的转速调节范围，所以采用了比中风速区间风机更大的减载率。高风速区间的风机靠变桨来调整出力，其调节速度远小于ROC，因此不需要过大的减载率，而且减载率过大会加剧风机桨叶的磨损，所以策略B高风速区间机组的减载率远小于策略A。结合表3可知，由于针对不同风速区间风机采用了更合适的减载方案，策略B的风机运行成本比策略A下降了3.69％，同时火电机组的成本也下降了8.4％。综合来看，策略B可以更合理地安排风机的减载计划。
与策略B相比，策略C进一步对各风速区间的风机采用了动态的减载率。从图5可以看出，在30min时，策略C各风速区间的减载率分别dL＝0.184，dM＝0.075，dH＝0.035，相比策略B均有降低，减少了风机减载运行产生的备用容量成本。60min时，策略C各风速区间的减载率又分别动态增加到dL＝0.288，dM＝0.153，dH＝0.05，此时策略C的风机运行成本上升，但策略B的风机减载备用量不够，也无法满足系统最小惯量需求，所以需要火电机组预留更多备用来满足备用需求，这也提升了火电机组的运行成本。从表3可以看出，尽管策略C的风机运行成本略高于策略B，但策略C的火电机组运行成本大大降低，这也使得策略C的总成本比策略B低了20.9％。综合来看，策略C采用的动态减载率策略相较于策略B可以实时匹配系统备用需求的变化，并且更加经济。
综上，本方法首先分析风电机组预留调频备用的可行性，给出不同风速区间风机组的动态减载策略，考虑风机通过超速控制实现可变虚拟惯量，推导考虑系统惯性需求的风机减载水平约束，将火电机组备用容量按响应时长细分为分钟级和秒级，提出对不同时间尺度备用间进行升、降级的调度策略，提高了电力系统的经济性和安全性，实现高比例风电接入电力系统的最优运行。因此本发明提出的方法兼具高效以及灵活等优点。此外，火电机组备用容量的升降级策略可以更合理安排火电机组的备用预留，调度人员可根据不同的调度目标进行安排调度，更符合实际运行情况，可获得更具可行性的调度方案。最后，本发明模型协调了不同时间尺度风火电资源的出力以及备用预留，同时保持了经济性与安全性。
Claims (6)
1.一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据风电机组预留调频备用的可行性，提出不同风速区间风机组的动态减载策略；
2)根据风机通过超速控制实现可变虚拟惯量，获取考虑系统惯性需求的风机减载水平约束；
3)将火电机组备用容量按响应时长细分为分钟级和秒级，提出对不同时间尺度备用间进行升、降级的调度策略；
4)以电力系统运行总成本最小建立考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型，并进行求解得到最优的调度方案，包括火电机组的启停、出力、备用以及减载水平；
所述的步骤2)中，风机通过超速控制实现可变虚拟惯量，当风机转子动能控制在虚拟惯量控制方式下，对电网表现出的虚拟惯量Hvir具有可调性，则有：
其中，γ为可自行调节的比例系数，Hw为风机转子固有惯量，为风机减载转子转速，E为风机极对数，R为风机叶片半径，Vw为风速，λ为中间变量叶尖速比，Cp为风能利用系数；
所述的步骤2)中，考虑系统惯性需求的风机减载水平约束具体为：
其中，ui,t为火电机组i第t时段的出力状态，HG,i为火电机组i的惯量，Hvir,t为第t时段风电场提供的虚拟惯量，NG为火电机组总数，ΔDk,t为场景k下第t时段的功率缺额，Hsys,t为场景k下第t时段系统的总惯量，为系统的频率变化率，/>为系统允许的最大频率变化率，f0为系统的初始频率，/>为场景k下第t时段风机减载转速；
所述的步骤2)中，风机减载率还需满足备用需求约束，则有：
其中，和/>为场景k下第t时段的分钟级、秒级备用需求，/>和/>分别为火电机组i在场景k下第t时段的分钟级、秒级上备用容量，dk,t为场景k下第t时段的风机减载率；
所述的步骤3)中，对不同时间尺度备用间进行升、降级的调度策略具体为：
将响应时长处于10分钟和30秒的备用分别定义为分钟级备用和秒级备用，假设单台火电机组在初始时刻预留的备用容量中，包含分钟级备用和秒级备用，当不同时间尺度备用需求变化时，通过升/降级分钟级和秒级备用量设置火电机组的备用预留，火电机组的备用调整关系的表达式为：
其中，和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用量和秒级备用量，/>和/>分别为火电机组在第t-1时段的分钟级备用量和秒级备用量，/>和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用升级量和秒级备用降级量，/>和/>分别为火电机组在第t时段的分钟级备用和秒级备用容量购买量。
2.根据权利要求1所述的一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，其特征在于，所述的步骤1)中，为充分发挥在不同风速下工况风电机组的调频能力以及不同调频技术的优势，将风速分为低、中、高三个区间，每个区间对应的减载策略如下：
(1)低风速区：超速+转子动能控制；
(2)中风速区：超速+转子动能控制；
(3)高风速区：桨距角+转子动能控制。
3.根据权利要求2所述的一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，其特征在于，低风速区间和中风速区间风机通过改变叶尖速比实现超速控制，低风速区风机组优先减载，并且最大减载水平最大；
高风速区间风机通过改变桨距角实现桨距角控制，并且最大减载水平最低。
4.根据权利要求1所述的一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，其特征在于，所述的步骤4)中，考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型的目标函数为：
I、日前调度计划
以一天为一个调度周期，时间尺度为1h，考虑风火电机组协调配合情况下火电机组的机组组合问题，目的为确定各台机组的起停状态，则有：
其中，为火电机组的调度总成本，/>为风电机组的调度总成本，NK为场景总数，NT为调度时段长度，NG为火电机组总数，/>为火电机组启动成本，ρk为场景k的概率，Δt为每个时间段的时长，C(Pk,i,t)为火电机组i在场景k下第t时段出力的燃料成本，Pk,i,t为火电机组i在场景k下第t时段的出力大小，k为日前风电出力预测场景的编号，/>和/>分别为火电机组i的分钟级、秒级上备用容量价格，/>为火电机组i的下备用容量价格，/>和/>分别为火电机组i的在场景k下第t时段的分钟级、秒级上备用容量，/>为火电机组i的下备用容量，qw为风电场在t时段的单位电量价格，dk,t为风电场在场景k下第t时段的备用减载水平，/>为风电场在场景k下第t时段的最大出力，/>为风电场不参与调频备用情况下在场景k下第t时段的被迫弃风功率；
II、日内调度计划
以1h为一个调度周期，时间尺度为15min，基于日前的机组启停计划，引入火电机组备用的升、降级以及风电机组不同区间动态减载策略，最终动态确定火电机组的出力、备用以及风电机组的减载水平，则有：
其中，NC为场景总数，ρc为场景c的概率，和/>分别为火电机组i的在场景c下第t时段的分钟级、秒级上备用容量，/>为火电机组i在场景c下第t时段的下备用容量，/>和/>分别为机组i在场景c下第t时段的分钟级、秒级上备用调用量，/>为机组i在场景c下第t时段下备用调用量，qup,i为升级成本，/>为场景s下火电机组i在第t时段的备用升级量，NL、NM、NH分别为低、中、高风速区间风机数量，mL、mM,、mH,分别为低、中风速区间风机调频成本所占权重，/> 分别为在场景c下第t时段低、中风速区间风机wi、wj超速控制减载水平，/>为在场景c下第t时段高风速区间风机wk桨距角控制减载水平，/>和/>分别为场景c下第t时段低、中、高风速区间风机wi、wj、wm的最大输出功率，/> 和/>分别为不参与调频时，低、中、高风速区间的风机被迫弃风功率。
5.根据权利要求4所述的一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，其特征在于，所述的步骤4)中，考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型的约束条件中，日前阶段约束包括最小惯量需求约束、减载率约束、备用需求约束、机组运行、启停状态的关系约束以及备用容量上下限约束。
6.根据权利要求4所述的一种考虑可变惯性响应的风火电机组备用协调优化调度方法，其特征在于，所述的步骤4)中，考虑多时间尺度风火电资源的日前-日内联合调度模型的约束条件中，日内阶段约束包括：
A、机组运行关系约束：
其中，Lt为t时段下的负荷需求，Pi,max和Pi,min分别为火电机组i的最大、最小输出功率，vup,i和vdn,i分别为机组的最大向上、向下爬坡速率，ui,t为火电机组i第t时段的出力状态，Ps,i,t为火电机组i在场景s下第t时段的出力大小，下标t-1表示t-1时段；
B、机组备用需求约束：
其中，和/>分别为场景c下第t时段的分钟级、秒级备用需求；
C、以风机减载水平约束作为减载率约束：
其中，ωw0c,wi,t和ωw0c,wj,t分别为场景s下第t时段低、中风速区间风电机组的初始转速。
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