CN114039385A - 基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法 - Google Patents

基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法 Download PDF

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CN114039385A CN202111351352.8A CN202111351352A CN114039385A CN 114039385 A CN114039385 A CN 114039385A CN 202111351352 A CN202111351352 A CN 202111351352A CN 114039385 A CN114039385 A CN 114039385A
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Abstract

本发明公开了一种基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，包括：建立机组模型，所述机组模型至少包括原动机模型、调速器模型和联络线模型；建立汽轮机组负荷频率控制模型；分别建立抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型；在所述汽轮机组负荷频率控制模型的基础上，结合所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，建立基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制模型，并根据所述功率控制模型对抽水蓄能电站进行功率控制。本发明能够提升抽水蓄能电站功率控制的准确性，提升抽水蓄能电站的功率调节性能。

Description

基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法
技术领域
本发明涉及抽水蓄能电站技术领域，特别涉及一种基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法。
背景技术
随着现代工业和电力事业的迅猛发展，电力系统负荷峰谷差矛盾日趋突出。随着大容量核电机组的投产，风电、太阳能等间歇性能源的大规模并网，电源侧的不确定性和随机性给电网带来越来越大的冲击。建设智能电网又要求全面提高电网运行的安全性、灵活性、适应性和经济性。因此电力系统迫切需要拥有更强的调峰、调频、调相、备用能力以保证电力系统的安全、稳定、经济运行。
抽水蓄能电站以其灵活、快速、经济、可靠的特点，成为有效、经济解决上述问题的手段之一。抽水蓄能电站在电网处于低谷负荷时抽水至上游水库，将电能转化势能储存起来；在电网处于高峰负荷时放水发电，向电网提供电能。因此，抽水蓄能电站可将电网负荷低谷时期的低价值的电能转变为负荷高峰时期的高价值电能，静态效益显著；能以较低的成本为电网提供削峰填谷、调频、调相、事故备用、快速负荷跟踪等功能，具有良好的动态效益。
在抽水蓄能电站的应用过程中，需要对抽水蓄能电站的功率进行控制，随着抽水蓄能电站的不断发展，智能控制策略选择在抽水蓄能机组调速系统中也越发重要。然而控制理论在实际的工程中的应用是一个非常复杂的过程，系统所具有的非线性、时变性和不确定性都需要精确地建立数学模型，系统的复杂性也包括关于对象特征的描述、控制任务数学函数表达和实际工作环境的反映程度等。在传统控制中由于对象和实际系统的复杂性和不确定性，从而使模型难以构建。因此，如何精确有效的实现抽水蓄能电站的功率控制是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
为此，本发明的实施例提出一种基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，以提升抽水蓄能电站功率控制的准确性。
根据本发明一实施例的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，所述多区域互联电力系统包括抽水蓄能电站和火电站，所述方法包括：
建立机组模型，所述机组模型至少包括原动机模型、调速器模型和联络线模型；
建立汽轮机组负荷频率控制模型；
分别建立抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型；
在所述汽轮机组负荷频率控制模型的基础上，结合所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，建立基于一次调频系统的抽水蓄能电站的功率控制模型，并根据所述功率控制模型对抽水蓄能电站进行功率控制，其中，待控制的抽水蓄能电站具有第一控制区域和第二控制区域，所述第一控制区域中的抽水蓄能电站和所述第一控制区域中的抽水蓄能电站分别与所述火电站中的汽轮机组并联，依据工况和系统数据修改同步功率系数β，以得到所述基于一次调频系统的抽水蓄能电站的功率控制模型：
Figure BDA0003354331880000021
其中，P1和P2分别为所述第一控制区域和所述第二控制区域发电机组的额定功率，B1和B2分别为所述第一控制区域和所述第二控制区域发电机组的频率偏差因子。
其中，所述原动机模型包括非再热式汽轮机模型、再热式汽轮机模型和水泵水轮机模型；
所述非再热式汽轮机模型的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000022
所述再热式汽轮机模型的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000031
所述水泵水轮机模型的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000032
其中，s为拉普拉斯变换的运算符，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，a为启动时间系数，v为频率响应因数。
其中，所述调速器模型中，汽轮机的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000033
所述调速器模型中，水泵水轮机的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000034
其中，Tg为调速器时间常数，Kp、Ki、Kd为数字电调系统的比例、积分、微分增益；f为电网运行基准频率；R为水泵水轮机组调差系数。
其中，所述联络线模型中，区域i到j的联络线传递函数模型为：
Figure BDA0003354331880000035
其中，ΔPij(s)为区域i与j间联络线交换功率的偏差值；Δfi(s)和Δfj(s)分别为区域i和j的频率偏差；Tij为时间常数。
其中，在所述汽轮机组负荷频率控制模型中，加入非线性环节所述，所述非线性环节至少包括传输时延、调速器死区、发电机组发电速度约束及机组调节容量限制。
其中，所述建立汽轮机组负荷频率控制模型的步骤中，以线性化后的考虑死区的调速器替换原调速器，在再热式汽轮机模型中加入发电速度约束，同时以区域控制误差作为控制目标，将该控制目标作为系统误差控制器的输入，保证系统在稳定状态时，区域控制误差为零，通过系统控制器调节和一次调频共同控制系统调速器，进而改变汽轮机组的出力，使系统维持在频率偏差及区域控制误差都为零的稳定状态。
其中，所述线性化后的考虑死区的调速器的传递函数为：
Figure BDA0003354331880000041
其中，N1、N2为系数，且
Figure BDA0003354331880000042
其中，抽水工况下，所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型的传递函数为：
Gp(s)＝ΔPpd
发电工况下，所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型的传递函数为：
Gp(s)＝hGd(s)Gt(s)
其中，ΔPpd表示抽水蓄能电站工作在抽水工况时停止抽水向电网支援的功率大小，h为支援功率系数。
其中，所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型中，以区域控制误差和负荷扰动为输入，根据负荷扰动的数值及区域控制误差的变化情况决定出力的大小。
根据本发明实施例提供的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，从负荷频率控制的基本元件模型出发，分别依次建立机组模型、汽轮机组负荷频率控制模型、抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，且机组模型包括原动机模型、调速器模型和联络线模型，最后在所述汽轮机组负荷频率控制模型的基础上，结合所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，建立基于一次调频系统的抽水蓄能电站的功率控制模型，并根据所述功率控制模型对抽水蓄能电站进行功率控制，能够在抽水蓄能电站原有的有功功率控制策略进行优化，使其可以兼容一次调频系统，从而能够提升抽水蓄能电站功率控制的准确性，避免抽水蓄能电站各种功率控制调节系统在调节过程中发生冲突，最终提升了抽水蓄能电站的功率调节性能。
本发明的附加方面和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，或通过本发明的实施例了解到。
附图说明
本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一实施例提出的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法的流程图；
图2是基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制模型示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明一实施例提出的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，所述多区域互联电力系统包括抽水蓄能电站和火电站，所述方法包括步骤S101～S104：
S101，建立机组模型，所述机组模型至少包括原动机模型、调速器模型和联络线模型。
其中，所述原动机模型包括非再热式汽轮机模型、再热式汽轮机模型和水泵水轮机模型；
所述非再热式汽轮机模型的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000051
所述再热式汽轮机模型的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000061
所述水泵水轮机模型的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000062
其中，s为拉普拉斯变换的运算符，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，a为启动时间系数，v为频率响应因数。
所述调速器模型中，汽轮机的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000063
所述调速器模型中，水泵水轮机的传递函数如下：
Figure BDA0003354331880000064
其中，Tg为调速器时间常数，Kp、Ki、Kd为数字电调系统的比例、积分、微分增益；f为电网运行基准频率；R为水泵水轮机组调差系数。
所述联络线模型中，区域i到j的联络线传递函数模型为：
Figure BDA0003354331880000065
其中，ΔPij(s)为区域i与j间联络线交换功率的偏差值；Δfi(s)和Δfj(s)分别为区域i和j的频率偏差；Tij为时间常数。
S102，建立汽轮机组负荷频率控制模型。
其中，在所述汽轮机组负荷频率控制模型中，加入非线性环节，所述非线性环节至少包括传输时延、调速器死区、发电机组发电速度约束及机组调节容量限制。
在步骤S102中，以线性化后的考虑死区的调速器替换原调速器，在再热式汽轮机模型中加入发电速度约束，同时以区域控制误差作为控制目标，将该控制目标作为系统误差控制器的输入，保证系统在稳定状态时，区域控制误差为零。通过系统控制器调节和一次调频共同控制系统调速器，进而改变汽轮机组的出力，使系统维持在频率偏差及区域控制误差都为零的稳定状态。
具体的，所述线性化后的考虑死区的调速器的传递函数为：
Figure BDA0003354331880000071
其中，N1、N2为系数，且
Figure BDA0003354331880000072
具体的，抽水工况下，所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型的传递函数为：
Gp(s)＝ΔPpd
发电工况下，所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型的传递函数为：
Gp(s)＝hGd(s)Gt(s)
其中，ΔPpd表示抽水蓄能电站工作在抽水工况时停止抽水向电网支援的功率大小，h为支援功率系数。
与此同时，对于上述的传输时延Tl，实际传输时延必须控制在标准时延值Ts的5％以内才满足汽轮机组负荷频率控制模型的建模标准。
具体的，在本实施例中，标准时延值Ts的表达式为：
Figure BDA0003354331880000073
S103，分别建立抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型。
如上述步骤S102中所述，已经阐述了抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型在抽水工况下以及发电工况下对应的传递函数。
在本步骤中，在抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型中，以区域控制误差和负荷扰动为输入，根据负荷扰动的数值及区域控制误差的变化情况决定出力的大小。
具体的，抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型的传递函数为：
Gpj(s)＝JhGd(s)Gt(s)
其中，J为阶梯性系数，在本实施例中，阶梯性系数J的表达式为：
Figure BDA0003354331880000081
其中，h0为标准支援功率系数。
S104，在所述汽轮机组负荷频率控制模型的基础上，结合所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，建立基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制模型，并根据所述功率控制模型对抽水蓄能电站进行功率控制。
具体的，建立的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制模型如图2所示，待控制的抽水蓄能电站具有第一控制区域和第二控制区域，所述第一控制区域中的抽水蓄能电站和所述第二控制区域中的抽水蓄能电站分别与所述火电站中的汽轮机组并联，依据工况和系统数据修改同步功率系数β，以得到所述基于一次调频系统的抽水蓄能电站的功率控制模型：
Figure BDA0003354331880000082
其中，P1和P2分别为所述第一控制区域和所述第二控制区域发电机组的额定功率，B1和B2分别为所述第一控制区域和所述第二控制区域发电机组的频率偏差因子。
根据本发明提供的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，从负荷频率控制的基本元件模型出发，分别依次建立机组模型、汽轮机组负荷频率控制模型、抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，且机组模型包括原动机模型、调速器模型和联络线模型，最后在所述汽轮机组负荷频率控制模型的基础上，结合所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，建立基于一次调频系统的抽水蓄能电站的功率控制模型，并根据所述功率控制模型对抽水蓄能电站进行功率控制，能够在抽水蓄能电站原有的有功功率控制策略进行优化，使其可以兼容一次调频系统，从而能够提升抽水蓄能电站功率控制的准确性，避免抽水蓄能电站各种功率控制调节系统在调节过程中发生冲突，最终提升了抽水蓄能电站的功率调节性能。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通讯、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，所述多区域互联电力系统包括抽水蓄能电站和火电站，其特征在于，所述方法包括：
建立机组模型，所述机组模型至少包括原动机模型、调速器模型和联络线模型；
建立汽轮机组负荷频率控制模型；
分别建立抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型；
在所述汽轮机组负荷频率控制模型的基础上，结合所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型及所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型，建立基于一次调频系统的抽水蓄能电站的功率控制模型，并根据所述功率控制模型对抽水蓄能电站进行功率控制，其中，待控制的抽水蓄能电站具有第一控制区域和第二控制区域，所述第一控制区域中的抽水蓄能电站和所述第一控制区域中的抽水蓄能电站分别与所述火电站中的汽轮机组并联，依据工况和系统数据修改同步功率系数β，以得到所述基于一次调频系统的抽水蓄能电站的功率控制模型：
Figure FDA0003354331870000011
其中，P1和P2分别为所述第一控制区域和所述第二控制区域发电机组的额定功率，B1和B2分别为所述第一控制区域和所述第二控制区域发电机组的频率偏差因子。
2.根据权利要求1所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，所述原动机模型包括非再热式汽轮机模型、再热式汽轮机模型和水泵水轮机模型；
所述非再热式汽轮机模型的传递函数如下：
Figure FDA0003354331870000012
所述再热式汽轮机模型的传递函数如下：
Figure FDA0003354331870000013
所述水泵水轮机模型的传递函数如下：
Figure FDA0003354331870000021
其中，s为拉普拉斯变换的运算符，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，a为启动时间系数，v为频率响应因数。
3.根据权利要求2所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，所述调速器模型中，汽轮机的传递函数如下：
Figure FDA0003354331870000022
所述调速器模型中，水泵水轮机的传递函数如下：
Figure FDA0003354331870000023
其中，Tg为调速器时间常数，Kp、Ki、Kd为数字电调系统的比例、积分、微分增益；f为电网运行基准频率；R为水泵水轮机组调差系数。
4.根据权利要求2所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，所述联络线模型中，区域i到j的联络线传递函数模型为：
Figure FDA0003354331870000024
其中，ΔPij(s)为区域i与j间联络线交换功率的偏差值；Δfi(s)和Δfj(s)分别为区域i和j的频率偏差；Tij为时间常数。
5.根据权利要求3所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，在所述汽轮机组负荷频率控制模型中，加入非线性环节，所述非线性环节至少包括传输时延、调速器死区、发电机组发电速度约束及机组调节容量限制。
6.根据权利要求5所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，所述建立汽轮机组负荷频率控制模型的步骤中，以线性化后的考虑死区的调速器替换原调速器，在再热式汽轮机模型中加入发电速度约束，同时以区域控制误差作为控制目标，将该控制目标作为系统误差控制器的输入，保证系统在稳定状态时，区域控制误差为零，通过系统控制器调节和一次调频共同控制系统调速器，进而改变汽轮机组的出力，使系统维持在频率偏差及区域控制误差都为零的稳定状态。
7.根据权利要求6所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，所述线性化后的考虑死区的调速器的传递函数为：
Figure FDA0003354331870000031
其中，N1、N2为系数，且
Figure FDA0003354331870000032
8.根据权利要求7所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，抽水工况下，所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型的传递函数为：
Gp(s)＝ΔPpd
发电工况下，所述抽水蓄能电站的两段式负荷频率控制模型的传递函数为：
Gp(s)＝hGd(s)Gt(s)
其中，ΔPpd表示抽水蓄能电站工作在抽水工况时停止抽水向电网支援的功率大小，h为支援功率系数。
9.根据权利要求1所述的基于多区域互联电力系统的抽水蓄能电站的功率控制方法，其特征在于，所述抽水蓄能电站的阶梯式负荷频率控制模型中，以区域控制误差和负荷扰动为输入，根据负荷扰动的数值及区域控制误差的变化情况决定出力的大小。
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