CN114172167B - 一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，通过单机等值模型推导出电力系统的频率动态响应方程、抽水蓄能机组参与调频控制过程中系统动态频率轨迹、低频减载联合抽水蓄能参与系统频率控制过程的动态频率轨迹、确定联合优化控制策略目标函数及约束条件、基于摄动分析的约束条件处理和仿真算例，验证有效性；在单机等效模型的基础上，将抽水蓄能机组的工况转换与低频减载相结合，建立频率动态响应的数学模型。建立最优模型并获得最佳动作频率点的情况下确保电力系统的频率稳定。最后，通过仿真验证了该策略的有效性，确保了电网安全稳定运行。

Description

一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法

技术领域

本发明涉及电站蓄能领域，尤其涉及一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法。

背景技术

中国电网的结构正在发生深刻变化。电网朝着特高压交直流互联的方 向发展。送端电网通过特高压联络线将光伏、风能等新能源输送到受端电 网负荷中心。如果特高压联络线发生闭锁或者故障导致停运，受端电网将 会出现大量有功功率缺额，从而导致系统频率快速下降。目前电网中常规 调频的手段有一次调频、二次调频以及发电机AGC调频，如果上述手段不 能阻止系统频率继续下降，电力系统开始采用第三道防线低频减载来进行 频率紧急控制，从而防止系统频率崩溃。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，控制策略将抽水蓄能电站与低频减载进行联合控制来应对紧急低频问题，求解抽水蓄能和低频减载联合策略的每轮动作最佳频率值。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，包括以下步骤：

S1、通过单机等值模型推导出电力系统的频率动态响应方程；

通过所述单机等值模型将整个电网的频率动态变化过程等效为一台机组来分析电力系统平均频率的动态过程；

S2、抽水蓄能机组参与调频控制过程中系统动态频率轨迹；

S3、低频减载联合抽水蓄能参与系统频率控制过程的动态频率轨迹；

S4、确定联合优化控制策略目标函数及约束条件；

抽水蓄能与低频减载联合控制策略在于合理配置确定各阶段的动作频率点，协调实现系统频率恢复的快速性与最小的负荷损失；

S5、基于摄动分析的约束条件处理；

S6、仿真算例，验证有效性。

进一步，所述S1中，所述电力系统的状态方程为：

其中，T_s为系统频率变化的时间常数；Δf为频率变化量；ΔP_OL为系统过负荷量或者功率缺额量；T_G为全系统发电机组调整的综合时间常数；ΔP_G为发电机功率变化量；K_G为发电机组的功率-频率静态特性系数；ΔP_D为负荷功率变化量；K_D为系统负荷的频率调节效应系数；ΔP_OL0＝P_D0-P_G0表示系统中出现的初始过负荷量或者初始功率缺额量；

其中，f_∞为故障后系统再次稳定运行的频率；f_N为电力系统的额定频率，也为故障前的初始频率。

进一步，所述S2中：

故障导致的初始功率缺额为ΔP_OL0，逐轮进行抽水蓄能抽水工况转静止工况，第m轮工况转换过程中，系统的实时功率缺额可由式(3)得到：

第m轮工况转换过程中的频率动态变化轨迹为：

抽水蓄能机组静止工况转发电工况过程中，第n轮工况转换过程中的频率动态变化轨迹为：

式中，为第n轮工况转换过程中，系统的实时功率缺额。

进一步，所述S3中：

N台抽水蓄能机组频率调节过程结束后，极端情况下，需逐轮启动低频减载，第h轮低频减载阶段的频率动态变化轨迹为：

其中，为第h轮低频减载过程中，系统的实时功率缺额。

进一步，所述S4中，定义抽水工况转静止工况、静止工况转发电工况以及低频减载三个阶段的频率轨迹与额定频率f＝f_N所围成的面积分别为S^P-S,S^S-G,S^shed；

建立所述联合优化控制策略目标函数的数学模型：

其中，为抽水蓄能电站启动频率上下限；/>为低频减载阶段动作频率的上下限。

进一步，所述S5中：

利用摄动分析法定义轨迹灵敏度矩阵A，将暂态安全性约束局部线性化为如下形式：

η_fi+AΔf_i+1≥ε_f (11)

式中，η_fi是功率缺额向量为ΔP_i时计算得到的频率裕度向量；Δf_i+1为第i+1次要求解的频率变化量；ε_f为暂态频率安全临界值，即式(10)的频率动作限值；

其中，

式中，a_fi为暂态频率偏移安全裕度对第i轮功率缺额ΔP_i的轨迹灵敏度；η_f(ΔP_i,τ_i)为对第i轮功率缺额ΔP_i施加摄动量τ_i后求得的暂态频率偏移安全裕度；f_cr,j为下一轮j的频率偏移门槛值；t_cr,j为下一轮j动作的暂态过程时长。

本发明的有益效果为：首先，在单机等效模型的基础上，将抽水蓄能机组的工况转换与低频减载相结合，建立频率动态响应的数学模型。建立最优模型并获得最佳动作频率点的情况下确保电力系统的频率稳定。最后，通过仿真验证了该策略的有效性，确保了电网安全稳定运行。

附图说明

图1抽水蓄能与低频减载联合的动态频率轨迹图；

图2 EPRI-36节点系统接线图；

图3功率缺额为618MW的母线频率变化；

图4对比仿真图；

图5某地区实际电网网架图；

图6 2000MW功率缺额图；

图7仿真频率曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1、一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过单机等值模型推导出电力系统的频率动态响应方程；

通过所述单机等值模型将整个电网的频率动态变化过程等效为一台机组来分析电力系统平均频率的动态过程；

所述S1中，

所述电力系统的状态方程为：

其中，T_s为系统频率变化的时间常数；Δf为频率变化量；ΔP_OL为系统过负荷量或者功率缺额量；T_G为全系统发电机组调整的综合时间常数；ΔP_G为发电机功率变化量；K_G为发电机组的功率-频率静态特性系数；ΔP_D为负荷功率变化量；K_D为系统负荷的频率调节效应系数；ΔP_OL0＝P_D0-P_G0表示系统中出现的初始过负荷量或者初始功率缺额量；

其中，f_∞为故障后系统再次稳定运行的频率；f_N为电力系统的额定频率，也为故障前的初始频率。

S2、抽水蓄能机组参与调频控制过程中系统动态频率轨迹；

所述S2中：

故障导致的初始功率缺额为ΔP_OL0，逐轮进行抽水蓄能抽水工况转静止工况，第m轮工况转换过程中，系统的实时功率缺额可由式(3)得到：

第m轮工况转换过程中的频率动态变化轨迹为：

抽水蓄能机组静止工况转发电工况过程中，第n轮工况转换过程中的频率动态变化轨迹为：

式中，为第n轮工况转换过程中，系统的实时功率缺额。

S3、低频减载联合抽水蓄能参与系统频率控制过程的动态频率轨迹；

所述S3中：

N台抽水蓄能机组频率调节过程结束后，极端情况下，需逐轮启动低频减载，第h轮低频减载阶段的频率动态变化轨迹为：

其中，为第h轮低频减载过程中，系统的实时功率缺额。

S4、确定联合优化控制策略目标函数及约束条件；

抽水蓄能与低频减载联合控制策略在于合理配置确定各阶段的动作频率点，协调实现系统频率恢复的快速性与最小的负荷损失；

所述S4中，定义抽水工况转静止工况、静止工况转发电工况以及低频减载三个阶段的频率轨迹与额定频率f＝f_N所围成的面积分别为 S^P-S,S^S-G,S^shed；

如图1所述的灰色部分，定义动作频率点矩阵f,动作时间序列t：

建立所述联合优化控制策略目标函数的数学模型：

其中，为抽水蓄能电站启动频率上下限；/>为低频减载阶段动作频率的上下限。

S5、基于摄动分析的约束条件处理；

所述S5中：

利用摄动分析法定义轨迹灵敏度矩阵A，将暂态安全性约束局部线性化为如下形式：

η_fi+AΔf_i+1≥ε_f (17)

式中，η_fi是功率缺额向量为ΔP_i时计算得到的频率裕度向量；Δf_i+1为第i+1次要求解的频率变化量；ε_f为暂态频率安全临界值，即式(10)的频率动作限值；

其中，

式中，a_fi为暂态频率偏移安全裕度对第i轮功率缺额ΔP_i的轨迹灵敏度；η_f(ΔP_i,τ_i)为对第i轮功率缺额ΔP_i施加摄动量τ_i后求得的暂态频率偏移安全裕度；f_cr,j为下一轮j的频率偏移门槛值；t_cr,j为下一轮j动作的暂态过程时长。

利用摄动法求取轨迹灵敏度矩阵A时的计算量主要集中在对每轮功率缺额分别施加摄动量进行动态仿真上。由于这些动态仿真相互独立，可以通过并行计算技术加快轨迹灵敏度矩阵的求解。

通过求解频率轨迹曲线与额定频率围成的面积最小，得到每轮抽水蓄能机组工况转换和低频减载的启动频率值方案。检测到故障发生时，立即启动方案，保持系统安全稳定。

S6、仿真算例，验证有效性。

以图2所示的改进后的EPRI36节点系统为例。该系统共有9台发电机，其中G8和G9是抽水蓄能，每台抽水蓄能机组的初始工况及相应的功率水平如表1所示。

表1抽水蓄能机组主要参数

抽水蓄能机组序号	初始工况	初始功率	功率输出范围
				G8	静止工况	0MW	-200MW～200MW
G9	抽水工况	-300MW	-300MW～300MW

扰动设置如下：在2s时，线路发生故障，G2退出运行，导致系统电网产生618MW的功率缺额。在此扰动下，母线11为重点仿真对象。根据本文所建立的策略模型，及抽水蓄能机组的状态参数，抽水蓄能机组可分为3个阶段。功率缺额为618MW的母线频率变化图如图3所示。

将本发明的技术方案与传统低频减载方案进行对比，图4为两种方案的频率对比图。

为了比较各种策略的优劣性，定义了几个变量：f_min为整个过程中电网频率最低点值；f_h为电网频率最终恢复值；Δt_re为频率恢复到另一个稳态的时间；S为整个动态频率轨迹曲线与f＝f_N所围成的面积。表2为仿真结果分析。

表2仿真结果分析

从仿真对比分析表中可以看出低频减载跌落的幅值为48.3Hz，而优化方案跌落幅值为49.43Hz；恢复频率49.92Hz也高于低频减载的49.74Hz，恢复时间116.96s也少于低频减载的131.62s；目标函数值为30.42低于低频减载的36.57；动作轮次也少一轮，并且优化方案只需进行工况转换不需要切除负荷，而低频减载需要切处494.4MW的负荷量。

实施例一

以中国某实际电网为例，验证所提频率恢复协同策略方案的有效性。图5为其网架拓扑结构图，并对变压器站进行了编号，红色线路为本文重点仿真分析对象。送端电网A和受端电网B通过联络线AC进行功率输送，其功率值为ΔP_OL0。如果联络线发生故障跳闸，那么受端电网功率缺额为ΔP_OL0。

系统参数如下：

额定频率为f_N＝50HZ；系统惯性时间常数为系统发电机组调整时间常数系统负荷频率调节效应系数为K_D*＝1.9；发电机组功率频率静态特性系数为K_G*＝21.6。

案例分析中选取的抽水蓄能电站有3台机组，每台机组的初始工况以及相应的功率水平如表3所示。

表3抽水蓄能机组主要参数

抽水蓄能机组序号	初始工况	初始功率	功率输出范围
				1	抽水工况	-300MW	-300MW～300MW
2	抽水工况	-300MW	-300MW～300MW
				3	静止工况	0MW	-300MW～300MW

根据以上步骤所建立的控制策略，结合表3中抽水蓄能机组的状态参数，在模式转换过程中参与系统频率调节的抽水蓄能机组最多可划分为5 个阶段。低频减载是在工况切换过程完成后，按20％的功率缺额比例进行5个阶段的减负荷，减负荷量等于初始功率缺额量减去工况转换过程的功率贡献量。

当送端电网向受端电网输送功率ΔP_OL0＝2000MW时。

图6所示为未采取任何频率控制措施的系统频率曲线。利用上述初始网格参数，采用本文方法计算优化方案的最优动作频率值和动作轮次。将本发明提出的优化方案与传统低频减载方案进行比较。各种方案的动作频率整定值如表4所示，仿真频率曲线如图7所示，表5为仿真结果分析表。

表4方案对比

表5仿真结果分析表

从仿真结果分析表中可以看出优化方案要优于低频减载方案，由于低频减载出现欠切，频率没办法恢复到49.6Hz以上，并且切除负荷量 1200MW。第一摆频率下降的最低频率值为49.38Hz，恢复频率为49.63Hz，恢复时间为98.19s，目标函数值为29.89，这些值都要优于仅仅低频减载方案，因此本发明专利提出的方案具有较强的优越性。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。

Claims (4)

1.一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过单机等值模型推导出电力系统的频率动态响应方程；

通过所述单机等值模型将整个电网的频率动态变化过程等效为一台机组来分析电力系统平均频率的动态过程；

S2、抽水蓄能机组参与调频控制过程中系统动态频率轨迹；

S3、低频减载联合抽水蓄能参与系统频率控制过程的动态频率轨迹；

S4、确定联合优化控制策略目标函数及约束条件；

抽水蓄能与低频减载联合控制策略在于合理配置确定各阶段的动作频率点，协调实现系统频率恢复的快速性与最小的负荷损失；

S5、基于摄动分析的约束条件处理；

S6、仿真算例，验证有效性；

所述S4中，定义抽水工况转静止工况、静止工况转发电工况以及低频减载三个阶段的频率轨迹与额定频率所围成的面积分别为/>；

（9）

建立所述联合优化控制策略目标函数的数学模型：

（10）

其中，为抽水蓄能电站启动频率上下限；/>为低频减载阶段动作频率的上下限;

所述S5中：

利用摄动分析法定义轨迹灵敏度矩阵A，将暂态安全性约束局部线性化为如下形式：

（11）

式中，是功率缺额向量为/>时计算得到的频率裕度向量；/>为第/>次要求解的频率变化量；/>为暂态频率安全临界值，即式（10）的频率动作限值；

其中，

（12）

式中，为暂态频率偏移安全裕度对第i轮功率缺额/>的轨迹灵敏度；/>为对第i轮功率缺额/>施加摄动量/>后求得的暂态频率偏移安全裕度；/>为下一轮j的频率偏移门槛值；/>为下一轮j动作的暂态过程时长。

2.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，其特征在于：所述S1中，

所述电力系统的状态方程为：

（1）

其中，为系统频率变化的时间常数；/>为频率变化量；/>为系统过负荷量或者功率缺额量；/>为全系统发电机组调整的综合时间常数；/>为发电机功率变化量；/>为发电机组的功率-频率静态特性系数；/>为负荷功率变化量；/>为系统负荷的频率调节效应系数；/>表示系统中出现的初始过负荷量或者初始功率缺额量；

（2）

其中，为故障后系统再次稳定运行的频率；/>为电力系统的额定频率，也为故障前的初始频率。

3.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，其特征在于，所述S2中：

故障导致的初始功率缺额为，逐轮进行抽水蓄能抽水工况转静止工况，第m轮工况转换过程中，系统的实时功率缺额/>可由式（3）得到：

（3）

第m轮工况转换过程中的频率动态变化轨迹为：

（4）

抽水蓄能机组静止工况转发电工况过程中，第轮工况转换过程中的频率动态变化轨迹为：

（5）

（6）

式中，为第/>轮工况转换过程中，系统的实时功率缺额。

4.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能和低频减载联合的紧急低频控制方法，其特征在于，所述S3中：

N台抽水蓄能机组频率调节过程结束后，极端情况下，需逐轮启动低频减载，第h轮低频减载阶段的频率动态变化轨迹为：

（7）

（8）

其中，为第/>轮低频减载过程中，系统的实时功率缺额。