CN114243731B - 一种受控负荷阻尼因子控制器及采用该控制器的调频方法 - Google Patents

一种受控负荷阻尼因子控制器及采用该控制器的调频方法 Download PDF

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CN114243731B CN202210165605.0A CN202210165605A CN114243731B CN 114243731 B CN114243731 B CN 114243731B CN 202210165605 A CN202210165605 A CN 202210165605A CN 114243731 B CN114243731 B CN 114243731B
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Abstract

本发明涉及一种受控负荷阻尼因子控制器及采用该控制器的调频方法，该控制器设计了系统频率偏差与负荷侧电压变化的反馈控制环节，并通过控制调压变压器的快速电子式变档加以实现，达到调节负荷侧电压并改变负荷有功功率的功能。本发明通过设计系统频率偏差与负荷侧电压偏差的反馈控制器，并通过110kV用户变电站或10kV馈线的电子式快速调档调压变压器，来调节负荷侧的母线电压从而改变负荷有功功率，最终实现负荷有功功率对系统频率变化的受控响应，大幅度提升负荷阻尼因子，达到新型电力系统调频的目的。

Description

一种受控负荷阻尼因子控制器及采用该控制器的调频方法
技术领域
本发明涉及一种对负荷阻尼因子的提升技术，增强以新能源为主体的新型电力系统的调频能力。发明了负荷侧有功功率随系统频率偏差反馈控制的受控负荷阻尼因子控制器及采用该控制器的调频方法。该发明是通过设计系统频率偏差与负荷侧电压偏差的反馈控制器，并通过电子式快速调档的调压变压器，来调节负荷侧的母线电压从而改变负荷有功功率，最终实现负荷有功功率对系统频率变化的受控响应，大幅度提升负荷阻尼因子的目的。
背景技术
完成“碳达峰”和“碳中和”已成为世界各国对改善地球生存环境的主要目标，世界各国都在加速发展可再生能源发电替代煤电和煤炭使用所造成的污染。加大技术创新，推动能源电力从高碳向低碳、从以化石能源为主向以清洁能源为主转变，加快形成绿色生产和消费方式等要求。构建以新能源为主体的新型电力系统，是推进“碳达峰”，“碳中和”的重要举措，也将成为未来各国电力能源领域一场新的技术革命。
随着新能源大规模接入电网，我国电源结构将从传统火电机组为主导，逐步演变为以新能源发电为主导，预计2060年风电和光伏发电的装机容量占比之和将超过60%，发电量占比之和达到约35%。而风电与光伏发电等新能源出力具有多时空的强不确定性和预测的不准确性，以及这些可再生能源发电机组尚不具备与传统电源机组相当的调频和调峰能力以及好的可控性。因此，为满足发电、传输和用电的实时供需平衡，保证系统的频率和电压在允许偏差范围内运行将会受到技术上的巨大挑战，而以新能源为主体的新型电力系统的运行首当其冲的就是要解决调频和调峰。
在常规电力系统中，负荷损失或发电损失都会给电力系统的频率造成偏差，系统 频率偏差
Figure 156002DEST_PATH_IMAGE001
与负荷损失或发电损失
Figure 10826DEST_PATH_IMAGE002
以及所有发电机的下垂特性
Figure 961202DEST_PATH_IMAGE003
（即 发电机的功频响应特性）和负荷阻尼因子D（即负荷功率对系统频率的自然响应特性）的关 系可以表示为
Figure 294094DEST_PATH_IMAGE004
其中，若系统损失了负荷，则
Figure 46150DEST_PATH_IMAGE005
为负，若损失了发电，则
Figure 45111DEST_PATH_IMAGE005
为正。
为了实现碳减排和碳中和的目标，建设以新能源为主体的新型电力系统将会成为 未来电力工业发展的方向。世界各国都在加快发展可再生能源发电，特别在中国，要将大量 常规的燃煤火电机组用可再生能源发电逐步替代。从电力系统调频的角度出发，当可再生 能源发电替代常规煤电机组时，上式中的发电机的下垂特性
Figure 249827DEST_PATH_IMAGE006
将会变得越来越小，在电 力系统受到同样的负荷损失或发电损失时，系统的频率偏差将会变得很大，导致电力系统 无法在满足频率偏差标准下运行。
从所周知，大量的常规煤电被可再生能源发电替代后，保障新型电力系统的调频 偏差在允许标准下运行将是该系统最根本的任务。从前面的调频公式中可以得出有以下几 种措施来保证频率偏差在允许范围：其中一种是在系统中建设快速启停的调频电源，如燃 气轮机和蓄能电站等，建设这些调频电源不仅投资大，而且运行成本也高；另一种是要求可 再生能源发电机组参与调频，如风电和光伏发电通过控制去实现与常规发电机组相同的下 垂特性，这不仅在技术上会遇到很多困难，而且也会大幅降低可再生能源的发电效率；最后 一种是通过负荷电压控制去增大负荷阻尼因子D，也可以达到减少系统频率偏差的目的。本 发明通过对系统中大部分可控的柔性负荷引入频率反馈控制，将自然负荷阻尼因子D改造 为受控负荷阻尼因子
Figure 120831DEST_PATH_IMAGE007
。自然负荷阻尼因子是负荷功率对系统频率的自然响应特性
Figure 727393DEST_PATH_IMAGE008
，其含义为：系统频率每变化
Figure 422554DEST_PATH_IMAGE009
，负荷的有功功率变化
Figure 114567DEST_PATH_IMAGE010
。但实际系统中 有很多用电设备不响应系统频率的变化，如大量的热负荷、电解类负荷、直流供电负荷和照 明负荷等，在常规系统调频计算中假设自然负荷阻尼因子D=1-1.5，实际上系统测试的结果 远小于假设值。
从系统频率偏差的计算公式可以看出，解决以新能源为主体的新型电力系统的调频问题大致有三条路径：1）建设大量的调频电源，如快速启停的燃气轮机发电和储能电站等；2）改造新能源发电设备使其自身具备调频能力；3）实现负荷控制参与调频。为了减少新型电力系统调频电源的建设，补充调频能力不足这一问题。
发明内容
本发明涉及一种受控负荷阻尼因子控制器，其发明思路是设计系统频率偏差反馈控制器去计算负荷侧母线电压的调节量，再通过110kV用户变电站或10kV馈线安装具有电子式快速调档的调压变压器，实现负荷侧电压的调节，从而实现负荷侧有功功率受控响应系统频率的变化，大幅提升负荷阻尼因子。为新型电力系统提供了负荷有功响应系统频率变化的调节能力，这等同于将自然负荷阻尼因子改造成为受控负荷阻尼因子。
本发明的受控负荷阻尼因子控制器如图1所示，发明了系统频率偏差反馈控制器 控制负荷侧电压的变化，即
Figure 789262DEST_PATH_IMAGE011
，将
Figure 515909DEST_PATH_IMAGE012
送至执行元件，如110kV变电站安装具有 电子式快速调档的调压变压器如图2所示，或10kV馈线安装具有电子式快速调档的小型调 压变压器如图3所示，快速调整其偏差电压，完成负荷侧电压的调整，相对应地调节了负荷 有功功率的变化，即
Figure 883437DEST_PATH_IMAGE013
。根据自然负荷阻尼因子的定义，受控负荷阻尼因子
Figure 561280DEST_PATH_IMAGE014
。通过实际电力系统中对工业类用电负荷、商业与居民用电负荷和农业用电负 荷实验表明，受控负荷阻尼因子的值大概率分布在
Figure 39666DEST_PATH_IMAGE015
之间，从而可以大大增强新 型电力系统的调频能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：现场试验环节，在110kV变电站和10kV馈线测试在允许电压变化范围内，负荷有功功率对应的变化量；整定系统频率偏差与负荷侧电压变化量的反馈放大倍数；再通过具有电子式快速调档的调压变压器加以实现。
上述技术主要是
一种受控负荷阻尼因子控制器，其特征在于，包括：
频率测量模块：用于设定数据测量的时间段，以及测量频率；
电压测量模块：用于测量设定时间段的母线电压
Figure 620820DEST_PATH_IMAGE016
，根据测定的测量设定时间段 的母线电压
Figure 893670DEST_PATH_IMAGE016
，得到负荷侧允许电压最大变化量
Figure 324389DEST_PATH_IMAGE017
和相应的有功功率最大变化量
Figure 340886DEST_PATH_IMAGE018
值；
整定模块：根据电压测量模块测量得到的母线电压
Figure 776547DEST_PATH_IMAGE016
，确定频率反馈放大倍数以 及电压反馈放大倍数，并由此得到受控负荷阻尼因子，从而确定
Figure 485877DEST_PATH_IMAGE019
，并将确定的
Figure 155891DEST_PATH_IMAGE019
输 出至电子式快速调档调压变压器。
在上述的一种受控负荷阻尼因子控制器，所述整定模块确定整定频率反馈放大倍 数
Figure 976079DEST_PATH_IMAGE020
和电压反馈放大倍数
Figure 266246DEST_PATH_IMAGE021
的具体方法是：
根据获得的负荷侧允许电压最大变化量
Figure 412057DEST_PATH_IMAGE017
和相应的有功功率最大变化量
Figure 787675DEST_PATH_IMAGE018
值，获得
Figure 644510DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 320342DEST_PATH_IMAGE023
，其中，
Figure 371475DEST_PATH_IMAGE024
为电网允许的最大频率偏差，
Figure 499968DEST_PATH_IMAGE025
为电网允许的频率偏差，设定为0.5Hz；
Figure 160494DEST_PATH_IMAGE026
。
在上述的一种受控负荷阻尼因子控制器，受控负荷阻尼因子是基于以下公式获取：
Figure 159674DEST_PATH_IMAGE027
。
一种采用所述受控负荷阻尼因子控制器进行调频的方法，其特征在于，包括：将受 控阻尼因子控制器接入到电子式快速调档调压变压器，当系统发生负荷损失或发电损失 后，测量系统频率偏差转化为需要控制的电压偏差，控制电子式快速调档调压变压器的档 位，从而达到调节负荷侧的电压变化量为
Figure 647287DEST_PATH_IMAGE028
，使得负荷侧有功功率变化为
Figure 997497DEST_PATH_IMAGE029
。
在上述的调频的方法，测量系统频率偏差转化为需要控制的电压偏差的具体方法是：
设定测量频率以及时间段，测量电网频率
Figure 461714DEST_PATH_IMAGE030
获得
Figure 846559DEST_PATH_IMAGE031
根据测量的
Figure 973915DEST_PATH_IMAGE032
得到
Figure 811421DEST_PATH_IMAGE033
；
确定频率反馈放大倍数和电压反馈放大倍数，并得到受控负荷阻尼因子；
根据电网频率
Figure 580794DEST_PATH_IMAGE030
量测结果，若
Figure 324540DEST_PATH_IMAGE030
小于49.8Hz则
Figure 622797DEST_PATH_IMAGE033
小于0，负荷侧电压降低；若
Figure 213178DEST_PATH_IMAGE030
大于50.2Hz则
Figure 520663DEST_PATH_IMAGE033
小于0，负荷侧电压升高。
在上述的调频的方法，确定频率反馈放大倍数和电压反馈放大倍数基于以下公式：
根据获得的负荷侧允许电压最大变化量
Figure 847477DEST_PATH_IMAGE033
和相应的有功功率最大变化量
Figure 847794DEST_PATH_IMAGE018
值，获得
Figure 394313DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 505488DEST_PATH_IMAGE035
，其中，
Figure 952388DEST_PATH_IMAGE036
为电网允许的最大频率偏差，通常可以设定为0.5Hz；
Figure 592448DEST_PATH_IMAGE037
。
在上述的调频的方法，确定受控负荷阻尼因子基于以下公式：
Figure 360684DEST_PATH_IMAGE038
。
本发明的原创性在于根据负荷的电压/有功调节特性，调节负荷节点电压从而调节负荷功率，以抵消系统中存在的不平衡功率，对于未来建设以高比例可再生能源发电为主体的新型电力系统的调频问题具有优良的特性，不仅能减少系统调频电源的安装容量，同时也能够与少量的调频电源共同承担起系统的调频，具有广泛的推广价值和应用前景。
附图说明
图1是受控负荷阻尼因子控制器示意图。
图2是受控负荷阻尼因子控制器控制110kV用户变电站电压示意图。
图3是受控负荷阻尼因子控制器控制10kV馈线电压示意图。
图4是电子式快速调档调压变压器A相主电路示意图。
图5是电力电子开关结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。
一、首先介绍本发明的原理，本发明通过下述步骤得以解决的：
1.典型用电负荷测试。
通过对工业、商业及居民和农业供电的典型110kV变电站和10kV馈线现场开展电 压调整实验，可以获得负荷侧最大电压允许变化量
Figure 9971DEST_PATH_IMAGE033
和对应的有功功率的最大变化量
Figure 45798DEST_PATH_IMAGE018
测试值，由此可以计算出负荷侧电压最大允许变化量与对应引起的有功功率最大 变化量的比值。
Figure 591180DEST_PATH_IMAGE039
。
2. 整定负荷频率反馈放大倍数
Figure 846712DEST_PATH_IMAGE040
。
当系统允许的频率偏差值设置为
Figure 261207DEST_PATH_IMAGE041
，则负荷侧电压的变化量也达到最大值
Figure 449743DEST_PATH_IMAGE033
，这时
Figure 697185DEST_PATH_IMAGE042
根据受控负荷阻尼因子
Figure 705592DEST_PATH_IMAGE043
的定义，则有
Figure 460796DEST_PATH_IMAGE044
3. 控制器实现。
将整定好的受控负荷阻尼因子控制器接入到具有电子式快速调档的调压变压器，通过控制调压变压器的快速电子式变档实现对负荷侧电压的调节，以及对应的负荷有功功率的改变，真正实现了负荷有功功率受控响应系统频率的变化。
4.评估调频效应。
根据负荷阻尼因子的计算公式，可以得到
Figure 238259DEST_PATH_IMAGE045
其中，
Figure 656602DEST_PATH_IMAGE046
为系统的总负荷量MW，
Figure 886726DEST_PATH_IMAGE047
为系统的额定频率，D为负荷阻尼因子。以中 国某省级电网为例，系统总负荷为45480MW，系统额定频率为50Hz，若负荷阻尼因子采用自 然阻尼因子，并假设
Figure 180042DEST_PATH_IMAGE048
，则
Figure 77591DEST_PATH_IMAGE049
。这就意味着系统频率每变化 0.1Hz，则系统负荷可以提供90.96MW的调频容量。若采用受控阻尼因子的最小值
Figure 666835DEST_PATH_IMAGE050
，则
Figure 915414DEST_PATH_IMAGE051
，若采用受控阻尼因子的最大值，则
Figure 215683DEST_PATH_IMAGE052
。 这就意味着，当系统的频率每变化0.1Hz，系统负荷可以提供363.8-682.2MW的调频容量。由 此可以大大减少系统调频电源的投入。
二、测试典型110kV变电站或10kV馈线电压/有功响应特性。
对110kV用户变电站或10kV用户馈线的典型工业、商业与居民和农业用电负荷开 展现场电压调整实验，可以获得负荷侧允许电压最大变化量
Figure 436580DEST_PATH_IMAGE033
和相应的有功功率最 大变化量
Figure 196726DEST_PATH_IMAGE053
，计算获得
Figure 401442DEST_PATH_IMAGE022
。
三、整定系统频率偏差与负荷电压调整量的反馈放大倍数
Figure 42420DEST_PATH_IMAGE054
。
如图1所示，利用测频装置获取系统的频率信号
Figure 383403DEST_PATH_IMAGE055
，并与标准频率
Figure 580029DEST_PATH_IMAGE056
相比较，得到 频率偏差信号
Figure 537620DEST_PATH_IMAGE057
，经反馈放大倍数
Figure 710850DEST_PATH_IMAGE058
计算出所希望的负荷侧电压的调整量
Figure 171919DEST_PATH_IMAGE059
并传送至110kV用户变电站电子式快速 调档调压变压器如图2所示或传送至10kV馈线电子式快速调档调压变压器如图3所示，实现 调压调压器档位的控制。
四、整定受控负荷阻尼因子
Figure 805025DEST_PATH_IMAGE060
。
根据实测的负荷侧电压变化/有功功率变化的响应特性
Figure 718755DEST_PATH_IMAGE061
，受控负荷阻尼因子
Figure 695676DEST_PATH_IMAGE062
为
Figure 542409DEST_PATH_IMAGE063
和
Figure 815259DEST_PATH_IMAGE064
的乘积，即
Figure 481863DEST_PATH_IMAGE065
。因此，负荷频率反馈放大倍数
Figure 763940DEST_PATH_IMAGE066
可整定为
Figure 698136DEST_PATH_IMAGE067
其中
Figure 876307DEST_PATH_IMAGE068
为负荷侧电压允许调整的最大值，对于110kV电压 侧，允许的电压最大变化量为
Figure 295787DEST_PATH_IMAGE069
，10kV馈线允许的电压最大变化量为
Figure 381555DEST_PATH_IMAGE070
。可以根据系 统的调频要求设置系统允许的最大频率偏差
Figure 187835DEST_PATH_IMAGE071
。若系统频率偏差的最大值设定为
Figure 333646DEST_PATH_IMAGE072
，可以整定反馈放大倍数的范围在
Figure 709264DEST_PATH_IMAGE073
之间。
五、电子式快速调档调压变压器的电压控制。
图4为电子式快速调档调压变压器A相主电路示意图，B、C两相同理。本中的调压变 压器根据控制需求设定为
Figure 801985DEST_PATH_IMAGE074
等n个调压档位，与相应的电力电子开关相连。 图4中的每个电力电子开关
Figure 710772DEST_PATH_IMAGE075
均由带容阻吸收回路的反向并联的 晶闸管组成，反向并联的晶闸管结构如图5所示。图4中的断路器
Figure 496326DEST_PATH_IMAGE076
和电阻
Figure 624819DEST_PATH_IMAGE077
用于限制合闸涌流并为
Figure 521231DEST_PATH_IMAGE078
提供均压环境，以免主断路器
Figure 284525DEST_PATH_IMAGE079
闭合时电力电 子开关承受过电压而被击穿。晶闸管开关具有在电流过零点自然关断的特性，若要导通一 开关，则必须在每个电流过零点给开关发送触发脉冲，若要断开一开关，则只需停止向开关 发送触发脉冲。所有电力电子开关的脉冲均由逻辑控制模块发出，保证脉冲的同步。
当图1中的受控阻尼因子控制器计算出所希望的负荷侧电压调整量
Figure 772138DEST_PATH_IMAGE080
，传送至 调压变压器微处理器处，调整其电压设定值。以微处理器为中心的控制单元将
Figure 122348DEST_PATH_IMAGE081
采集电压、电流信号，与设定值相比，给出升压或降压的指令，逻辑控制模块控制相关的电 力电子开关的导通和关断，实现不同电压等级档位的快速切换，其响应速度为微秒级。微处 理器也会根据系统电压实际情况作故障处理，如若检测到电流突变或者其他故障，选择限 制晶闸管动作或将其闭锁。

Claims (5)

1.一种受控负荷阻尼因子控制器，其特征在于，包括：
频率测量模块：用于设定数据测量的时间段，以及测量频率；
电压测量模块：用于测量设定时间段的母线电压VLS，根据测定的测量设定时间段的母线电压VLS，得到负荷侧允许电压最大变化量ΔVLcmax和相应的有功功率最大变化量ΔPLcmax值；
整定模块：根据电压测量模块测量得到的母线电压VLS，确定频率反馈放大倍数以及电压反馈放大倍数，并由此得到受控负荷阻尼因子，从而确定ΔVLc，并将确定的ΔVLc输出至电子式快速调档调压变压器；
所述整定模块确定整定频率反馈放大倍数KLc和电压反馈放大倍数Kfv的具体方法是：
根据获得的负荷侧允许电压最大变化量ΔVLcmax和相应的有功功率最大变化量ΔPLcmax值，获得KLc＝ΔPLcmax/ΔVLcmax；
Figure FDA0003598182100000011
其中，
Δfmax为电网允许的最大频率偏差，Δf为电网允许的频率偏差，设定为0.5Hz；
Figure DEST_PATH_181870DEST_PATH_IMAGE011
；
受控负荷阻尼因子是基于以下公式获取：
Figure FDA0003598182100000022
2.一种采用权利要求1所述受控负荷阻尼因子控制器进行调频的方法，其特征在于，包括：将受控阻尼因子控制器接入到电子式快速调档调压变压器，当系统发生负荷损失或发电损失后，测量系统频率偏差转化为需要控制的电压偏差，控制电子式快速调档调压变压器的档位，从而达到调节负荷侧的电压变化量为ΔVLc，使得负荷侧有功功率变化为ΔPLc。
3.根据权利要求2所述的调频的方法，其特征在于，测量系统频率偏差转化为需要控制的电压偏差的具体方法是：
设定测量频率以及时间段，测量电网频率fs获得Δf；
根据测量的VLS得到ΔVLcmax；
确定频率反馈放大倍数和电压反馈放大倍数，并得到受控负荷阻尼因子；
根据电网频率fs量测结果，若fs小于49.8Hz则ΔVLcmax小于0，负荷侧电压降低；若fs大于50.2Hz则ΔVLcmax小于0，负荷侧电压升高。
4.根据权利要求3所述的调频的方法，其特征在于，确定频率反馈放大倍数和电压反馈放大倍数基于以下公式：
根据获得的负荷侧允许电压最大变化量ΔVLcmax和相应的有功功率最大变化量ΔPLcmax值，获得KLc＝ΔPLcmax/ΔVLcmax；
Figure FDA0003598182100000031
其中，
Δfmax为电网允许的最大频率偏差，通常可以设定为0.5Hz；
Figure FDA0003598182100000032
5.根据权利要求4所述的调频的方法，其特征在于，确定受控负荷阻尼因子基于以下公式：
Figure FDA0003598182100000033
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