CN114552598A - 一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法 - Google Patents

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CN114552598A CN202111621496.0A CN202111621496A CN114552598A CN 114552598 A CN114552598 A CN 114552598A CN 202111621496 A CN202111621496 A CN 202111621496A CN 114552598 A CN114552598 A CN 114552598A
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Abstract

本发明涉及一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，包括以下步骤：1)根据源荷两侧惯性资源的响应原理，构建系统最小惯性约束；2)根据系统各机组的调频特性，建立惯性资源和一次调频资源的综合评价指标；3)根据报价和综合评价指标分别确定惯性资源和一次调频资源的成本；4)建立峰时参与调频机组采用的补偿机制；5)根据包含火‑水‑风‑储的频率动态响应模型，获得频率最低点约束；6)建立考虑频率安全约束下的源荷惯性资源和一次调频资源的联合优化模型，对模型求得最优解作为调度方案进行电力系统机组组合的日前调度。与现有技术相比，本发明能够增强系统的调频能力，以更小的成本实现频率安全。

Description

一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法
技术领域
本发明涉及电网调度领域，尤其是涉及一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法。
背景技术
近年来，大量新能源并入电力系统中，“双峰”、“双高”的特征进一步凸显，造成系统的同步旋转惯性下降，频率偏差增大的现象，现主要研究调频市场中的一次调频和二次调频联合优化运行，未涉及到惯性响应服务，惯性响应服务会成为未来电力调频市场的一个重要组成部分，所以有必要对惯性资源和一次调频资源的联合优化展开研究。在构建频率响应模型时，大多采用一阶惯性环节来模拟机组调速器的动态过程，只考虑对调频影响较大的时间常数，而忽略了一些偏小的时间常数以及逆变装置带来的延迟影响，可能导致扰动下频率最低点计算结果偏乐观。
基于电力系统中源荷两侧的惯性资源和一次调频响应的差异，分别提出惯性资源和一次调频资源综合响应评价指标。结合惯性需求受风电和负荷波动的影响，提出分时激励策略，鼓励惯性资源和一次调频资源参与峰时调频过程。在现有的低阶频率响应模型上，引入风电机组和储能的一次调频特性，建立含“火-水-风-储”的频率动态响应模型，但是，现有的模型未能全面的计及从源荷两侧惯性资源和一次调频资源联合调频角度分析对系统频率安全稳定的影响，因此需要一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法。
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源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，该方法包括以下步骤：
1)根据源荷两侧惯性资源的响应原理，构建系统最小惯性约束；
2)根据系统各机组的调频特性，建立惯性资源和一次调频资源的综合评价指标；
3)根据报价和综合评价指标分别确定惯性资源和一次调频资源的成本；
4)考虑系统频率响应特性的相关因素，建立峰时参与调频机组采用的补偿机制；
5)根据包含火-水-风-储的频率动态响应模型，获得系统频率响应的解析表达式进行线性化得到频率最低点约束；
6)建立考虑频率安全约束下的源荷惯性资源和一次调频资源的联合优化模型，对模型求得最优解作为调度方案进行电力系统机组组合的日前调度。
所述的步骤1)中，为维持系统频率稳定，系统总惯性必须大于系统发生扰动时所需要的最小惯性，即最小惯性约束，则有：
Figure BDA0003438194390000021
Figure BDA0003438194390000022
Figure BDA0003438194390000023
其中，HSy为系统惯量总值，RoCoFmax为最大频率变化率，ΔP(t)为t时刻的功率扰动，fN为额定频率，SGg、SHh、SW、SF、SSC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的额定容量，Hg、Hh、Hw、Hf、HSC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的惯性时间常数，ωn为旋转机组转子转速，ωr为风电机组的转子转速，ωsc、ωf分别为超级电容器和飞轮的转速，G、H、W、F、SC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的数量。
所述的步骤2)中，采用层次分析法确定惯性资源和一次调频资源的综合评价指标权重，并据此获取综合评价指标值，则有：
Figure BDA0003438194390000031
其中，D1为机组的惯性响应能力的综合评价指标，D2为机组的一次调频响应能力的综合评价指标，x11、x12、x13分别为机组的额定容量、惯性时间常数、存储的动能，x21、x22、x23分别为机组的一次调频死区、转速不等率、响应滞后时间，W1～W6均为权重；
对综合评价指标D2进行正向化调整，则有：
D3＝A-(W4x21+W5x22+W6x23)
其中，A为常数。
所述的步骤3)中，根据报价和综合评价指标确定惯性资源的成本以及一次调频资源的成本，具体表达式为：
Figure BDA0003438194390000032
其中，CIR为惯性相应成本，c1为惯性资源报价，h1为惯性资源服务时长，CPFR为一次调频成本，c2为一次调频资源报价，h2为一次调频资源服务时长。
所述的步骤4)中，采用半梯形隶属度函数中的偏大型和偏小型描述峰-谷隶属度，根据隶属度函数的大小获取分时的划分结果，并据此建立峰时参与调频机组采用的补偿机制，则有：
Figure BDA0003438194390000033
其中，m1、m2分别为峰、谷隶属度，f(x)为风-荷曲线上实时值，fmax、fmin分别为风-荷曲线上的最大值和最小值。
所述的步骤5)中，系统频率响应的解析表达式具体为：
Figure BDA0003438194390000041
其中，ΔP为功率缺额，Δω为系统频率偏差，ΔPGg、ΔPHydro,h、ΔPWT、ΔPF、ΔPSC分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮储能和超级电容器储能的一次调频出力，KD为系统负荷有功频率调节效应系数，C为常数，Kg、Kh、Kw、Kf、Kc分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器储能的机械功率增益系数，TRH为再热汽轮机时间常数，TCH为容积时间常数，TS为油动机的时间常数，TG为火电机组调速器时间常数，FHP为等值汽轮机高压缸稳态输出功率与汽轮机总输出功率的比值，Tw为水锤效应时间常数，Tp为水电机组调速器时间常数，Ty为软反馈时间常数，Dy为软反馈环节系数，TIW、Tc、Tf分别为风机、超级电容器储能和飞轮储能惯性环节时间常数，To、Te、Tx为变流器的延迟时间；
采用泰勒展开将解析表达式线性化，得到频率最低点约束为：
fN-|Δωmax|≥49.5
其中，Δωmax为最大频率偏差，fN为系统额定频率。
所述的步骤6)中，联合优化模型的目标函数表达式为：
min F1+F2
Figure BDA0003438194390000051
Figure BDA0003438194390000052
F2＝CIRPIR+CPFRPPFR
Figure BDA0003438194390000053
Figure BDA0003438194390000054
其中，F1为包含火电机组的电能量成本和开停机成本、水电机组的启停成本和风电的弃风成本，F2为包含购买惯性和一次调频的费用，Cg,t(Pg,t)为火电机组的电能量成本，Cop,g、Ccl,g、Cop,h、Ccl,h分别为火电机组和水电机组的开机和停机成本，ug,t、vh,t分别为火电机组g和水电机组h在t时刻的运行状态变量，为0-1变量，Pg,t为火电机组g在t时刻的出力，Pwindc,t为风机的预测出力，Pwind,t为风机在t时刻的实际出力，Cwc为弃风成本，PIR为惯性响应出力，PPFR为一次调频出力，Cg IR、Ch IR、Cw IR、Cf IR、Cc IR为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器的惯性资源报价，og,t、rh,t为火电机组g和水电机组h在t时刻提供一次调频的状态变量，为0-1变量，Cg PFR、Ch PFR、Cw PFR、Cf PFR、Cc PFR为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器的一次调频资源报价，
Figure BDA0003438194390000055
分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器在t时刻一次调频的出力，T为调度时段。
所述的步骤6)中，联合优化模型的约束条件包括频率安全约束、机组常规约束、机组一次调频容量约束和日前功率平衡约束，所述的频率安全约束包括频率最低点约束、频率变化率约束和最小惯性约束，则有：
Figure BDA0003438194390000061
其中，RoCoF(t)为t时刻的频率变化率。
所述的日前功率平衡约束具体为：
Figure BDA0003438194390000062
其中，Pg,t为火电机组g在t时刻的出力，Ph,t为水电机组h在t时刻的出力，Pwind,t为风机在t时刻的实际出力，Pload,t为负荷在t时刻的出力，Pt PFR为t时刻的系统的一次调频需求量。
所述的机组常规约束具体为：
Figure BDA0003438194390000063
其中，Pg,max、Pg,min分别为火电机组最大、最小出力，Ru,g、Rd,g为火电机组的向上和向下的爬坡率，MTg,t为火电机组的运行时间，TMDTg,t、TMUTg,t为火电机组最小开机时间和停机时间，Ph,max、Ph,min分别为水电机组最大、最小出力，Ph,t为水电机组h在t时刻的出力，qh,max、qh,min为水电机组h在t时刻的最大和最小流量，qh,t为水电机组h在t时刻的流量，Vh,t、Vh,(t+1)为水电机组h在t、t+1时刻的水库库容，Vh,max、Vh,min分别为水电机组h在t时刻的最大和最小水库库容，Wh,(t+1)为水库h在t+1时刻的净水量。
所述的机组一次调频容量约束具体为：
Figure BDA0003438194390000071
其中，
Figure BDA0003438194390000072
分别为飞轮和超级电容器储能的一次调频最大出力，og,t、rh,t为火电机组g和水电机组h在t时刻提供一次调频的状态变量，为0-1变量，xi,t为参与一次调频的机组状态，μi,t为机组开机状态，
Figure BDA0003438194390000073
分别为火电机组g和水电机组h在t时刻的一次调频最大出力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本方法将惯性资源和一次调频资源作为调频服务产品进行市场化设计，在日前机组分别上报惯性资源和一次调频资源的各项原始性能指标和报价，通过综合评价指标对机组报价进行修正，最后优化选择机组提供惯性和一次调频，源荷两侧的惯性资源和一次调频资源之间协同增效，以更小的成本提高系统频率安全。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为源侧机组惯性报价曲线。
图3为荷侧机组惯性报价曲线。
图4为源侧机组一次调频报价曲线。
图5为荷侧机组一次调频报价曲线。
图6为日负荷和风电预测值。
图7为各方案的机组一次调频与系统惯性结果，其中，图(7a)为方案一，图(7b)为方案二。
图8为各方案的系统频率偏差，其中，图(8a)为方案一，图(8b)为方案二。
图9为方案三的机组一次调频出力。
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。
实施例
如图1所示，本发明提出一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，首先分析电源侧旋转机组的惯性和风力发电机的虚拟惯性，以及负荷侧的飞轮惯性和超级电容器虚拟惯性的响应原理；根据各个惯性资源和一次调频资源响应特性的差异，分别提出考虑惯性资源和一次调频资源响应特征的综合响应评价；在综合评价的基础上考虑惯性需求受外界因素的影响，提出资源分时激励策略；以机组运行成本和购买调频服务成本总费用最优为目标，建立考虑频率安全约束的机组组合优化调度模型并求解，得到最优的调度方案，该方法包括以下步骤：
1)根据源荷两侧惯性资源的响应原理，构建系统最小惯性约束；
2)根据各个机组的调频特性，采用层次分析法建立惯性资源和一次调频资源的综合评价指标；
3)根据报价和综合评价指标确定惯性资源和一次调频资源的成本；
4)考虑系统频率响应特性与扰动类型、新能源占比等因素有关，建立对峰时参与调频的机组采用补偿机制；
5)建立含“火-水-风-储”的频率动态响应模型，推导频率最低点约束；
6)建立考虑频率安全约束下的源荷惯性资源和一次调频资源的联合优化模型，对模型求得最优解作为调度方案进行电力系统机组组合的日前调度；
7)采用cplex软件编程求得最优解，进行微网调度。
本发明在优化调度的过程中根据各个调频资源响应原理的差异，将调频资源分为源侧和荷侧，源侧以火电机组、水电机组以及采用虚拟惯性控制原理的风机，荷侧以响应能力较强的超级电容器和飞轮储能为例，源荷两侧的惯性资源和一次调频资源协调控制以实现频率安全。
在步骤1)中，系统各个机组在功率受到扰动时，其动态行为用摆动方程描述为：
Figure BDA0003438194390000091
其中，Hg、Hh、Hw、Hf、HSC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的惯性时间常数，ωn为旋转机组转子转速，ωr为风电机组的转子转速，ωsc、ωf分别为超级电容器和飞轮的转速。
整个系统的惯性响应表达式为：
Figure BDA0003438194390000092
其中，HSy为系统惯量总值，SGg、SHh、SW、SF、SSC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的额定容量，G、H、W、F、SC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的数量。
为了维持系统频率稳定，系统总惯性必须大于系统发生扰动时所需要的最小惯性，即最小惯性约束：
Figure BDA0003438194390000093
其中，RoCoFmax为最大频率变化率，ΔP(t)为t时刻的功率扰动，fN为额定频率。
在步骤2)中根据对机组响应特性考虑，惯性资源响应能力和机组的惯性时间常数、存储动能和额定容量这三个指标有关，一次调频与机组调频死区、转速不等率和响应滞后时间这三个指标有关。采用层次分析法确定惯性资源和一次调频资源的综合评价指标权重，得到综合评价为：
Figure BDA0003438194390000094
其中，D1为机组的惯性响应能力的综合评价，D2为机组的一次调频响应能力的综合评价，x11、x12、x13分别为机组的额定容量、惯性时间常数、存储的动能，x21、x22、x23分别为机组的一次调频死区、转速不等率、响应滞后时间，W1～W6均为权重。
由于一次调频的指标越小代表机组的一次调频性能越好，所以对得到的综合指标正向化，将一次调频资源的综合指标调整为：
D3＝2-(0.3325x21+0.1396x22+0.5278x23) (5)
其中，D3为修正后的机组的一次调频响应能力的综合评价。
在步骤3)中，基于各个机组的调频性能差异，在日前要求机组分别上报惯性和一次调频的各项性能指标和报价，根据综合评价指标修正惯性资源和一次调频资源的定价，选择优化的机组提供惯性和一次调频。根据报价和综合评价指标确立惯性资源和一次调频资源的成本为：
Figure BDA0003438194390000101
其中，CIR为惯性资源的成本，c1为惯性资源报价，h1为惯性资源服务时长，CPFR为一次调频资源的成本，c2为一次调频资源报价，h2为一次调频资源服务时长。
在步骤4)中，从惯性需求量的角度考虑，惯性的高低与风电出力和系统受到扰动的程度相关，所以提出对惯性资源和一次调频资源采用分时激励。采用半梯形隶属度函数中的偏大型和偏小型描述峰-谷隶属度，根据隶属度函数的大小得到分时的划分结果，建立对峰时参与调频的机组采用补偿机制：
Figure BDA0003438194390000102
其中，m1、m2分别为峰、谷隶属度，f(x)为风-荷曲线上实时值，fmax、fmin分别为风-荷曲线上的最大值和最小值。
在步骤5)中，通过对各类机组原动机—调速系统和转子运动方程进行等值聚合，建立含“火-水-风-储”的频率动态响应模型，构建系统的频率响应模型从而获得系统频率响应的解析表达式，计算系统受到扰动时频率最低点的数值。系统的传递函数表达式：
Figure BDA0003438194390000103
其中，ΔP为功率缺额，Δω为系统频率偏差，KD为系统负荷有功频率调节效应系数，ΔPGg、ΔPHydro,h、ΔPWT、ΔPF、ΔPSC分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮储能、超级电容器储能的一次调频出力。
由频率响应模型，可以得到每个原动机在受到扰动时，输出的功率大小为：
Figure BDA0003438194390000111
其中，Kg、Kh、Kw、Kf、Kc分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器储能的机械功率增益系数，TRH为再热汽轮机时间常数，TCH为容积时间常数，TS为油动机的时间常数，TG为火电机组调速器时间常数，FHP为等值汽轮机高压缸稳态输出功率与汽轮机总输出功率的比值，Tw为水锤效应时间常数，Tp为水电机组调速器时间常数，Ty为软反馈时间常数，Dy为软反馈环节系数，TIW、Tc、Tf分别为风机、超级电容器储能和飞轮储能惯性环节时间常数，To、Te、Tx为变流器的延迟时间。
当系统受到扰动时，动力摇摆方程为：
Figure BDA0003438194390000112
其中，ΔPGg、ΔPHydro,h、ΔPWT、ΔPF、ΔPSC分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮储能、超级电容器储能的一次调频出力。
联立式(9)-(10)求解，得到功率不平衡时系统频率响应表达式：
Figure BDA0003438194390000121
其中，C为常数，Kg、Kh、Kw、Kf、Kc分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器储能的机械功率增益系数。
采用泰勒展开，将上式线性化，得到频率最低点约束为：
fN-|Δωmax|≥49.5 (12)
其中，Δωmax为最大频率偏差，fN为系统额定频率。
在步骤6)中，日前功率平衡约束具体为：
Figure BDA0003438194390000122
其中：Pg,t为火电机组g在t时刻的出力，Ph,t为水电机组h在t时刻的出力，Pwind,t为风机在t时刻的实际出力，Pload,t为负荷在t时刻的出力，
Figure BDA0003438194390000123
Figure BDA0003438194390000131
分别为各个机组t时刻一次调频的出力。
步骤6)中，根据设备的相关参数，列写日前各设备约束：
Figure BDA0003438194390000132
其中，Pg,max、Pg,min分别为火电机组最大、最小出力，ug,t、vh,t分别为火电机组g和水电机组h在t时刻的运行状态变量，为0-1变量，Ru,g、Rd,g为火电机组的向上和向下的爬坡率，MTg,t为火电机组的运行时间，TMDTg,t、TMUTg,t为火电机组最小开机时间和停机时间，Ph,max、Ph,min分别为水电机组最大、最小出力，Ph,t为水电机组h在t时刻的出力，qh,max、qh,min为水电机组h在t时刻的最大和最小流量，qh,t为水电机组h在t时刻的流量，Vh,t为水电机组h在t时刻的水库库容，Vh,max、Vh,min分别为水电机组h在t时刻的最大和最小水库库容，Wh,(t+1)为水库h在t+1时刻的净水量。
在步骤6)中，根据机组的调频能力，列写各个机组的一次调频容量约束：
Figure BDA0003438194390000133
其中：
Figure BDA0003438194390000134
分别为飞轮和超级电容器储能的一次调频最大出力，og,t、rh,t为火电机组g和水电机组h在t时刻提供一次调频的状态变量，为0-1变量，xi,t为参与一次调频的机组状态，μi,t为机组开机状态，
Figure BDA0003438194390000141
分别为火电机组g和水电机组h在t时刻的一次调频最大出力。
在步骤6)中，为了保证系统在受到扰动时频率能够稳定，须确保扰动时系统具有一定的惯量和一次调频容量。本发明以一小时为调度尺度，每个时段频率安全约束具体实现如下：在设定的功率缺额下，按照秒级的频率响应模型计算，完成频率最低点约束、频率变化率约束、最小惯性约束，以确保在设定的扰动功率下系统的频率安全。
Figure BDA0003438194390000142
其中，RoCoF(t)为t时刻的频率变化率。
在步骤6)中，以机组运行成本、惯性响应和一次调频成本之和最优为目标，构建源荷惯性资源和一次调频资源的联合优化模型。其目标函数表达式为：
min F1+F2 (17)
其中，F1包含火电机组的电能量成本和开停机成本、水电机组的启停成本和风电的弃风成本。对于发电机的报价，以发电机组的运行成本近似替代电能报价。F2包含购买惯性和一次调频的费用。
min F1+F2
Figure BDA0003438194390000143
F2＝CIRPIR+CPFRPPFR
Figure BDA0003438194390000144
Figure BDA0003438194390000145
其中，Cg,t(Pg,t)为火电机组的电能量成本，Cop,g、Ccl,g、Cop,h、Ccl,h分别为火电和水电机组的开机和停机成本，ug,t、vh,t分别为火电机组g和水电机组h在t时刻的运行状态变量，为0-1变量，Pg,t为火电机组g在t时刻的出力，Pwindc,t为风机的预测出力，Pwind,t为风机在t时刻的实际出力，Cwc为弃风成本，CIR为惯性响应成本，PIR为惯性响应出力，CPFR为一次调频成本，PPFR为一次调频出力，Cg IR、Ch IR、Cw IR、Cf IR、Cc IR为各个机组惯性资源报价，og,t、rh,t为火电机组g和水电机组h在t时刻提供一次调频的状态变量，为0-1变量，Cg PFR、Ch PFR、Cw PFR、Cf PFR、Cc PFR为各个机组一次调频资源报价，
Figure BDA0003438194390000151
分别为各个机组t时刻一次调频的出力。
应用实例
本发明的系统包括10台传统机组，其中6台火电机组、4台水电机组，一个风电场，以及只向系统提供调频服务的独立储能，包含飞轮和超级电器储能。各个机组参数如表1-3所示，各个机组的惯性响应和一次调频服务24小时的报价如图2-5所示，并对峰时参与调频的机组补偿报价的20％。
表1火电机组参数
Figure BDA0003438194390000152
表2水电机组参数
编号 最大功率(MW) 最小功率(MW) 惯性时间常数(s)
1 220 77 8.9
2 180 65 9.7
3 150 36 9.4
4 100 10 5.6
表3储能参数
Figure BDA0003438194390000153
根据机组上报的惯性和一次调频原始性能指标，采用层次分析法得到综合评价，如表4和表5所示。负荷和风电功率预测值如图6所示，根据预测值得到如下表6所示的分时划分结果。系统额定频率设为50Hz，频率偏差最大为0.5Hz，频率变化率根据本发明设定的扰动大小和最小惯性之间的线性关系，取值为0.25Hz/s。设每一时刻的扰动大小为负荷的10％，为了保证风电和储能参与一次调频，分别预留12％和10％的额定功率为一次调频备用。
表4一次调频资源综合评价
Figure BDA0003438194390000161
表5惯性资源综合评价
Figure BDA0003438194390000162
表6分时时段
划分 时段
峰 11-15点、19-21点
平 9-10点、16-18点
谷 1-8点、22-24点
为了分析荷侧资源参与调频以及采用基于响应特征的综合响应评价和分时激励策略对调度的影响，设计了三种对比方案如下：
方案一：考虑频率安全约束，只有电源侧惯性资源和一次调频资源参与调频。
方案二：在方案一的基础上加入负荷侧惯性资源和一次调频资源参与调频。
方案三：在方案二的基础上采用基于响应特征的综合响应评价和分时激励策略。
在只有电源侧资源参与调频和源荷两侧资源参与调频下，系统惯性和机组一次调频出力的变化如图7所示。在系统受到扰动时，部分时刻调用飞轮和超级电容器满足系统的调频需求，可以有效缓减风电和旋转机组的调频压力。方案一在13时旋转机组和风机的一次调频出力为129.3MW，方案二在13时负荷侧资源参与调频，旋转机组和风机的一次调频出力降为114.7MW。加入负荷侧资源，提高了系统总惯性，减少一次调频需求。方案一在13时系统惯性为23.7GW·s，一次调频总量为129.3MW；方案二在13时系统惯量为29.3GW·s，一次调频总量为123.7MW。高惯性系统相较于低惯性系统受到扰动时，一次调频需求量降低。
方案一和方案二在每一时段的频率最低点、系统受到的扰动大小和风电出力的关系如图7所示，圆球上的数字代表时刻数。在风电并网环境下，风电出力越多，受到的扰动越大，导致系统的频率偏差就越大。从图(8a)、(8b)看到，具有惯性响应能力的风机能够提供一定的惯量支撑，但相较于方案一，方案二加入了具有快速响应能力的飞轮和超级电容器，扰动时频率偏差降低了1％左右，说明多资源参与调频可以有效地改善频率的波动，提高系统的频率响应能力。在大扰动和高风电出力下的时刻，系统的调频需求量增加，因此为了鼓励机组参与惯性和一次调频环节，应采用分时激励。
为了满足频率安全约束，从图(7b)和图9可以看出方案二和方案三在峰时和系统受到扰动较大时需要的调频需求较大，这时需要多个惯性支撑能力强和一次调频能力强的机组参与调频。在满足机组约束条件下，相较于方案二，方案三考虑了资源的响应特征，所以会优先考虑调频能力强的机组。
从表7可以看出方案三相较于方案二，系统的惯性成本提高了17％，一次调频成本降低了38％，总成本降低了2％。源荷两侧的惯性资源与一次调频资源联合调频可以以更小的成本满足系统的频率安全。
表7不同方案各项成本
方案 惯性成本(元) 调频成本(元) 其他成本(元) 总成本(元)
2 329491 412683 3521503 4263677
3 386654 254757 3524609 4166020
本发明的频率响应模型用于获取系统受到扰动时频率最低点数值，为了验证本发明频率响应模型的有效性，分别使用传统一阶等值模型、Digsilent Powerfactory仿真软件计算扰动后系统频率最低值，并与本发明的频率响应模型比较，对比结果如表8所示。由表8可见，本发明的算法计算得到的频率最低点数值低于传统一阶等值模型计算结果，与仿真值更接近。
表8简化模型与Digsilent Powerfactory的仿真得到的频率最低点的结果
Figure BDA0003438194390000181

Claims (10)

1.一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据源荷两侧惯性资源的响应原理，构建系统最小惯性约束；
2)根据系统各机组的调频特性，建立惯性资源和一次调频资源的综合评价指标；
3)根据报价和综合评价指标分别确定惯性资源和一次调频资源的成本；
4)考虑系统频率响应特性的相关因素，建立峰时参与调频机组采用的补偿机制；
5)根据包含火-水-风-储的频率动态响应模型，获得系统频率响应的解析表达式进行线性化得到频率最低点约束；
6)建立考虑频率安全约束下的源荷惯性资源和一次调频资源的联合优化模型，对模型求得最优解作为调度方案进行电力系统机组组合的日前调度。
2.根据权利要求1所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的步骤1)中，为维持系统频率稳定，系统总惯性必须大于系统发生扰动时所需要的最小惯性，即最小惯性约束，则有：
Figure FDA0003438194380000011
Figure FDA0003438194380000012
Figure FDA0003438194380000013
其中，HSy为系统惯量总值，RoCoFmax为最大频率变化率，ΔP(t)为t时刻的功率扰动，fN为额定频率，SGg、SHh、SW、SF、SSC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的额定容量，Hg、Hh、Hw、Hf、HSC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的惯性时间常数，ωn为旋转机组转子转速，ωr为风电机组的转子转速，ωsc、ωf分别为超级电容器和飞轮的转速，G、H、W、F、SC分别为火电机组、水电机组、风电、飞轮储能、超级电容器储能的数量。
3.根据权利要求1所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的步骤2)中，采用层次分析法确定惯性资源和一次调频资源的综合评价指标权重，并据此获取综合评价指标值，则有：
Figure FDA0003438194380000021
其中，D1为机组的惯性响应能力的综合评价指标，D2为机组的一次调频响应能力的综合评价指标，x11、x12、x13分别为机组的额定容量、惯性时间常数、存储的动能，x21、x22、x23分别为机组的一次调频死区、转速不等率、响应滞后时间，W1～W6均为权重；
对综合评价指标D2进行正向化调整，则有：
D3＝A-(W4x21+W5x22+W6x23)
其中，A为常数。
4.根据权利要求3所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的步骤3)中，根据报价和综合评价指标确定惯性资源的成本以及一次调频资源的成本，具体表达式为：
Figure FDA0003438194380000022
其中，CIR为惯性相应成本，c1为惯性资源报价，h1为惯性资源服务时长，CPFR为一次调频成本，c2为一次调频资源报价，h2为一次调频资源服务时长。
5.根据权利要求4所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的步骤4)中，采用半梯形隶属度函数中的偏大型和偏小型描述峰-谷隶属度，根据隶属度函数的大小获取分时的划分结果，并据此建立峰时参与调频机组采用的补偿机制，则有：
Figure FDA0003438194380000031
其中，m1、m2分别为峰、谷隶属度，f(x)为风-荷曲线上实时值，fmax、fmin分别为风-荷曲线上的最大值和最小值。
6.根据权利要求5所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的步骤5)中，系统频率响应的解析表达式具体为：
Figure FDA0003438194380000032
其中，ΔP为功率缺额，Δω为系统频率偏差，ΔPGg、ΔPHydro,h、ΔPWT、ΔPF、ΔPSC分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮储能和超级电容器储能的一次调频出力，KD为系统负荷有功频率调节效应系数，C为常数，Kg、Kh、Kw、Kf、Kc分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器储能的机械功率增益系数，TRH为再热汽轮机时间常数，TCH为容积时间常数，TS为油动机的时间常数，TG为火电机组调速器时间常数，FHP为等值汽轮机高压缸稳态输出功率与汽轮机总输出功率的比值，Tw为水锤效应时间常数，Tp为水电机组调速器时间常数，Ty为软反馈时间常数，Dy为软反馈环节系数，TIW、Tc、Tf分别为风机、超级电容器储能和飞轮储能惯性环节时间常数，To、Te、Tx为变流器的延迟时间；
采用泰勒展开将解析表达式线性化，得到频率最低点约束为：
fN-|Δωmax|≥49.5
其中，Δωmax为最大频率偏差，fN为系统额定频率。
7.根据权利要求6所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的步骤6)中，联合优化模型的目标函数表达式为：
min F1+F2
Figure FDA0003438194380000041
F2＝CIRPIR+CPFRPPFR
Figure FDA0003438194380000042
Figure FDA0003438194380000043
其中，F1为包含火电机组的电能量成本和开停机成本、水电机组的启停成本和风电的弃风成本，F2为包含购买惯性和一次调频的费用，Cg,t(Pg,t)为火电机组的电能量成本，Cop,g、Ccl,g、Cop,h、Ccl,h分别为火电机组和水电机组的开机和停机成本，ug,t、vh,t分别为火电机组g和水电机组h在t时刻的运行状态变量，为0-1变量，Pg,t为火电机组g在t时刻的出力，Pwindc,t为风机的预测出力，Pwind,t为风机在t时刻的实际出力，Cwc为弃风成本，PIR为惯性响应出力，PPFR为一次调频出力，Cg IR、Ch IR、Cw IR、Cf IR、Cc IR为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器的惯性资源报价，og,t、rh,t为火电机组g和水电机组h在t时刻提供一次调频的状态变量，为0-1变量，Cg PFR、Ch PFR、Cw PFR、Cf PFR、Cc PFR为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器的一次调频资源报价，
Figure FDA0003438194380000051
分别为火电机组、水电机组、风机、飞轮和超级电容器在t时刻一次调频的出力，T为调度时段。
8.根据权利要求7所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的步骤6)中，联合优化模型的约束条件包括频率安全约束、机组常规约束、机组一次调频容量约束和日前功率平衡约束，所述的频率安全约束包括频率最低点约束、频率变化率约束和最小惯性约束，则有：
Figure FDA0003438194380000052
其中，RoCoF(t)为t时刻的频率变化率；
所述的日前功率平衡约束具体为：
Figure FDA0003438194380000053
其中，Pg,t为火电机组g在t时刻的出力，Ph,t为水电机组h在t时刻的出力，Pwind,t为风机在t时刻的实际出力，Pload,t为负荷在t时刻的出力，Pt PFR为t时刻的系统的一次调频需求量。
9.根据权利要求8所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的机组常规约束具体为：
Figure FDA0003438194380000054
其中，Pg,max、Pg,min分别为火电机组最大、最小出力，Ru,g、Rd,g为火电机组的向上和向下的爬坡率，MTg,t为火电机组的运行时间，TMDTg,t、TMUTg,t为火电机组最小开机时间和停机时间，Ph,max、Ph,min分别为水电机组最大、最小出力，Ph,t为水电机组h在t时刻的出力，qh,max、qh,min为水电机组h在t时刻的最大和最小流量，qh,t为水电机组h在t时刻的流量，Vh,t、Vh,(t+1)为水电机组h在t、t+1时刻的水库库容，Vh,max、Vh,min分别为水电机组h在t时刻的最大和最小水库库容，Wh,(t+1)为水库h在t+1时刻的净水量。
10.根据权利要求9所述的一种考虑源荷调频资源实现频率安全约束的优化调度方法，其特征在于，所述的机组一次调频容量约束具体为：
Figure FDA0003438194380000061
其中，
Figure FDA0003438194380000062
分别为飞轮和超级电容器储能的一次调频最大出力，og,t、rh,t为火电机组g和水电机组h在t时刻提供一次调频的状态变量，为0-1变量，xi,t为参与一次调频的机组状态，μi,t为机组开机状态，
Figure FDA0003438194380000063
分别为火电机组g和水电机组h在t时刻的一次调频最大出力。
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