CN115377998A - 基于柔性负荷有功-电压耦合特性的电网频率控制方法 - Google Patents

基于柔性负荷有功-电压耦合特性的电网频率控制方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种基于柔性负荷有功‑电压耦合特性实时辨识的电网频率控制方法。本发明基于负荷有功‑电压耦合特性，建立类似发电机下垂控制的电压频率反馈机制，将系统频率偏差作为反馈控制的输入，控制电压调节器调节馈线负荷电压，实现柔性负荷对孤岛频率偏差的自动响应；采用SFR模型对闭环反馈控制系数进行整定，基于改进的SFR模型计算频率响应模型的时域表达式，以电网允许的最大频率偏差为设定最大偏差值，求解频率反馈系数；各馈线的反馈系数依据其馈线容量分配，即可自动响应系统频率的变化，实现孤立电网的频率控制。本发明能显著提高孤立电网的频率调控能力，降低对储能的依赖和减少弃风弃光量，促进新能源的消纳。

Description

基于柔性负荷有功-电压耦合特性的电网频率控制方法
技术领域
本发明涉及孤立电网的频率稳定控制技术，具体涉及一种基于柔性负荷有功-电压耦合特性实时辨识的电网频率控制方法。
背景技术
目前孤岛配电网的频率控制主要从源荷两侧出发。源侧主要采用配置储能系统与调节分布式电源的出力来提供动态频率支持。但是储能系统价格昂贵，需要较大容量的逆变器，分布式电源控制往往需要弃风弃光，这将影响新能源的消纳，制约新能源长远健康发展。荷侧主要是使需求响应技术参与到频率控制中，如利用电动汽车参与电力系统一次调频，利用电热水器、空调等温控负荷来提供一次调频备用容量。然而这类需求侧响应受用户操作影响较大，具有不稳定性，无法持续可靠地为电网提供频率响应需求。
发明内容
本发明提供了一种基于柔性负荷有功-电压耦合特性实时辨识的电网频率控制方法，主动控制馈线电压实时控制负荷功率，实现柔性负荷对孤岛频率偏差的自动响应，从而减少系统不平衡功率，改善系统频率响应。该方法无需额外配置储能，不受用户意愿影响，极大减少系统弃风弃光量，促进新能源的消纳能力。
一种基于柔性负荷有功-电压耦合特性实时辨识的电网频率控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据柔性负荷有功-电压耦合特性实时推导电压变化率和功率变化率之间的关系，确定负荷的实时有功-电压耦合系数；
步骤2，建立类似发电机下垂控制的电压频率反馈机制，将系统频率偏差作为反馈控制的输入，控制电压调节器调节馈线负荷电压；
步骤3，采用SFR模型对闭环反馈控制系数进行整定计算，基于改进的SFR模型计算频率响应模型的时域表达式，以电网允许的最大频率偏差为设定最大偏差值，求解频率反馈系数；
步骤4，各馈线的反馈系数依据其馈线容量分配，即可自动响应系统频率的变化，实现孤立电网的频率控制。
根据本发明实施例一方面，提供一种基于柔性负荷有功-电压耦合特性实时辨识的电网频率控制方法，其特征在于，包括：
根据柔性负荷有功-电压耦合特性确定负荷的实时有功-电压耦合系数；
建立电压频率闭环反馈控制，使柔性负荷自动响应系统频率偏差，同时将系统频率偏差作为闭环反馈控制的输入，控制电压调节器调节馈线负荷电压；
采用SFR模型对闭环反馈控制系数进行整定计算，以电网允许的最大频率偏差为设定最大偏差值，求解柔性负荷频率反馈系数KL；
各目标负荷馈线按照其柔性负荷容量进行分配，自动响应系统频率的变化，实现孤立电网的频率控制，
Figure BDA0003853863600000021
Figure BDA0003853863600000022
式中，N为目标负荷馈线条数，Ki,CVRfi分别为第i条馈线的反馈控制参数与实时辨识的有功-电压耦合系数，Si为各馈线负荷总容量。
本发明的有益效果：利用柔性负荷的有功-电压耦合特性参与电网调频降低系统对储能的需求，能减少弃风弃光量，极大减低系统运行成本并促进新能源消纳；通过节能降压技术能无需考虑用户需求，维持孤立电网的频率稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明一实施例提供的柔性负荷闭环反馈控制机制。
图2为本发明一实施例提供的改进SFR模型。
具体实施方式
本发明基于负荷有功-电压耦合特性，建立类似发电机下垂控制的电压频率反馈机制，将系统频率偏差作为反馈控制的输入，控制电压调节器调节馈线负荷电压，即主动控制馈线电压实时控制负荷功率，实现柔性负荷对孤岛频率偏差的自动响应；采用SFR模型对闭环反馈控制系数进行整定，基于改进的SFR模型计算频率响应模型的时域表达式，以电网允许的最大频率偏差为设定最大偏差值，求解频率反馈系数；各馈线的反馈系数依据其馈线容量分配，即可自动响应系统频率的变化，实现孤立电网的频率控制。有如下优点：能显著提高孤立电网的频率调控能力，降低对储能的依赖和减少弃风弃光量，促进新能源的消纳。
下面从负荷的有功-电压耦合系数计算、闭环反馈控制机制、改进SFR模型与聚合反馈系数求解、各目标馈线反馈系数求解等四个方面对本发明进行详细说明。
1、负荷的有功-电压耦合系数计算
节能降压技术(Conservation voltage reduction,CVR)是一种以可控的方式降低配电系统的电压水平，利用柔性负荷的有功-电压特性，调整负荷的有功需求来节约能源的技术，目前已广泛应用于中长时间尺度的节能降耗与减少用电高峰需求。通常每产生1％电压降可以减少0.3％到1％的负载消耗，这可以用CVR系数(CVRf)来衡量，它表示为能量减少百分比(ΔE％)与电压减少百分比(ΔV％)的比值。
电力系统中的负载通常由以下等式模拟：
Figure BDA0003853863600000031
考虑系统负荷为ZIP负载时
Figure BDA0003853863600000032
Figure BDA0003853863600000033
同理，无功对电压的依赖性也可表示为：
Figure BDA0003853863600000034
Figure BDA0003853863600000035
其中，P和Q分别表示为有功/无功需求；P0、Q0分别为额定工作电压V0下的额定有功和无功功率；np和nq分别为有功功率和无功功率的电压指标；Zp、Ip、Pp分别为恒阻抗、恒电流和恒功率系数。本发明仅考虑有功对电压的依赖性，即负荷的有功-电压耦合系数如下式所示：
Figure BDA0003853863600000036
通过对ZIP负荷的组成进行实时辨识即可得到负荷的有功-电压耦合系数。
2、闭环反馈控制机制
通过建立类似发电机下垂控制的电压频率反馈机制，将系统频率偏差Δf作为反馈控制的输入，输出控制信号ΔUref调整电压调节器的电压参考值，基于电压调节器的控制逻辑，实现馈线负荷电压的调整ΔUFeeder，如图1所示。基于馈线负荷的有功-电压耦合特性，配电网的负荷有功会相应调整，使得负荷呈现出类储能调节特性，响应系统的频率变化。
电压频率反馈控制及电压调节器电压控制量的具体表达式如下：
ΔU＝K(f-fref) (7)
ΔUDVR＝Uref-UFeeder+ΔU (8)
式中Uref和fref为柔性负荷参考电压和系统参考频率；K为电压频率反馈系数；ΔU为电压调节器的调整电压；UFeeder为当前馈线电压；f为当前系统频率；ΔUDVR为DVR调节量。
国标规定配电网10kV线路的电压合格的标准为1.07p.u.～0.93p.u.。因此，ΔUmax和ΔUmin可以分别由式(7)和(8)计算：
Figure BDA0003853863600000041
Figure BDA0003853863600000042
式中
Figure BDA0003853863600000043
为t0时刻馈线电压。
当孤岛配电网发生有功缺额使频率低于允许波动阈值时，调节配电网的负荷功率相应降低；类似的，当孤岛系统有功过剩时，频率升高，调节配电网的负荷功率相应升高。整个过程柔性负荷响应系统频率变化，且能保持馈线电压合格，并不会影响用户的舒适度。
3、改进SFR模型与聚合反馈系数求解
为了整定柔性负荷参与系统调频控制系数，采用简化的低阶系统频率响应模型(System Frequency Response,SFR)进行研究，通过引入频率反馈控制机制，能使柔性负荷自动响应系统频率偏差，柔性负荷反馈系数KL可等效柔性负荷的闭环反馈控制特性，如图2所示。其中负荷频率反馈系数KL如式(11)所示
KL＝K·CVRf (11)
将不同类型的发电机组等效为(1+T1s)/[(1+T2s)R]环节，其中T1、T2是发电机等效时间常数，R是调速器调差系数。另外，用等效惯性系数H，等效负荷阻尼系数D来表示系统的惯性与阻尼。以上系数均可以通过最小二乘法辨识得到。另外ΔPd表示系统不平衡功率，ΔPd>0即电源功率增加，ΔPd<0即负荷功率增加。基于此可得系统的频率响应表达式为：
Figure BDA0003853863600000044
Figure BDA0003853863600000045
Figure BDA0003853863600000046
ωn和
Figure BDA0003853863600000047
分别表示系统的自然频率和阻尼比，s为拉氏变换的复变参量，在扰动为阶跃扰动的情况下：Pd(t)＝Pstu(t)，Pst为阶跃扰动量的幅值，u(t)为单位阶跃函数，因此有ΔPd(s)＝Pst/s，可得：
Figure BDA0003853863600000051
将其变换至时域有：
Figure BDA0003853863600000052
Figure BDA0003853863600000053
Figure BDA0003853863600000054
Figure BDA0003853863600000055
n表示周期变换数，a、φ为中间变量。可求得当t＝tz时发生大扰动后系统的最大频
率偏差Δfdev_max，以及系统的稳态频率偏差Δf∞如下：
Figure BDA0003853863600000056
在孤岛微电网发生功率缺额时，应该保证在阶跃响应下系统的最大频率偏差小于系统所能允许的最大频率偏差Δfmax，即可求得柔性负荷反馈系数KL。
Δfdev_max≤Δfmax (21)
4、各目标馈线反馈系数求解
求解出柔性负荷反馈系数KL后，各目标馈线按照其柔性负荷容量进行分配。
Figure BDA0003853863600000057
Figure BDA0003853863600000058
式中，N为目标负荷馈线条数，Ki,CVRfi分别为第i条馈线的反馈控制参数与实时辨识的有功-电压耦合系数，Si为各馈线负荷总容量。
本发明属于柔性负荷控制，因此上述算法嵌入至电网主站，在主站监测到频率出现偏移后，主站计算控制指令KL，并下发至DVR。DVR接受指令并完成调压动作调节电压。

Claims (2)

1.一种基于柔性负荷有功-电压耦合特性实时辨识的电网频率控制方法，其特征在于，包括：
根据柔性负荷有功-电压耦合特性确定负荷的实时有功-电压耦合系数；
建立电压频率闭环反馈控制，使柔性负荷自动响应系统频率偏差，同时将系统频率偏差作为闭环反馈控制的输入，控制电压调节器调节馈线负荷电压；
采用SFR模型对闭环反馈控制系数进行整定计算，以电网允许的最大频率偏差为设定最大偏差值，求解柔性负荷频率反馈系数KL；
各目标负荷馈线按照其柔性负荷容量进行分配，自动响应系统频率的变化，实现孤立电网的频率控制，
Figure FDA0003853863590000011
Figure FDA0003853863590000012
式中，N为目标负荷馈线条数，Ki,CVRfi分别为第i条馈线的反馈控制参数与实时辨识的有功-电压耦合系数，Si为各馈线负荷总容量。
2.根据权利要求1所述的基于柔性负荷有功-电压耦合特性实时辨识的电网频率控制方法，其特征在于，当孤岛配电网发生有功缺额使系统频率低于允许波动阈值时，调节配电网的负荷功率相应降低；当孤岛配电网有功过剩时，频率升高，调节配电网的负荷功率相应升高。
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