CN116111616A - 多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法 - Google Patents

多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统调节技术领域，涉及多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，包括：基于风电机组自适应综合惯性及频率下垂控制方法，建立风电机组自适应增量控制策略，在风机单机层级，根据风电机组运行状态自适应增发风电机组功率；在多机电力电子接口层级，电力系统对电力电子接口装置进行有功频率协调控制；在系统层级，进行储能电池调频参数优化。本发明提出的电力电子接口装置自适应有功频率控制策略可减小频率二次跌落期间的最大频率偏差，缩短恢复阶段所持续时间，较短的低频运行时间有利于系统频率稳定；采用最优倍率调频参数优化方法对储能参与调频运行特征优化，储能电池充放电模式通过倍率充放电，延长了储能电池的寿命。

Description

多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统调节技术领域，具体而言，涉及多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法。
背景技术
大规模新能源并网加剧了电力系统的电力电子化趋势，传统电力系统的同步机组由以变流器为并网接口的风电、光伏、储能等替代，电力系统动态特性发生明显改变，存在以下缺点：一是频率旋转惯性下降、调频资源缺乏，导致交流系统频率风险加大；二是多类型异构无功源共同参与未来系统电压动态过程，各型设备间无功-电压的响应机理、可控程度、运行状态、动作快慢等特性差异明显，高差异调节资源与系统电压快过程耦合，多无功源间缺乏协调导致系统电压稳定性恶化；三是变流器资源涉及多个时间尺度动态过程，控制频带更宽，系统振荡问题频发，为电网稳定运行带来重大安全隐患。
根据控制策略的不同，可再生能源电源参与频率调节的能量来源于自身元件存储的能量或低可控的原动机输入一次能源。由于电力电子接口装置自身元件存储的能量随运行状态的变化而不同，并且可再生能源电源的输入一次能源具有随机波动特性，使得电力电子接口装置不具备类似同步机组的多时间尺度可持续参与频率调节的能力。当前电力电子接口装置参与系统频率调节占比较低，同步机组依旧作为系统频率调节的主要电源，电力电子接口装置仅在频率偏差较大时提供临时的频率响应。
当系统初始运行在MPPT最优工作点时，可再生能源电源的调频能量来源于自身元件存储的能量，如转子动能或电容器电场能量。由于自身元件存储的能量有限，采用该控制策略的装置通常仅具备提供秒至几十秒的临时频率调节能力。
现有的储能调频运行模式，或不考虑储能倍率充放电特性，或对倍率下电池容量和寿命影响缺乏研究和优化，对储能动作时机的选择和优化也有所欠缺，使得调频场景下频繁充放电导致储能使用寿命年限过短，折算年均成本过高，综合效益不足。
综上所述，现有研究大多基于单机系统以及多机协调对频率控制进行分析，且其控制策略常会出现频率调节配合不当的状况，缺乏系统层级的区域协调。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，包括步骤：
基于风电机组自适应综合惯性及频率下垂控制方法，建立风电机组自适应增量控制策略，在风机单机层级，根据风电机组运行状态自适应增发风电机组功率；
在多机电力电子接口层级，电力系统对电力电子接口装置进行有功频率协调控制，包括：协调提供临时能量备用和长期能量备用的电力电子接口装置增发或减发输出有功功率，以及协调降载风电机组与提供临时能量备用的风电机组、VSC换流站之间有序参与或退出频率调节；
在系统层级，进行储能电池调频参数优化，包括：通过调频参数优化确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电；通过优化决策变量死区参数选择储能调频动作时机。
本发明的有益效果是：本发明提出的电力电子接口装置自适应有功频率控制策略与传统方式采用固定参数的控制策略相比，可减小频率二次跌落期间的最大频率偏差，风机自适应综合惯性及频率下垂策略还能够缩短恢复阶段所持续时间，较短的低频运行时间有利于系统频率稳定；采用最优倍率调频参数优化方法对储能参与调频运行特征优化，相对于普通运行模式，储能电池充放电模式通过倍率充放电，延长了储能电池的寿命。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述风电机组自适应增量控制策略包括：风电机组初始功率与自适应增发功率之和达到预设功率值；降低风电机组转速使频率达到转速恢复阶段；降载运行，风电机组功率恢复到额定功率。
进一步，协调降载风电机组与提供临时能量备用的风电机组、VSC换流站之间有序参与或退出频率调节，是由当提供临时能量备用的风电机组恢复自身转子转速时，降载风电机组的功率增加量由降载备用容量及提供临时能量备用的风电机组在运行状态恢复期间的功率缺额的最小值确定。
进一步，当受端电网中提供二次频率调节的机组不能及时投入运行时，所述受端电网系统和送端电网系统频率偏差以及直流母线电压偏差持续时间大于设定阈值则在预设时刻恢复所述VSC换流站的直流母线电压。
进一步，根据VSC换流站恢复阶段所持续的时间，确定降载风电机组增发功率所持续的时间，得到降载风电机组的增发功率。
进一步，所述电力系统进行有功频率协调控制过程包括：对电压源型电力电子接口装置进行瞬时惯性调节；通过频率惯性调节对所述风电机组进行频率变化率调节，通过一次频率调节对所述风电机组进行电网系统频率偏差调节；对降载风电机组或者降载光伏机组进行二次频率调节；对柔性直流换流站进行跨区域频率调节；对所述电压源型电力电子接口装置日内进行三次频率调节。
进一步，在功率、电池容量配置一定时，通过确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电；在电池容量配置一定时，通过优化决策变量死区参数选择储能调频动作时机。
进一步，通过调频参数优化确立电池的最优倍率，包括：
建立频率响应仿真系统，统计实际电网区域频率的含参分布；
初始化负荷扰动同形式分布的参数；
随机生成扰动序列；
仿真、统计，判断实际负荷扰动关联参数是否超过阈值；
若是则将所述负荷扰动关联参数加入储能系统，对所述负荷扰动关联参数离散化处理；否则调整负荷扰动分布的参数，重新随机生成所述扰动序列；
输出负荷扰动关联参数。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法的流程框图；
图2为本发明电力电子化电力系统有功频率协调控制过程的原理图；
图3为基于最优倍率和动作时机的储能调频参数优化方法的流程图。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
作为一个实施例，如附图1所示，为解决上述技术问题，本实施例提供多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，包括步骤：
基于风电机组自适应综合惯性及频率下垂控制方法，建立风电机组自适应增量控制策略，在风机单机层级，根据风电机组运行状态自适应增发风电机组功率；
在多机电力电子接口层级，电力系统对电力电子接口装置进行有功频率协调控制，包括：协调提供临时能量备用和长期能量备用的电力电子接口装置增发或减发输出有功功率，以及协调降载风电机组与提供临时能量备用的风电机组、VSC（Voltage SourceConverter，电压源换相）换流站之间有序参与或退出频率调节；
在系统层级，进行储能电池调频参数优化，包括：通过调频参数优化确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电；通过优化决策变量死区参数选择储能调频动作时机。
可选的，风电机组自适应增量控制策略包括：风电机组初始功率与自适应增发功率之和达到预设功率值；降低风电机组转速使频率达到转速恢复阶段；降载运行，风电机组功率恢复到额定功率。
在实际应用过程中，风电机组的输出功率参考值如下：
；
式中，为风电机组在初始转速为时的可释放动能，为风电机组在初始转速为时的预设功率，为风电机组在初始转速为时的MPPT功率，为风电机组在t时刻的转速，为风电机组在t时刻的最小转速，为风电机组达到预设功率值时的风机转速，曲线表示在风电机组初始功率基础上自适应增发功率到达预设功率值，曲线表示风电机组降低转速使得频率达到恢复阶段，曲线表示风机降载运行过程（控制策略可减少降载水平），曲线表示风电机组恢复到功率运行最优工作点，为曲线斜率；为阶跃恢复功率，为自适应的增加量，为风电机组非平稳运行点有功功率，为风电机组最大有功功率追踪。该方法既能够根据运行状态自适应增发功率以提供频率支撑，又能够在恢复阶段减小降功率水平。
可选的，协调降载风电机组与提供临时能量备用的风电机组、VSC换流站之间有序参与或退出频率调节，是由当提供临时能量备用的风电机组恢复自身转子转速时，降载风电机组的功率增加量由降载备用容量及提供临时能量备用的风电机组在运行状态恢复期间的功率缺额的最小值确定。
在实际应用过程中，设为提供临时能量备用的风电机组在转子转速恢复期间的动能变化量，为降载风电机组增发功率所持续的时间，为提供临时能量备用风电机组初始恢复时刻，降载风电机组的增发功率计算式如下所示，其数值大小表示平均增发功率：
；
其中降载运行风电机组与VSC换流站协调控制策略是在当受端电网中提供二次频率调节的机组不能及时投入运行时，受端和送端系统频率偏差以及直流母线电压偏差可能持续较长时间的问题发生后需要在预设时刻主动恢复VSC换流站的直流母线电压来解决该问题。
可选的，当受端电网中提供二次频率调节的机组不能及时投入运行时，所述受端电网系统和送端电网系统频率偏差以及直流母线电压偏差持续时间大于设定阈值则在预设时刻恢复所述VSC换流站的直流母线电压。
可选的，根据VSC换流站恢复阶段所持续的时间，确定降载风电机组增发功率所持续的时间，得到降载风电机组的增发功率：
。
设为直流电容存储的电场能量，降载风电机组的增发功率为，则：
。
可选的，电力系统进行有功频率协调控制过程包括：对电压源型电力电子接口装置进行瞬时惯性调节；通过频率惯性调节对风电机组进行频率变化率调节，通过一次频率调节对风电机组进行电网系统频率偏差调节；对降载风电机组或者降载光伏机组进行二次频率调节；对柔性直流换流站进行跨区域频率调节；对电压源型电力电子接口装置日内进行三次频率调节。
在实际应用过程中，如附图2所示，电力电子化电力系统有功频率协调控制过程包括：瞬时惯性响应调节、后续惯性响应调节、一次频率调节、二次频率调节、跨区域频率调节以及三次频率调节。在MPPT风电机组运行阶段在受到外界扰动时,容易出现不平衡功率和频率变化率(RoCoF)过大的问题，通过瞬时惯性响应调节实现即时响应调节，通过后续惯性响应调节实现秒级调节，弥补功率缺额；当存在系统频率偏差时，结合一次频率调节，对MPPT风电机组进行频率调节；若系统频率仍未恢复目标频率，则采用二次频率调节，通过自动增益控制指令即AGC指令调度实现分钟级调度调节，新能源机组是电力电子化的系统，不同于传统机械化的机组，通过加入调节策略，能够实现频率调节优化；通过ACE信息指令进行跨区域频率调节对柔性直流换流站进行控制调节；通过三次频率调节实现降载MPPT风电机组/光伏机组的日前/日内/实时调度。
在系统出现功率缺额时，如果传统机组无法提供足够的功率，则通过功率源型储能装置提供功率缺额，实现新能源机组的频率调节，同时对功率源型储能装置通过控制策略来协调配合进行调节。
电力电子接口装置自适应有功频率控制策略与传统方式采用固定参数的控制策略相比，可减小频率二次跌落期间的最大频率偏差，风机自适应综合惯性及频率下垂策略还能够缩短恢复阶段所持续时间，较短的低频运行时间有利于系统频率稳定。
可选的，在功率、电池容量配置一定时，通过确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电；在电池容量配置一定时，通过优化决策变量死区参数选择储能调频动作时机。
在实际应用过程中，在功率、电池容量配置一定的情况下，通过确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电，来增加电池的寿命次数，降低折算到单次充放电循环的成本，延长储能电池使用年限；进一步通过优化死区参数来选择储能调频动作时机，减少储能动作次数，通过牺牲相对少的调频效果来大幅降低电池寿命损耗，提高调频的综合效益。通过储能控制优化实现最优倍率和动作时机的储能调频优化运行。在电池容量配置一定时，设决策变量死区参数为，充放电倍率，得到综合调频效益最好的结果，目标函数为：
；
其中，表示死区参数取值为与容量参数取值为时频率响应的效果函数，表示在该调频效果下的折算成本。
可选的，如附图3所示，通过调频参数优化确立电池的最优倍率，包括：
建立频率响应仿真系统，统计实际电网区域频率的含参分布；
初始化负荷扰动同形式分布的参数；
随机生成扰动序列；
仿真、统计，判断实际负荷扰动关联参数是否超过阈值；
若是则将负荷扰动关联参数加入储能系统，对负荷扰动关联参数（负荷扰动关联参数如频率与扰动功率）离散化处理；否则调整扰动分布的参数，重新随机生成扰动序列；
输出负荷扰动关联参数。
在实际应用过程中，采用最优倍率调频参数优化方法对储能参与调频运行特征优化，相对于普通运行模式，储能充放电模式通过倍率充放电，延长了储能电池的寿命，可大幅度降低储能电池60%的折算费用。本发明提出的基于最优倍率和动作时机的储能调频优化方法，在功率、电池容量配置一定的情况下，通过确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电，来增加整体电池的寿命次数，降低折算到单次充放电循环的成本，延长储能整体使用年限；进一步通过优化死区参数来选择储能调频动作时机，减少储能动作次数，通过牺牲相对少的调频效果来大幅降低电池寿命损耗，提高调频的综合效益。
本发明通过将电力电子化系统的有功频率多时间尺度调节划分为瞬时惯性响应、后续惯性响应、一次调频调节以及二次频率调节四个阶段在多机层级进行频率调节，能够更好的协调多类型电力电子接口装置并减小系统频率稳态误差。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，包括步骤：
基于风电机组自适应综合惯性及频率下垂控制方法，建立风电机组自适应增量控制策略，在风机单机层级，根据风电机组运行状态自适应增发风电机组功率；
在多机电力电子接口层级，电力系统对电力电子接口装置进行有功频率协调控制，包括：协调提供临时能量备用和长期能量备用的电力电子接口装置增发或减发输出有功功率，以及协调降载风电机组与提供临时能量备用的风电机组、VSC换流站之间有序参与或退出频率调节；
在系统层级，进行储能电池调频参数优化，包括：通过调频参数优化确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电；通过优化决策变量死区参数选择储能调频动作时机。
2.根据权利要求1所述多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，所述风电机组自适应增量控制策略包括：风电机组初始功率与自适应增发功率之和达到预设功率值；降低风电机组转速使频率达到转速恢复阶段；降载运行，风电机组功率恢复到额定功率。
3.根据权利要求1所述多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，协调降载风电机组与提供临时能量备用的风电机组、VSC换流站之间有序参与或退出频率调节，是由当提供临时能量备用的风电机组恢复自身转子转速时，降载风电机组的功率增加量由降载备用容量及提供临时能量备用的风电机组在运行状态恢复期间的功率缺额的最小值确定。
4.根据权利要求1所述多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，当受端电网中提供二次频率调节的机组不能及时投入运行时，所述受端电网系统和送端电网系统频率偏差以及直流母线电压偏差持续时间大于设定阈值则在预设时刻恢复所述VSC换流站的直流母线电压。
5.根据权利要求1所述多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，根据VSC换流站恢复阶段所持续的时间，确定降载风电机组增发功率所持续的时间，得到降载风电机组的增发功率。
6.根据权利要求1所述多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，所述电力系统进行有功频率协调控制过程包括：对电压源型电力电子接口装置进行瞬时惯性调节；通过频率惯性调节对所述风电机组进行频率变化率调节，通过一次频率调节对所述风电机组进行电网系统频率偏差调节；对降载风电机组或者降载光伏机组进行二次频率调节；对柔性直流换流站进行跨区域频率调节；对所述电压源型电力电子接口装置日内进行三次频率调节。
7.根据权利要求1所述多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，在功率、电池容量配置一定时，通过确立电池的最优倍率对储能电池采用分批次最优倍率充放电；在电池容量配置一定时，通过优化决策变量死区参数选择储能调频动作时机。
8.根据权利要求1所述多时空尺度电力系统频率全轨迹协调优化控制方法，其特征在于，通过调频参数优化确立电池的最优倍率，包括：
建立频率响应仿真系统，统计实际电网区域频率的含参分布；
初始化负荷扰动同形式分布的参数；
随机生成扰动序列；
仿真、统计，判断实际负荷扰动关联参数是否超过阈值；
若是则将所述负荷扰动关联参数加入储能系统，对所述负荷扰动关联参数离散化处理；否则调整扰动分布的参数，重新随机生成所述扰动序列；
输出负荷扰动关联参数。
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