CN116826789A - 一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，属于配电系统频率控制技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：构建包括同步机、风机、电储能、温控负荷、常规负荷的多资源频率响应模型；推导频率最低点、最低点时间、准稳态频率的解析式；建立以控制成本最小为目标，考虑频率最低约束、资源控制量约束、潮流断面约束的紧急频率控制决策模型；基于紧急频率控制决策模型对配电系统的紧急频率进行调整控制；本发明应用于配电系统的频率控制。

Description

一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法

技术领域

本发明提供一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，属于配电系统频率控制技术领域。

背景技术

目前针对电力系统频率的调整控制方法主要依赖于发电机组的调速器调节，根据系统有功负荷的变化调整发电机组所发有功功率，维持电力系统在要求频率下的有功功率平衡，将系统频率变化控制在允许的范围；而随着可再生能源、分布式能源以及电动车辆等的快速发展和广泛应用，针对配电系统的结构和功能也进行了相应升级，针对新配电系统采用传统的频率调整控制方式将存在以下缺陷及隐患：

一、资源单一性：传统方法通常仅考虑主要发电源的频率调节能力，忽视了其他可调度资源（如风电、电储能等）对频率的调节潜力，这将导致系统在频率紧急情况下缺乏多样化的调节手段，限制了频率的快速恢复和稳定性；

二、缺乏协同性：传统方法中的不同资源之间缺乏协同调度和互补作用，无法实现资源之间的最优调度，这将导致系统频率调节效果不佳，资源利用率低下；

三、缺乏快速性：在故障发生的情况下，传统方法可能无法及时响应和调节，导致频率异常波动，甚至可能引发系统不稳定和电力设备损坏等问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，包括如下控制步骤：

步骤一：构建包括同步机、风机、电储能、温控负荷、常规负荷的多资源频率响应模型；

步骤二：推导频率最低点、最低点时间、准稳态频率的解析式；

步骤三：建立以控制成本最小为目标，考虑频率最低约束、资源控制量约束、潮流断面约束的紧急频率控制决策模型；

步骤四：基于紧急频率控制决策模型对配电系统的紧急频率进行调整控制。

所述步骤一中构建多资源频率响应模型的具体方法为：

考虑同步机、风机、电储能、温控负荷和常规负荷的频率响应特性，构建系统整体频率响应模型，对模型进行降阶后得到组合模型的参数，包括：

；

式中：

是第i个同步机的静态调节系数；

是第j个风电场的下垂系数；

和/>是同步机和风电场的数量；

和/>是第i个同步机的惯量和阻尼常数；

是第i个同步机高压缸的输出功率比；

是第i个同步机再热器的体积效应时间常数；

是占比系数，表示第i个同步机的额定容量占整个系统容量的部分；

和/>是第j个风电场的虚拟惯量和虚拟阻尼常数；

是占比系数，表示第j个风电场的额定容量相对于整个系统的部分；

和/>是同步机和风电场的分支等效增益；

是分支的加权系数。

针对步骤一中构建多资源频率响应模型的降阶模型中，针对各资源控制量的计算方法为：

；

式中：是第m个电储能和第n个负荷的控制量，/>是紧急控制中涉及的电储能和负荷的数量；

；

式中：是温控负荷的数量，/>为温控负荷叠加后等效参与调频的功率量，/>是占比系数，表示第k个温控负荷的额定容量相对于整个系统的部分。

所述步骤二中推导频率最低点、最低点时间和准稳态频率解析式的具体方法为：考虑系统各种资源的动态特性、响应时间和容量限制，并利用解析式预测频率变化的趋势，计算方法为：

频率最低点及最低点时间/>的解析式为：

；

式中，是系统稳态运行时的频率，/>是调速器的系数；

是系统的外部输入功率的变化量；

是温控负荷叠加后等效参与调频的功率量；

U是单位阶跃响应函数；

是降阶后组合模型的等效再热器体积效应时间常数；

系统的频率经过频率最低点后，一次调频使得系统恢复至准稳态频率，准稳态频率的表达式为：

；

式中：是准稳态频率，/>是在准稳态频率下的频率偏差，/>是系统进入准稳态的时间。

所述步骤三中建立紧急频率控制决策模型的具体方法为：

在紧急频率控制决策模型中，将控制成本定义为资源的调度成本，并采用优化算法确定最优的资源调度策略，以满足频率最低约束、资源控制量约束和潮流断面约束；

建立模型的表达式为：

；

式中：

minF是优化函数F的优化目标为最小化资源的控制成本；

over是决策变量，s.t.是约束条件；

是紧急控制中涉及的电储能和负荷的数量；

是第m个电储能和第n个负荷的控制量；

是电储能和负荷的权重系数；

是第m个电储能和第n个负荷的每千瓦控制成本；

是频率最低点和准稳态频率的安全阈值；

是第m个电储能的最大输出功率和故障前输出功率；

是第n个负荷的故障前负荷量和切负荷后最小保留量；

是第l条线路上已有的潮流，/>是第l条线路的最大潮流；

是线路l上第m个电储能和第n个负荷的潮流传输比。

本发明相对于现有技术具备以下的有益效果：

一、多资源协同调度：本发明通过构建多资源频率响应模型和紧急频率控制决策模型，实现了同步机、风机、电储能、温控负荷和常规负荷等多种资源的协同调度，各资源之间能够相互补充和协作，提高系统频率调节的灵活性和效果；

二、预测频率最低点和准稳态频率：通过推导频率最低点和准稳态频率的解析式，本发明能够计算和预测这些关键参数，这为紧急频率控制决策提供了重要依据，确保系统在事故发生情况下能够通过紧急频率控制维持系统的稳定运行；

三、控制成本最小化：本发明的紧急频率控制决策模型以控制成本最小化为目标，在考虑频率最低约束、资源控制量约束和潮流断面约束等多个约束条件的基础上，通过优化算法确定最佳的资源调度策略，实现在控制成本最小的前提下，快速恢复频率至安全阈值内并保持系统的稳定；

四、提高系统稳定性和可靠性：本发明通过多资源的协同调度和紧急频率控制决策模型，能够有效应对事故造成的电网频率波动情况，提高系统的稳定性和可靠性，避免频率异常波动和系统不稳定带来的问题，确保配电系统的可靠供电。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法中建立多资源频率响应模型的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法中建立多资源频率响应模型的降阶模型结构图；

图4为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法中紧急频率控制的步骤流程图；

图5为本发明实施例2提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法中算例系统的结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法中启用停用的对比仿真效果图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明提供一种能够协同调控配电系统中多种资源的紧急频率控制方法，具体通过构建包括同步机、风机、电储能、温控负荷和常规负荷的多资源频率响应模型，推导频率最低点、最低点时间和准稳态频率的解析式，最终建立以控制成本最小为目标，考虑频率最低约束、资源控制量约束和潮流断面约束的紧急频率控制决策模型，基于该决策模型对多种资源进行频率控制。

本发明可以在配电系统与上级电网断开的故障场景下，调控配电系统中存在的风电、储能及温控负荷资源进行紧急频率控制，来保障频率稳定，避免系统因功率不平衡而导致频率安全事故；针对传统方法存在的问题和局限性，本发明提出的控制方法通过构建多资源频率响应模型，推导频率最低点和准稳态频率的解析式，并建立紧急频率控制决策模型，能够实现资源之间的协同调度和优化，快速恢复系统频率并保持系统的稳定运行，在满足约束条件的前提下，最小化资源控制成本，实现在配电系统与上级电网断开的事故场景下的紧急频率控制，避免频率安全事故。

本发明能够协同调控配电系统中的多种资源，通过紧急频率控制决策模型的协同调度策略，各资源之间能够实现互补作用，充分利用各资源的调节潜力，提高系统频率调节的灵活性和效果；例如在事故发生情况下，可以合理考虑同步机、风电场、温控负荷的出力情况，合理分配电储能的出力量及常规负荷的切负荷量，以实现频率的快速恢复至安全阈值内和系统稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

首先构建多资源频率响应模型：本发明首先构建了一个多资源频率响应模型，该模型涵盖了同步机（SG）、风机（WF）、电储能（BESS）、温控负荷（ATL）和常规负荷等多种资源。

为了构建模型，需要获取各资源的参数并进行建模分析。

例如，对于同步机，需要获取其机械转动惯量和调速器的参数；对于风机，需要考虑虚拟惯量和虚拟阻尼等因素；对于电储能系统，需要考虑其储能容量；对于温控负荷，需要考虑其温度调节能力；对于常规负荷，需要考虑其功率需求等。

然后推导频率最低点和准稳态频率的解析式：在多资源频率响应降阶模型的基础上，本发明进一步推导了频率最低点和准稳态频率的解析式。

频率最低点是指频率降至最低的临界点，而准稳态频率是系统在事故发生后再一次进入稳态所能达到的频率。

通过解析式的推导，可以准确计算和预测频率最低点和准稳态频率，为后续的控制决策提供重要参考。

最后建立紧急频率控制决策模型：本发明建立了一个紧急频率控制决策模型，以控制成本最小化为目标。

该模型考虑了频率最低约束、资源控制量约束和潮流断面约束等多个约束条件，并通过优化算法进行求解。

决策模型能够在事故发生情况下，根据当前系统状态和约束条件，确定最佳的资源调度策略，使系统能够快速恢复频率至安全阈值内并保持稳定运行。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，旨在能够协同调控配电系统中的多种资源，通过紧急频率控制决策模型的协同调度策略，各资源之间能够实现互补作用，充分利用各资源的调节潜力，提高系统频率调节的灵活性和效果。

实施例1

图1为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法流程图，图2为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的所建立的多资源频率响应模型，图3为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的所建立的多资源频率响应模型的降阶模型，图4为本发明实施例1提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的紧急频率控制方法框架。参照图1、图2、图3和图4，该方法包括如下步骤：

本发明步骤一中所述的建立包括同步机（SG）、风机（WF）、电储能（BESS）、温控负荷（ATL）和常规负荷的多资源频率响应模型，指的是考虑同步机、风机、电储能、温控负荷和常规负荷的频率响应特性，构建系统整体频率响应模型。

在构建多资源频率响应模型时，使用同步机的惯量和阻尼、风机的虚拟惯量和虚拟阻尼、电储能的容量、温控负荷的温度调节能力和常规负荷的功率需求作为模型考虑参数，所得到的多资源频率响应模型如图2所示。

将其降阶后得到组合模型如图3所示，其参数计算如下：

（13）；

其中，是第i个同步机的静态调节系数；/>是第j个风电场的下垂系数；/>和是同步机和风电场的数量；/>和/>是第i个同步机的惯量和阻尼常数；/>是第i个同步机高压缸的输出功率比；/>是第i个同步机再热器的体积效应时间常数；/>是占比系数，表示第i个同步机的额定容量占整个系统容量的部分；/>和/>是第j个风电场的虚拟惯量和虚拟阻尼常数；/>是占比系数，表示第j个风电场的额定容量相对于整个系统的部分；/>和是同步机和风电场的分支等效增益；/>是分支的加权系数。

构建的多资源频率响应模型的降阶模型中，各资源的控制量计算如下：

（14）；

其中，是第m个电储能和第n个负荷的控制量，/>是紧急控制中涉及的电储能和负荷的数量。

（15）；

其中，是温控负荷的数量，/>为温控负荷叠加后等效参与调频的功率量，/>是占比系数，表示第k个温控负荷的额定容量相对于整个系统的部分。

本发明步骤二中所述的推导频率最低点、最低点时间和准稳态频率的解析式，指的是在多资源频率响应降阶模型的基础上，进一步推导了频率最低点和准稳态频率的解析式。

频率最低点是指频率降至最低的临界点，而准稳态频率是系统在事故发生后再一次进入稳态所能达到的频率。

通过解析式的推导，可以准确计算和预测频率最低点和准稳态频率，为后续的控制决策提供重要参考。其推导如下：

有功功率变化量计算如下：

（16）；

式中，是系统中的有功功率缺额。/>是电储能和负荷的控制量。

L表示拉普拉斯变换，表示拉普拉斯逆变换；拉普拉斯变换用于将一个在时间域中定义的函数转换为复频率域，s是复频率域的一个复数变量，具有实部和虚部，用来表示复平面上的点。

假设单位阶跃响应为：

（17）；

其中，R是降阶后组合模型的等效静态调节系数，D是降阶后组合模型的等效阻尼常数，是调速器的系数，如下所示：

（18）；

根据线性系统的叠加原理，可以得到频率偏差为：

（19）；

结合公式16-19，可以推导出频率最低点及最低点时间/>的解析式为：

（20）；

式中，是系统稳态运行时的频率。

系统的频率经过频率最低点后，一次调频使得系统恢复至准稳态频率。

准稳态频率的表达式为：

（21）；

其中，是准稳态频率，/>是在准稳态频率下的频率偏差，/>是系统进入准稳态的时间，通常为几十秒。

本发明步骤三中所述的建立以控制成本最小为目标，考虑频率最低约束、资源控制量约束和潮流断面约束的紧急频率控制决策模型，指的是紧急频率控制决策模型以控制成本最小化为目标，在考虑频率最低约束、资源控制量约束和潮流断面约束等多个约束条件的基础上，通过优化算法确定最佳的资源调度策略，实现在控制成本最小的前提下，快速恢复频率至安全阈值内并保持系统的稳定，其控制框架如图4所示。

所建立的紧急频率控制决策模型如下：

（22）；

式中，minF是优化函数F的优化目标为最小化资源的控制成本；over是决策变量，s.t.是约束条件；是紧急控制中涉及的电储能和负荷的数量；/>是第m个电储能和第n个负荷的控制量；/>是电储能和负荷的权重系数；/>是第m个电储能和第n个负荷的每千瓦控制成本；/>是频率最低点和准稳态频率的安全阈值；是第m个电储能的最大输出功率和故障前输出功率；/>是第n个负荷的故障前负荷量和切负荷后最小保留量；/>是第l条线路上已有的潮流，/>是第l条线路的最大潮流；/>是线路l上第m个电储能和第n个负荷的潮流传输比。

实施例2

本实施例2为在改进的三机九节点算例系统中，如图5所示，验证紧急频率控制策略的有效性。实施例2提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的启用/停用对比仿真结果图如图6所示，本发明验证有效性的结果来自于Simulink仿真软件。

算例系统中，使用风电场（WF）替换原系统B5中的同步机，电储能（BESS）和温控负荷（ATL）各设置一处，设定参与调频的温控负荷总容量为0.02p.u.，参与调频的电储能总容量为0.05p.u.。

系统仿真时间共50秒。系统初始正常运行，在10s时，稳定运行的系统突然发生0.1p.u.的有功功率缺额。

正常运行时，系统频率偏差要求控制在±0.2Hz，故障发生并调节的过程中，频率偏差可适当的放宽到±0.5Hz，以此设置合适的约束边界。

图6为本发明实施例2提供的多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的启用/停用的对比仿真结果图。

参照图6，停用本控制方法会使得系统在故障发生后，系统频率最低跌至49.53Hz，准稳态频率为49.75Hz，不在频率正常运行的安全阈值内。

启用本控制方法会使得系统在故障发生后，系统频率最低点为49.82Hz，准稳态频率为49.88Hz，在频率正常运行的安全阈值内。

启用本控制方法将使得储能出力0.041p.u.，由于储能的动作优先级更高且未超出自身上限，故没有切负荷，在提升了最低频率及准稳态频率到安全范围的同时，保证了负荷的供电不间断。

本发明实施例在改进的三机九节点算例系统中验证了多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法的可行性及有效性。

综上所述，本发明能够协同调控配电系统中的多种资源，通过紧急频率控制决策模型的协同调度策略，各资源之间能够实现互补作用，充分利用各资源的调节潜力，提高系统频率调节的灵活性和效果，保障配电系统的安全稳定运行。

本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

本领域技术人员应能理解，图5仅为简明起见而示出的各类网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，其特征在于：包括如下控制步骤：

步骤一：构建包括同步机、风机、电储能、温控负荷、常规负荷的多资源频率响应模型；

步骤二：推导频率最低点、最低点时间、准稳态频率的解析式；

步骤三：建立以控制成本最小为目标，考虑频率最低约束、资源控制量约束、潮流断面约束的紧急频率控制决策模型；

步骤四：基于紧急频率控制决策模型对配电系统的紧急频率进行调整控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，其特征在于：所述步骤一中构建多资源频率响应模型的具体方法为：

考虑同步机、风机、电储能、温控负荷和常规负荷的频率响应特性，构建系统整体频率响应模型，对模型进行降阶后得到组合模型的参数，包括：

；

式中：

是第i个同步机的静态调节系数；

是第j个风电场的下垂系数；

和/>是同步机和风电场的数量；

和/>是第i个同步机的惯量和阻尼常数；

是第i个同步机高压缸的输出功率比；

是第i个同步机再热器的体积效应时间常数；

是占比系数，表示第i个同步机的额定容量占整个系统容量的部分；

和/>是第j个风电场的虚拟惯量和虚拟阻尼常数；

是占比系数，表示第j个风电场的额定容量相对于整个系统的部分；

和/>是同步机和风电场的分支等效增益；

是分支的加权系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，其特征在于：针对步骤一中构建多资源频率响应模型的降阶模型中，针对各资源控制量的计算方法为：

；

式中：是第m个电储能和第n个负荷的控制量，/>是紧急控制中涉及的电储能和负荷的数量；

；

式中：是温控负荷的数量，/>为温控负荷叠加后等效参与调频的功率量，/>是占比系数，表示第k个温控负荷的额定容量相对于整个系统的部分。

4.根据权利要求3所述的一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，其特征在于：所述步骤二中推导频率最低点、最低点时间和准稳态频率解析式的具体方法为：考虑系统各种资源的动态特性、响应时间和容量限制，并利用解析式预测频率变化的趋势，计算方法为：

频率最低点及最低点时间/>的解析式为：

；

式中，是系统稳态运行时的频率，/>是调速器的系数；

是系统的外部输入功率的变化量；

是温控负荷叠加后等效参与调频的功率量；

U是单位阶跃响应函数；

是降阶后组合模型的等效再热器体积效应时间常数；

系统的频率经过频率最低点后，一次调频使得系统恢复至准稳态频率，准稳态频率的表达式为：

；

式中：是准稳态频率，/>是在准稳态频率下的频率偏差，/>是系统进入准稳态的时间。

5.根据权利要求4所述的一种基于多资源协同调控的配电系统紧急频率控制方法，其特征在于：所述步骤三中建立紧急频率控制决策模型的具体方法为：

在紧急频率控制决策模型中，将控制成本定义为资源的调度成本，并采用优化算法确定最优的资源调度策略，以满足频率最低约束、资源控制量约束和潮流断面约束；

建立模型的表达式为：

；

式中：

minF是优化函数F的优化目标为最小化资源的控制成本；

over是决策变量，s.t.是约束条件；

是紧急控制中涉及的电储能和负荷的数量；

是第m个电储能和第n个负荷的控制量；

是电储能和负荷的权重系数；

是第m个电储能和第n个负荷的每千瓦控制成本；

是频率最低点和准稳态频率的安全阈值；

是第m个电储能的最大输出功率和故障前输出功率；

是第n个负荷的故障前负荷量和切负荷后最小保留量；

是第l条线路上已有的潮流，/>是第l条线路的最大潮流；

是线路l上第m个电储能和第n个负荷的潮流传输比。