CN207251214U - 一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型的实施例提供一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，涉及电力系统技术领域，以解决现有技术中的调频方式无法满足交直流混联电网环境下含大规模可再生能源发电的电网频率控制性能的要求的问题。该系统包括：至少一个频率分析子系统，每个频率分析子系统包括：属于同一区域的调频模块、第一发电机组、第二发电机组、以及电网频率响应模块；其中，电网频率响应模块与调频模块连接；调频模块与第一发电机组连接，第一发电机组为原始能源可控的发电机组；第一发电机组、第二发电机组与电网频率响应模块连接，第二发电机组为原始能源不可控的发电机组。

Description

一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统
技术领域
本实用新型涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统。
背景技术
调频，又称频率控制，是保障电网安全稳定运行的重要措施之一。频率偏差过大将会损害系统运行设备，影响产品质量，甚至会造成系统崩溃。世界各国都针对本国实际情况，提出了相应的频率控制指标及要求，以维持系统运行过程中的频率偏差在可允许的范围之内。
传统电网调频方式主要包括一次调频、二次调频。其中，一次调频是指发电机组、负荷对系统频率变化的自动响应，主要针对变化周期短且变化幅值小的负荷分量；二次调频是指电网调度控制中心的自动发电控制系统通过远程调节发电机组来实现频率的无差调节，针对的是变化周期较大且变化幅度大的负荷分量。
近年来，随着风电、光伏等可再生能源的大规模开发，其波动性及不确定性将对电网的调频控制性能产生较大影响，使得仅依靠火电等传统电源的调频控制方式面临技术和经济挑战，迫切需要寻求更多的调节资源参与调频控制。另一方面，直流输电技术近年来得到了快速发展。在多能源大规模并网消纳及交直流混联电网发展背景下，电力系统的运行控制将面临更多的不确定性。频率控制作为为电网安全护航的重要举措，也面临着控制对象复杂、运行方式多变等众多挑战。如何建立涵盖多种能源的频率控制分析系统，对交直流混联电网的频率控制性能进行分析和测试，就显得尤为重要。现有技术中的调频方式无法满足交直流混联电网环境下含大规模可再生能源发电的电网频率控制性能的要求。
实用新型内容
本实用新型的实施例提供一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，以解决现有技术中的调频方式无法满足交直流混联电网环境下含大规模可再生能源发电的电网频率控制性能的要求的问题。
为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
本实用新型实施例提供一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，所述系统包括：至少一个频率分析子系统，每个所述频率分析子系统包括：属于同一区域的调频模块、第一发电机组、第二发电机组、以及电网频率响应模块；
其中，所述电网频率响应模块与所述调频模块连接；
所述调频模块与所述第一发电机组连接，所述第一发电机组为原始能源可控的发电机组；
所述第一发电机组、所述第二发电机组与所述电网频率响应模块连接，所述第二发电机组为原始能源不可控的发电机组。
可选的，所述电网频率响应模块，根据该区域的总发电功率和总用电功率确定频率偏差信号，并将所述频率偏差信号输入所述调频模块；其中，所述区域的总发电功率包括所述区域内的所述第一发电机组的输出功率和所述第二发电机组的输出功率；
所述调频模块，用于调节所述第一发电机组的输出功率。
可选的，所述调频模块包括：一次调频单元、二次调频单元和求和单元；
所述一次调频单元、所述二次调频单元均与所述求和单元连接；
所述一次调频单元，用于向所述求和单元输入所述第一发电机组的一次调频的调节功率；
所述二次调频单元，用于向所述求和单元输入所述第一发电机组的二次调频的调节功率；
所述求和单元，用于接收所述一次调频的调节功率和所述二次调频的调节功率。
可选的，所述第一发电机组包括火力发电机组、水力发电机组和燃气发电机组中的至少一个发电机组；
所述第二发电机组包括风力发电机组和光伏发电机组中的至少一个发电机组。
可选的，所述系统包括第一频率分析子系统、第二频率分析子系统和联络线功率模块，所述第一频率分析子系统和所述第二频率分析子系统通过所述联络线功率模块连接；
所述第一频率分析子系统的频率偏差信号和所述第二频率分析子系统的频率偏差信号输入所述联络线功率模块，所述联络线功率模块输出的联络线功率偏差信号分别输入所述第一频率分析子系统的调频模块和电网频率响应模块，以及所述第二频率分析子系统的调频模块和电网频率响应模块。
可选的，所述频率分析子系统还包括：充放电控制器以及充放电设备，所述充放电控制器与所述充放电设备连接。
优选的，所述充放电设备为蓄电池或包含蓄电池的设备。
进一步优选的，所述充放电设备包括电动汽车。
本实用新型实施例提供的交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，该系统包括：至少一个频率分析子系统，每个频率分析子系统包括：属于同一区域的调频模块、第一发电机组、第二发电机组、以及电网频率响应模块；其中，电网频率响应模块与调频模块连接；调频模块与第一发电机组连接，第一发电机组为原始能源可控的发电机组；第一发电机组、第二发电机组与电网频率响应模块连接，第二发电机组为原始能源不可控的发电机组。本方案通过在现有技术的基础上增加原始能源不可控的发电机组，同时考虑直流联络线功率，形成了一种新的硬件架构系统，通过使用该硬件架构系统可以实现多种电源协调参与电网调频，为电网的稳定安全运行提供保障，从而为解决现有技术中的调频方式无法满足交直流混联电网环境下含大规模可再生能源发电的电网频率控制性能的要求的问题提供一种可能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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。
图1为本实用新型实施例提供的一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种调频模块的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的一种自动发电控制装置的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的另一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统的结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的又一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的一种交直流混联电网的结构示意图；
图7为本实用新型实施例提供的再一种交直流混联电网多源系统调频率控制分析系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在本实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能或作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
本实用新型的实施例提供一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，该交直流混联电网多源协调频率控制分析系统包括：至少一个频率分析子系统1，如图1所示，每个频率分析子系统1包括：属于同一区域(即为同一区域服务)的调频模块11、第一发电机组12、第二发电机组13、以及电网频率响应模块14，其中：
电网频率响应模块14与调频模块11连接，调频模块11与第一发电机组12连接，该第一发电机组12为原始能源可控的发电机组。第一发电机组12、第二发电机组13与电网频率响应模块14连接，该第二发电机组13为原始能源不可控的发电机组。
可选的，该第一发电机组12包括火力发电机组、水力发电机组和燃气发电机组中的至少一个发电机组。第二发电机组13包括风力发电机组和光伏发电机组中的至少一个发电机组。
可选的，该电网频率响应模块14，根据该区域的总发电功率和总用电功率确定频率偏差信号Δfi，并将该频率偏差信号Δfi输入调频模块11。其中，区域的总发电功率包括区域内的第一发电机组12的输出功率和第二发电机组13的输出功率；该区域的总用电功率ΔPLi包括负荷功率以及该区域向外输送的直流联络线功率。
具体的，在确定频率偏差信号时，该电网频率响应模块14可以直接接收并对第一发电机组12的输出功率、第二发电机组13的输出功率，以及该区域的总用电功率ΔPLi进行加减运算，确定该区域的总发电功率和总用电功率ΔPLi之差，再根据该区域的总发电功率和总用电功率ΔPLi之差确定频率偏差信号Δfi；也可以是在本实施例中加入求和模块，由求和模块接收并对第一发电机组12的输出功率、第二发电机组13的输出功率，以及该区域的总用电功率ΔPLi进行加减运算，确定该区域的总发电功率和总用电功率ΔPLi之差，再将该区域的总发电功率和总用电功率ΔPLi之差输入电网频率响应模块14，然后由电网频率响应模块14接收并根据该区域的总发电功率和总用电功率ΔPLi之差确定频率偏差信号Δfi。
在一种示例中，当电网频率响应模块14接收到第一发电机组12的输出功率、第二发电机组13的输出功率以及该区域的总用电功率ΔPLi，可以根据电网频率响应模块14的传递函数进行计算，确定电网输出的频率偏差。其中，电网频率响应模块14的传递函数为：
在公式1中，Mi为电网的等效惯性常量，Di为负荷阻尼系数，s为拉普拉斯变换的复频率。
示例性的，如图1中的ΔPLi，用于表示区域的总用电功率。该总用电功率包括负荷功率和直流联络线功率。其中，直流联络线功率可通过直流联络线功率模块计算。当该直流联络线功率模块接收属于同一区域的电网频率响应模块14输入的区域频率偏差信号，将区域频率偏差与直流联络线功率模块的传递函数相乘来得到直流联络线功率。其中，直流联络线功率的传递函数为：
在公式2中，Kdc为直流联络线频率系数，Tdc为时间常数。
可选的，该调频模块11用于调节第一发电机组12的输出功率。在第一发电机组包含多个发电机组的情况下，调频模块11分别向每个发电机组输入调节功率信号，根据每个发电机组的调节功率信号调节对应发电机组的输出功率。
示例性的，上述的第一发电机组12包括调速器和原动机，调速器和原动机连接。该调速器和原动机均有相应的物理实体。
优选的，如图2所示，上述调频模块11包括：一次调频单元11a、二次调频单元11b和求和单元11c，一次调频单元11a、二次调频单元11b均与求和单元11c连接。其中：
一次调频单元11a与求和单元11c连接，用于向求和单元11c输入第一发电机组12的一次调频的调节功率。
二次调频单元11b与求和单元11c连接，用于向求和单元11c输入第一发电机组12的二次调频的调节功率。
求和单元11c与第一发电机组12连接，用于接收一次调频的调节功率和二次调频的调节功率，并将一次调频的调节功率和二次调频的调节功率之和输入第一发电机组12，从而调节第一发电机组12的输出功率。
其中，上述的一次调频单元11a、二次调频单元11b、求和单元11c以及电网频率响应模块14均有相应的物理实体。
示例性的，上述的一次调频单元11a的物理实体可以是计算机设备，通过在该计算机设备上运行现有的一次调频程序来实现一次调频单元11a的功能；上述的二次调频单元11b的物理实体也可以为计算机设备，通过在该计算机设备上运行现有的二次调频程序来实现二次调频单元11b的功能；上述的求和单元11c的物理实体也可以是计算机设备，通过在该计算机设备上运行现有的求和程序来实现求和单元11c的功能；上述的电网频率响应模块14的物理实体仍然也可以为计算机设备，通过在该计算机设备上运行现有的频率响应程序来实现频率响应模块14的功能。
示例性的，上述的一次调频单元11a、二次调频单元11b均用于调节第一发电机组12中的调速器。具体的，一次调频单元11a是第一发电机组12对系统频率变化的自动响应，主要针对变化周期短且变化幅值小的负荷分量，该一次调频单元11a的调节功率等于所需调节的第一发电机组12的调差系数的倒数与该区域的频率偏差的乘积对应的值。二次调频单元11b是通过远程调节第一发电机组12来实现频率的无差调节，针对的是变化周期较大且变化幅度大的负荷分量。
示例性的，二次调频单元11b对应的实体装置还可以为自动发电控制装置，其完成的工作可以由自动发电控制装置完成。需要说明的是，在调频过程中，一次调频的调节功率与二次调频的调节功率相减即为第一发电机组12的实际调节功率。
具体的，如图3所示，上述自动发电控制装置可以包括ACE(区域控制偏差)计算模块11b1、PID控制模块11b2以及调节功率分配模块11b3，如图3所示，其中，PID控制模块11b2将区域控制偏差转换为区域的调节功率，然后再通过调节功率分配模块11b3分配给第一发电机组12，在第一发电机组12包含多个发电机组的情况下，按比例进行分配的。如图3所示，调节功率分配模块11b3可以将区域调节功率按比例分配给火力发电机组、水力发电机组以及燃气发电机组。
示例性的，ACE计算模块11b1接收电网中的频率偏差和联络线功率偏差，根据区域控制偏差的计算公式来确定区域控制偏差。其中，区域控制偏差的计算公式如下：
ACE＝BiΔfi+ΔPtie (公式3)；
其中，上述的公式3中的ACE为区域控制偏差，Bi为电网的频率偏差系数，Δfi为电网中的频率偏差，ΔPtie为联络线功率偏差。
优选的，如图4所示，上述的系统3包括第一频率分析子系统31和第二频率分析子系统32，上述系统3还包括：联络线功率模块33，第一频率分析子系统31和第二频率分析子系统32通过联络线功率模块33连接，其中：
该第一频率分析子系统31包括：调频模块31a、第一发电机组31b、第二发电机组31c以及电网频率响应模块31d，而对于该第一频率分析子系统31中的各模块间的连接关系这里不再赘述了，具体参见图1部分的描述。
该第二频率分析子系统32包括：调频模块32a、第一发电机组32b、第二发电机组32c以及电网频率响应模块32d，而对于该第二频率分析子系统32中的各模块间的连接关系这里不再赘述了，具体参见图1部分的描述。
其中：该第一频率分析子系统31的频率偏差信号Δf1和第二频率分析子系统31的频率偏差信号Δf2输入联络线功率模块33，联络线功率模块33输出的联络线功率偏差信号分别输入至第一频率分析子系统31的调频模块31a和电网频率响应模块31d，以及第二频率分析子系统的调频模块31a和电网频率响应模块32d。
示例性的，联络线功率模块33，可以用于接收第一频率分析子系统31的频率偏差信号Δf1和第二频率分析子系统31的频率偏差信号Δf2，求得第一频率分析子系统31的频率偏差信号Δf1和第二频率分析子系统31的频率偏差信号Δf2之差(Δf1-Δf2)，再与联络线功率模块33的传递函数相乘，确定联络线功率偏差。其中，联络线功率模块33的传递函数为：
式中，T12为联络线同步系数。
可选的，在图4中的系统中还出现ΔPL1，该ΔPL1表示第一频率分析子系统31中的总用电功率信号，该ΔPL1输入至第一频率分析子系统31中的电网频率响应模块31d。可选的，在图4中的系统中还出现ΔPL2，该ΔPL2表示第二频率分析子系统32中的总用电功率信号，该ΔPL2输入至第二频率分析子系统32中的电网频率响应模块32d。
在一种示例中，上述的总发电功率和总用电功率之差是通过求和运算所得到的，该求和运算在图4中以运算符号来表示，此外，图4中的“+”、“-”用于表示各发电功率与用电功率进行加减运算。
示例性的，在第一频率分析子系统31与第二频率分析子系统32间还存在联络线功率偏差，此时，各个频率分析子系统的调频模块可以根据各区域的区域频率偏差Δfi和电网联络线功率偏差ΔPtie计算各个区域的区域控制偏差。具体的，如下式所示：
式中，B1、B2分别为区域1、区域2的频率偏差系数，ACE1、ACE2分别为区域1、区域2的区域控制偏差。
可选的，如图5所示，频率分析子系统1还可以包括：充放电控制器15以及充放电设备16，充放电控制器15与充放电设备16连接。该充放电控制器15根据电网频率响应模块14输出的频率偏差信号来控制充放电设备16进行充电或放电，使得电网中的频率偏差能够控制在允许的范围内，从而保证系统正常运行。
可选的，上述的充放电设备16为蓄电池或包含蓄电池的设备。具体的，上述的充放电控制器15可以通过控制该蓄电池或蓄电池设备进行充放电，进而改变电网频率响应模块14输出的频率偏差。
优选的，上述的充放电设备16包括电动汽车。该电动汽车的个数不进行限定，需要根据实际的情况来确定。
示例性的，下面将结合实际应用场景应用上述实施例描述的交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，对交直流混联电网多源协调频率控制分析系统进行详细描述，以下实施例中与上述实施例相关的技术术语、概念等的说明可以参照上述的实施例，这里不再赘述。
具体的，如图6所示，包含两个区域：区域1和区域2，区域1、区域2均含有风力发电机组、光伏发电机组、火力发电机组、水力发电机组、燃气发电机组、充放电控制器以及电动汽车。两区域之间通过交流联络线和直流联络线相连，其中，直流联络线包括整流站和逆变站，保证区域1与区域2的电网协同工作，保障区域1与区域2的电网稳定安全运行。
示例性的，如图7所示，包含两个区域：区域1和区域2，区域1含有自动发电控制模块1、风力发电机组1、光伏发电机组1、负荷功率1、火力发电机组1、水力发电机组1、燃气发电机组1、充放电控制器1、与充放电控制器1连接的电动汽车1、直流联络线功率模块1，以及电网频率响应模块1。区域2含有自动发电控制模块2、风力发电机组2、光伏发电机组2、负荷功率2、火力发电机组2、水力发电机组2、燃气发电机组2、充放电控制器2、与充放电控制器2连接的电动汽车2、直流联络线功率模块2，以及电网频率响应模块2。区域1、区域2之间通过直流联络线功率模块1、直流联络线功率模块2、交流联络线功率模块相连。在图7中，R1、R2、R3、R4分别为区域1中火力发电机组1、水力发电机组1、燃气发电机组1、充放电控制器1的一次调频调差系数，R5、R6、R7、R8分别为区域2中火力发电机组2、水力发电机组2、燃气发电机组2、充放电控制器2的一次调频调差系数，Δf1、Δf2分别为区域1、区域2的频率偏差，ΔPtie为联络线功率偏差。
本实用新型实施例提供的交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，该系统包括：至少一个频率分析子系统，每个频率分析子系统包括：属于同一区域的调频模块、第一发电机组、第二发电机组、以及电网频率响应模块；其中，电网频率响应模块与调频模块连接；调频模块与第一发电机组连接，第一发电机组为原始能源可控的发电机组；第一发电机组、第二发电机组与电网频率响应模块连接，第二发电机组为原始能源不可控的发电机组。本方案通过在现有技术的基础上增加原始能源不可控的发电机组，同时考虑直流联络线功率，形成了一种新的硬件架构系统，通过使用该硬件架构系统可以实现多种电源协调参与电网调频，为电网的稳定安全运行提供保障，从而为解决现有技术中的调频方式无法满足交直流混联电网环境下含大规模可再生能源发电的电网频率控制性能的要求的问题提供一种可能。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (8)

1.一种交直流混联电网多源协调频率控制分析系统，其特征在于，包括：至少一个频率分析子系统，每个所述频率分析子系统包括：属于同一区域的调频模块、第一发电机组、第二发电机组、以及电网频率响应模块；
其中，所述电网频率响应模块与所述调频模块连接；
所述调频模块与所述第一发电机组连接，所述第一发电机组为原始能源可控的发电机组；
所述第一发电机组、所述第二发电机组与所述电网频率响应模块连接，所述第二发电机组为原始能源不可控的发电机组。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述电网频率响应模块，根据该区域的总发电功率和总用电功率确定频率偏差信号，并将所述频率偏差信号输入所述调频模块；其中，所述区域的总发电功率包括所述区域内的所述第一发电机组的输出功率和所述第二发电机组的输出功率；
所述调频模块，用于调节所述第一发电机组的输出功率。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述调频模块包括：一次调频单元、二次调频单元和求和单元；
所述一次调频单元、所述二次调频单元均与所述求和单元连接；
所述一次调频单元，用于向所述求和单元输入所述第一发电机组的一次调频的调节功率；
所述二次调频单元，用于向所述求和单元输入所述第一发电机组的二次调频的调节功率；
所述求和单元，用于接收所述一次调频的调节功率和所述二次调频的调节功率。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发电机组包括火力发电机组、水力发电机组和燃气发电机组中的至少一个发电机组；
所述第二发电机组包括风力发电机组和光伏发电机组中的至少一个发电机组。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括第一频率分析子系统、第二频率分析子系统和联络线功率模块，所述第一频率分析子系统和所述第二频率分析子系统通过所述联络线功率模块连接；
所述第一频率分析子系统的频率偏差信号和所述第二频率分析子系统的频率偏差信号输入所述联络线功率模块，所述联络线功率模块输出的联络线功率偏差信号分别输入所述第一频率分析子系统的调频模块和电网频率响应模块，以及所述第二频率分析子系统的调频模块和电网频率响应模块。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频率分析子系统还包括：充放电控制器以及充放电设备，所述充放电控制器与所述充放电设备连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述充放电设备为蓄电池或包含蓄电池的设备。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述充放电设备包括电动汽车。
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