本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

目前，火力發(fā)電在我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)較大比重。其中，具有快速爬坡能力的燃?xì)鈾C(jī)組很少，火力發(fā)電主要依靠低爬坡速率的燃煤機(jī)組。大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)可能會(huì)使得傳統(tǒng)燃煤機(jī)組難以跟蹤系統(tǒng)的凈負(fù)荷，無(wú)法維持系統(tǒng)的有功平衡，造成頻率偏差越限，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，其研究方法大致可以歸納為兩類(lèi)：

(1)通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，如轉(zhuǎn)子慣性控制、轉(zhuǎn)子超速控制、變槳距控制等，來(lái)主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化。但該方法受風(fēng)速和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，難以保證全風(fēng)況下風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻的可信度。

(2)從電網(wǎng)側(cè)采取控制措施，采用儲(chǔ)能來(lái)平抑風(fēng)電的波動(dòng)性。但依靠?jī)?chǔ)能來(lái)承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻需求，會(huì)造成儲(chǔ)能容量配置過(guò)大、成本高、經(jīng)濟(jì)性低等問(wèn)題。

在我國(guó)當(dāng)前的電源背景下，對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行一定的控制，提升火電機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻能力具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明從多源互補(bǔ)角度出發(fā)，提供了一種含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制方法，該方法通過(guò)提升火電機(jī)組的變負(fù)荷范圍和變負(fù)荷速率，來(lái)提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

本發(fā)明基于改進(jìn)的ace控制模式，建立了考慮火電機(jī)組調(diào)節(jié)死區(qū)、爬坡速率、調(diào)節(jié)容量、agc控制周期等非線性因素的含風(fēng)電的互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率分析模型，基于該頻率分析模型提供考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的頻率協(xié)調(diào)控制策略。首先，在預(yù)測(cè)層面上，利用風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)的結(jié)果制定火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃。然后，在實(shí)時(shí)層面上，利用所制定的深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)電功率注入下系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制方法，包括步驟：

s1構(gòu)建頻率分析模型；

s2根據(jù)頻率分析模型，對(duì)具有深度調(diào)峰能力的火電機(jī)組制定其深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，下述將“具有深度調(diào)峰能力的火電機(jī)組”簡(jiǎn)記為“火電機(jī)組”，本步驟具體為：

2.1初始化時(shí)刻t＝0，初始化各時(shí)刻深度調(diào)峰狀態(tài)量state為0，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)△t、仿真時(shí)間段、火電機(jī)組相鄰深度調(diào)峰狀態(tài)的最小間隔時(shí)間t0、深度調(diào)峰狀態(tài)持續(xù)時(shí)間t1和閾值γ，根據(jù)工程實(shí)際設(shè)定t0、t1值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定γ；

2.2時(shí)刻t下，基于風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和頻率分析模型進(jìn)行頻率預(yù)估計(jì)，得火電機(jī)組所在區(qū)域的所有同步發(fā)電機(jī)的頻率偏差的平均值δfave(t)；

2.3若火電機(jī)組時(shí)刻t的深度調(diào)峰狀態(tài)量state(t)＝0，執(zhí)行子步驟2.4；否則，令火電機(jī)組的state(t+δt)＝1后，執(zhí)行子步驟2.5；

2.4判斷條件a和b是否成立，條件a為∣δfave(t)∣＞γ，條件b為state(t-t0+δt)＝0；若條件a和b同時(shí)成立，令(t+δt)～(t+t1)時(shí)段各時(shí)刻火電機(jī)組的深度調(diào)峰狀態(tài)量均為1，(t+t1+δt)～(t+t1+t0)時(shí)間段各時(shí)刻火電機(jī)組的深度調(diào)峰狀態(tài)量均為0；否則，令火電機(jī)組的state(t+δt)＝0；然后，執(zhí)行步驟2.5；

2.5令t＝t+δt，重復(fù)子步驟2.2～2.4，直至仿真終止，輸出火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃；開(kāi)關(guān)計(jì)劃中，若深度調(diào)峰狀態(tài)量為1，表示當(dāng)前時(shí)刻火電機(jī)組采用深度調(diào)峰模式；若深度調(diào)峰狀態(tài)量為0，表示當(dāng)前時(shí)刻火電機(jī)組采用常規(guī)調(diào)頻模式；

s3根據(jù)開(kāi)關(guān)計(jì)劃，結(jié)合頻率分析模型，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力，進(jìn)行含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制。

作為優(yōu)選，在頻率分析模型中引入agc模型和直流潮流電力網(wǎng)絡(luò)模型；其中：

agc模型中，當(dāng)前區(qū)域的區(qū)域控制偏差模型如下：

ace(t)＝-b△fave(t)+△ptie(t)+△pgen(t)+△pwind(t)；

上述，t表示時(shí)刻；ace(t)為區(qū)域控制偏差量；b為頻率偏差系數(shù)；δfave(t)為所有同步發(fā)電機(jī)的頻率偏差的平均值，各同步發(fā)電機(jī)的頻率偏差由頻率分析模型中同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算；δptie(t)為所有聯(lián)絡(luò)線交換功率的實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差之和，聯(lián)絡(luò) 線交換功率的實(shí)際值與計(jì)劃值由直流潮流電力網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算；δpgen(t)為所有同步發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功率的實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差之和，同步發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功率的實(shí)際值由頻率分析模型中同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算；δpwind(t)為所有風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的偏差之和，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的實(shí)際值為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)值為風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)值；

直流潮流電力網(wǎng)絡(luò)模型采用直流潮流描述，基于系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的功率列向量和相角列向量間的關(guān)系構(gòu)建，功率列向量由負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和同步發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)注入電力網(wǎng)絡(luò)的功率構(gòu)成，相角列向量由負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓相角和同步發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的功角構(gòu)成；負(fù)荷節(jié)點(diǎn)注入電力網(wǎng)絡(luò)的功率和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓相角采用頻率分析模型中凈負(fù)荷模型計(jì)算，同步發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)注入電力網(wǎng)絡(luò)的功率和同步發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的功角采用頻率分析模型中同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算。

本發(fā)明在建立含風(fēng)電的互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率分析模型時(shí)，全面地考慮了火電機(jī)組調(diào)節(jié)死區(qū)、爬坡速率、調(diào)節(jié)容量、agc控制周期等非線性因素的影響，并利用直流潮流模型描述電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)，在我國(guó)火電機(jī)組高裝機(jī)比例的電源背景下，提出了考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制方法。

將本發(fā)明頻率協(xié)調(diào)控制方法應(yīng)用于ieee10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，本發(fā)明頻率協(xié)調(diào)控制方法提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，適用于高風(fēng)電滲透率的互聯(lián)電網(wǎng)，具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)測(cè)層面制定開(kāi)關(guān)計(jì)劃的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)時(shí)層面考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的電力系統(tǒng)頻率控制模型；

圖3是實(shí)施例中ieee10機(jī)39節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是實(shí)施例中風(fēng)電功率預(yù)測(cè)曲線和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力曲線；

圖5是實(shí)施例中常規(guī)調(diào)頻模式下各發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的頻率分布特性；

圖6是實(shí)施例中火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃與系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線；

圖7是實(shí)施例中兩種模式下各區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)對(duì)比；

圖8是實(shí)施例中兩種模式下系統(tǒng)所有火電機(jī)組的一次調(diào)節(jié)量對(duì)比；

圖9是實(shí)施例中兩種模式下火電機(jī)組7的二次調(diào)節(jié)量對(duì)比；

圖10是實(shí)施例中兩種模式下所有火電機(jī)組的總出力對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)一步說(shuō)明。

一、構(gòu)建含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率分析模型

本發(fā)明在傳統(tǒng)頻率分析模型中引入了agc模型和電力網(wǎng)絡(luò)模型，即本發(fā)明所構(gòu)建的頻率分析模型包括同步發(fā)電機(jī)模型、調(diào)速器模型、agc模型、原動(dòng)機(jī)模型、凈負(fù)荷模型和電力網(wǎng)絡(luò)模型。

1.1同步發(fā)電機(jī)模型

同步發(fā)電機(jī)模型見(jiàn)公式(1)：

式(1)中：

δδ(t)為同步發(fā)電機(jī)的功角變化量；

δωe(t)為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角頻率偏差；

ω0為基頻角速度，ω0＝2πf0，f0為基頻；

tj為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，tj＝2h，h為額定轉(zhuǎn)速下同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能與電機(jī)額定容量之比；

pm(t)為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率；

pe(t)為同步發(fā)電機(jī)的電磁功率；

d為轉(zhuǎn)子阻尼系數(shù)；

t表示時(shí)刻。

1.2調(diào)速器模型

調(diào)速器模型見(jiàn)公式(2)～(3)：

δpr(t)＝-kgδfdb(t)(2)

-5％pn≤δpr(t)≤5％pn(3)

式(2)～(3)中：

δpr(t)為火電機(jī)組一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量；

kg為調(diào)速器的放大倍數(shù)，是火電機(jī)組調(diào)差系數(shù)的倒數(shù)；

δfdb(t)為火電機(jī)組頻率相對(duì)火電機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)的偏差，這里火電機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)整定為±2r/min，即±0.033hz；

pn為火電機(jī)組的額定容量。

1.3agc模型

電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻由agc(automaticgenerationcontrol，自動(dòng)發(fā)電控制)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整原動(dòng)機(jī)功率的參考值，使系統(tǒng)頻率恢復(fù)到正常值，并保證區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線交換功率為給定值。

對(duì)于多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)，其agc一般采用tbc(tie-linebiasfrequencycontrol，聯(lián)絡(luò)線功率頻率偏差控制)模式?？紤]到風(fēng)電接入后給區(qū)域聯(lián)絡(luò)線交換功率帶來(lái)的波動(dòng)，在改進(jìn)的ace(areacontrolerror，區(qū)域控制偏差)模型中加入風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際出力與預(yù)測(cè)值的偏差△pwind(t)以及常規(guī)電廠實(shí)際出力與計(jì)劃值的偏差△pgen(t)，對(duì)傳統(tǒng)的ace模型加以修正，見(jiàn)公式(4)。

ace(t)＝-b△fave(t)+△ptie(t)+△pgen(t)+△pwind(t)(4)

式(4)～(5)中：

ace(t)為當(dāng)前區(qū)域的區(qū)域控制偏差量；

b為當(dāng)前區(qū)域的頻率偏差系數(shù)；

δfave(t)為當(dāng)前區(qū)域所有同步發(fā)電機(jī)的頻率偏差的平均值，n為當(dāng)前區(qū)域同步發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)，△fi(t)為當(dāng)前區(qū)域第i臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的頻率偏差，在標(biāo)幺系統(tǒng)下δfi(t)值與式(1)中δωe(t)值相等，即δfi(t)由同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算；

δptie(t)為當(dāng)前區(qū)域所有聯(lián)絡(luò)線交換功率的實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差之和，ptie,j(t)為第j條聯(lián)絡(luò)線上交換功率的實(shí)際值，ptie,j^plan為第j條聯(lián)絡(luò)線上交換功率的計(jì)劃值，m為當(dāng)前區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的數(shù)量；ptie,j(t)和ptie,j^plan均由直流潮流電力網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算；

δpgen(t)為當(dāng)前區(qū)域所有同步發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功率的實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差之和，pm,i(t)為第i臺(tái)同步發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功率的實(shí)際值，pm,i^plan第i臺(tái)同步發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功率的計(jì)劃值；pm,i(t)即同步發(fā)電機(jī)模型中pm(t)，即pm,i(t)由同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算；

δpwind(t)為當(dāng)前區(qū)域所有風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的偏差之和，pwind(t)為當(dāng)前區(qū)域所有風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的實(shí)際值之和，為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；pwind^forecast為當(dāng)前區(qū)域所有風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的預(yù)測(cè)值之和，由風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)獲得。

頻率偏差系數(shù)b可采用常規(guī)的固定系數(shù)測(cè)試法得到，為便于理解，下面將提供其步驟：(1)給電力系統(tǒng)施加擾動(dòng)，擾動(dòng)量為δpl；(2)在電力系統(tǒng)只有一次調(diào)頻作用時(shí)，記錄擾動(dòng)前和擾動(dòng)穩(wěn)定后，電力系統(tǒng)當(dāng)前區(qū)域所有同步發(fā)電機(jī)的頻率偏差的平均值，分別記為fave,a和fave,c；(3)記錄擾動(dòng)發(fā)生前和擾動(dòng)穩(wěn)定后，電力系統(tǒng)當(dāng)前區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線交換功率的實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差，分別為δptie,a和δptie,c；(4)若擾動(dòng)發(fā)生在當(dāng)前區(qū)域外，則當(dāng)前區(qū)域的頻率偏差系數(shù)若擾動(dòng)發(fā)生在當(dāng)前區(qū)域內(nèi)，則當(dāng)前區(qū)域的頻率偏差系數(shù)增負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的δpl為正值，減負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的δpl為負(fù)值。

根據(jù)scada系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在各agc執(zhí)行周期計(jì)算ace值，執(zhí)行周期一般為2s～4s。在各agc控制周期根據(jù)ace值給火電機(jī)組分配調(diào)節(jié)量，控制周期為執(zhí)行周期的整數(shù)倍。在agc執(zhí)行周期內(nèi)，所計(jì)算的ace值經(jīng)一階濾波器消除噪聲，一階濾波器的時(shí)間常數(shù)tagc取1s。為避免調(diào)頻器的頻繁調(diào)節(jié)，ace有一定的調(diào)節(jié)死區(qū)，假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)中所有區(qū)域的ace死區(qū)均設(shè)定為±10mw，標(biāo)幺值為±0.1p.u.。當(dāng)ace值超過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)范圍時(shí)，當(dāng)前區(qū)域內(nèi)具有agc能力的火電機(jī)組承擔(dān)二次調(diào)頻任務(wù)，其目標(biāo)出力由式(6)計(jì)算，在火電機(jī)組允許的出力范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)量受火電機(jī)組爬坡速率的限制，見(jiàn)式(7)。

-rmaxδt≤δpc(t)-δpc(t-δt)≤rmaxδt(7)

式(6)～(7)中：

δpc(t)為t時(shí)刻下火電機(jī)組二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量；

kp、ki為pi調(diào)節(jié)器參數(shù)；

acedb(t)為式(4)所得ace(t)經(jīng)濾波器和調(diào)節(jié)死區(qū)環(huán)節(jié)后得到；

rmax為火電機(jī)組的最大爬坡速率；

δt為步長(zhǎng)。

1.4原動(dòng)機(jī)模型

調(diào)速器和agc均能改變汽輪機(jī)的汽門(mén)開(kāi)度，經(jīng)過(guò)原動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)，進(jìn)而改變?cè)瓌?dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率。對(duì)于再熱式汽輪機(jī)，可以采用sfr的簡(jiǎn)化模型，見(jiàn)式(9)。

原動(dòng)機(jī)模型見(jiàn)公式(8)～(10)。

δμ(t)＝δpr(t)+△pc(t)(8)

pmin≤pm(t)＝pm0+δpm(t)≤pmax(10)

式(8)～(10)中：

δμ(t)為汽輪機(jī)汽門(mén)開(kāi)度的變化量，δpr(t)、δpc(t)分別為火電機(jī)組一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量；

pm(t)為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率，由同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算；

δpm(t)為原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率的變化量；

pm0為原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率的參考值，由調(diào)度計(jì)劃給出；

trh和fhp均為原動(dòng)機(jī)參數(shù)；

pmin和pmax分別為火電機(jī)組的最小技術(shù)出力和最大技術(shù)出力，最大技術(shù)出力pmax即火電機(jī)組的額定功率。

1.5凈負(fù)荷模型

含風(fēng)電電力系統(tǒng)中凈負(fù)荷主要由兩部分組成：一般負(fù)荷和風(fēng)電功率。

正常情況下，一般負(fù)荷僅在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，在頻率分析過(guò)程中可以利用多項(xiàng)式模型來(lái)描述負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)作用，見(jiàn)式(11)。根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的頻率定義，其所在母線電壓相角可按式(12)計(jì)算。

pl1(t)＝pl0(1+klδωl(t))(11)

式(11)中，pl1(t)、pl0分別表示負(fù)荷的實(shí)際有功功率和額定功率；kl為負(fù)荷的頻率特性系數(shù)，根據(jù)電力系統(tǒng)中各類(lèi)負(fù)荷的比重和性質(zhì)取值，kl一般取1～3；δωl(t)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的頻率偏差，由直流潮流電力網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算。

式(12)中，θ(t)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)母線電壓相角，θ0為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)母線電壓相角的初始值，由初始潮流計(jì)算給定；ω0為基頻角速度。

目前越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)采用變速恒頻機(jī)組，其一般采用有功功率和無(wú)功功率解耦的控制方法，且其轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率與電網(wǎng)頻率相互解耦。因本發(fā)明主要研究風(fēng)電功率對(duì)系統(tǒng)頻率控制的影響，所以可以不建立風(fēng)機(jī)的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型，直接采用風(fēng)電功率時(shí)間序列。

因此，含風(fēng)電電力系統(tǒng)的凈負(fù)荷模型可表示為：

pl.net(t)＝pl1(t)-pwind(t)(13)

式(13)中，pl.net(t)為凈負(fù)荷量。

1.6直流潮流電力網(wǎng)絡(luò)模型

由于網(wǎng)絡(luò)分布不均、火電機(jī)組及控制器差異等因素，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的頻率并不完全相同，電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)頻率的影響不能忽略。系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)包括發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明采用直流潮流來(lái)描述電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即直流潮流電力網(wǎng)絡(luò)模型，見(jiàn)式(14)：

式(14)中：

pl(t)為系統(tǒng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)注入電力網(wǎng)絡(luò)的功率列向量，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)注入電力網(wǎng)絡(luò)的功率pl(t)＝-pl.net(t)；

pe(t)為系統(tǒng)中所有同步發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)注入電力網(wǎng)絡(luò)的功率列向量，即同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算的各同步發(fā)電機(jī)的電磁功率pe(t)構(gòu)成的列向量；

bee、bel，ble，bll為電力網(wǎng)絡(luò)的電納矩陣；

δ(t)為系統(tǒng)中所有同步發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的功角列向量，即各同步發(fā)電機(jī)的功角δ(t)構(gòu)成的列向量，其中，δ(t)＝δδ(t)+δ0，δδ(t)為同步發(fā)電機(jī)的功角變化量，由同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算；δ0為同步發(fā)電機(jī)功角的初始值；

θ(t)為系統(tǒng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線電壓相角列向量，即各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)母線電壓相角θ(t)構(gòu)成的列向量，θ(t)由公式(12)所示的凈負(fù)荷模型計(jì)算。

由式(14)可知，連接負(fù)荷節(jié)點(diǎn)a和b的聯(lián)絡(luò)線j上的功率潮流為：

式(15)中，θa(t)和θb(t)分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)a和b的母線電壓相角，xab為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)a和b之間的電抗值。

根據(jù)以上元件模型，可分析風(fēng)電功率激勵(lì)下系統(tǒng)采用常規(guī)的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻手段時(shí)的頻率響應(yīng)特性。風(fēng)電功率的強(qiáng)間歇性和波動(dòng)性，可能使系統(tǒng)調(diào)頻能力不足，造成頻率偏差越限，威脅系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。而火電機(jī)組的深度調(diào)峰可以在一定程度上增強(qiáng)火電機(jī)組的調(diào)頻能力，緩解系統(tǒng)的調(diào)節(jié)壓力。為了將火電機(jī)組深度調(diào)峰應(yīng)用于風(fēng)電消納中，需要合理地制定其深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)機(jī)計(jì)劃。

二、考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的頻率控制策略

2.1火電機(jī)組深度調(diào)峰

我國(guó)的燃煤機(jī)組具有很高的裝機(jī)比例，在風(fēng)電大規(guī)模接入情況下，如果火電廠能提供火電機(jī)組深度調(diào)峰的有償服務(wù)，降低大容量燃煤機(jī)組的最小技術(shù)出力，提高其爬坡速率，就能在一定程度上減小風(fēng)電間歇性、波動(dòng)性給電力系統(tǒng)帶來(lái)的影響，為風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)提供輔助調(diào)節(jié)作用。

火電機(jī)組在一般狀態(tài)下的變負(fù)荷范圍為50％-100％，最大變負(fù)荷速率為5％pn/min，火電機(jī)組調(diào)差系數(shù)為0.05。深度調(diào)峰狀態(tài)下，火電機(jī)組的變負(fù)荷范圍為40％-100％，最大變負(fù)荷速率為4％pn/min，火電機(jī)組調(diào)差系數(shù)為0.02。

從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，火電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于深度調(diào)峰狀態(tài)會(huì)增加設(shè)備磨損、降低火電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、增大火電機(jī)組煤耗、降低其經(jīng)濟(jì)性。因此，只有在風(fēng)電波動(dòng)引起的系統(tǒng)頻率偏差超過(guò)預(yù)設(shè)閾值γ的情況下，火電機(jī)組才選擇以犧牲一定的安全 性和經(jīng)濟(jì)型來(lái)出售這種輔助服務(wù)，本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)閾值γ設(shè)為0.15hz。同時(shí)，進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)的火電機(jī)組在釋放蓄熱的過(guò)程中，凝汽器壓力會(huì)發(fā)生改變，火電機(jī)組蓄熱全部釋放后，至少需要再過(guò)一分鐘，火電機(jī)組凝汽器的壓力才能恢復(fù)到原來(lái)的水平。因此，火電機(jī)組是否進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)不僅受風(fēng)電出力水平的影響，也會(huì)受到火電機(jī)組本身的技術(shù)限制。

從火電機(jī)組接收控制指令到采取措施使得火電機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)，需要一定的準(zhǔn)備時(shí)間，因此需要在預(yù)測(cè)層面根據(jù)風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)結(jié)果，提前制定火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃。實(shí)時(shí)層面則根據(jù)所制定的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，進(jìn)行含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制。

2.2預(yù)測(cè)層面制定開(kāi)關(guān)計(jì)劃

考慮到火電機(jī)組本身的限制條件，需要在預(yù)測(cè)層面根據(jù)風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行頻率預(yù)估計(jì)，進(jìn)而制定火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃。為便于描述，認(rèn)為在仿真開(kāi)始以前的時(shí)間段內(nèi)，火電機(jī)組不進(jìn)行深度調(diào)峰，深度調(diào)峰狀態(tài)量state初始值設(shè)為0。圖1為火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃制定流程圖，其中，δt表示時(shí)間步長(zhǎng)，tmax為終止時(shí)間，t0為火電機(jī)組從深度調(diào)峰狀態(tài)退出后、重新進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)需要的最小間隔時(shí)間，t1為深度調(diào)峰狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，t0和t1根據(jù)工程實(shí)際人為設(shè)定，本實(shí)施例中，t0＝1min，t1＝1min。

對(duì)系統(tǒng)中具有深度調(diào)峰能力的火電機(jī)組分別制定深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，下述將“具有深度調(diào)峰能力的火電機(jī)組”簡(jiǎn)記為“火電機(jī)組”。開(kāi)關(guān)計(jì)劃的制定具體如下：

(1)輸入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、火電機(jī)組參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)、風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)結(jié)果和深度調(diào)峰狀態(tài)量初始值state(0)＝0，令時(shí)刻t＝0。

(2)時(shí)刻t下，結(jié)合頻率分析模型，進(jìn)行頻率預(yù)估計(jì)，得到系統(tǒng)頻率響應(yīng)，計(jì)算火電機(jī)組所在區(qū)域的所有同步發(fā)電機(jī)的頻率偏差的平均值δfave(t)；

(3)判斷火電機(jī)組時(shí)刻t的深度調(diào)峰狀態(tài)量，若state(t)＝0，執(zhí)行步驟(4)；若state(t)＝1，則火電機(jī)組在時(shí)刻(t+δt)繼續(xù)保持深度調(diào)峰狀態(tài)，即令state(t+δt)＝1，即火電機(jī)組在時(shí)刻(t+δt)也采用深度調(diào)峰模式；

(4)判斷條件a和b是否成立，條件a為∣δfave(t)∣＞γ，條件b為state(t-t0+δt)＝0， state(t-t0+δt)表示火電機(jī)組(t-t0+δt)時(shí)刻的深度調(diào)峰狀態(tài)量，γ為閾值，閾值為根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)值；若條件a和b同時(shí)成立，確定從時(shí)刻t開(kāi)始t1+t0時(shí)段內(nèi)火電機(jī)組的深度調(diào)峰狀態(tài)量為：(t+δt)～(t+t1)時(shí)段內(nèi)火電機(jī)組的深度調(diào)峰狀態(tài)量為1，(t+t1+δt)～(t+t1+t0)時(shí)間段內(nèi)火電機(jī)組的深度調(diào)峰狀態(tài)量為0；若條件a和b不同時(shí)成立，令火電機(jī)組的state(t+δt)＝0，即火電機(jī)組在時(shí)刻(t+δt)采用常規(guī)調(diào)頻模式。

(5)令t＝t+δt，重復(fù)步驟(2)～(4)，直至t>tmax，結(jié)束并輸出仿真時(shí)間段的深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃。

火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，是指火電機(jī)組是否進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)的計(jì)劃。若深度調(diào)峰狀態(tài)量為1，表示當(dāng)前時(shí)刻火電機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)，即采用深度調(diào)峰模式；若深度調(diào)峰狀態(tài)量為0，表示當(dāng)前時(shí)刻火電機(jī)組不進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)，即采用常規(guī)調(diào)頻模式。

2.3實(shí)時(shí)層面進(jìn)行頻率協(xié)調(diào)控制

利用火電機(jī)組深度調(diào)峰的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，結(jié)合頻率分析模型，在實(shí)時(shí)層面根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際出力，進(jìn)行含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制。圖2給出了考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的電力系統(tǒng)頻率控制模型。為了量化分析火電機(jī)組深度調(diào)峰對(duì)系統(tǒng)頻率控制效果的影響，引入積分平方誤差ise指標(biāo)，該指標(biāo)綜合考慮了系統(tǒng)頻率波動(dòng)和聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，具有較好的適用性。

式(16)中，δptie,i為區(qū)域i(i＝1,2,3)與其他區(qū)域之間的總交換功率的偏移量；δfi為系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)i(i＝1～39)的頻率偏移量，變量均取標(biāo)幺值。

實(shí)施例

本實(shí)施例對(duì)ieee10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

(1)參數(shù)設(shè)置

以10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為仿真研究對(duì)象，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了便于研究，將其劃分成三個(gè)互聯(lián)的區(qū)域area1、area2、area3，各區(qū)域間共有4條主要的聯(lián)絡(luò)線。只有area2包含一個(gè)額定容量為1200mw的風(fēng)電場(chǎng)，在節(jié)點(diǎn)30接入，其風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)曲線和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力曲線見(jiàn)圖4。

其它仿真參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)基準(zhǔn)容量取100mva，線路參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)[王德林.電力系統(tǒng)連續(xù)體機(jī)電波模型與機(jī)電擾動(dòng)傳播研究[d].四川：西南交通大學(xué)，2007]，發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。該系統(tǒng)中所有同步發(fā)電機(jī)均裝設(shè)調(diào)速器，原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器參數(shù)均為：fhp＝0.3，trh＝7.0s，kg＝20，火電機(jī)組在深度調(diào)峰狀態(tài)時(shí)kg＝50；但每個(gè)區(qū)域只有一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)裝設(shè)調(diào)頻器，具有agc功能：area1中的火電機(jī)組1、area2中的火電機(jī)組7、area3中的火電機(jī)組9，其中，只有火電機(jī)組7具有深度調(diào)峰能力。

表1發(fā)電機(jī)參數(shù)

由于本發(fā)明研究重點(diǎn)火電機(jī)組深度調(diào)峰對(duì)風(fēng)電消納的影響，因此不考慮agc的變參數(shù)控制方法，在仿真中agc采用傳統(tǒng)pi控制方法，認(rèn)為kp、ki參數(shù)保持不變，取kp＝0.94，ki＝0.06，頻率偏差系數(shù)b的確定采用固定系數(shù)測(cè)試方法。步長(zhǎng)δt＝10ms，總時(shí)長(zhǎng)tmax＝5min，即一個(gè)調(diào)度周期。考慮agc的執(zhí)行周期為2s，控制周期為10s。

(2)系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)分布特性

在常規(guī)調(diào)頻模式下，根據(jù)圖4中的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力曲線，可以得到系統(tǒng)中10個(gè)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線(選取235s～240s為例)，如圖5所示。由圖5可知，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，不同發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的頻率并不完全相同。其中，area2中的4臺(tái)發(fā)電機(jī)(gen4,gen5,gen6,gen7)的頻率波動(dòng)相對(duì)其它發(fā)電機(jī)更為明顯，且這4臺(tái)發(fā)電機(jī)的頻率變化曲線較為一致。同樣地，area1中的3臺(tái)發(fā)電機(jī)(gen1,gen3,gen10)的 頻率變化曲線較為一致，area3中的3臺(tái)發(fā)電機(jī)(gen2,gen8,gen9)的頻率變化曲線較為一致。各區(qū)域的發(fā)電機(jī)頻率表現(xiàn)出較明顯的分區(qū)特性，因此，本發(fā)明建模時(shí)考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是很有必要的。

(3)頻率協(xié)調(diào)控制方法的有效性

為了在實(shí)時(shí)層面利用預(yù)測(cè)層面(提前5min)制定的深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，要求在預(yù)測(cè)層面進(jìn)行頻率預(yù)估計(jì)的時(shí)間與采取控制手段使得火電機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)的準(zhǔn)備時(shí)間之和小于5min。下面給出本實(shí)施例仿真的計(jì)算時(shí)間說(shuō)明。本實(shí)施例所有的仿真計(jì)算均在配置為3.00ghzamdaiix4處理器，4.00gb內(nèi)存的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。前述預(yù)測(cè)風(fēng)電功率激勵(lì)下的頻率預(yù)估計(jì)在matlab中計(jì)算一次耗時(shí)約14.35s；同樣地，基于預(yù)測(cè)層面制定的火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)電功率激勵(lì)下的系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析在matlab中計(jì)算一次耗時(shí)約13.77s。

根據(jù)圖4中的風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)結(jié)果，可以得到該預(yù)測(cè)風(fēng)電功率激勵(lì)下考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的頻率響應(yīng)曲線和火電機(jī)組7的深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，見(jiàn)圖6，其中，曲線1表示采用協(xié)調(diào)控制策略的預(yù)測(cè)頻率響應(yīng)，曲線2表示火電機(jī)組深度調(diào)峰狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃，曲線3表示采用常規(guī)調(diào)頻模式的實(shí)時(shí)頻率響應(yīng)，曲線4表示采用協(xié)調(diào)控制策略的實(shí)時(shí)頻率響應(yīng)。在整個(gè)仿真時(shí)間(5min)內(nèi)，火電機(jī)組7進(jìn)行了一次深度調(diào)峰，其持續(xù)時(shí)間為1min?；谠撻_(kāi)關(guān)計(jì)劃，圖6也分別給出了實(shí)時(shí)風(fēng)電功率激勵(lì)下，系統(tǒng)采用常規(guī)調(diào)頻模式、協(xié)調(diào)控制模式時(shí)，火電機(jī)組7的頻率響應(yīng)曲線。對(duì)比可知，在火電機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)后，系統(tǒng)的頻率得到了很好的控制。系統(tǒng)若采用常規(guī)調(diào)頻模式，則火電機(jī)組7在255s～275s這段時(shí)間內(nèi)的頻率偏差會(huì)超過(guò)0.2hz；而采用協(xié)調(diào)控制模式時(shí)，系統(tǒng)的頻率偏差在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)均不會(huì)超過(guò)0.2hz。

圖7給出了兩種模式下各區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)曲線。對(duì)比可知，系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)控制模式時(shí)，區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線的功率波動(dòng)明顯減小了。

利用ise指標(biāo)考察兩種模式下的頻率控制效果，常規(guī)調(diào)頻模式下isecon＝82.9697，協(xié)調(diào)控制模式下iseimp＝66.8932。由此可知，考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的頻率協(xié)調(diào)控制策略能夠從整體上提高系統(tǒng)的頻率控制性能。

(4)控制效果的原因分析

兩種模式下，注入系統(tǒng)的風(fēng)電功率相同，一般負(fù)荷隨頻率的變化而略有差異，因此系統(tǒng)的凈負(fù)荷近似相等。在這種情況下，系統(tǒng)頻率響應(yīng)的不同主要受發(fā)電機(jī)有功調(diào)節(jié)量的影響。為了對(duì)火電機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)后，系統(tǒng)頻率控制性能的提高作進(jìn)一步分 析。圖8、圖9分別給出了兩種模式下系統(tǒng)所有火電機(jī)組的一次調(diào)節(jié)量曲線、深度調(diào)峰火電機(jī)組(火電機(jī)組7)的二次調(diào)節(jié)量曲線。

由圖8可知，火電機(jī)組7進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)后，其調(diào)速器響應(yīng)頻率偏差的能力增強(qiáng)，一次調(diào)節(jié)量增大?；痣姍C(jī)組的一次調(diào)頻能快速響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化，其調(diào)節(jié)量由系統(tǒng)頻率偏差和調(diào)速器放大倍數(shù)確定，只是使汽門(mén)開(kāi)度在較小的范圍內(nèi)改變。因此，在火電機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)和從深度調(diào)峰狀態(tài)退出時(shí)，其一次調(diào)節(jié)量可以發(fā)生突變，類(lèi)似于汽輪機(jī)功率控制中的快關(guān)汽門(mén)。

由圖9可知，在一個(gè)agc控制周期(10s)內(nèi)，火電機(jī)組的目標(biāo)出力不變，因此其二次調(diào)節(jié)量的方向不會(huì)發(fā)生改變?；痣姍C(jī)組7進(jìn)入深度調(diào)峰狀態(tài)后，火電機(jī)組的變負(fù)荷范圍更寬，可以在低于常規(guī)發(fā)電機(jī)最小技術(shù)出力(50％pn，對(duì)應(yīng)當(dāng)前火電機(jī)組出力的變化量為-0.6p.u.)的范圍內(nèi)運(yùn)行，且最大變負(fù)荷速率由1.5％pn/min變?yōu)?％pn/min，變負(fù)荷速率更快。當(dāng)火電機(jī)組7從深度調(diào)峰狀態(tài)退出時(shí)，其原動(dòng)機(jī)出力不能瞬時(shí)回到常規(guī)發(fā)電機(jī)的變負(fù)荷范圍內(nèi)，而是根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況確定保持當(dāng)前出力水平或增出力，慢慢回到常規(guī)發(fā)電機(jī)的變負(fù)荷范圍內(nèi)。

綜合圖8、圖9的分析，可以給出系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)總出力曲線，如圖10所示，在協(xié)調(diào)控制模式下，火電機(jī)組響應(yīng)風(fēng)電功率波動(dòng)的能力更強(qiáng)。

本發(fā)明基于改進(jìn)的ace控制模式，建立了考慮火電機(jī)組調(diào)節(jié)死區(qū)、爬坡速率、調(diào)節(jié)容量、agc控制周期等非線性因素的含風(fēng)電的互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率分析模型，并提出了一種考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的頻率協(xié)調(diào)控制方法。以ieee10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：

(1)所提出的考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的頻率協(xié)調(diào)控制方法能夠使得風(fēng)電功率波動(dòng)下系統(tǒng)的頻率偏差更小、區(qū)域聯(lián)絡(luò)線上的功率波動(dòng)更小，進(jìn)而從整體上提高了系統(tǒng)的頻率控制性能。

(2)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)的頻率特性并不完全相同，有必要對(duì)大電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，其agc采用聯(lián)絡(luò)線功率頻率偏差控制tbc模式，并在建模時(shí)考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(3)在中國(guó)當(dāng)前火電機(jī)組高裝機(jī)比例的電源背景下，充分挖掘火電機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻能力，對(duì)于大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)具有重要意義。