含风电频率响应支撑的频率安全约束调度方法及分析装置

1.本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种含风电频率响应支撑的频率安全约束调度方法及分析装置。


背景技术：

2.在新能源电源逐步替代传统常规电源的发展趋势下，电力系统发展逐步呈现“高比例新能源、高比例电力电子设备”的特征。与以往传统同步机组占主导的电力系统不同，“双高”电力系统的频率稳定特性将发生变化，系统故障后的频率变化将会更加明显，甚至会引发系统频率崩溃等问题，对电力系统安全稳定运行提出了新的要求，需在运行层面部署足够的频率响应支撑资源。为保证系统受扰后的动态频率安全，一方面，新能源需要为电力系统提供频率响应支撑；另一方面，需在电力系统机组组合模型中考虑频率安全约束。已有研究未能全面计及各同步机组和风电场的惯量与一次调频能力差异，导致系统存在频率指标越限的安全隐患。如何保证各时段下系统受扰后的频率安全，成为调度人员亟需解决的难题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含风电频率响应支撑的频率安全约束调度方法及分析装置，其目的在于计及各同步机组和风电场的惯量与一次调频能力差异，保证各时段下系统受扰后的频率安全。
4.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种含风电频率响应支撑的频率安全约束调度方法，包括：
5.获取电力系统中各元件的参数，所述电力系统的元件包括同步机组、风电场、电网和电负荷；
6.构建频率安全机组组合模型的频率安全约束，所述频率安全约束包括最大频率变化率约束、准稳态约束和频率最低点约束，其中，所述最大频率变化率约束用于约束电力系统在t＝0
+
时刻的频率变化率不超过设定的系统最大频率变化率允许值，所述准稳态约束用于约束电力系统在t＝∞时刻的频率变化率为零且频率偏差不超过准稳态最大频率偏差允许值，所述频率最低点约束用于约束电力系统的频率偏差小于设定的系统最大频率偏差允许值且电力系统在频率最低点的频率变化率为零；
7.构建频率安全机组组合模型的目标函数，所述目标函数为最小化电力系统运行成本；
8.求解所述频率安全机组组合模型，得到电力系统在受到有功扰动后的频率响应策略。
9.在其中一个实施例中，所述目标函数的具体形式为：
10.11.其中，k为时段编号，i为同步机组编号，分别为同步机组i在第k时段的燃料成本、开机成本与停机成本，c
cur
为弃风惩罚系数，为风电场j在第k时段的弃风率，为风电场在第k时段的最大出力，δk为单个时段的时长。
12.在其中一个实施例中，所述最大频率变化率约束的具体形式为：
[0013][0014]
其中，i为同步机组编号，j为风电场编号，δp0为系统受扰的响应有功功率，为系统最大频率变化率允许值，u
gi
表示同步机组i的启停状态，取值为0表示关机，为1表示开机，h
gi
为同步机组i的惯性时间常数，h
wj
为风电场j的虚拟惯性时间常数。
[0015]
在其中一个实施例中，所述准稳态约束的具体形式为：
[0016][0017]
其中，i为同步机组编号，j为风电场编号，δp0为系统受扰的响应有功功率，表示准稳态最大频率偏差允许值，u
gi
表示同步机组i的启停状态，取值为0表示关机，为1表示开机，k
gi
表示同步机组i的一次调频功率增益系数，k
wj
表示风电场j的虚拟一次调频功率增益系数，kd为系统负荷阻尼系数。
[0018]
在其中一个实施例中，所述频率最低点约束的具体形式为：
[0019][0020]
其中，i为同步机组编号，j为风电场编号，δp0为系统受扰的响应有功功率，时刻tm为系统频率跌落至最低的时刻，为系统频率跌落至最低时的同步机组i的一次调频响应，k
wj
表示风电场j的虚拟一次调频功率增益系数，δf
max
为系统最大频率偏差允许值，kd为系统负荷阻尼系数。
[0021]
在其中一个实施例中，对一次调频响应做线性化处理，将所述频率最低点约束的具体形式优化为：
[0022][0023][0024]
其中，是的下界，表示一次调频响应的线性化结果，u
gi
表示同步机组i的启停状态，取值为0表示关机，为1表示
开机，k
gi
表示同步机组i的一次调频功率增益系数，为系统惯量h
sys
的下界，h
gi
为同步机组i的惯性时间常数，t
gi
为同步机组i的一次调频响应时间常数。
[0025]
在其中一个实施例中，通过对可行域进行松弛，以最小化系统惯量为目标求解获得。
[0026]
在其中一个实施例中，频率安全机组组合模型的频率安全约束还包括，同步机组和风电场在提供一次调频响应过程中，一次调频响应支撑功率不能超过对应的备用容量。
[0027]
在其中一个实施例中，所述频率安全机组组合模型还包括功率平衡约束、机组出力上/下限约束、风电场弃风约束、旋转备用约束、机组上/下爬坡容量约束、机组最小启/停机时间约束和线路容量约束。
[0028]
按照本发明的另一方面，提供了一种含风电频率响应支撑的频率安全约束调度分析装置，包括：
[0029]
参数获取单元，用于获取电力系统中各元件的参数，所述电力系统的元件包括同步机组、风电场、电网和电负荷；
[0030]
约束条件构建单元，用于构建频率安全机组组合模型的频率安全约束，所述频率安全约束包括最大频率变化率约束、准稳态约束和频率最低点约束，其中，所述最大频率变化率约束用于约束电力系统在t＝0
+
时刻的频率变化率不超过设定的系统最大频率变化率允许值，所述准稳态约束用于约束电力系统在t＝∞时刻的频率变化率为零且频率偏差不超过准稳态最大频率偏差允许值，所述频率最低点约束用于约束电力系统的频率偏差小于设定的系统最大频率偏差允许值且电力系统在频率最低点的频率变化率为零；
[0031]
目标函数构建单元，用于构建频率安全机组组合模型的目标函数，所述目标函数为最小化电力系统运行成本；
[0032]
求解单元，用于求解所述频率安全机组组合模型，得到电力系统在受到有功扰动后的频率响应策略。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0034]
本发明提供的含风电频率响应支撑的频率安全约束调度方法及调度分析装置，通过构建频率安全机组组合模型，设置目标函数和约束条件，其中，约束条件包含了最大频率变化率约束、准稳态约束和频率最低点约束，这三条约束是在含风电频率响应支撑的系统频率响应等值模型的基础上，考虑各同步机组的惯量和一次调频能力差异所设定的约束，通过添加这三条约束，可以能够合理地安排各机组的启停方式和部署各同步机组和风电场的工作状态，保证各时段下系统受扰后的动态频率安全。
附图说明
[0035]
图1为一实施例的含风电频率响应支撑的频率安全约束调度方法的步骤流程图；
[0036]
图2为一实施例提供的含风电频率响应支撑的系统频率响应等值模型；
[0037]
图3为一实施例提供的修改的ieee 14节点系统示意图；
[0038]
图4为一实施例的同步机组最优开机方式示意图，其中，(a)对应常规机组组合模
型；(b)对应本发明频率安全约束机组组合模型；
[0039]
图5(a)为一实施例的最大rocof对比示意图；
[0040]
图5(b)为一实施例的最大频率偏差对比示意图；
[0041]
图5(c)为一实施例的准稳态频率偏差对比示意图。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0043]
如图1所示为一实施例中的含风电频率响应支撑的频率安全约束调度方法的步骤流程图，该调度方法至少包括：
[0044]
步骤s100：获取电力系统中各元件的参数，电力系统的元件包括同步机组、风电场、电网和电负荷。
[0045]
具体地，收集所在电力系统中的同步机组、风电场和电网的常规参数，电负荷和风电场出力曲线。
[0046]
同步机组的常规参数包括：最小技术出力最大技术出力最大上爬坡速率最大下爬坡速率最大启动爬坡速率最大停运爬坡速率最小开机时间最小停机时间惯性时间常数h
gi
、一次调频功率增益系数k
gi
和一次调频响应时间常数t
gi
。其中，下标i为同步机组索引。
[0047]
风电场的常规参数包括：风电场容量虚拟惯性时间常数h
wj
和虚拟一次调频功率增益系数k
wj
。其中，j为风电场索引。
[0048]
电网的常规参数包括：潮流灵敏度矩阵s和线路最大容量
[0049]
电负荷和风电场出力曲线为：母线m处的电负荷预测曲线dm(k)和风电场的最大有功出力曲线k为时段索引。
[0050]
步骤s200：构建频率安全机组组合模型的频率安全约束，频率安全约束包括最大频率变化率约束、准稳态约束和频率最低点约束。
[0051]
其中，最大频率变化率(rate of change of frequency,rocof)约束用于约束电力系统在t＝0
+
时刻的频率变化率不超过设定的系统最大频率变化率允许值，准稳态约束用于约束电力系统在t＝∞时刻的频率变化率为零且频率偏差不超过准稳态最大频率偏差允许值，频率最低点约束用于约束电力系统的频率偏差小于设定的系统最大频率偏差允许值且电力系统在频率最低点的频率变化率为零。
[0052]
在构建频率安全约束之前，可以建立电力系统中含风电频率响应支撑的系统频率响应等值模型，列写系统受有功扰动后的频率响应方程。基于频率响应方程列些各约束条件。
[0053]
在一实施例中，推导系统受有功扰动后的频率响应方程的过程如下：
[0054]
系统受有功扰动后，同步机组惯性响应一次调频响应如式(1)-(2)所示：
[0055][0056][0057]
其中，δf(t)为t时刻的系统频率偏差。
[0058]
负荷阻尼特性有功功率δpd(t)的计算公式如(3)所示：
[0059]
δpd(t)＝kdδf(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0060]
其中，kd为负荷阻尼系数。
[0061]
风电场的惯性响应一次调频响应分别表示为：
[0062][0063][0064]
其中，j为风电场索引。
[0065]
根据(1)-(5)，系统的频率响应等值模型如图2所示，h
sys
表示系统总惯性时间常数，表示为：
[0066][0067]
其中，u
gi
表示同步机i的启停状态，取值为0表示关机，为1表示开机。
[0068]
基于上述公式(1)-(6)，可列写系统受扰后的频率响应方程：
[0069][0070]
其中，δp0为系统受扰的有功功率。
[0071]
基于上述式(7)的频率响应方程，可以列些出各约束条件。
[0072]
1、对于系统最大rocof约束的构建过程如下：
[0073]
系统最大rocof出现在t＝0
+
时。在t＝0
+
时刻，系统频率偏差δf＝0，同步机组和风电场的一次调频响应功率和有功负荷阻尼响应δpd均为0。此时，仅靠同步机组和风电场的惯性响应为有功扰动提供功率支撑，系统rocof达到最大值，最大rocof约束表示为：
[0074][0075]
其中，为系统最大rocof允许值。通过式(8)使系统频率变化率低于安全阈值，否则会触发继电保护，导致更多机组被切除，从而引发更严重的频率安全问题。
[0076]
式(8)可以等效转换为线性约束，即最大rocof约束，如(9)所示：
[0077][0078]
2、对于系统准稳态约束的构建过程如下：
[0079]
当系统一次调频响应进入准稳态时(t＝∞)，系统频率偏差稳定为δf
ss
，此时，系统的rocof表示为：
[0080][0081]
系统进入准稳态时，同步机组和风电场的一次调频响应功率和分别表示为：
[0082][0083]
ss表示稳态，为稳态下的同步机组的一次调频响应，为稳态下的风电场的一次调频响应，δf
ss
为稳态下的系统频率偏差。
[0084]
将式(10)和(11)代入(7)，可得系统准稳态频率安全约束表示为：
[0085][0086]
其中，表示准稳态最大频率偏差允许值。
[0087]
(12)可以等效转换为线性约束，如(13)所示：
[0088][0089]
3、针对频率最低点约束的构建过程如下：
[0090]
令系统最大频率偏差允许值为δf
max
。考虑频率最低点临界安全的情况，假设时刻tm系统频率恰好跌落至最低允许值(f
0-δf
max
)，f0为额定频率，一般为50hz，在该时刻有：
[0091][0092]
将(14)代入(7)可得：
[0093][0094]
式(15)是系统频率最低点临界安全的情况，将其中的等号替换为小于等于号，可得频率最低点安全约束表示为：
[0095]
[0096]
式(16)中同步机组i的一次调频响应有功功率的解析表达式未知，无法直接纳入机组组合模型当中。且频率响应方程(7)是关于频差δf(t)的高阶微分方程，难以求解频率的解析表达式。
[0097]
因此，在一实施例中，采用线性化频率方法获得的近似解析表达式。用线性化频率近似系统频率，作为各机组调速系统的输入。
[0098]
首先，构建系统线性化频差δf
line
为：
[0099][0100]
线性化频差δf
line
达到频率最低点允许值δf
max
经过的时间为：
[0101][0102]
采用δf
line
作为调速系统的输入信号，将同步机组一次调频响应和实际频差δf(t)解耦，频率响应等值模型依然保留了各调速系统的传递函数，因此能够计及不同调速系统参与一次调频响应的性能差异。
[0103]
然后，将时域形式的线性化频差δf
line
(t)转换为频域形式的性化频差δf
line
(s)。
[0104]
随之，基于频域形式的性化频差δf
line
(s)，构建频域形式的同步机组一次调频响应功率，其表达式为：
[0105][0106]
其中，为频域形式的同步机组的线性化一次调频响应。
[0107]
最后，对式(19)进行拉普拉斯逆变换，可得同步机组i调频响应的时域表达式，表示为：
[0108][0109]
其中，为时域形式的同步机组的线性化一次调频响应。
[0110]
将式(18)代入式(20)，可得当δf
line
到达频率最低点允许值δf
max
时，即在时刻tm，火电机组的一次调频响应功率：
[0111][0112]
将式(21)代入(16)，可得解析的频率最低点约束：
[0113][0114]
推导对系统惯量h
sys
的导数，如式(23)所示，可知随h
sys
单调递增。
[0115][0116]
因此，可给出频率最低点约束(21)-(22)的充分条件，如(24)-(25)所示：
[0117][0118][0119]
其中，为系统惯量h
sys
的下界；是的下界；(24)是线性约束条件。
[0120]
在一实施例中，除了上文(9)、(13)、(24)-(25)的三种约束外，还可以包括功率平衡约束、机组出力上/下限约束、风电场弃风约束、旋转备用约束、机组上/下爬坡容量约束、机组最小启/停机时间约束和线路容量约束等常规机组组合的约束条件。
[0121]
在一实施例中，同步机组和风电场提供一次调频响应过程中，一次调频响应支撑功率不能超过其备用容量，在约束条件中，当一次调频响应支撑功率超过其备用容量时，以备用容量替代约束中的一次调频响应支撑功率。
[0122]
具体的，对于式(13)的准稳态约束条件：
[0123][0124]
其中，准稳态约束条件中涉及到稳态下的同步机组的一次调频响应支撑功率和风电场的一次调频响应支撑功率考虑到备用容量的限制，当一次调频响应支撑功率超过其备用容量时，以备用容量替代一次调频响应支撑功率，即可以将式(13)的约束转换为式(26)-(28)的约束，具体为
[0125][0126][0127][0128]
其中，p
base
为基准功率，为同步机组i的最大出力，p
gi
(k)为同步机组i在第k时段的实际出力；为风电场j在第k时段的弃风率，为风电场在第k时段的最大出力。
[0129]
具体的，对于式(25)的频率最低点约束条件：
[0130][0131]
其中，频率最低点约束条件中涉及到频率最低点时的同步机组的一次调频响应支撑功率和风电场的一次调频响应支撑功率考虑到备用容量的限制，当一次调频响应支撑功率超过其备用容量时，以备用容量替代一次调频响应支撑功率，即可以将式(23)的约束转换为式(29)-(31)的约束，具体为
[0132][0133][0134][0135]
在一实施例中，约束(24)中的可通过对原问题可行域进行松弛，以最小化系统惯量为目标求解获得。目标函数如(32)所示：
[0136][0137]
其约束条件为原问题中除频率最低点约束(24)、(29)-(31)之外的所有约束。
[0138]
步骤s300：构建频率安全机组组合模型的目标函数，目标函数为最小化电力系统运行成本。
[0139]
机组组合模型目标函数为最小化电力系统运行成本，包括机组的燃料成本、启停成本以及弃风成本，其具体表达式可为：
[0140]
[0141]
其中，分别为机组i在第k时段的燃料成本、开机成本与停机成本；c
cur
为弃风惩罚系数，单位为$/(mw
·
h)；j为风电场站编号；为风电场j的弃风率；δk为单个时段的时长。
[0142]
步骤s400：求解频率安全机组组合模型，得到电力系统在受到有功扰动后的频率响应策略。
[0143]
调用现有求解器可求解出高比例风电电力系统的经济调度策略，输出收到扰动后的频率响应策略，包括确定各时段机组的启停状态、出力、风电场站的弃风。
[0144]
相应的，本发明还要求保护一种含风电频率响应支撑的频率安全约束调度分析装置，其包括：
[0145]
参数获取单元，用于获取电力系统中各元件的参数，电力系统的元件包括同步机组、风电场、电网和电负荷；
[0146]
约束条件构建单元，用于构建频率安全机组组合模型的频率安全约束，频率安全约束包括最大频率变化率约束、准稳态约束和频率最低点约束，其中，最大频率变化率约束用于约束电力系统在t＝0
+
时刻的频率变化率不超过设定的系统最大频率变化率允许值，准稳态约束用于约束电力系统在t＝∞时刻的频率变化率为零且频率偏差不超过准稳态最大频率偏差允许值，频率最低点约束用于约束电力系统的频率偏差小于设定的系统最大频率偏差允许值且电力系统在频率最低点的频率变化率为零；
[0147]
目标函数构建单元，用于构建频率安全机组组合模型的目标函数，目标函数为最小化电力系统运行成本；
[0148]
求解单元，用于求解频率安全机组组合模型，得到电力系统在受到有功扰动后的频率响应策略。
[0149]
该频率安全约束调度分析装置用于执行上文介绍的频率安全约束调度方法，其各单元的功能与上文中的相关步骤相对应，具体可参考上文介绍，在此不再赘述。
[0150]
以图3中的电力系统为例，采用本发明提供的含风电频率响应支撑的频率安全约束机组组合，对比常规不含(9)、(13)、(24)-(25)约束的机组组合模型，得到的运行结果中，开机方式对比如图4所示，黑点表示机组处于开机状态，白点表示机组处于停机状态。其中，(a)对应常规约束下的运行结果，(b)对应本发明约束下的运行结果，启停状态不同，表示系统运行方式受到频率安全约束的影响，系统的运行方式需要发生改变，要部署足够的惯量和一次调频资源，保证系统受扰后的频率安全。各时段系统受扰后的频率安全指标如图5(a)～图5(c)所示，其中，图5(a)为最大rocof的对比结果，从中可以看出，在受到相同的有功扰动时，采用本发明频率安全约束机组组合，最大频率变化率的波动略微减小且不超过做大rocof允许值。图5(b)为系统最大频差对比图，在受到相同的有功扰动时，采用本发明频率安全约束机组组合，其最大频差的波动幅度明显降低且不超过最大频差允许值。图5(c)为准稳态频差对比图，在受到相同的有功扰动时，采用本发明频率安全约束机组组合，其准稳态频差的波动幅度明显降低且不超过最大准稳态频差允许值；由此可知本发明能够提高系统受扰后的频率安全性。
[0151]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制
本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。