一种冶金负荷参与安全辅助服务的电力系统紧急频率控制方法

1.本发明涉及电力系统安全稳定运行领域，具体涉及一种冶金负荷参与安全辅助服务的电力系统紧急频率控制方法。


背景技术：

2.未来风电、光伏发电将成为新增电量的增长主体，各种清洁能源的装机容量在电网中的占比也将持续上升。但是，新能源机组还存在波动性大、随机性强、可控性不高等问题。同时，我国电力资源和负荷中心逆向分布，需要通过超特高压交直流线路实现远距离跨区域输电，从而形成多个送受端系统。在大扰动情况下，送端、受端的频率变化趋势相反，不同转动惯量下切不同类型的机组和负荷后，送受端的频率动态响应不同，这给电力系统稳定运行和电力可靠性供应增加了一定难度，主要表现在：电网调节难度上升、多电力电子设备交互作用复杂、系统抗干扰能力降低、电网频率特性改变等方面。
3.为了应对电力系统有功平衡受到严重破坏而导致的系统整体频率快速下降或大幅波动的紧急情况，常见的频率异常控制装置从控制负荷和控制电源两方面入手，当频率上升时，主要考虑电源控制装置，如高频切发电机装置、高频切发电功率装置。当频率下降时，则有控制负荷的装置，如低频减载装置、低频降低电压装置等；以及控制电源的装置，如低频自启动发电机装置、低频抽水改发电装置等。针对负荷侧优化控制，现有方案从低频减载动作轮次、动作时间、切负荷指标分配等方面进行协调优化，为切负荷的快速性、灵活性和可靠性提供了保障。
4.随着负荷侧可以调节的资源不断增多，以及对负荷侧资源控制方式和手段的研究日益成熟，有必要充分利用全网各种可控资源来降低系统稳定性受到破坏的风险。
5.公开号为cn114123238a的中国专利公开了《一种电解铝负荷参与电力系统调频的卡尔曼控制方法》，其通过分析电解铝负荷具体的工作特性和频率响应模型，并利用卡尔曼滤波处理得到系统频率偏差，最终采用模糊控制器来控制电解铝的功率消耗，提高电力系统频率控制性能。公开号为cn112564128a的中国专利公开了《一种电解铝负荷参与电网调频的控制系统和方法》，其根据电网频率变化、频率变化率和频率变化所处阶段，控制电解铝负荷出力，参与电网调频。公开号为cn113141015a的中国专利公开了《一种电解铝负荷参与送端电网调频的控制方法》，其通过实时预估电解铝可快速调节量，将电解铝计入不同频率偏移下的稳控措施中，防止故障后频率大幅偏移。
6.公开号为cn112993987a的中国专利公开了《一种有功可调节容量协同的电解铝负荷协调电网控制方法》，其通过在线监测频率变化计算出系统功率缺额，并计算火电机组当前时刻能提供的最大向上一次调频功率，得到电解铝负荷参与电网频率调节的目标总调节量和各个电解铝负荷需承担的子调节量。上述专利利用典型冶金负荷——电解铝负荷参与电网控制，通过对电解铝负荷具体控制方法的研究和对电解铝负荷可调节量的评估，控制电解铝负荷出力提高电力系统频率稳定性。但是他们局限于某一种具体的冶金负荷，并且
默认当前运行负荷均可参与调节而忽略了电网补偿机制对于实际负荷响应率的影响，可能出现实际可调节负荷量远小于系统功率缺额的情况。
7.研究不同种类冶金负荷作为可削减负荷主动参与电网运行控制、与电网进行能量互动的潜力，有利于充分整合各类可控资源，从宏观层面上提出一种利用冶金负荷参与安全辅助服务的电力系统紧急频率控制方法，改变原本负荷单向、被动接受电网调节劣势。因此，如何将冶金负荷纳入低频减载优化方案，并设定合理的冶金负荷补偿方案，从而帮助电力系统快速恢复频率稳定和减少对重要负荷的影响是亟需解决的问题。


技术实现要素：

8.为了利用冶金负荷的可削减潜力参与电网紧急频率控制，以及制定合理的补偿策略来充分调用大型冶金工业负荷参与需求响应，以确保电网在频率稳定的基础上能够实现对重要负荷的连续供电，降低电网崩溃概率和经济损失，本发明提出一种冶金负荷参与安全辅助服务的电力系统紧急频率控制方法，具体包括以下步骤：
9.s1：获取目标电网的有功缺额初值，监测实时冶金工业负荷状态；
10.s2：基于有功缺额初值和冶金负荷状态，预估所需调用的冶金负荷量；
11.s3：基于电网预期调用冶金负荷量，通过主从博弈模型进行需求响应补偿定价；
12.s4：基于电网的转动惯量和频率变化情况，进行低频减载动作轮次、动作时间和减载量整定；
13.s5：基于预设的减载动作和冶金负荷实时运行状态，采用优先调用冶金负荷其次调用普通负荷的方式切负荷；
14.s6：基于电网补偿定价和用户最终实际减载情况，对用户进行经济补偿。
15.进一步的，计算目标电网的有功缺额初值，具体包括：
[0016][0017]
其中，δp0表示系统初始有功缺额；表示系统频率f随时间t的变化率；t
sys
表示系统等效惯性时间常数；e
sys
表示系统总动能；t
gi
表示同步发电机i的惯性常数；s
gi
表示同步发电机i的额定容量；x
gi
表示同步机组的启停状态，当x
gi
＝1时表示该同步机组运行，当x
gi
＝0时表示该同步机组停运；n表示该目标电网内同步发电机的数量；t
nj
表示新能源机组j的惯性常数；s
nj
表示新能源机组j的额定容量；x
nj
表示新能源机组的启停状态，当x
nj
＝1时表示该新能源机组运行，当x
nj
＝0时表示该新能源机组停运；m表示该目标电网内含惯量的新能源机组数量。
[0018]
进一步的，基于有功缺额初值和冶金负荷状态，预估所需调用的冶金负荷量，即当
冶金负荷可调用量大于系统功率缺额时，电网削减的冶金负荷量为低频减载的总切负荷量；当冶金负荷可调用量小于系统功率缺额时，电网预期调用冶金负荷量为当前运行状态内全部可削减功率。
[0019]
进一步的，基于电网预期调用冶金负荷量，通过主从博弈模型进行需求响应补偿定价时，在电网侧以最大化电网侧的需求响应总收益为目标构建目标函数，获得电网发布的单位补偿价格的表达式；在用户侧以最大化用户侧响应收益为目标函数构建目标函数，并代入电网侧求解得到的电网发布的单位补偿价格表达式，求解得到各冶金用户的响应功率δpi的表达式，并将各用户响应功率表达式代入电网侧的目标函数中，在满足约束条件的情况下求解得到电网发布的单位补偿价格的值；将电网发布的单位补偿价格的值代入用户侧需求响应函数得到最终各用户响应功率的值。
[0020]
进一步的，电网侧以最大化电网侧的需求响应总收益为目标构建目标函数包括：
[0021][0022]
其中，i＝{1,2,
…
,n}，n表示受电网频率失稳影响的用户数量；j＝{1,2,
…
,m}，m表示参与需求响应的用户数量；λi表示赔偿用户i单位电量带来的经济损失；δpi表示用户i在ti时段受影响的功率；a2表示电网发布的单位补偿价格；pj表示第j个用户在需求响应中的削减功率；tj表示用户j参与需求响应时负荷削减时间；a1表示可避免对重要负荷造成的损失成本；p
total
为电网侧预期可实时参与需求响应的冶金负荷总功率。
[0023]
进一步的，用户侧以最大化用户侧响应收益为目标函数构建目标函数，则用户j最大化其响应收益的目标函数包括：
[0024][0025]
其中，a2表示电网发布的单位补偿价格；δpj表示用户j在tj时段受影响的功率；c1表示平均单位削减功率直接影响的生产收益；c2表示平均单位功率对应的生产状态改变间接造成的生产值损失；δp
j_state
表示削减负荷后剩余负荷中运行功率发生改变的负荷功率；t
j_state
表示削减负荷后运行功率发生改变的时间；δp
j_max
为用户j最大负荷响应能力。
[0026]
进一步的，基于电网的转动惯量和频率变化情况，进行低频减载动作轮次、动作时间和减载量整定包括以下步骤：
[0027]
确定系统的最大功率缺额、频率恢复目标值、低频减载首轮和末轮动作频率；
[0028]
基本轮各轮切除负荷量按平均原则整定，并设定较短的延时；
[0029]
设置几轮特殊轮进行减载，即特殊轮的各轮切负荷量小于基本轮各轮切除负荷量；其中基本轮每轮切负荷量为：
[0030]
[0031]
其中，δpk表示第k轮切负荷量；δp
max
表示系统最大功率缺额；k
l
表示负荷频率调节系数；f0表示稳态频率；fn表示末轮动作频率。
[0032]
进一步的，当新能源机组占比大于设定阈值时，提高首轮减载量并缩短基本轮时延，并根据新能源机组低频保护定值，将增加的切负荷量均分到低频减载的前三轮中。
[0033]
进一步的，基于预设的减载动作和冶金负荷实时运行状态，采用优先调用冶金负荷其次调用普通负荷的方式切负荷包括以下步骤：
[0034]
对各类负荷划分优先级，冶金负荷优先级最高，其余普通负荷根据各支路指标计算负荷优先级评估得分，指标至少包括负荷用户等级、敏感度、供电连续性要求、停电损失，得分越高优先级越高；智能配电终端在第i条支路的负荷优先级评估得分表示为：
[0035]
mi＝∑wjsj；
[0036]
其中，mi为智能配电终端在第i条支路的负荷优先级评估得分；wj为该支路第j个指标所占权重比例；sj为该支路第j个指标的最终评估得分；
[0037]
当电力系统出现功率缺额、频率骤降时，由调控中心按优先级划分顺序向各类负荷发出负荷削减指令，确定各类减载量。
[0038]
本发明通过分析不同冶金负荷运行特性，进而计算不同冶金负荷参与电网紧急频率控制的可削减负荷量，然后对不同负荷赋予优先级，按其优先级顺序计入电网低频减载策略中，使得电网在出现新能源风机出力波动或发电机因故退出运行时，可以及时挽救电网频率崩溃情况，减少对重要负荷的损失；同时，通过电网与用户需求响应收益的博弈分析，可以实现以市场化的方式制定补偿价格，改变现有方案采用固定价格补偿的不足。
附图说明
[0039]
图1为冶金负荷参与电网紧急频率控制方法的逻辑框图；
[0040]
图2为电解铝系列直流供电方式示意图；
[0041]
图3为炼钢生产工艺流程图；
[0042]
图4为炼钢负荷削减时间与最大削减功率关系示意图。
具体实施方式
[0043]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
本发明提出一种冶金负荷参与安全辅助服务的电力系统紧急频率控制方法，如图1，具体包括以下步骤：
[0045]
s1：获取目标电网的有功缺额初值，监测实时冶金工业负荷状态；
[0046]
s2：基于有功缺额初值和冶金负荷状态，预估所需调用的冶金负荷量；
[0047]
s3：基于电网预期调用冶金负荷量，通过主从博弈模型进行需求响应补偿定价；
[0048]
s4：基于电网的转动惯量和频率变化情况，进行低频减载动作轮次、动作时间和减载量整定；
[0049]
s5：基于预设的减载动作和冶金负荷实时运行状态，采用优先调用冶金负荷其次
调用普通负荷的方式切负荷；
[0050]
s6：基于电网补偿定价和用户最终实际减载情况，对用户进行经济补偿。
[0051]
在本实施例中，目标电网的初始有功功率缺额的计算公式如下：
[0052][0053]
式中：δp0表示系统初始有功缺额；表示系统频率变化率；t
sys
表示系统等效惯性时间常数；e
sys
表示系统总动能；t
gi
表示同步发电机i的惯性常数；s
gi
表示同步发电机i的额定容量；x
gi
表示该同步机组的启停状态，当x
gi
＝1时表示该同步机组运行，当x
gi
＝0时表示该同步机组停运；n表示该目标电网内同步发电机的数量；t
nj
表示新能源机组j的惯性常数；s
nj
表示新能源机组j的额定容量；x
nj
表示该新能源机组的启停状态，当x
nj
＝1时表示该新能源机组运行，当x
nj
＝0时表示该新能源机组停运；m表示该目标电网内含惯量的新能源机组数量。
[0054]
优选的，监测实时冶金工业负荷状态时，目标电网冶金负荷运行状态包括负荷当前总运行功率和当前生产工艺相关参数。以电解铝负荷和炼钢负荷为例，电解铝负荷需要获取的负荷信息包括当前电解铝运行总功率、吨铝电耗、削减功率百分比和功率削减时间对电解铝生产的影响程度；炼钢负荷需要获取的负荷信息包括炼钢负荷当前运行总功率、各炼钢设备的冶炼周期、最低温度要求、生产速度和库存容量。
[0055]
具体实施过程中，基于电网有功缺额初值，可以确定需要低频减载总切负荷量，当冶金负荷足够大时，电网需削减的冶金负荷量为低频减载的总切负荷量；当冶金负荷不足时，则电网预期调用冶金负荷量为当前运行状态内全部可削减功率。根据冶金负荷当前运行状态和削减时间长短，在冶金工业用户中按各类冶金负荷特性分配实际削减负荷量。
[0056]
其中，低频减载总切负荷量的计算公式为：
[0057]
p
shed
＝1.05*(δp
0-p
thr
)；
[0058]
式中：p
shed
是系统低频减载总切负荷量；p
thr
是在频率正常范围内系统允许的最大不平衡量。
[0059]
以电解铝负荷和炼钢负荷为例，如图2所示，电解铝负荷利用整流装备进行直流供电，正常运行时为恒电流负荷，从电网侧可将其视为恒功率负荷，在生产过程中负荷波动小，受电压、频率影响不大。常见的整流装置主要有晶闸管整流和二极管整流，相对于二极管，晶闸管整流具有调节速度快(响应时间可达毫秒级)、可连续调节的优势。而由二极管整流的电解铝负荷由于调节响应速度慢，仅能通过切除整流机组的方式降低负荷。同时，电解槽所需的高温环境具备一定热惯性，能够给其带来约10％～30％的负荷调节能力。因此可利用这部分电解铝负荷参与电力系统紧急负荷控制，在一定的功率调节范围和调用时间
内，对电解铝厂的正常生产不会产生较大影响。
[0060]
电解铝负荷根据削减功率的不同，分别存在持续产铝状态、电解槽保温状态、电解槽冷却状态三种不同状态。由于电解铝处于冷却时间较长时会对电解质和电解槽产生严重影响，在紧急频率控制中应确保电解铝负荷削减后电解槽至少处于保温状态。电解铝系列负荷为二极管整流时，一般电解铝厂可编程逻辑控制器(plc)稳流控制有总调和分调两种模式，分调完成小闭环控制，采集整流柜本体小号控制单机组电流稳定；总调完成大闭环控制，综合所有整流机组的工艺条件和阳极工况以控制系列电流稳定。若要切除系列的一部分功率，则需在切除部分整流机组的同时降低总调电流设定值。当切除n台整流机组后，剩余机组的电流应不大于初始总调电流设定；同时为确保电解槽不进入冷却状态，剩余机组的电流应不小于电解槽保温电流，可削减负荷量计算公式如下：
[0061][0062]
式中：δp为总负荷削减量；p
rate
为电解铝负荷额定功率；n'为初始运行时全部整流机组台数；n'为收到减载指令后切除的整流机组台数；i1为切除后单台剩余机组电流；i0为单台整流机组初始电流，正常情况下为单台整流机组额定电流；ρ为保温电流系数。
[0063]
如图3，炼钢工艺首先经过初炼炉(电弧炉、平炉、转炉)炼钢，钢水通过钢包运输至钢包精炼炉中对钢水进行升温或保温处理，进而有利于补加合金、调整成分以及后续连铸的温度要求，同时通过钢包精炼炉底部的透气砖中注入氩气对钢液进行搅拌，通过蒸汽喷射泵对钢液进行真空脱气，最后精炼阶段所得钢水通过钢包送往连铸机中进行铸造，获得不同形状的板坯。因此，当钢包精炼炉参与负荷削减后应同时满足上游库存钢水不溢出，下游库存充足且最低温度满足连铸要求。炼钢负荷主要可削减负荷为钢包精炼炉负荷，其耗电量极大而生产节奏灵活，在满足上游初炼炉和下游连铸机的正常生产和最低温度前提下，可以根据需要灵活调节有载分接开关，达到削减功率目的。
[0064]
其中，负荷削减量计算公式如下：
[0065][0066]
式中：δp为总负荷削减量；p0为初始功率；p1为削减后钢包精炼炉负荷功率；v0为削减负荷前钢包精炼炉生产钢水的速率；v1为削减负荷前钢包精炼炉生产钢水的速率；v
炉
为初炼炉生产钢水的速率；η为钢包精炼炉上游的初炼炉生产单位钢水可冶炼的精炼钢水
量；t为负荷削减时间；i
store1
为削减前初炼炉至钢包精炼炉中间过程钢包的初始钢水库存量；i
store1_max
为初炼炉至钢包精炼炉中间过程钢包的最大钢水库存量；v
铸
为钢包精炼炉下游的连铸机生产板坯的速度；λ为每吨精炼钢水可生产的板坯量；i
store2
为削减前钢包精炼炉至连铸机中间过程钢包的初始精炼钢水库存量；t0为初始钢水温度；v
t
为当前环境下，初炼炉生产钢水温度下降速率；t
min
为钢包精炼炉设备允许生产的最低温度。
[0067]
如图4，在一定的工艺参数和钢水库存下，当负荷削减时间较短时，对上下游的影响较小，最大负荷削减量可达钢包精炼炉全部运行负荷。当增加负荷削减时间时，最大可削减负荷将逐渐减小，最大负荷削减时间受钢包精炼炉最低温度限制，根据初炼炉钢水初始温度的不同，削减时间范围在10min至40min不等。在同一削减时间下，随着初始初炼炉钢水库存减少和初始精炼钢水库存增加，最大可削减负荷量也逐渐增加。
[0068]
基于主从博弈模型对参与削减的冶金负荷进行需求响应补偿定价时，以追求全社会福利最大化为目标建立电网与用户的博弈模型，通过模型求得紧急情况下的补偿电价。追求全社会福利最大化为目标在本实施例中指用户侧和电网侧收益达到最佳，即两侧的收益之和最大。
[0069]
电网侧实时需求响应收益主要考虑可避免对重要用户造成损失的成本和需求响应补偿成本；用户侧实时需求响应收益主要考虑需求响应补偿收益和负荷削减的响应成本。
[0070]
因此，本实施例电网侧的需求响应总收益表达式如下：
[0071][0072]
式中：a表示电网侧需求响应总收益；a1表示可避免对重要负荷造成的损失成本；a2表示需求响应补偿成本；i(i＝1,2,
…
,n)表示受电网频率失稳影响的用户；δpi表示用户i在ti时段受影响的功率；λi表示赔偿用户i单位电量带来的经济损失；a2表示电网发布的单位补偿价格；j(j＝1,2,
…
,m)表示参与需求响应的用户；pj表示第j个用户在需求响应中的削减功率；tj表示用户j参与需求响应时负荷削减时间；n表示受电网频率失稳影响的用户数量；m表示参与需求响应的用户数量。
[0073]
大型工业用户一般执行严格的生产计划，同时为维护设备动力安全、维持生产环境正常，企业内部功率削减也有相应的限制。用户根据电网发布的补贴价格和自身情况确定参与情况和参与负荷量，但反过来又影响电网补贴单价的制定。用户侧需求响应收益表达式如下：
[0074][0075]
式中：b表示用户侧需求响应总收益；b
1,j
表示用户获得需求响应补贴收益；b
2,j
表示用户负荷削减的响应成本；δpj表示用户j参与需求响应中削减负荷量；tj表示用户j参与需求响应时负荷削减时间；c1表示平均单位削减功率直接影响的生产收益；c2表示平均单位功率对应的生产状态改变间接造成的生产值损失；δp
j_state
表示削减负荷后剩余负荷中运行功率发生改变的负荷功率；t
j_state
表示削减负荷后运行功率发生改变的时间。
[0076]
电网公司为寻求最优补贴价，同时确保参与需求响应负荷量充裕，求解优化问题如下：
[0077][0078]
式中：p
total
为电网侧预期可实时参与需求响应的冶金负荷总功率。
[0079]
用户基于电网公司公布的需求响应补贴价格及自身情况，决定最优响应电量来最大化自身需求响应收益。用户j求解优化问题如下：
[0080][0081]
式中：δp
j_max
为用户j最大负荷响应能力。
[0082]
基于电网的转动惯量和频率变化情况，进行低频减载动作轮次、动作时间和减载量整定。根据《电力系统自动低频减负荷技术规定》基本规定，当不考虑风电接入时，采用常规方法设计低频减载方案，包括：
[0083]
首先，确定系统的最大功率缺额、频率恢复目标值、低频减载首轮和末轮动作频率；作为一种优选的实施方式，在本实施例中，确定系统的最大功率缺额，稳态系统恢复到不低于49.5hz水平，低频减载首轮动作频率设为49hz，末轮动作频率设为48.02hz，基本轮共设置7轮；
[0084]
然后，基本轮各轮切除负荷量按平均原则整定，延时均为0.3s；
[0085]
最后，为防止频率悬浮于49.0hz以下，设置3～4轮特殊轮减载，各轮切负荷量在1％～3％，延时定为10～30s；例如，本实施例设置3轮特殊轮减载，各轮切负荷量均在3％，3轮特殊轮延时依次设为15s、20s、25s。
[0086]
基本轮每轮切负荷量计算方式如下：
[0087]
[0088]
式中：δpi表示第i轮切负荷量；δp
max
表示系统最大功率缺额；k
l
表示负荷频率调节系数；f0表示稳态频率；fn表示末轮动作频率。
[0089]
新能源风机在系统中比例的差异影响系统惯量和大扰动下的频率变化情况，当风电机组占比较高时，可以适当提高首轮减载量和缩短基本轮延时。并且考虑到风电机组有可能因为低频保护脱网，需要根据实际的风电机组低频保护定值，将增加的切负荷量均分到低频减载的前几轮次中，优选的，本实施例选择将增加的切负荷量均分到低频减载的前三轮中。
[0090]
基于预设的减载动作和冶金负荷实时运行状态，采用优先调用冶金负荷其次调用普通负荷的方式切负荷，具体包括以下步骤：
[0091]
首先，对各类负荷划分优先级，冶金负荷优先级最高，其余普通负荷按照对各支路负荷用户等级、敏感度、供电连续性要求、停电损失等属性统计，以不同权重折合计算，汇总最终所得的评估得分，按得分情况划分负荷优先级；
[0092]
最终，当电力系统出现功率缺额，频率骤降时，由调控中心按优先级划分顺序向各类负荷发出负荷削减指令。
[0093]
负荷优先级评估得分计算方式如下：
[0094]
mi＝∑wjsj；
[0095]
式中：mi为智能配电终端在第i条支路的加权得分；wj为该支路第j个指标所占权重比例；sj为该支路第j个指标的最终评估得分。
[0096]
基于电网的补偿定价和冶金工业用户负荷实际参与削减情况，计算用户的补偿金额，对用户进行经济补偿，完成电力系统紧急频率的控制。
[0097]
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。同时，实施例中公知的具体负荷特性等常识在此未作过多描述。最后，本发明要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
[0098]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。