水火电力系统一次频率调节的协调控制方法

电力系统频率是电力系统运行参数中最重要的参数之一,机组一次调频作用成为稳定电网频率的关键因素。本文从频率动态过程及发电机组一次调频机理出发,充分考虑负荷频率特性、频率一次调节备用容量特性、发电机调速器响应特性和不平衡功率分配问题,从而建立互联区域发电机组的一次调频数学模型,该模型可以用于分析不同类型发电机组在频率一次调节的电力系统频率动态变化过程和足够准确的评估发电机的机械功率对应值与负荷频率之间的关联关系。具有不同类型能源机组的电力系统利用连续时间系统的传递函数模型来研究负载扰动下频率响应动态过程及其各发电机组参数的特性。     

新能源一次调频死区影响机理建模及系数修正策略

新能源参与电力系统一次调频时一般会设置调频死区，以达到避免机组频繁动作与保障调频效果之间的平衡。与传统同步机调速器设备性能决定的固定死区不同，新能源的一次调频死区可在较大区间内灵活设置，并且设置方式更加多样化。然而，新能源一次调频死区对系统频率安全的非线性影响机理尚不明确，尤其是高比例新能源参与调频场景下，无法分析其对系统一次调频效果的影响。为此，文中首先建立了考虑新能源一次调频死区的系统频率响应模型，通过解析求解频率动态响应表达式，分析了新能源一次调频关键参数对系统频率重要指标的影响，并指出普通型调频死区的存在会削弱系统的一次调频能力。然后，为减小普通型死区对调频效果的影响，提出了新能源一次调频系数修正策略，以改善一次调频效果。最后，仿真验证结果表明，考虑新能源死区的系统频率响应模型具有较高的精度，且所提一次调频系数修正策略可减小最大频率偏差，提高系统频率安全性。     

计及动态频率响应约束的高比例风电电力系统日前-日内联合调度策略

高比例风电电力系统具有转动惯量低、调频能力弱等特征,容易引发频率安全问题。现有计及频率安全约束的调度策略研究中,调频手段主要为惯性响应与一次调频,鲜见在单机故障等大功率扰动下考虑系统旋转备用与紧急功率支撑的动态响应作用。对此,在日前-日内联合调度模型中引入预想小功率扰动及大功率扰动下的系统动态频率响应约束。首先,分别构建两种预想功率扰动下的系统动态频率响应模型,采用阶梯备用等方法进行模型降阶,并进一步推导两种模型下的频率指标解析式。其次,提出计及动态频率响应约束的日前-日内联合调度架构,并分别构建日前及日内调度模型。进而,针对调度模型中最大频差约束导致的非线性问题,采用两阶段迭代方法求解。最后,开展算例分析,结果表明,所提联合调度策略能够兼顾系统运行经济性要求与频率安全性要求。     

主动支撑电网频率的园区多能微网优化运行EI北大核心CSCD

随着新能源电源接入比例持续上升,电力系统频率失稳风险也随之上升,亟需发掘快速调频资源,增强电力系统频率稳定性。园区多能微网(district multi-energy microgrid,D-MEMG)下辖的微型燃气轮机与电转气装置功率可快速调节,具备对电网频率的支撑能力。为此,该研究主动支撑电网频率的园区多能微网优化运行问题。首先,提出改进的系统频率响应模型,刻画各类参与频率支撑设备调速器的死区与限幅环节,基于差分法,获得电网频率动态时域离散化模型。其次,考虑园区多能微网参与调频对上级配气网运行的影响,精细化建模园区多能微网调频时与上级配气网交互天然气流的变化量,构建配气网运行约束可行性检测子问题。随后,将所提模型转化为两阶段鲁棒优化问题,并采用列和约束生成(column and constraint generation,C&CG)算法进行求解。最后,设计算例验证所提模型与算法对支撑电网频率的有效性。     

考虑频率稳定的新能源高渗透率电力系统最小惯量与一次调频容量评估方法

随着新能源渗透率逐步提高,系统在大功率扰动下的频率稳定问题日益严峻,限制了系统新能源的消纳能力。为了合理规划新能源的接入容量,亟需对系统的最小惯量和一次调频容量进行评估。为此,针对大功率扰动下惯量响应与一次调频响应间的相互作用进行了研究。首先,以传统单机模型为基础,推导出了计及调频死区的频率响应过程表达式。然后,以扰动后的最低频率限值为动态频率稳定约束条件,建立了系统最小惯量与一次调频容量评估模型,估算了系统最小功频静态特性系数和最小惯性时间常数,计算并绘制了惯量响应和一次调频响应的功率曲线。最后,在DIgSILENT PowerFactory仿真软件中搭建了IEEE 10机39节点模型,验证了所提最小惯量与一次调频容量评估方法的准确性和研究价值。     

考虑风险偏好的快速频率响应备用容量规划

增设快速频率响应备用容量,为威胁系统频率安全事件设立备用规划方案,是应对电力系统频率稳定新形势的重要手段.首先,考虑一次调频事故拦截的潜在收益,采用风险偏好成本收益分析模型作为小概率极端事件的风险价值评估依据;基于序贯蒙特卡洛方法建立常规机组、高压直流传输线路、风电机组的运行状态模型,并将故障集输入所提的系统频率仿真模型中,对功率扰动实现系统频率追踪及下降最低点捕捉,进而获得满足快速频率响应备用容量;兼顾可靠性收益与备用综合成本,定义快速频率响应备用成本收益模型,并提出相应的备用方案可行性校验方法.算例结果表明:所提快速频率响应备用容量规划方案能有效的避免小概率极端事件被同质化,且极端事件概率越小,备用需求越高.     

光伏电站一次调频控制策略研究

大规模光伏电站接入电力系统,降低了系统惯性和一次调频能力,导致电网频率波动增大,安全稳定性变差,令其参与电网调频是解决该问题的重要途径。针对现有光伏电站减载运行参与一次调频能力受辐射度传感器影响大、减载算法公式复杂等问题,提出一种不依赖传感器的光伏电站一次调频控制策略。该策略首先设计有功备用控制层,提出一种减载算法令光伏电站按照设定的有功备用比减载运行,为一次调频做铺垫;然后利用改进下垂控制和虚拟惯性控制设计频率响应层,将电网频率波动信息转变为有功备用比增量;基于有功备用控制层和频率响应层提出了变备用比的一次调频控制策略,实现一次调频,最后通过RT-LAB进行实验验证。实验结果表明所提减载算法可靠性高,一次调频控制策略能够有效改善电力系统一次调频效果,缓解新型电力系统的调频压力。     

高渗透率新能源并网对电网频率特性参数的影响分析

新能源发电不具备惯量能力和一次调频能力,随着电网中新能源渗透率的不断增加,会严重影响系统的频率稳定性。在MATLAB/Simulink中建立考虑新能源发电接入的电力系统频率响应模型,在此基础上理论分析了频率响应过程中各参数的解析表达式,并利用频率响应综合评估模型对不同新能源渗透率下的电网频率响应进行仿真,从新能源渗透率角度分析了电力系统频率特性指标受影响程度,为从新能源渗透率角度分析电力系统频率特性指标提供了参考。     

基于虚拟同步机的电压源逆变器频率响应时域特性和自适应参数设计

新能源对传统能源的替代给电力系统的频率稳定性带来了严重挑战.新能源一般通过开关频率远高于电网运行频率的电力电子接口装置并网,几乎不具备惯性;工作在最大功率点跟踪模式下不具备功率调节裕度,不能参与系统一次调频.当以最大化利用可用发电资源为目标时,新能源电源不具备频率响应能力,不能参与系统有功平衡和频率稳定的动态调节.在此背景下,虚拟同步机控制策略被提出,以应对在含高比例可再生能源的电力系统中频率响应资源减少的问题.基于虚拟同步机控制的电压源逆变器可模拟同步电机的外特性,为系统提供惯性响应和一次调频响应,从而保证含高比例可再生能源电力系统频率稳定性和电能质量.此外,不同于同步发电机,电压源逆变器的控制参数不受物理因素制约,具有更大的控制灵活性.该文研究虚拟同步机控制下的电压源逆变器的时域频率响应特性,并提出满足动态性能指标的自适应扰动的控制参数计算方法.首先,介绍基于虚拟同步机控制的电压源逆变器提供惯性响应和一次调频响应的控制策略,并指出衡量系统动态控制性能的四个关键指标.其次,基于传递函数和主导零极点,推导出包含惯性响应和一次调频响应的控制性能指标时域表达式,分析复合参数对虚拟同步机频率响应的影响.然后,考虑系统频率的运行标准和新能源的响应能力来源,根据评价指标出现的时间顺序,提出顺序结构的自适应控制参数程序化设计方法.最后,通过仿真验证所提算法的有效性.     

计及负荷频率特性的风水电系统频率特性分析

随着新能源占比的升高,在水电资源丰富的云南电网中,依赖传统机组一次调频已不能满足云南异步联网系统频率稳定性的要求。针对大型水电水锤效应引起的功率反调问题,提出了一种计及负荷频率特性的风储联合调频控制策略。首先建立了传统电源(水轮机)、双馈风机、储能系统、综合负荷的频域模型传递函数;然后采用直流潮流法简化电网,得到了负荷扰动下风储节点频率响应解析式。在电力系统仿真程序PSD-BPA中搭建含风储、水机、负荷的四机系统。通过对解析式的理论分析和四机系统的仿真验证,分析了静态负荷模型比例、频率特征参数以及储能占比等因素对系统频率的影响。结果表明,计及负荷频率特性的风储联合调频能有效减小系统频率偏差。     

计及转速限值的双馈风机变下垂系数控制策略

传统的下垂控制策略在整定调频系数时更多关注双馈风机本身的运行状态,较少考虑风电渗透率和系统扰动变化对风机调频过程的影响,控制方法的适应性有待提高。为此,建立了风电参与调频的电力系统频率响应模型,提出了计及转速限值的双馈风机下垂系数整定方法及控制策略。通过推导调频过程转子转速的极小值和稳态值,确定出使风机转速自行稳定且不触发保护下限的下垂系数范围。然后根据扰动的大小在线调整控制参数,避免风机发生过度响应。在DIgSILENT中建立了系统仿真模型。仿真结果表明所提策略能够有效应对不同的系统扰动情况,保证风机自身运行的稳定性。     

考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法

随着以变流器接口并网的新能源比例不断提高,电力系统一次调频能力降低,频率稳定受到威胁。风电机组通过在并网变流器附加综合惯性控制实现辅助调频。然而,风电机组提供频率响应后,转子转速恢复可能给电力系统带来频率二次跌落危害。现有辅助调频参数设置多从风力机组自身调节能力出发,缺少考虑与系统的耦合作用。首先研究风电机组调频控制参数对系统一次调频的影响机理,分析参数整定的制约因素,然后根据一次调频综合评价指标来确定参数的取值范围。最后,设置了不同风电出力占比的仿真场景,探究参数在不同风电出力占比下的取值规律。     

适用于西北送端大电网新能源场站快速频率响应功能的入网试验方法

近年来,西北电网新能源装机已成为网内第二大装机电源,具有转动惯量的常规水、火电机组开机比例逐步下降,电网频率控制特性的结构性困境日趋明显。目前,西北电网已在全国率先启动新能源参与电网快速频率响应功能推广应用工作。当电网发生频率大扰动情况时,新能源场站能够参与电网一次调频,并对系统频率提供支撑,送端大电网一次调频能力显著增强。提出了一种针对送端大电网新能源场站快速频率响应功能的试验方法,通过对新能源场站进行频率阶跃扰动试验、模拟实际频率扰动试验、防扰动性能校验、自动发电控制(automatic generation control,AGC)协调试验,完成新能源场站快速频率响应功能检测,并首次在国内完成现场可行性验证。目前该方法已实际指导西北电网新能源场站快速频率响应功能入网检测工作。     

考虑风机一次调频的风电高占比电网机组组合

随着风电大规模、高渗透率接入电网,单纯常规机组一次调频已难以满足系统调频需求,迫切需要风电参与一次调频。文中在风机调频控制研究的基础上,提出一种考虑风机参与系统一次调频的机组组合模型。该模型通过加入稳态频率、频率最低点和频率变化率为约束条件,确保含风电电力系统预留足够的备用容量以支撑一次调频。文中采用大M法将非线性模型转化为混合整数线性规划模型,并调用Matlab中CPLEX程序包求解。最后,在IEEE 39节点系统上验证了该模型的有效性。仿真结果表明,该模型能提升系统承受负荷扰动的能力,从而满足更大负荷扰动下系统一次调频的备用需求。     

基于同步机三阶模型的电池储能电站主动支撑控制及其一次调频贡献力分析

为提高储能变流器并网稳定性及储能电站参与电网频率调控的可控性,该文提出一种基于同步机三阶模型的电池储能电站的主动支撑控制策略,该策略能将储能变流器等效成具有励磁系统和调速系统的近似同步电压源,为低惯量、弱阻尼的新能源电力系统提供必要的惯量特性与阻尼特性。通过对储能电站调差系数的设计整定,刻画了储能电站适应于电网不同调频深度需求的正向静态频率特性,分析了不同控制参数下储能电站参与电网频率调控的惯量反应及一次调频特性。同时将新能源电力系统中储能电站调频出力实际值与传统机组调频出力实际值比值定义为储能电站参与电网频率调整的贡献因子,用以表征储能电站辅助传统机组参与电网一次调频中减小稳态频率偏差量的贡献力。该策略通过对储能电站灵活性的合理配置,能够为高比例新能源发电并网营造一个稳定友好型的频率环境。     

计及动态频率响应约束的高比例风电电力系统机组组合模型

风电具有强不确定性,其大规模并网极大地削弱了电力系统抵御频率波动的能力.为保障高比例风电电力系统的频率安全,该文从电力系统机组组合角度提出改进措施.首先,建立电力系统源-荷-储多主体动态频率响应模型,依此构建电力系统整体动态频率响应模型,并采用全系统等效调速器方法对模型进行简化.在此基础上,进一步提出系统受扰后的最大频率变化率、稳态频差、最大频差计算方法.然后,以系统运行成本最小为优化目标,构建计及动态频率响应的高比例风电电力系统机组组合模型,并提出求解模型的双层优化方法.最后,基于改进IEEE 39节点系统进行算例分析,算例结果表明,所提机组组合模型在改善系统运行经济性的同时,能够有效提高系统的频率安全水平.     

考虑频率稳定约束的新能源电力系统临界惯量计算方法

针对新能源并网的弱惯量、零惯量特征对电力系统频率稳定的影响,提出一种计及频率稳定约束的新能源电力系统临界惯量的估算方法。首先,建立系统频率动态响应数学模型,求解惯量中心频率时域表达式。然后,基于频率响应模型求解并分析系统惯量与相关频率稳定性指标的关系,进而计及频率变化率和频率最大偏差约束估算系统临界惯量理论值和计算值。最后,基于临界惯量提出一项电力系统频率稳定性指标,来评估功率扰动后的电力系统频率稳定性,并结合电力系统实际运行惯量得出新能源虚拟惯量参考值。在DIgSILENT PowerFactory中以改进的IEEE 10机39节点新英格兰系统和某区域电网仿真算例对所提计算方法进行仿真验证。     

“9·19”锦苏直流双极闭锁事故华东电网频率特性分析及思考

小负荷方式下系统的频率稳定形势日趋严峻。针对华东电网"9·19"事故,从负荷模型及调速器/原动机模型角度研究分析了影响华东电网频率响应特性的关键因素。基于实测数据,对华东电网负荷频率响应因子,机组的一次调频限幅、调差系数,以及锅炉主蒸汽压力模型相关参数进行了辨识,复现"9·19"事故的频率响应特性。根据辨识结果反映的问题提出了相关建议。     

电热水器负荷参与一次调频下考虑机组最小调频容量约束的优化调度

大规模新能源发电机组并网替代了部分常规火电机组，致使当前确定的一次调频备用容量无法满足系统发生大扰动下的充分性要求。随着智能电网的发展，以电热水器为代表的需求侧响应资源是极佳的调频备用，利用补偿机制刺激其积极参与系统一次调频，并构造了计及系统惯性、调速器爬坡率、调频死区和电热水器负荷的一次调频动态响应模型，形成机组最小一次调频容量的约束条件。在考虑机组一次调频容量安全约束前提下，将一次调频辅助服务成本纳入系统运行成本中来，以运行成本最小构建目标函数并利用Matlab-Yalmip-Cplex进行优化求解。最后基于改进型的IEEE-30节点标准测试系统算例验证所提模型的有效性和安全性，也验证了电热水器负荷能在频率事故初期快速响应，有效降低频率偏差。     

水轮机调速器与电网负荷频率控制

在现代电力系统中，水轮机调速器已成为水轮机控制系统的控制核心。文中叙述了水轮机调速器与电网负荷频率控制之间的关系，分析了调速器在电网一次调频、二次调频中的作用、静态特性和动态特性;通过建模、仿真及现场试验，提出了机组并联于大电网工况下的调速器PID参数整定范围和应有的机组功率控制模式。