一种基于发电频率限值调节的新能源消纳方法与流程

本发明涉及电力系统运行控制与新能源消纳领域，特别涉及一种基于发电频率限值调节的新能源消纳方法。为提升电网在负荷低谷时段的新能源消纳能力。
背景技术：
：电力是国家的一个重要经济命脉，当前世界能源危机与环境问题日益突出。随着新能源发电技术的不断发展成熟，未来电网结构拥有高比例新能源是必然趋势，提升系统消纳新能源能力是电网可持续发展、绿色发展的有效措施。然而，风能和太阳能作为一次能源不可储存,其产生的电能具有随机性、间歇性和反调峰特性,其规模化并入电网将会导致电力系统的运行调度控制变得困难,这也是我国新能源电力消纳难题日益凸显的根本原因。随着新能源电力所占比重的逐渐增加,电力系统需要在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现能量的供需平衡,这样将使电力系统的结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理发生根本性变革,形成新一代电力系统。然而由于电网网架结构不合理、负荷需求侧不足、新能源发电本身的随机性、波动性、反调峰等特点，造成严重的弃新能源现象。目前国内外科研领域，关于新能源消纳技术的发展可以分为几大类，主要包括：一是协调本地区各类型电源出力。在本地区负荷一定的情况下，通过压低常规能源技术出力来增加新能源出力空间，不需要电网额外投资，改变调度策略就可以消纳大量新能源。专利cn104537204a提出一种热电联供电网中风电电量消纳能力的评估方法，安排各热电联产机组以最小热功率生产，各非供热火电机组以最小电功率生产，并分别在离散化后的持续热负荷、电负荷曲线上带负荷，安排风电在离散化后的持续电负荷曲线上带负荷，直到离散化后的持续电负荷曲线也被排满，获得风电消纳电量及风电消纳率。缺点是会造成常规发电企业利益的损失，常规发电企业参与热情不高，需要调度部门的强制性措施，并且在北部冬季供暖期，大量热电联产机组因为以热定电的方式不能深度调峰造成方案的无法正常实施；二是提高电源调节能力。对三北地区的火电机组进行灵活性改造，供热机组最小技术出力降至55％，凝汽机组最小技术出力降至30％。为实现燃煤火电机组的调节能力的提升,目前主要的手段是:凝结水节流控制方法、凝汽器冷却工质节流控制方法以及利用热网储能提离供热机组负荷响应速度方法。文献《凝结水节流参与机组负荷调节过程建模与分析》提出了通过汽轮机的低压缸额外做功,来增加机组的变负荷速率，此方法不需要对汽轮机主调节阀口进行操作,因此可以避免汽轮机节流造成的损失,使整个单元机组的效率得到一定提高。文献《超超临界机姐的非线性模型及动态特性》和《超超临界机组非线性控制模型研究》研究提出了一种用于提高超超临界机组动态特性的非线性控制模型,能使机组爬坡率达到额定出力的2％-3％/分钟。大型循环流化床的出力范围可扩大至额定出为的30％-100％,较传统机组有大幅提升。缺点是需要投入大量资金和时间研究技术和机组改造；三是建设储能、储热设备。负荷低谷时段将能量转换将电能转化为化学能、热能或势能等其他形式能量，在负荷高峰阶段再转化回电能，通过能量储存相当于提高了负荷水平，增加了新能源出力空间，并且能量的转换起到了削峰填谷的作用，有益于电网的安全运行。例如专利cn106505596a提供一种用于提升风电消纳能力的储热罐容量优化配置方法和系统，建立了储热罐容量优化配置模型，包括储热罐容量优化配置目标函数及其对应的约束条件；采用了分支定界法求解储热罐容量优化配置模型，完成储热罐容量优化配置，综合考虑风电出力的随机性和波动性、用户的热负荷需求以及储热罐的储放热特性，实现供热机组出力灵活调整，提升风电利用率。专利cn103954916a提出一种风力发电储能电站电池监测系统及监测方法，根据用于测量风力发电储能电池包的总电压和总电流单元，获得储能电池包的剩余电量估计值、实时最大输入功率值、实时最大输出功率值、实时最大风电消纳值、当前存储能量和充放电倍率。缺点是需要投入大量资金修建和维护储能设备，需要解决储能设备的储存和转化过程中的能量损耗问题、储能设备选址问题、储能设备淘汰处理等问题；四是提高电网互联互通水平，建设特高压交直流输电通道。通过加强送受端交流电网建设，即解决了缺电地区的用电紧张问题，也解决了送端地区的新能源消纳难题。文献《新能源消纳关键因素分析及解决措施研究》指出加快推进跨区跨省输电通道建设。加强送受端交流电网建设，保证跨区直流能够满功率运行。“十三五”期间，东北、西北电网新建“扎鲁特–青州”、“酒泉–湖南”、“准东–皖南”、“上海庙–山东”、“宁东–浙江”跨区直流外送通道。缺点是需要投入大量资金和时间修建和维护特高压交直流线路；五是推进“电能替代”，加强需求侧管理。专利cn105262167a涉及一种区域内电动汽车有序充电控制方法，收集所述区域内所有电动汽车的出行链信息，以最大化降低配电网的负荷峰谷差为目标，利用遗传算法确定每辆电动汽车的最优充电时间段和最优充电时长。利用了出行链思想对充电负荷进行预测，提高电动汽车负荷预测的真实性，增加控制策略的实用性，起到降低峰谷差、减小负荷波动的作用。专利cn105260807a涉及一种考虑随机特性的电动汽车充电负荷估算方法，包括电动汽车分类、单辆电动汽车充电负荷估算和多辆电动汽车充电负荷，获取各种电动汽车的与其电池相关的参数数据，并将所获取的参数数据按照不同的电动汽车分类方式进行分类统计，该方法能够为电力系统负荷预测提供技术支撑，提高智能电网环境下电网负荷预测的准确率。缺点是电动汽车作为移动储能装置随机性大，充电时间、位置不确定性大，需要研究建立准确完整的控制调度协调系统。技术实现要素：本发明的研究目标为：本发明是在现有网架结构的条件下，充分利用负荷的时间变化特性，电源、负荷有功功率的静态频率特性，新能源的随机性，通过协调一次调频和二次调频，提出了基于发电频率限值调节的新能源消纳方法。通过在合理范围内调整负荷低谷时段的电网运行频率，消纳新能源的不确定性出力，提高电网新能源消纳能力。本发明提出一种基于发电频率限值调节的新能源消纳方法，利用正常运行时和低谷时段系统负荷的时间特性、各电源的可出力情况以及系统的频率情况，构建电网低谷时段的频率限值动态调节机制，实现在负荷低谷时段，常规能源已经达到最小技术出力，部分或全部的新能源出力因系统安全限值已经达到上限而无法继续消纳情况下，通过频率限值动态调节机制，在合理范围内调高系统频率限值，提升新能源消纳能力。通过本发明的实施，在负荷低谷时段，通过电网频率的实时动态调整，消纳所期望的新能源发电量。系统正常运行情况下的基于发电频率限值调节的新能源消纳方法，包括如下步骤：步骤1：通过信息采集系统采集基础数据。其中包括：系统频率情况、新能源的实时出力情况、负荷实时情况、常规能源的实时出力情况，确定采取哪种运行方式，正常运行方式下只继续步骤2，负荷低谷时段跳转步骤3；步骤2：构建正常运行方式下的一种基于发电频率限值调节的新能源消纳模型，通过消纳模型确定频率变化与新能源出力变化的关系，表示如下：pg+pg＝pl公式中，kgn表示n台电源的单位调节功率，kl表示负荷的单位调节功率，δpl表示系统负荷的变化量，pg表示常规能源的出力，pg表示新能源的出力，pl表示负荷功率，δf表示频率变化量。步骤3：通过协调调度，调整发电出力，使系统频率降到49.9hz。步骤4：构建一种基于发电频率限值调节的新能源消纳模型，表示如下：公式中，pg(t)表示t时刻新能源电源的输出功率；f(t)表示t时刻系统实际运行频率值；f(t+δt)表示新能源增发功率后的系统运行频率值；fmax表示系统最高可运行频率值；w表示负荷低谷时段新能源所发总电能；δpg(t)表示t时刻新能源出力增发的功率；δpg1(t)表示t时刻常规能源可以下调的最大功率，δpg2(t)表示通过频率调整新能源增发的功率；p为发电机极对数；n表示发电机转速，t1、t2表示负荷低谷时段起始和结束时间，j为转子的转动惯量，α为转子角加速度，w(t)为转子角速度，mt为蒸汽作用在转子的主力矩，me为发电机的电磁阻力矩，δht为汽轮机的理想比焓降，η为汽轮机的内效率，g为汽轮机的进气量。pln表示负荷额定功率，a1，a2，a3表示各种类型负荷占总负荷的百分比，δm1(t)表示转矩变化量，w(t)表示角速度。步骤5：判断当前系统状态是否能够消纳全部新能源出力。如果当前电网不可以消纳全部新能源出力，判断常规能源出力是否达到最小技术出力。如果没有，则通过减少常规能源的出力δpg1(t)来消纳新能源出力。在常规能源未达到最小技术出力和负荷侧功率一定的情况下，新能源侧输出功率的增加相当于常规能源侧负荷功率的减少，当系统负荷发生变化时，在一次调频和二次调频的作用下，发电机可以做到无差调节。发电机转矩公式是：m表示转矩，p1表示功率，n表示转速，f表示频率，w表示角速度，p表示极对数。当常规能源侧负荷功率的减少，需要减少常规能源输出功率，在常规能源未达到最小技术出力时，常规能源可在一次调频和二次调频的作用下通过调节锅炉燃烧和气门开度来减少输出转矩，保证系统的频率稳定。δpg1(t)＝δm(t)×w(t)/p＝2π×δm(t)×f(t)/pδpg1(t)表示为常规能源的出力变化量，δm1(t)表示转矩变化量，w(t)表示角速度，f(t)表示频率，p表示极对数。步骤6：判断通过减少的常规能源出力到最小技术出力是否可以消纳全部新能源出力，如果不能，利用提高系统频率值消纳更多新能源出力δpg2(t)，通过实时计算和监测频率变化值，保证频率不超过上限值。原动机转矩和输出功率的关系公式：np＝60f其中p为发电机极对数。发电机转速和系统频率成正比，系统频率f(t)升高，会造成发电机转速升高，原动机转速升高。同步发电机的转子运动方程式为：mt＝p×p/wp＝gδhtη公式中，p为发电机极对数，j为转子的转动惯量，α为转子角加速度，w为转子角速度，mt为蒸汽作用在转子的主力矩，me为发电机的电磁阻力矩，δht为汽轮机的理想比焓降，η为汽轮机的内效率，g为汽轮机的进气量。xs＝xa+xσ其中，kn磁动势的基波节距因数，p为发电机极对数，l为空气隙的有效长度。同步电抗由电枢反应电抗和漏电抗组成，xa＞＞xσ，令xs≈xa。其中，xad是直轴电枢电抗，xd是直轴同步电抗，xaq是直轴电枢电抗，xq是直轴同步电抗，xd是漏电抗。其中，kd、kq为直轴、交轴电枢磁通密度分布曲线的波形系数，因xad＞＞xσ，xaq＞＞xσ，令xd≈xad，xq≈xaq。公式中，为隐极机电磁功率，为凸极机电磁功率。汽轮机的理想比焓降与内效率的乘积为级的有效比焓降δh，汽轮机级的有效功率由级的有效比焓降和蒸汽流量决定。δh＝δht-δhnξ-δhbξ-δhl-δhθ-δhf-δhe-δhδ-δhx-δhc2公式中，δht表示理想比焓降，δhnξ表示喷管损失，δhbξ表示动叶损失，δhl表示叶高损失，δhθ表示扇形损失，δhf表示叶轮摩擦损失，δhe表示部分进气损失，δhδ表示漏气损失，δhx表示湿气损失，δhc2表示余速损失。系统频率上升，汽轮机的转速上升，造成汽轮机圆周速度u上升，圆周速度表达式：圆周速度的上升主要造成余速损失、叶高损失、摩擦损失、动叶损失增加，系统频率增加0.1hz，对于3000转/分钟的汽轮机转速增加到3006转/分钟，对上述损失的影响较小可以忽略不计。以额定负荷功率为基准值，转矩公式的标幺值表示形式为：根据同步发电机的转子运动方程式可知，在汽轮机功率一定时，转子上的蒸汽主力矩与转速成反比。如图1所示，转速升高主力矩减小，这是因为动机转速升高，由于进气或进水速度难以跟上叶轮速度，所以在叶片上施加的转矩减少。改变汽轮机的进气量，就能改变汽轮机的转矩—转速特性。发电机的输出特性，即电磁力矩与转速的关系取决于外界负载的特性。风机、水泵类的负载，阻力矩比例于转速的平方；机床、磨煤机类的负载，阻力矩与转速成正比；照明、电热设备类负载，阻力矩与转速无关。当外界负荷一定时，阻力矩随转速的增加而迅速增加。如图1中的me。公式中，pe表示电磁功率，pln表示负荷额定功率，a1，a2，a3表示各种类型负荷占总负荷的百分比。在锅炉燃烧和气门开度一定的情况下，当负荷阻力矩减少时，由于汽轮机的惯性蒸汽主力矩不能立刻改变，会产生不平衡转矩δm＝mt-me＞0，则即角加速度为正，汽轮机的角速度会上升，转速升高，蒸汽主力矩会下降，根据负荷频率特性，负荷随着频率增加而增加，则阻力矩随转速的增加而增加，当转速升至n0时，mt＝me，两者又重新平衡，汽轮机运行于新的平衡点，相比于之前的平衡此时输出功率减少，转速值高，即频率值高，负荷功率增加，相当于不改变锅炉燃烧和气门开度仅依靠原动机自调节特性和负荷频率特性为新能源消纳创造更多空间。根据前文公式推导以下公式：j为转子的转动惯量，α为转子角加速度，w为转子角速度，wn表示额定角速度，p表示极对数，δht为汽轮机的理想比焓降，η为汽轮机的内效率，g为汽轮机的进气量。pln表示负荷额定功率，a1，a2，a3表示各种类型负荷占总负荷的百分比。在锅炉燃烧和气门开度不变的条件下，即δht，η，g为常数，令pa1pln＝b1，pa2pln＝b2，pa3pln＝b3，318.5πδhtηpg＝c。则公式改变为：jw'w+b1w2+b2w+b3＝cj为转子的转动惯量，pln表示负荷额定功率，p表示极对数，δht为汽轮机的理想比焓降，η为汽轮机的内效率，g为汽轮机的进气量，a1，a2，a3表示各种类型负荷占总负荷的百分比。通过上述公式并赋予系统参数值，建立了电源、负荷、系统频率的关系式，可以求解系统在新能源并网后频率的变化暂态过程和新的稳态值。有益效果：本发明提出一种基于发电频率限值调节的新能源消纳方法，利用正常运行时和低谷时段系统负荷的时间特性、各电源的可出力情况以及系统的频率情况，构建电网低谷时段的频率限值动态调节机制，实现在负荷低谷时段，常规能源已经达到最小技术出力，部分或全部的新能源出力因系统安全限值已经达到上限而无法继续消纳情况下，通过频率限值动态调节机制，在合理范围内调高系统频率限值，提升新能源消纳能力。附图说明图1是原动机自身机械功率的静态频率特性曲线图；图2是增发风电出力后频率的变化暂态过程。具体实施方式对上述一种基于发电频率限值调节的新能源消纳方法，以某区域的运行情况计算为例实施本方法：步骤1：通过信息采集系统采集基础数据。确定采取哪种运行方式，正常运行方式下只继续步骤2，负荷低谷时段跳转步骤3；某区域系统额定频率规定为50±0.1hz，各发电类型装机容量如表1所示。不考虑网损和地方水火电的影响，t时刻各发电类型的出力统计如表2所示。火电厂的调差系数为3.5％，系统负荷单位调节功率标幺值为1.5。表1各发电类型装机容量统计表单位：万千瓦发电类型火电风电核电太阳能水电合计装机容量3113.99680.136447.51643.9248293.1064578.6占比68.01％14.85％9.77％0.96％6.40％100％表2某时刻各发电类型出力统计表单位：万千瓦步骤2：构建正常运行方式下的一种基于发电频率限值调节的新能源消纳模型pg+pg＝pl当前系统的系统负荷的单位调节功率为66.84万千瓦/赫兹，电源的单位调节功率为637万千瓦/赫兹。系统总单位调节功率为703.84万千瓦/赫兹，系统频率改变0.1hz，则系统可多消纳70.384万千瓦，包括减少的63.7万千瓦常规能源出力，增发的6.684万千瓦的负荷功率。步骤3：通过协调调度，调整发电出力，使系统频率降到49.9hz。步骤4：构建一种基于发电频率限值调节的新能源消纳模型；系统火电机组的惯性时间常数为12s，风机、水泵类的负载占比80％；机床、磨煤机类的负载占比10％；照明、电热设备类负载占比10％。步骤5：判断当前系统状态是否能够消纳全部新能源出力。现有362万千瓦的风电消纳缺口，核电不参与调峰填谷出力保持不变，压低火电出力到最小技术出力909万千瓦，可以消纳206万千瓦的风电，此时仍有156万千瓦的风电无法消纳。步骤6：判断通过减少的常规能源出力到最小技术出力是否可以消纳全部新能源出力，如果不能，利用提高系统频率值消纳更多新能源出力，通过实时计算和监测频率变化值，保证频率不超过上限值。通过求解微分方程，得到系统在新能源并网后频率的变化暂态过程和新的稳态值。当系统不断增发风电，频率值达到50.1hz，通过求解微分方程，系统多消纳6.2万千瓦的风电，总共可以多消纳212.2万千瓦的风电。表3是系统频率的变化情况，图2是频率的变化暂态过程。表3系统频率变化量和风电增加出力关系统计单位：万千瓦/赫兹频率值频率变化量风电增加出力风电实际出力49.90000000.0000000022449.91614780.01614780.5224.549.93230970.0161619122549.94848560.01617591.5225.549.96467580.0161902222649.98088790.01621212.5226.549.99709840.0162105322750.01333100.01623263.5227.550.02957770.0162467422850.04583860.01626094.5228.550.06211380.0162752522950.07840320.01628945.5229.550.09470690.0163037623050.10014500.00543816.2230.2当前第1页12