考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频性能优化方法和装置

1.本发明属于新能源机组一次调频领域，更具体地，涉及一种考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频性能优化方法和装置。


背景技术：

2.近年来，以风电为代表的新能源发电产业迅速发展，电力系统中风电机组的装机比例不断提高。然而，风电装机容量的提升也为电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战，频率安全是其中的典型问题之一。传统电力系统中，一般由同步发电机来承担维持频率安全的工作，但在高比例风电渗透的现代电力系统中，同步发电机的容量占比逐渐降低，电网的惯性和调频资源也随之减少。因此，为保证电网拥有足够的调频资源，风电场站也需要具备一定的惯量支撑和一次调频能力。风电机组一般通过模拟虚拟同步发电机的方式参与电网调频。近年来，国内外许多学者对并网风电场的调频控制策略进行了深入研究。文献《超速与变桨协调的双馈风电机组频率控制》(电力系统自动化)提出了一种超速与变桨距控制相结合的双馈风电机组调频控制方法，针对性地给出了不同风速条件下双馈风电机组参与调频时的控制策略；文献《避免频率二次跌落的风电场一次调频功率分配方法》(电力系统保护与控制)分析了风电机组调频时频率二次跌落的原理，并在此基础上提出了一种避免频率二次跌落的风电场一次调频功率分配方法；文献《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》(高电压技术)提出了计及电网频率安全约束的高比例风电电力系统机组组合模型，在保持电网频率安全的同时提升了系统的经济性；文献《基于频率响应区间划分的风电机组虚拟惯量模糊自适应控制》(电网技术)分析了电网在动态频率响应各阶段的惯量需求，并提出了风电机组虚拟惯量模糊自适应控制方法，有效改善了电网的动态频率响应表现。然而，由于风资源的不确定性，风电机组的调频资源也存在不确定性，当风资源发生波动时，风电机组将无法很好地完成调频任务。为此，也有学者提出了风储联合系统的概念，通过为风电机组配置储能设备的方式来提高风电场的调频能力。这些研究为风储联合系统的一次调频控制策略提供了丰富的理论基础，但仍然存在一定的局限性：1)在研究一次调频策略时，对机组下垂增益和惯性增益的自适应调整策略研究较少，虽然文献《基于频率响应区间划分的风电机组虚拟惯量模糊自适应控制》(电网技术)中提到了自适应增益控制，但仅针对于风电机组的惯性增益，不能充分发挥风电机组的调频潜力；2)在研究电网动态频率响应特性时，仅针对电网受到单一扰动的情形，而对电网受到连续扰动的情形研究较少，这可能导致电网在受到连续扰动时的可靠性不足。因此，提出一种计及自适应增益调整且将连续功率扰动情形纳入考虑的风储联合系统一次调频优化方法具有重要的意义。


技术实现要素：

3.为克服上述缺陷，本发明提出了一种考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调
频性能优化方法和装置。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频性能优化方法，包括以下步骤：
6.步骤a：对电网在单一、连续扰动下的动态频率响应过程进行阶段划分，获得电网在频率响应不同阶段下的调频需求；
7.步骤b：考虑风储联合系统参与电网调频，建立电网的动态频率响应模型，得到电网的动态频率响应传递函数；
8.步骤c：针对电网的调频需求，提出风储联合系统的自适应参数控制原则，建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，对风储联合系统一次调频性能进行优化。
9.优选地，步骤a中所述的对电网在单一、连续扰动下的动态频率响应方程表示为：
[0010][0011]
式中：δp为电网功率偏差；δf为电网频率偏差；k1、k2分别为电网在一次调频中的等效下垂增益和等效惯性增益，为电网频率变化率。
[0012]
优选地，步骤a中所述的电网在频率响应不同阶段下的调频需求，包括：
[0013]
1)在频率偏移阶段，需要增大惯性增益以减小电网的最大频差和频率偏移速度；
[0014]
2)在频率恢复阶段，需要减小惯性增益以加快频率的恢复速度；
[0015]
3)在电网受到反向连续功率扰动，且在功率扰动方向与频率偏移方向相同的特殊阶段，需要减小下垂增益以阻碍电网功率偏差的增大。
[0016]
优选地，步骤b中所述的电网的动态频率响应模型，得到频率偏差和功率偏差之间关系：
[0017][0018]
式中：m
eq
、d
eq
分别为电网的惯性时间常数和阻尼系数；δp0为初始扰动；δpg、δp
wt
分别为一次调频中火电机组和风储联合系统提供的支撑功率；δf为电网频率偏差。
[0019]
优选地，步骤b所述的得到电网的动态频率响应传递函数，包括：
[0020]
建立火电机组和风储联合系统在一次调频中的传递函数为：
[0021][0022]
其中：
[0023]
联立上述三个公式，即可得到电网的动态频率响应传递函数：
[0024][0025]
式中：hg、h
wt
分别为火电机组和风储联合系统在一次调频中的传递函数；δg为火电机组一次调频调差率；tg、t
ch
、t
rh
分别为火电机组的调速器时间常数、汽轮机时间常数、再热时间常数；f
hp
为火电机组再热常数；k
p
、kd分别为一次调频中风储联合系统的下垂增益和惯性增益；t
wt
为风储联合系统一次调频动作的时间常数。
[0026]
优选地，步骤c中所述的针对电网的调频需求，提出风储联合系统的自适应参数控制原则，包括：
[0027]
δp0、δf、df/dt是自变量，电网动态频率响应的阶段由这些变量的正、负、零状态进行划分，k
p
、kd是因变量，根据阶段的变化进行实时调整，自变量与因变量的关系为：
[0028][0029]
优选地，步骤c中所述的建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，对风储联合系统一次调频性能进行优化，包括：
[0030]kp
、kd的调整系数λ
p
、λd的整定方法为：
[0031][0032][0033][0034]
式中：λ
p
、λd分别为k
p
、kd的调整系数，取值范围为[-1,1]；k
p0
、k
d0
分别为k
p
、kd的基准值。
[0035]
一种考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频性能优化装置，包括：
[0036]
调频需求分析模块，对电网在单一、连续扰动下的动态频率响应过程进行阶段划分，获得电网在频率响应不同阶段下的调频需求；
[0037]
函数构建模块，考虑风储联合系统参与电网调频，建立电网的动态频率响应模型，得到电网的动态频率响应传递函数；
[0038]
性能优化模块，针对电网的调频需求，提出风储联合系统的自适应参数控制原则，建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，对风储联合系统一次调频性能进行优化。
[0039]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。
[0040]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理
器执行所述计算机程序时实现上述的方法步骤。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0042]
本发明针对电网在动态频率响应的不同阶段中对频率响应特性需求不同的问题，提出了一种考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频优化方法，首先，对电网在单一、连续扰动下的动态频率响应过程进行阶段划分，并获得电网在频率响应不同阶段下的调频需求；其次，建立电网的频率响应模型，得到得到风储联合系统在一次调频中的传递函数和电网的动态频率响应传递函数；最后，针对电网的调频需求，提出风储联合系统的自适应参数调整原则，建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，根据风储联合系统在一次调频中的传递函数，对风储联合系统的一次调频性能优化方法。电力系统的动态频率响应过程可以划分为频率偏移、频率恢复两个阶段，以及在电网受到反向连续功率扰动、且在功率扰动方向与频率偏移方向相同一个特殊阶段，本发明可以针对不同阶段的调频需求，对风储联合系统的一次调频参数进行动态调整，从而提升电网的动态频率响应性能，特别是在受到连续扰动时，可以更显著地降低电网的最大频差和频率偏移速率。
附图说明
[0043]
图1为单一功率扰动下电网的动态频率响应过程曲线；
[0044]
图2为同向连续功率扰动下电网的动态频率响应过程曲线；
[0045]
图3为反向连续功率扰动下电网的动态频率响应过程曲线；
[0046]
图4为电网的动态频率响应模型；
[0047]
图5为风储联合系统一次调频模型；
[0048]
图6为各方案下电网受到单一扰动时的动态频率响应对比曲线；
[0049]
图7为各方案下电网受到同向连续功率扰动时的动态频率响应对比曲线；
[0050]
图8各方案下电网受到反向连续功率扰动时的动态频率响应对比曲线。
具体实施方式
[0051]
下面结合一些具体实施例对本发明进一步说明。
[0052]
实施例1
[0053]
一种考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频性能优化方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤a：对电网在单一、连续扰动下的动态频率响应过程进行阶段划分，获得电网在频率响应不同阶段下的调频需求；
[0055]
步骤b：考虑风储联合系统参与电网调频，建立电网的动态频率响应模型，得到风储联合系统在一次调频中的传递函数和电网的动态频率响应传递函数；
[0056]
步骤c：针对电网的调频需求，提出风储联合系统的自适应参数控制原则，建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，对风储联合系统一次调频性能进行优化。
[0057]
进一步地，步骤a中所述的对电网在单一、连续扰动下的动态频率响应过程如图1-3所示，动态频率响应方程表示为：
[0058][0059]
式中：δp为电网功率偏差；δf为电网频率偏差；k1、k2分别为电网在一次调频中的等效下垂增益和等效惯性增益，为电网频率变化率。k1、k2参数的大小决定了系统的下垂控制能力和惯性控制能力，进而影响系统频率响应的表现。通常情况下，电网的下垂控制用于提供与系统频率偏差符号相反的长期功率支撑，k1越大，则电网的稳态频率偏差越小；惯性控制用于提供阻碍频率变化的短期功率支撑，k2越大，则电网阻碍频率变化的能力越强。
[0060]
结合图1-3进一步分析可知：频率响应的不同阶段中，电网对下垂增益和惯性增益的要求也有所不同。关于电网的惯性增益：在电网频率偏移的阶段中，k2越大，则电网频率偏差的极值越小，电网稳定性更强，而在频率恢复阶段，电网惯性会阻碍系统频率的恢复，使得电网恢复稳态的时间增加，因此k2越小，电网频率恢复越快。关于电网的下垂增益：虽然在电网的频率偏移和频率恢复阶段，k1的增加都会改善电网的调频性能，但在例如图3中的第3阶段的特殊阶段中，电网的功率扰动为负，但由于此时电网的频率偏差也为负，下垂控制反而增大了电网的出力，恶化了电网功率不平衡的情况，需要减小下垂增益以阻碍电网功率偏差的增大。
[0061]
基于上述分析，步骤a中所述的电网在频率响应不同阶段下的调频需求概括为：
[0062]
1)在频率偏移阶段，需要增大惯性增益以减小电网的最大频差和频率偏移速率；
[0063]
2)在频率恢复阶段，需要减小惯性增益以加快频率的恢复速度；
[0064]
3)在电网受到反向连续功率扰动，且在功率扰动方向与频率偏移方向相同的特殊阶段，需要减小下垂增益以阻碍电网功率偏差的增大。
[0065]
进一步地，步骤b中所述的电网的动态频率响应模型参见图4，当电网受到功率扰动时，其频率将会随之发生偏移，此时，由火电机组和风储联合系统共同参与电网一次调频，为电网提供功率支撑。电网的频率偏差和功率偏差之间存在如下关系：
[0066][0067]
式中：m
eq
、d
eq
分别为电网的惯性时间常数和阻尼系数；δp0为初始扰动；δpg、δp
wt
分别为一次调频中火电机组和风储联合系统提供的支撑功率；δf为电网频率偏差；式中的功率和频率均采用标幺值。
[0068]
本实施例中电网的动态频率响应模型详细参数如表1所示。
[0069]
表1模型具体参数
[0070]
。
[0071][0072]
进一步地，步骤b所述的得到电网的动态频率响应传递函数，包括：
[0073]
建立火电机组和风储联合系统在一次调频中的传递函数为：
[0074][0075]
其中：
[0076]
联立上述三个公式，即可得到电网的动态频率响应传递函数：
[0077][0078]
式中：hg、h
wt
分别为火电机组和风储联合系统在一次调频中的传递函数；δg为火电机组一次调频调差率；tg、t
ch
、t
rh
分别为火电机组的调速器时间常数、汽轮机时间常数、再热时间常数；f
hp
为火电机组再热常数；k
p
、kd分别为一次调频中风储联合系统的下垂增益和惯性增益；t
wt
为风储联合系统一次调频动作的时间常数。上述参数中，k
p
、kd、t
wt
为可变参数，可通过修改调频策略进行动态调整，其他参数为不可变参数，由系统固有特性决定。
[0079]
进一步地，步骤c中所述的针对电网的调频需求，提出风储联合系统的自适应参数控制原则，建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，根据风储联合系统在
一次调频中的传递函数，对风储联合系统一次调频性能进行优化，包括：
[0080]
风储联合系统自适应参数调整原则如表2所示。
[0081]
表2参数调整原则
[0082][0083]
上表中，δp0、δf、df/dt是自变量，电网动态频率响应的阶段由这些变量的正、负、零状态进行划分，k
p
、kd是因变量，根据阶段的变化进行实时调整，自变量与因变量的关系为：
[0084][0085]
基于上述关系，建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，如图5所示，输入电网功率偏差和频率偏差的数值，并风储联合系统中的储能设备和风电机组分别提供下垂功率支撑和惯性功率支撑，风储联合系统所提供的功率支撑经惯性环节后输出到电网中。图5中：k
p0
、k
d0
分别为可变参数k
p
、kd的基准值，在调频过程中始终为定值；λ
p
、λd分别为k
p
、kd的调整系数，取值范围为[-1,1]，可根据系统状态进行自适应调整。k
p
、kd可变参数的最终取值由基准值与调整系数相乘得到，在发明所提的方法中，k
p
、kd的调整系数λ
p
、λd的整定方法如下：
[0086]kp
、kd的调整系数λ
p
、λd的整定方法为：
[0087][0088][0089][0090]
为验证本发明所提策略的有效性，本实施例将设置三种调频方案进行算例分析，并对比其实施效果：
[0091]
方案1：电网仅通过火电机组实现一次调频，不考虑风储联合系统参与电网一次调频；
[0092]
方案2：考虑风储联合系统参与一次调频，但不考虑调频参数的自适应控制；
[0093]
方案3(本发明方法)：考虑风储联合系统参与一次调频，且采用自适应参数控制策略；
[0094]
在电网受到扰动时，分别采用上述三种的调频方法进行一次调频，并分析其实施效果。
[0095]
(1)单一扰动下的实施效果分析
[0096]
在单一扰动的算例分析中，参见图1，设电网在5s时受到一个0.1pu的负荷阶跃扰动，则方案1-3下电网的动态频率响应曲线如图6所示。
[0097]
由仿真结果可知，在大小为0.1pu的功率突增扰动中，方案1-3的最大频差分别为0.46hz、0.13hz、0.13hz，频率下跌速度分别为0.268hz/s、0.068hz/s、0.068hz/s。对比方案1、方案2可知：当风储联合系统参与一次调频时，由于电网等效下垂增益和等效惯性增益的增加，电网的最大频差、稳态频差和频率偏移速率都明显减小，电网在动态频率响应方面的表现更好。对比方案2、方案3可以发现：在频率恢复阶段，方案2的惯性增益为正，此时风电机组的惯性将阻碍电网频率的变化，延长频率恢复时间，而采用自适应参数控制的本发明方法在该阶段的惯性增益为负，此时风电机组的惯性将促进电网频率的变化，加速频率的恢复。
[0098]
(2)连续扰动下的实施效果分析
[0099]
在连续扰动的算例分析中，本实施例将分析如图2、3所示的两种连续扰动情形，分别为：(a)设电网在5s时受到一个0.1pu的负荷阶跃扰动，在10s时受到一个0.05pu的负荷阶跃扰动；(b)设电网在5s时受到一个0.1pu的负荷阶跃扰动，在10s时受到一个-0.15pu的负荷阶跃扰动。采用方案1-3优化，电网在两种情形中的动态频率响应曲线如图7、8所示。不同方案在频率响应中的实施效果如表3所示。
[0100]
表3一次调频效果对比
[0101][0102]
[0103]
表3中所提的频率偏移速率为：从扰动发生时开始，直到到出现最大频差这段时间电网频率变化的平均速率，具体计算方法如下：
[0104][0105]
式中：vf为频率偏移速率；td、tm分别为扰动发生时间和最大频差出现时间；f(t)为电网t时刻的频率值。
[0106]
由图7-8中可以直观地看出：风储联合系统参与电网一次调频后，电网的最大频差和稳态频差都有显著的减小，动态频率响应表现得到了明显的提升。进一步对比方案2、方案3的曲线并结合表3的数据可知：在连续扰动情况下，当采用本发明自适应参数调整策略后，在情形(a)中，电网的频率偏移速率下降了37.14％，最大频差下降了2.91％；在情形(b)中，由于特殊阶段的存在，本发明方法的优化效果更加明显，电网的频率偏移速率下降了49.02％，最大频差下降了11.34％。
[0107]
综上所述，在电网发生功率扰动时，本发明所提的考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频性能优化方法可以优化电力系统在动态频率响应过程中的表现，特别是在发生连续扰动时，优化效果更为明显。
[0108]
一种考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频性能优化装置，包括：
[0109]
调频需求分析模块，对电网在单一、连续扰动下的动态频率响应过程进行阶段划分，获得电网在频率响应不同阶段下的调频需求；
[0110]
函数构建模块，考虑风储联合系统参与电网调频，建立电网的动态频率响应模型，得到电网的动态频率响应传递函数；
[0111]
性能优化模块，针对电网的调频需求，提出风储联合系统的自适应参数控制原则，建立考虑自适应参数控制的风储联合系统一次调频模型，对风储联合系统一次调频性能进行优化。
[0112]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。
[0113]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法步骤。
[0114]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。