大功率缺失下主動(dòng)頻率響應(yīng)控制初探

李衛(wèi)東, 晉萃萃, 溫可瑞, 申家鍇, 劉 柳

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院, 遼寧省大連市 116024)

0 引言

在特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)逐漸成型、新能源大規(guī)模接入的背景下,電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小、一次調(diào)頻能力減弱且面臨的大功率缺失故障風(fēng)險(xiǎn)增加,系統(tǒng)頻率安全穩(wěn)定形勢(shì)極為嚴(yán)峻[1-8],頻率穩(wěn)定控制問題受到了廣泛關(guān)注。擾動(dòng)后秒至分鐘級(jí)時(shí)間尺度,即頻率響應(yīng)(一次調(diào)頻)的作用期間,是決定頻率穩(wěn)定與否的關(guān)鍵階段,歷來為工程界和學(xué)術(shù)界所關(guān)注[9]。

頻率穩(wěn)定的本質(zhì)是在擾動(dòng)后秒至分鐘級(jí)時(shí)間尺度的有功功率平衡,其發(fā)展過程和穩(wěn)定與否取決于“攻防”兩端的勢(shì)力對(duì)比?！肮ァ睂?duì)應(yīng)于功率不平衡數(shù)量,“防”對(duì)應(yīng)于故障前、故障后針對(duì)有功平衡控制的各種行為,包括:故障前的頻率調(diào)整控制,使系統(tǒng)運(yùn)行頻率處在高位(送端電網(wǎng)處于低位),以提升系統(tǒng)抗沖擊能力,屬預(yù)防控制[10];故障時(shí)相繼作用的系統(tǒng)慣性、繼電保護(hù)切除故障和隨后介入的頻率響應(yīng)控制,上述措施未能有效遏制頻率下降而投入的低頻減載或高頻切機(jī)[11],以及頻率恢復(fù)穩(wěn)定過程中的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)和事故備用調(diào)用控制,這些均屬于校正控制。

“攻”側(cè),特高壓交直流輸電線路的輸送功率數(shù)量日漸提升,清潔高效的巨型火電和核電機(jī)組逐步代替了污染低效的小火電機(jī)組[12-13],單一元件故障所引起的功率失衡數(shù)量大幅增加;相對(duì)較差的環(huán)境,加之直流線路積污速度快,導(dǎo)致特高壓輸電線路直流單極閉鎖故障率較高?！胺馈眰?cè),一方面,容量占比不斷提升的可再生能源擠占了常規(guī)火電機(jī)組的發(fā)電空間,導(dǎo)致常規(guī)機(jī)組并網(wǎng)數(shù)量減少,從而造成系統(tǒng)慣性和頻率響應(yīng)能力的持續(xù)下降,這會(huì)帶來以下結(jié)果:①使正常運(yùn)行狀態(tài)下頻率偏差整體加大,導(dǎo)致故障前頻率處于低位的概率大幅上升;②使故障后頻率下降速率提升,同時(shí)由于頻率響應(yīng)能力下降所造成頻率下降遏制能力的降低,導(dǎo)致低頻減載或高頻切機(jī)措施投入的風(fēng)險(xiǎn)增加。另一方面,隨著輸電、電力電子和通信等技術(shù)的不斷發(fā)展,電力體制改革不斷縱深化推進(jìn),主動(dòng)負(fù)荷控制、儲(chǔ)能(包括電動(dòng)汽車)等技術(shù)日漸成熟,新型種類發(fā)電(如燃?xì)獾?機(jī)組、主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)(如虛擬發(fā)電機(jī)和精準(zhǔn)切負(fù)荷等)、儲(chǔ)能設(shè)備(儲(chǔ)能電站和電動(dòng)汽車電池等),以及直流輸電線路功率調(diào)制等將會(huì)成為新的頻率響應(yīng)控制成熟手段,未來電網(wǎng)的頻率響應(yīng)控制手段將日趨豐富。

目前,為保證整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行安全和運(yùn)行品質(zhì),頻率響應(yīng)被設(shè)置為跨區(qū)無償相互支援的功能,是所有發(fā)電單元必備的輸電輔助服務(wù);無論是大擾動(dòng)還是小擾動(dòng),現(xiàn)有頻率響應(yīng)控制模式均為控制結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的依據(jù)本地頻差的分散自主控制,能夠?qū)崿F(xiàn)任意功率缺失規(guī)模的比例反饋控制?；ヂ?lián)電網(wǎng)分布地域遼闊導(dǎo)致動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)時(shí)空分布特征顯著,這也天然地造成分散在廣域電網(wǎng)中各個(gè)發(fā)電機(jī)組的頻率響應(yīng)不能同步啟動(dòng);系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力是所有發(fā)電機(jī)組與負(fù)荷頻率響應(yīng)能力的綜合,各發(fā)電機(jī)組間頻率響應(yīng)不同步會(huì)降低頻率響應(yīng)整體作用效果。

大擾動(dòng)下最受關(guān)注的是頻率波動(dòng)的最低點(diǎn),因其決定低頻減載的啟動(dòng)與否。從擾動(dòng)發(fā)生到頻率下降至最低點(diǎn)時(shí)間短暫,一般以秒計(jì)。頻率響應(yīng)的作用是在系統(tǒng)經(jīng)受大功率擾動(dòng)下的頻率快速下降時(shí)段迅速補(bǔ)充功率缺失,對(duì)頻率下降實(shí)施有效攔截,在避免低頻減載啟動(dòng)的同時(shí),為后續(xù)緩慢調(diào)節(jié)手段的投入贏得時(shí)間。由于擾動(dòng)后頻率快速下降時(shí)間短暫,在此期間若能提高頻率響應(yīng)的執(zhí)行速度,即使提升作用有限,也可能會(huì)有效改善頻率波動(dòng)暫態(tài)過程,從而避免低頻減載的發(fā)生,有利于保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定,維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行安全。

針對(duì)此,本文開展大擾動(dòng)下頻率響應(yīng)控制研究,提出一種主動(dòng)頻率響應(yīng)控制框架,通過多種類型頻率控制手段的集中控制與協(xié)調(diào),以充分利用其控制效能,有效提升系統(tǒng)整體頻率響應(yīng)控制能力,從而改善大擾動(dòng)下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定緊張局面。

1 問題緣起

現(xiàn)有電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)主要由加裝了調(diào)速器的發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn),控制依據(jù)是本地頻率偏差,為反饋校正控制,且屬于分散控制范疇[14]。由于該控制方式是在頻率出現(xiàn)偏差后才開始實(shí)施,故本文稱其為“被動(dòng)頻率響應(yīng)”。在該控制方式下,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大功率缺失故障后,所產(chǎn)生的功率缺額按電氣距離被分配到各發(fā)電機(jī)組?？拷收宵c(diǎn)的發(fā)電機(jī)由于分配數(shù)量較大,轉(zhuǎn)速下降較為明顯,頻率跌落較快,而遠(yuǎn)離故障點(diǎn)的機(jī)組頻率下降則較為緩慢,這就導(dǎo)致電網(wǎng)中各點(diǎn)頻率變化不一致,使得系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的頻率呈現(xiàn)出較為明顯的時(shí)空分布特征[15-17]。

因此,在現(xiàn)有被動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略下,系統(tǒng)內(nèi)所有機(jī)組的頻率響應(yīng)不僅啟動(dòng)時(shí)刻不一樣,而且所依據(jù)的頻差亦不相同?？拷收宵c(diǎn)處機(jī)組的頻率響應(yīng)能力發(fā)揮較為充分,而其他位置的發(fā)電機(jī)組未發(fā)揮或只發(fā)揮出部分頻率響應(yīng)能力。

系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力是所有發(fā)電機(jī)組與負(fù)荷頻率響應(yīng)能力的綜合。若能采取措施使得系統(tǒng)內(nèi)所有機(jī)組同步且快速響應(yīng),則可有效發(fā)揮系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組的頻率響應(yīng)能力,提升故障后頻率最低點(diǎn),提高頻率穩(wěn)定性,從而避免低頻減載和解列事故的發(fā)生,保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。

2 策略內(nèi)涵

2.1 主動(dòng)頻率響應(yīng)

被動(dòng)頻率響應(yīng)均是基于本地頻差的分散控制,當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模大造成頻率時(shí)空分布特性較為顯著時(shí),該策略的實(shí)施效果具有一定的局限性。

隨著電網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展,基于同步相量測(cè)量單元(PMU)的廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS),不僅能提供高密度精準(zhǔn)頻率采樣數(shù)據(jù),還能實(shí)現(xiàn)頻差信號(hào)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳播,這些均為發(fā)電機(jī)組頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)由分散控制到集中控制的轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

集中控制下,距擾動(dòng)點(diǎn)較遠(yuǎn)機(jī)組能夠依據(jù)擾動(dòng)點(diǎn)參量動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)所有機(jī)組頻率響應(yīng)的同步控制,以快速且充分地發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)潛力,從而更好地保證系統(tǒng)運(yùn)行安全與穩(wěn)定。

在這種控制方式下,由于頻率響應(yīng)是依據(jù)擾動(dòng)處信息,按照制定好的控制參數(shù)進(jìn)行主動(dòng)控制,故將這種頻率響應(yīng)方式稱為“主動(dòng)頻率響應(yīng)”,這種方式下的控制策略稱為“主動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略”。

2.2 策略可行性分析

2.2.1通信條件

傳統(tǒng)的頻率響應(yīng)控制由于只需要本地信號(hào),因此對(duì)通信條件要求不高。而主動(dòng)頻率響應(yīng)控制由于需要將外地(相距可長達(dá)數(shù)千公里)參量通過信道傳輸?shù)奖镜?因此對(duì)通信條件提出了更高的要求。

目前中國電網(wǎng)所有500 kV及以上電壓等級(jí)和大部分220 kV變電站均安裝了PMU[18-19],電力通信專網(wǎng)的光纖覆蓋率達(dá)到100%,其所具有的快速數(shù)據(jù)采樣刷新時(shí)間及高速、實(shí)時(shí)與高可靠特性,可滿足主動(dòng)頻率響應(yīng)控制的在線同步高密度測(cè)量與高效通信需求。

2.2.2頻差時(shí)延與最大頻差差異

擾動(dòng)發(fā)生后頻率波動(dòng)的時(shí)間延遲,即頻差時(shí)延,可從兩個(gè)方面考量:①不同節(jié)點(diǎn)頻差到“頻率響應(yīng)死區(qū)”數(shù)值時(shí)刻之間的延時(shí),即響應(yīng)延時(shí),決定不同機(jī)組頻率響應(yīng)啟動(dòng)時(shí)刻的差異;②不同節(jié)點(diǎn)頻差到最低值時(shí)刻的延時(shí),即最低值延時(shí),決定機(jī)組頻率響應(yīng)能力充分發(fā)揮的快慢。而擾動(dòng)發(fā)生后各機(jī)組所在節(jié)點(diǎn)最低頻率的差異,即最大頻差差異,可導(dǎo)致遠(yuǎn)離擾動(dòng)發(fā)生地點(diǎn)機(jī)組的頻率響應(yīng)能力不能充分發(fā)揮。

1)響應(yīng)延時(shí)。廣域電力系統(tǒng)的運(yùn)行頻率具有明顯的時(shí)空分布特性,頻差在空間上從擾動(dòng)中心向電網(wǎng)傳播,速度遠(yuǎn)低于光速[15]。因此,當(dāng)發(fā)生故障時(shí),擾動(dòng)中心與其他區(qū)域的頻差到達(dá)同一頻差數(shù)值并非同步而是具有時(shí)延,即各觀測(cè)點(diǎn)頻差通過“頻率響應(yīng)死區(qū)”的時(shí)間不同,具有響應(yīng)延時(shí)。附錄A表A1給出了不同系統(tǒng)中發(fā)生擾動(dòng)后頻率波動(dòng)延時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?國內(nèi)外所觀測(cè)到的頻率響應(yīng)延時(shí)均較為可觀,甚至可達(dá)到2.337 5 s。而在擾動(dòng)發(fā)生后,頻率從開始下降到降至最低點(diǎn)一般是3 s左右[20],若采用主動(dòng)控制,可顯著提高機(jī)組頻率響應(yīng)啟動(dòng)速度。

2)最低值延時(shí)。擾動(dòng)后各節(jié)點(diǎn)頻差到達(dá)最大值時(shí)刻亦不相同,呈現(xiàn)近擾動(dòng)點(diǎn)快而遠(yuǎn)擾動(dòng)點(diǎn)慢的格局,這導(dǎo)致相關(guān)機(jī)組到達(dá)最大頻率響應(yīng)能力的時(shí)刻有延時(shí),表現(xiàn)為遠(yuǎn)離擾動(dòng)點(diǎn)機(jī)組的頻率響應(yīng)較為緩慢。若采用主動(dòng)控制,可提高系統(tǒng)整體的頻率響應(yīng)能力的發(fā)揮。

3)最大頻差差異。傳統(tǒng)的被動(dòng)頻率響應(yīng)下各機(jī)組出力調(diào)節(jié)量與本地頻差成正比關(guān)系。擾動(dòng)后各節(jié)點(diǎn)頻差最大值不同,呈現(xiàn)近擾動(dòng)點(diǎn)大而遠(yuǎn)擾動(dòng)點(diǎn)小的格局,這造成遠(yuǎn)離擾動(dòng)點(diǎn)機(jī)組受限于控制信號(hào)而調(diào)節(jié)量較小,表現(xiàn)為遠(yuǎn)離擾動(dòng)點(diǎn)機(jī)組的頻率響應(yīng)能力發(fā)揮不充分。若采用主動(dòng)控制,則遠(yuǎn)離擾動(dòng)點(diǎn)機(jī)組依據(jù)擾動(dòng)點(diǎn)頻差動(dòng)作,可有效提高遠(yuǎn)離擾動(dòng)點(diǎn)機(jī)組的頻率響應(yīng)啟動(dòng)速度。

2.3 控制方案

2.3.1控制框架

被動(dòng)頻率響應(yīng)為反饋控制,所依據(jù)的控制參量為本地頻差,因此,其控制結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,無需復(fù)雜的控制策略;主動(dòng)頻率響應(yīng),其控制所依據(jù)的參量可以是擾動(dòng)點(diǎn)、本地或系統(tǒng)其他點(diǎn)的運(yùn)行參量。

大功率缺失下系統(tǒng)頻率下降很快,為避免低頻減載等事件的發(fā)生,要求頻率響應(yīng)控制具有快速性。而現(xiàn)有依據(jù)頻差這一連續(xù)量為控制依據(jù)的反饋控制方式,由于需要采樣、比較等環(huán)節(jié),控制時(shí)效性較差。大功率缺失下的頻率響應(yīng)控制應(yīng)該分秒必爭(zhēng),因此,可依據(jù)擾動(dòng)嚴(yán)重程度,確定控制所依據(jù)的參量(如表示故障事件發(fā)生與否的邏輯量或頻差數(shù)值量)、采取的控制方式(如前饋或反饋控制)等,在控制的時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性間進(jìn)行權(quán)衡。

顯然,依據(jù)本地量控制只能考慮局部區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定問題,而依據(jù)外地量控制可計(jì)及系統(tǒng)頻差時(shí)空分布特性,能夠從全局出發(fā)考慮整個(gè)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性問題。如附錄A圖A1所示,大擾動(dòng)下的頻率波動(dòng)及演變過程可大體分為兩階段:頻率下降階段和頻率恢復(fù)階段。在系統(tǒng)運(yùn)行頻率演變過程的不同階段,對(duì)頻率響應(yīng)控制的要求亦不相同。在頻率下降階段對(duì)頻率響應(yīng)的要求是快速性,故其控制應(yīng)該采用主動(dòng)頻率響應(yīng)的事件前饋控制方式;而在頻率恢復(fù)階段,因頻率已被攔截,此時(shí)對(duì)頻率響應(yīng)的要求由快速性轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)確性,因此,控制方式應(yīng)該轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?dòng)頻率響應(yīng)的參量反饋控制方式。

無論采用前饋還是反饋控制,其控制所依據(jù)的參量均取決于當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。因頻率響應(yīng)模型復(fù)雜,頻率響應(yīng)過程分析涉及微分方程解算,難以實(shí)現(xiàn)在線分析與控制,故可采用離線分析、在線應(yīng)用的方式予以解決。具體方案如下。

離線分析時(shí),首先依據(jù)被選定的頻率穩(wěn)定相關(guān)狀態(tài)量對(duì)所有可能發(fā)生的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行聚類,形成若干典型場(chǎng)景;然后對(duì)上述典型場(chǎng)景進(jìn)行分析,明確各場(chǎng)景的頻率穩(wěn)定緊急程度;據(jù)此確定每類場(chǎng)景應(yīng)采取的主動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略,形成控制決策表?？刂茮Q策表是控制策略的具體實(shí)施方案。

在線應(yīng)用中,先將當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行場(chǎng)景歸屬辨識(shí),明確其場(chǎng)景歸屬,確定歸屬場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)的控制決策表為基礎(chǔ)控制決策表;依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)與所屬場(chǎng)景的偏差進(jìn)行靈敏度分析,對(duì)基礎(chǔ)控制決策表進(jìn)行修正,從而得到當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的主動(dòng)頻率響應(yīng)控制決策表;若當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生故障,則依據(jù)控制決策表進(jìn)行頻率響應(yīng)控制,否則進(jìn)行下一時(shí)段運(yùn)行方式分析,重復(fù)上述過程。

上述主動(dòng)頻率響應(yīng)控制框架具體內(nèi)容如圖1所示,其中各環(huán)節(jié)內(nèi)涵分析見2.3.2節(jié)。

圖1 主動(dòng)頻率響應(yīng)控制框架Fig.1 Control framework of active frequency response

大功率缺失下主動(dòng)頻率響應(yīng)控制,可實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)控制由被動(dòng)控制向主動(dòng)控制、由參量控制向事件控制、由連續(xù)量控制向邏輯量控制、由反饋控制向前饋控制或反饋與前饋組合控制的轉(zhuǎn)變,為更好地優(yōu)化協(xié)調(diào)各類頻率調(diào)節(jié)手段,從而為提高系統(tǒng)整體頻率響應(yīng)能力提供理論參考。

2.3.2各環(huán)節(jié)內(nèi)涵分析

1)離線分析

典型場(chǎng)景的形成,是利用頻率響應(yīng)“攻”“防”兩端可量測(cè)特征量進(jìn)行頻率穩(wěn)定計(jì)算、分析與對(duì)比,依據(jù)所制定的規(guī)則對(duì)所有運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行場(chǎng)景聚類,以便于后續(xù)工作簡(jiǎn)化運(yùn)算量、提高控制效率。

同一典型場(chǎng)景中所包含的所有運(yùn)行狀態(tài)均可采用同一種控制策略,與同一張控制決策表對(duì)應(yīng),即典型場(chǎng)景、控制策略與控制決策表之間一一對(duì)應(yīng)。

控制決策表內(nèi)容包括:系統(tǒng)同步區(qū)劃分(所轄機(jī)組聚合群屬劃分)、被控機(jī)組分群歸屬、控制方式(前饋或反饋)選取、控制依據(jù)參量(事件邏輯量或數(shù)值參量)選取、啟動(dòng)依據(jù)參量(本地量或外地量)位置選取、閾值數(shù)量確定。

關(guān)于故障緊急程度的劃分,可依據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程對(duì)系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析,可將動(dòng)態(tài)過程中頻率響應(yīng)最低點(diǎn)與系統(tǒng)低頻減載啟動(dòng)頻率之間的距離作為緊急程度劃分的依據(jù),二者之間距離越近,緊急程度等級(jí)越高,對(duì)頻率響應(yīng)快速性要求就越高。關(guān)于頻率同步區(qū)的劃分,可依據(jù)電氣位置將機(jī)組進(jìn)行分群,同一群屬內(nèi)的機(jī)組近似同步,故所采用的控制策略相同。此舉可簡(jiǎn)化分析內(nèi)容,降低控制工作量。

2)頻率響應(yīng)態(tài)勢(shì)在線監(jiān)測(cè)

依據(jù)“源—網(wǎng)—荷”相關(guān)參量對(duì)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行場(chǎng)景在線匹配,確定其所屬場(chǎng)景類型;利用“攻”“防”對(duì)比分析,明確頻率響應(yīng)態(tài)勢(shì)。一方面,其可為調(diào)度進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防控制(如運(yùn)行方式調(diào)整、備用容量調(diào)度等)提供依據(jù),另一方面也可為故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行頻率響應(yīng)控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3)決策表在線更新

現(xiàn)有運(yùn)行狀態(tài)與典型運(yùn)行場(chǎng)景并非完全相同,相差較大時(shí)直接應(yīng)用典型運(yùn)行場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的控制決策表,可能會(huì)產(chǎn)生較大偏差,難以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。

典型運(yùn)行場(chǎng)景和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)均是由若干狀態(tài)量所組成的向量來描述。由于當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)量所對(duì)應(yīng)的向量和其所匹配典型運(yùn)行場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)的向量之間距離較短,二者所對(duì)應(yīng)決策表中相關(guān)控制參量之間的差與二者所對(duì)應(yīng)向量之間的差可被認(rèn)為是線性關(guān)系。因此,可以利用兩個(gè)向量之間的差,依據(jù)靈敏度分析對(duì)典型運(yùn)行場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)的決策表進(jìn)行修正,以得到當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的控制決策表。

為保證實(shí)時(shí)應(yīng)用的快速性,對(duì)每個(gè)典型運(yùn)行場(chǎng)景都要通過離線分析,形成決策表中控制參量與運(yùn)行狀態(tài)向量偏差間的靈敏度,提高實(shí)時(shí)計(jì)算速度。

4)控制策略實(shí)時(shí)選擇

根據(jù)上述3個(gè)步驟的工作,對(duì)應(yīng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)均會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的控制決策表。此時(shí)一旦發(fā)生故障,調(diào)度人員即可應(yīng)用更新后的控制決策表,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.4 控制策略

2.4.1控制要素分析

關(guān)于頻率響應(yīng)控制啟動(dòng)的依據(jù),若采用參量控制,則所依據(jù)的量為數(shù)值量,如頻差，其優(yōu)點(diǎn)是控制較為準(zhǔn)確,但由于需要判斷是否超過啟動(dòng)死區(qū),涉及參量值比較等環(huán)節(jié),故控制啟動(dòng)速度相對(duì)較慢；若采用事件控制,則所依據(jù)的量為描述事件是否發(fā)生的邏輯量,其優(yōu)點(diǎn)是控制啟動(dòng)速度較快，存在的問題是控制所依據(jù)的參量需通過預(yù)測(cè)獲取。

關(guān)于控制所依據(jù)參量的選取,有外地參量與本地參量兩種形式。若依據(jù)外地參量進(jìn)行控制,則無論啟動(dòng)依據(jù)是數(shù)值量還是邏輯量,其特點(diǎn)是啟動(dòng)速度快,有利于故障后頻率下降區(qū)對(duì)頻率快速下降的有效攔截;但由于控制所依據(jù)的參量為非本地量,則在故障后頻率恢復(fù)時(shí)段存在控制偏差,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。若依據(jù)本地量進(jìn)行控制,則在上述兩種啟動(dòng)依據(jù)方式下,優(yōu)點(diǎn)是局部頻率控制偏差較小,不足之處是難以從全局出發(fā)對(duì)整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。關(guān)于控制方式的選取,若采用反饋控制,由于該方式可隨時(shí)依據(jù)擾動(dòng)所引起的偏差實(shí)時(shí)控制,則其控制精度較高;若采用前饋控制,則由于該方式能夠在擾動(dòng)發(fā)生后頻率偏差出現(xiàn)前開始動(dòng)作,因此控制速度較快,可有效抑制擾動(dòng)引起的偏差,但由于該方式是依據(jù)離線分析結(jié)果進(jìn)行控制,系統(tǒng)抗擾動(dòng)性差,控制精度可能會(huì)受到影響。

主動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略的制定,應(yīng)綜合上述不同頻率響應(yīng)控制依據(jù)、參量、方式的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)所分析場(chǎng)景的頻率穩(wěn)定嚴(yán)重程度所對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)需求,對(duì)上述控制依據(jù)、參量和方式等進(jìn)行組合,以達(dá)到最佳控制效果。

2.4.2控制策略制定

假定擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)本地頻差為Δfr,到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)間為tnadir,其頻差數(shù)值為Δff-nadir,控制依據(jù)參量為cA,非擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)本地頻差為Δfl,控制依據(jù)參量為cB,主—被動(dòng)頻率響應(yīng)復(fù)合控制加權(quán)系數(shù)為α和γ,且α,γ∈(0,1]。

2.4.2.1 擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)的控制元件

控制策略較為簡(jiǎn)單,可根據(jù)所發(fā)生擾動(dòng)的嚴(yán)重程度選擇控制啟動(dòng)依據(jù)參量,其控制策略可設(shè)計(jì)為以下兩類。

偉翔囈語著：“對(duì)不起，我放你走！”我的淚又涌出了眼角，站起來想走。我的手被緊緊地抓住，偉翔說：“曉薇，別走。”

1)若故障嚴(yán)重程度較低,則控制啟動(dòng)依據(jù)參量可選擇頻差參量,即參量啟動(dòng)方式,采用反饋控制進(jìn)行控制,cA=Δfr。

2)若故障嚴(yán)重程度較高,為提高控制效果,可采用事件啟動(dòng)的前饋控制方式進(jìn)行控制,即在頻率下降階段采用預(yù)測(cè)頻差值進(jìn)行前饋控制,其預(yù)測(cè)值通過被動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略中擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)最大頻差值離線確定,而在頻率恢復(fù)階段依據(jù)本地頻差進(jìn)行反饋控制,即

(1)

2.4.2.2 非擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)的控制元件

在擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)采用參量控制的情況下,非擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)控制元件的參量控制策略可設(shè)計(jì)為如下4種。

1)被動(dòng)頻率響應(yīng)控制,即依據(jù)本地頻差進(jìn)行反饋控制,cB=Δfl。

2)主動(dòng)頻率響應(yīng)控制,即依據(jù)擾動(dòng)點(diǎn)頻差進(jìn)行局部前饋控制(全局反饋控制),cB=Δfr。

3)主—被動(dòng)頻率響應(yīng)復(fù)合控制,即依據(jù)擾動(dòng)點(diǎn)和本地頻差加權(quán)組合的數(shù)值進(jìn)行控制,因依據(jù)擾動(dòng)點(diǎn)動(dòng)作可提高頻率響應(yīng)快速性,依據(jù)本地頻差動(dòng)作可提高頻率響應(yīng)恢復(fù)的準(zhǔn)確性,故可根據(jù)系統(tǒng)在特定場(chǎng)景下對(duì)頻率響應(yīng)的快速性與準(zhǔn)確性要求，通過調(diào)整各加權(quán)系數(shù)協(xié)調(diào)控制目標(biāo),cB=αΔfr+γΔfl,α,γ∈(0,1]。

(2)

在擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)采用事件控制的情況下,非擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)采用與擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)事件控制相同的控制策略,即

(3)

3 仿真算例

3.1 仿真系統(tǒng)及相關(guān)說明

為比較分析主動(dòng)頻率響應(yīng)控制與被動(dòng)頻率響應(yīng)控制仿真效果,本文以目前的主流頻率響應(yīng)控制手段——常規(guī)發(fā)電機(jī)組為例進(jìn)行分析(頻率響應(yīng)控制手段還包含新型各種發(fā)電機(jī)組、面向頻率響應(yīng)的直流調(diào)制手段、主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)、處于研制階段的儲(chǔ)能調(diào)頻等),使用Simulink對(duì)一個(gè)兩區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行仿真,具體如附錄A圖A2所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算,采用集中參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

仿真系統(tǒng)中,B區(qū)機(jī)組容量是A區(qū)機(jī)組容量的3倍,系統(tǒng)頻率、功率和機(jī)組參數(shù)等均以50 Hz和A區(qū)機(jī)組額定容量為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值表示。機(jī)組模型選用系統(tǒng)頻率響應(yīng)(SFR)模型,具體結(jié)構(gòu)如附錄A圖A3所示[21],相關(guān)參數(shù)見附錄A表A2。

在估計(jì)擾動(dòng)后系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)頻率響應(yīng)延時(shí)時(shí),本文使用擾動(dòng)點(diǎn)頻率在頻率下降時(shí)段從起始頻率下降0.033 Hz的時(shí)刻作為頻率響應(yīng)延時(shí)檢測(cè)時(shí)刻。需要指出，關(guān)于發(fā)電機(jī)組頻率響應(yīng)控制死區(qū)的設(shè)置如下:①電液型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機(jī)組一次調(diào)頻的死區(qū)控制在±0.033 Hz(±2 r/min)內(nèi);②機(jī)械、液壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機(jī)組一次調(diào)頻的死區(qū)控制在±0.10 Hz(±6 r/min)內(nèi);③水電機(jī)組一次調(diào)頻的死區(qū)控制在±0.05 Hz內(nèi)。

應(yīng)該說明的是:為突出一次調(diào)頻過程的仿真效果,在仿真設(shè)計(jì)時(shí),不考慮AGC,即二次調(diào)頻環(huán)節(jié)。

3.2 不同控制策略下的控制效果仿真比較

仿真運(yùn)行場(chǎng)景如下:系統(tǒng)擾動(dòng)前處于穩(wěn)定狀態(tài),運(yùn)行頻率為50 Hz,區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線同步系數(shù)為5。在t=2 s時(shí)A區(qū)發(fā)生擾動(dòng),擾動(dòng)量為A區(qū)容量的10%,且A區(qū)頻差為ΔfA,B區(qū)頻差為ΔfB。

3.2.1控制策略

3.2.1.1 參量控制

擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū),即A區(qū)機(jī)組采用依據(jù)ΔfA的局部反饋控制方式。非擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū),即B區(qū)機(jī)組所采用的控制策略如下。

1)被動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略(策略1):依據(jù)ΔfB的反饋控制。

2)主動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略(策略2):依據(jù)ΔfA進(jìn)行局部前饋控制(全局反饋控制)。

3)主—被動(dòng)頻率響應(yīng)復(fù)合控制策略(策略3):依據(jù)擾動(dòng)點(diǎn)和本地頻差加權(quán)組合的數(shù)值c=αΔfA+γΔfB,(α，γ∈(0,1])進(jìn)行控制。

4)主—被動(dòng)頻率響應(yīng)切換控制策略(策略4):在頻率下降階段依據(jù)ΔfA控制,在頻率恢復(fù)階段依據(jù)ΔfB控制。

3.2.1.2 事件控制

主動(dòng)頻率響應(yīng)事件控制策略(策略5):擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)與非擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū),即A區(qū)與B區(qū)機(jī)組在頻率響應(yīng)下降階段依據(jù)預(yù)測(cè)值ΔfA-nadir進(jìn)行前饋控制,在頻率恢復(fù)階段分別依據(jù)各自本地頻差ΔfA與ΔfB進(jìn)行反饋控制。

3.2.2仿真結(jié)果及對(duì)比分析

1)主動(dòng)頻率響應(yīng)控制實(shí)施空間

頻率時(shí)空分布特性對(duì)策略1實(shí)施具有影響,導(dǎo)致各機(jī)組動(dòng)作時(shí)間不同,該控制方式下系統(tǒng)頻率變化過程如附錄A圖A4所示。

從仿真結(jié)果可知,發(fā)生擾動(dòng)后,在策略1下,系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定速度快,B區(qū)機(jī)組較A區(qū)機(jī)組頻率響應(yīng)延時(shí)為1.184 s，到達(dá)最低值延時(shí)為2.031 s,這些為主動(dòng)頻率響應(yīng)相關(guān)控制策略的實(shí)施提供了空間。

2)5種策略仿真結(jié)果對(duì)比分析

采用上述5種控制策略仿真,其中策略3加權(quán)系數(shù)取α=γ=1,觀察5種策略下A和B區(qū)的頻率變化過程,仿真結(jié)果如圖2所示。

3)策略3不同加權(quán)系數(shù)對(duì)比分析

調(diào)整加權(quán)系數(shù)α和γ取值,觀察策略3下A和B區(qū)的頻率變化過程,仿真結(jié)果如附錄A圖A5、圖A6所示。仿真結(jié)果中A和B區(qū)具體頻率、時(shí)間數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 5種策略下A和B區(qū)頻率變化過程Fig.2 Frequency variation process of area A and B under five strategies

表1 擾動(dòng)為10%時(shí)5種策略控制效果比較Table 1 Comparison of control effects of five strategies with 10% disturbance

比較分析可知,策略2、策略3(α=1,γ=1)和策略4這3種參量控制方式對(duì)A區(qū)最低點(diǎn)頻率提升效果相同,較策略1提高0.014 Hz,策略5作為事件控制方式較策略1提高0.033 Hz,提升效果最好,共同點(diǎn)是這4種主動(dòng)控制策略均能使A區(qū)最低點(diǎn)頻率得到提升,避免低頻減載。但策略2在后續(xù)調(diào)節(jié)中振蕩嚴(yán)重,且系統(tǒng)上調(diào)頻率超過50.2 Hz,會(huì)威脅到電網(wǎng)安全,不能直接應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)控制中。

在策略3中,A區(qū)最低點(diǎn)頻率值取決于α,且隨α增大而增大;當(dāng)α相同時(shí),隨γ增大,B區(qū)反向最高頻率減小,但B區(qū)最低點(diǎn)頻率與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率均增大,且到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)間縮短,說明在保證擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)頻率響應(yīng)最低點(diǎn)位置不變的前提下,可通過調(diào)整γ取值對(duì)B區(qū)反向最高頻率進(jìn)行調(diào)整防止系統(tǒng)頻率越上限,用以保證系統(tǒng)安全;當(dāng)γ相同時(shí),隨α增大,B區(qū)反向最高點(diǎn)頻率、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率增大,到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)間延長,但B區(qū)最低點(diǎn)頻率減小。

因α=1時(shí),策略3對(duì)擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)最低點(diǎn)頻率提升效果最好,而且該控制方式在γ=1時(shí),B區(qū)反向最高點(diǎn)頻率值最小,但仍大于策略4中相應(yīng)值,故可知策略4能同時(shí)顧及頻率控制中的上下限,是參量控制中最好的控制方式。從表中數(shù)據(jù)可知,兩種控制方式在達(dá)到同樣頻率響應(yīng)最低點(diǎn)提升效果時(shí),策略4出力較小,故在B區(qū)機(jī)組頻率響應(yīng)能力有限且為參量控制情況下,可優(yōu)先選擇策略4。

因策略5控制效果最好,可在極端緊急情況下使用這種控制策略,但該方式涉及離線分析、控制決策表在線更新等多個(gè)環(huán)節(jié),實(shí)施難度大,需根據(jù)故障等級(jí)決定其使用必要性。同時(shí),因策略4需要最低點(diǎn)檢測(cè)等環(huán)節(jié),硬件實(shí)施要求高,在具體應(yīng)用中還需根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力需求與硬件設(shè)施配備情況確定具體控制方式。

3.3 不同響應(yīng)延時(shí)下策略4和5與策略1的仿真結(jié)果對(duì)比

保持仿真系統(tǒng)參數(shù)不變,改變聯(lián)絡(luò)線同步系數(shù)參數(shù)T，調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)B區(qū)機(jī)組的頻率響應(yīng)延時(shí)與最低值延時(shí),比較在不同響應(yīng)延時(shí)下策略4、策略5與策略1的控制效果,具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)參數(shù)隨T變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of system parameters versus T

由比較分析可知,隨著T減小,A和B區(qū)間距離增大,兩區(qū)域機(jī)組頻率響應(yīng)延時(shí)與最低值延時(shí)增加,導(dǎo)致B區(qū)機(jī)組開始動(dòng)作與到達(dá)最大出力的時(shí)間推遲。與策略1相比,在策略4下,A區(qū)擾動(dòng)點(diǎn)附近機(jī)組的頻率響應(yīng)最低點(diǎn)頻率得到提升,且提升量隨T減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);而在策略5下,A區(qū)擾動(dòng)點(diǎn)附近機(jī)組的頻率最低點(diǎn)提升量隨T減小而增大。其中,策略5較策略4對(duì)A區(qū)頻率最低點(diǎn)的提升效果更好。

當(dāng)A和B區(qū)間距離太遠(yuǎn)，即T≤4時(shí),策略4對(duì)A區(qū)頻率響應(yīng)最低點(diǎn)雖有提升效果,但仍小于低頻減載閾值,而且會(huì)造成B區(qū)頻率超出50.2 Hz,出現(xiàn)反向越限,引起新的頻率穩(wěn)定問題;策略5雖可提升A區(qū)頻率最低點(diǎn),并通過調(diào)整B區(qū)事件控制實(shí)施時(shí)間避免A和B區(qū)出現(xiàn)頻率反向越限,但因初始頻率太低與作用時(shí)間有限,也不能使系統(tǒng)避免低頻減載?？梢?當(dāng)距離太近時(shí),因兩區(qū)域間機(jī)組延時(shí)減小,頻率響應(yīng)主動(dòng)控制實(shí)施空間變小,策略4與策略5控制效果有限,意義不大。這就說明,頻率響應(yīng)主動(dòng)控制具有一定的有效范圍。

3.4 不同擾動(dòng)下策略4和5與策略1的仿真結(jié)果對(duì)比

保持仿真系統(tǒng)參數(shù)不變,改變系統(tǒng)擾動(dòng)等級(jí)(占A區(qū)容量百分比),比較策略4、策略5與策略1的仿真結(jié)果,具體如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)參數(shù)隨擾動(dòng)等級(jí)變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of system parameters versus disturbance levels

由比較分析可知,與策略1相比,在策略4、策略5下,A區(qū)擾動(dòng)點(diǎn)附近機(jī)組的頻率響應(yīng)最低點(diǎn)頻率得到提升,其中策略4提升量隨擾動(dòng)等級(jí)增大而增加,策略5提升量隨擾動(dòng)等級(jí)增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。策略5提升效果明顯優(yōu)于策略4。

在策略4下,隨擾動(dòng)等級(jí)增大,系統(tǒng)頻率振蕩加劇,其中A區(qū)頻率最低點(diǎn)逐漸減小,頻率最高點(diǎn)逐漸增大;而在策略5下,當(dāng)擾動(dòng)等級(jí)小于16%時(shí),可通過調(diào)整B區(qū)事件控制實(shí)施時(shí)間確保在提高A區(qū)頻率最低點(diǎn)的同時(shí)避免A和B區(qū)頻率反向越限,但當(dāng)擾動(dòng)等級(jí)大于16%時(shí),A區(qū)頻率反向越限問題則無法消除。

此外從圖4中還可看出,當(dāng)擾動(dòng)等級(jí)大于10%后,采取頻率響應(yīng)主動(dòng)控制不僅無法使A區(qū)避免低頻減載,而且會(huì)導(dǎo)致A區(qū)頻率最高點(diǎn)越上限,引起新的頻率穩(wěn)定問題,這些充分說明頻率響應(yīng)主動(dòng)控制只在一定擾動(dòng)范圍內(nèi)有效。

4 待研內(nèi)容

1)典型運(yùn)行場(chǎng)景的生成。運(yùn)行場(chǎng)景是分析的基礎(chǔ),其準(zhǔn)確與否對(duì)所制定控制策略的有效與否至關(guān)重要。因頻率響應(yīng)過程復(fù)雜且涉及因素眾多,若依據(jù)運(yùn)行影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)單組合,則會(huì)導(dǎo)致組合場(chǎng)景數(shù)量爆炸,無法分析[22-24]。因此,需對(duì)可能發(fā)生的場(chǎng)景進(jìn)行組合聚類,形成典型場(chǎng)景以降低分析負(fù)擔(dān)。

2)緊急程度劃分方法?？刂撇呗匀Q于所發(fā)生故障的嚴(yán)重程度。在前述典型場(chǎng)景控制策略制定時(shí),需要在離線分析環(huán)節(jié)中依據(jù)故障嚴(yán)重程度選擇適宜的啟動(dòng)與控制模式。對(duì)故障進(jìn)行緊急程度劃分,有利于簡(jiǎn)化問題,提高運(yùn)行控制的可操作性。

3)最優(yōu)控制策略的制定。在該部分研究中,不僅要確定“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”側(cè)各類頻率控制元件的最佳啟動(dòng)方式、控制模式和切換模式等,還應(yīng)該確定各類頻率響應(yīng)手段的最優(yōu)組合,包括手段選擇與容量最優(yōu)配置。依據(jù)該分析結(jié)果,結(jié)合前述典型場(chǎng)景和故障嚴(yán)重程度,生成相應(yīng)的控制決策表。

4)控制決策表的在線更新方法。由于控制決策表是依據(jù)典型場(chǎng)景和故障嚴(yán)重程度給出,而系統(tǒng)運(yùn)行為連續(xù)過程,實(shí)際運(yùn)行中的運(yùn)行狀態(tài)不可能與典型場(chǎng)景完全吻合,因此,需要研究依據(jù)關(guān)鍵量對(duì)典型場(chǎng)景的控制決策表進(jìn)行靈敏度修正,從而得到較為準(zhǔn)確的控制決策表。

5 結(jié)語

本文提出了一種主動(dòng)頻率響應(yīng)控制策略,能夠解決當(dāng)前電網(wǎng)特高壓直流閉鎖、大容量機(jī)組故障等引起的電力系統(tǒng)大功率缺失,以及可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)造成的系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力下降問題。理論探討與仿真分析表明以下幾點(diǎn)。

1)主動(dòng)控制思想能夠?yàn)槌Ｒ?guī)和新型種類發(fā)電(如燃?xì)獾?機(jī)組、主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)(如虛擬發(fā)電機(jī)和精準(zhǔn)切負(fù)荷等)、儲(chǔ)能設(shè)備和直流輸電線路功率調(diào)制等多種調(diào)頻手段提供統(tǒng)一動(dòng)作依據(jù),可為快速頻率響應(yīng)控制提供最優(yōu)控制奠定基礎(chǔ),通過頻率響應(yīng)控制由被動(dòng)控制向主動(dòng)控制、由參量控制向事件控制、由連續(xù)量控制向邏輯量控制、由反饋控制向前饋控制或反饋與前饋組合控制的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率響應(yīng)精細(xì)化控制。

2)采用所提出的主動(dòng)控制思想可以在一定程度上提升系統(tǒng)頻率響應(yīng)的整體表現(xiàn),從而提高系統(tǒng)抵御大功率缺失后的頻率穩(wěn)定能力。

3)若采用主動(dòng)頻率控制措施,無論采用事件啟動(dòng)還是參量啟動(dòng)方式,均需要對(duì)擾動(dòng)中心以外的各類控制單元(常規(guī)機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、直流輸電線路功率調(diào)制、主動(dòng)負(fù)荷控制、儲(chǔ)能控制單元等)的控制策略進(jìn)行精心設(shè)計(jì),否則可能會(huì)導(dǎo)致非擾動(dòng)發(fā)生同步區(qū)頻率越上限,造成頻率穩(wěn)定新問題。

本文對(duì)主動(dòng)頻率響應(yīng)控制僅做了初步探索,后續(xù)還應(yīng)開展典型運(yùn)行場(chǎng)景的生成、緊急程度劃分、最優(yōu)控制策略的制定和控制決策表的在線更新方法等方面的研究工作。

本文研究得到國網(wǎng)河南省電力公司科技項(xiàng)目資助，特此感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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