优化孤岛电网调频的控制方法及系统与流程

1.本发明属于电网调频领域，具体涉及一种优化孤岛电网调频的控制方法及系统。


背景技术：

2.孤岛运行作为一种特殊但又真实存在的电网运行方式，具有规模小、自平衡能力差的特点，任何负荷扰动都可能给孤岛电网频率带来较大的波动甚至引发电网崩溃，维持频率稳定对保证孤岛电网长期稳定运行具有重大意义。
3.孤岛电网一般采用一次调频对电网系统频率进行调整，调差系数、调频死区和opc(over speed protect controller)定值设置是影响一次系统调频能力的主要因素。一次调频结合二次调频，可对电力系统频率进行无差调节，通过超短期负荷预测对电网系统一、二、三次调节进行时序配置，可实现对孤岛频率的针对性控制。
4.目前的调频主要在电机端进行，但是，当电网系统出现突甩大负荷或突接入大负荷时，虽然发电机端调频能够对频率起到稳定作用，但是仍然在调频前期仍然存在一定的波动和扰动，孤岛电网系统中负荷端并入具有稳定调频能力的柔性电负荷平衡装置(flexible electric load balancing device，felbd)来平衡供需功率，如何建立负荷端调频模型实现极短时间频率的快速调节，实现突甩大负荷情况下对电网系统频率的无差控制，是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明是以孤岛电网具有容量较小，频率和电压稳定度较差的前提下，提出一种考虑负荷端与发电机端协同出力进行调频的控制方法。
6.该方法利用基于晶闸管的柔性电负荷平衡装置建立一种考虑负荷端与发电机端协同出力的调频模型，根据电负荷平衡装置出力快速的特点为发电机端调频争取时间，发电机端出力精确度高的特点对调频模型精度进行调整。
7.本发明所公开的基于孤岛电网调频的控制方法包括：
8.在负荷端回路接入柔性电负荷平衡装置，建立负荷端调频模型；
9.在发电机端建立发电机端调频模型；
10.监测孤岛电网的实时运行工况，并在孤岛电网突甩大负荷时和/或在准备接入大容量负荷之前，启动所述负荷端调频模型和发电机端调频模型，共同实现对电网系统的频率控制。
11.现代社会生产中绝大多数设备都具备相应频率特性，电网系统频率的大幅度波动将影响电子设备工作，甚至损坏设备。电网系统频率偏差为
[0012][0013]
其中f
n
为电网系统额定频率，f
o
为电网系统实时频率，k
d
为电网系统的单位调节功率，δp为电网系统功率偏差。
[0014]
电网系统功率偏差
△
p由发电机端总输出功率与负荷端总需求功率决定，因此有：
[0015]
δp＝p
g
‑
p
l
＝p
lr
‑
p
l
[0016]
其中p
g
发电机端总输出功率，p
lr
为负荷端实际总消耗功率，p
l
为负荷端总需求功率。
[0017]
发电机总输出功率与负载端总需求功率可由各电机输出功率与各负载需求功率求得
[0018][0019][0020]
其中p
gi
为第i台发电机的输出功率，电网系统中总共j个负载，p
lj
为第j个负载的需求功率。
[0021]
本发明在负荷端接入柔性电负荷平衡装置(简称felbd)具有投切响应速度快、时序性好、高可靠易控制的特点，通过添加felbd可以对频率进行调整，从而消除电网系统功率偏差，进而解决发电机端调频能力受限的问题。由于孤岛电网系统相对较小，这使得改变负荷端需求功率成为可能，其主要依靠felbd实现对电网系统中多余功率的吸收。
[0022]
felbd的投入为频率调节争取了时间，但是由于其具有清晰度的约束，无法实现更精确的调频。为了实现电网系统的精确快速调频，需要将发电机端调频与felbd调频配合起来。发电机端调频主要通过汽轮机调速系统、励磁系统和电力系统静态稳定器三部分实现频率调节。
[0023]
本发明的第二方面，还提供了一种孤岛电网调频的控制系统，包括：
[0024]
监测模块，用于监测孤岛电网的实时运行工况；
[0025]
调频模型建立模块，用于在负荷端回路接入柔性电负荷平衡装置，建立负荷端调频模型，以及在发电机端建立发电机端调频模型；
[0026]
监测模块，用于监测孤岛电网的实时运行工况；
[0027]
负荷端调频模块，用于在孤岛电网突甩大负荷时，和/或在准备增加大容量负荷之前，启动所述柔性电负荷平衡装置工作；
[0028]
发电机端调频模块，用于启动发电机端调频模型，并配合所述负荷端调频模型，共同实现对电网系统的频率控制。
[0029]
与现有技术相比，本发明所公开的基于孤岛电网调频的控制方法及系统，达到了如下技术效果：
[0030]
1、在电网系统将接入大负荷前预先按梯次投入felbd可以避免电网系统频率断崖式下跌的情况，减小频率波动对电网系统内设备造成的压力，大负荷接入电网系统前的提前调度对保持电网系统频率稳定至关重要。
[0031]
2、在电网系统突甩大负荷的情况下投入felbd可以使频率快速恢复稳定，大幅减小因系统功率供需不平衡导致的频率波动。
[0032]
3、在突甩大负荷情况下，通过对投入的felbd进行合理配合，可以实现对电网系统频率的无差调节。
附图说明
[0033]
图1是本发明中的felbd电路模型图；
[0034]
图2是本发明中的felbd电流电压图；
[0035]
图3是本发明中的felbd触发角和有功无功的曲线图；
[0036]
图4是本发明实施例中的突甩大负荷情况下负荷变化曲线图；
[0037]
图5是本发明实施例中的启动负荷情况下负荷变化曲线图；
[0038]
图6是本发明实施例中的系统频率控制模型图；
[0039]
图7是本发明实施例中的汽轮机调速器控制模型图；
[0040]
图8是本发明实施例中的励磁系统控制模型图；
[0041]
图9是本发明实施例中的静态稳定器控制模型图；
[0042]
图10是本发明实施例中引入功率部件前后突甩大负荷频率曲线图；
[0043]
图11是本发明实施例中的无差调节频率曲线图；
[0044]
图12是本发明实施例中的引入功率部件前后接入大负荷频率曲线图。
具体实施方式
[0045]
本发明实施例中的控制方法及系统主要应用在孤岛电网，其容量较小，频率和电压稳定度较差，任何负荷扰动都可能给孤岛电网频率带来较大的波动甚至引发电网崩溃，通过利用基于晶闸管的柔性电负荷平衡装置参与优化孤岛电网调频，根据电负荷平衡装置出力快速的特点为发电机端调频争取时间，发电机端出力精确度高的特点对调频模型精度进行调整。使用etap仿真平台对某工业园电网系统进行仿真分析，发现当电网系统突甩大负荷时，相对发电机单独调频模型，负荷端与发电机端协同出力的调频模型可使得电网系统频率波动更小，稳定频率更接近额定频率；合理设置电负荷平衡装置大小，可以实现该工况下频率的无差调节。当电网系统将接入大负荷时，提前投入电负荷平衡装置可以避免电网系统频率断崖式下跌的情况，将频率下跌过程进行拆分，缓解电网系统内设备的压力。
[0046]
本实施例所公开的基于孤岛电网调频的控制方法包括如下：
[0047]
一、在负荷端回路接入柔性电负荷平衡装置(以下简称felbd)，建立和接入负荷端调频模型；
[0048]
其中，felbd由晶闸管开关和镍铬合金的金属电阻器串联组成，由电阻器来消耗电网系统多余的有功功率。但是电阻受热后温度上升，电阻阻值会增大，在电压不变的情况下，电阻功率会下降。根据其镍铬含量的不同，电阻的温度系数不同，热态下的阻值是冷态阻值的1.05
‑
1.6倍不等。采用晶闸管开关进行调节可以很好的解决阻值变化的问题。另外，晶闸管还具有调节平滑，相应速度快，调节次数不限，可分相调节等优点。装置的等效单相电路模型如图1所示，电路由两个晶闸管和一个金属电阻器串联组成。电阻值的大小会随着温度变化而发生改变，从而带来阻值变化的影响，晶闸管具有调节功能，可以很好解决这一问题。
[0049]
该装置通过改变电力电子元件晶闸管在每个周期的导通角，来改变功率元件上的电压和电流，进而改变整体的功率输出，如图2、3所示。图2显示了晶闸管外部端电压和流过该装置的电流随导通角改变的曲线图，图3为该装置触发角和有功无功的曲线图。
[0050]
接入负荷端调频模型后，felbd具有投切响应速度快、时序性好、高可靠易控制的
特点，通过添加felbd可以对频率进行调整，从而消除电网系统功率偏差，进而解决发电机端调频能力受限的问题。由于孤岛电网系统相对较小，这使得改变负荷端需求功率成为可能，其主要依靠felbd实现对电网系统中多余功率的吸收。
[0051]
二、建立接入felbd后的发电机端调频模型。发电机端的调频主要由汽轮机调速系统、励磁系统和电网系统的静态稳定器三部分配合实现。
[0052]
三、监测孤岛电网的实时运行工况，并在孤岛电网突甩大负荷时启动所述负荷端调频模型，和/或在准备增加大容量负荷之前，启动所述负荷端调频，并协同配合发电机端调频模型实现对电网系统频率的控制。
[0053]
felbd的投入为频率调节争取了时间，但是由于其具有清晰度的约束，无法实现更精确的调频。为了实现电网系统的精确快速调频，需要将发电机端调频与felbd调频配合起来。
[0054]
felbd的投入为频率调节争取了时间，但是由于其具有清晰度的约束，无法实现更精确的调频。为实现电网系统的精确快速调频，需将发电机端调频与felbd调频配合起来。
[0055]
利用etap仿真平台针对突甩大负荷和增加负荷两种工况进行仿真。为了避免电网系统频率出现长时间大幅度扰动，本发明采取同时考虑负荷端与发电机端的频率控制模型。其中负荷端利用6回路共60wm功率调节模块对电网系统频率进行快速调节，每回路包含10mw功率部件，felbd采用分辨率为0.1mw的基于晶闸管的柔性负荷平衡装置；机端采用汽轮机调速器、ieeet3励磁系统和ieeet1电力系统静态稳定器对系统频率进行精准调节，其中汽轮机调速模型采用下垂控制方法。在电网系统将接入大负荷前预先按梯次投入felbd和在电网系统突甩大负荷的情况下投入felbd，与电网系统未接入felbd的电网系统频率变化分析对比。
[0056]
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0057]
1、建立接入felbd负荷端调频模型
[0058]
考虑孤岛电网可能出现的突甩大负荷和启动大负荷两种情况。
[0059]
1)孤岛电网突甩大负荷
[0060]
如图4所示，在50s之前电网系统处于稳定状态，此时电网系统的发电机端总输出功率，负荷端实际总消耗功率和负荷端总需求功率三者相等。在50s时因为大容量负荷突然甩开造成负荷端总需求功率突降，此时总输出功率大于总需求功率，导致电网频率上升。为防止冲击对发电机和生产设备造成巨大损耗加入felbd，监视电网系统检测到负荷突降投入相应容量的felbd维持输出功率和需求功率的平衡，为发电机组进行调频争取时间，如50s至60s之间曲线所示。当被甩开负荷在短时间内不再需要启动时，孤岛电网将在60s至80s之间按时序依次切除felbd。
[0061]
加入felbd后，由于下游突然甩负荷，可以认为投入felbd需要在极短时间内完成，因此可以认为是瞬时性的，此时负荷端总需求功率为
[0062]
p
l2
＝p
l1
k
*
p
lb
[0063][0064]
s.t.0≤k
*
≤k
[0065]
0≤
‑
k
s
δf
lim
≤δp
[0066]
其中p
l1
为引入felbd前的负荷端总需求功率，其中p
l2
为引入felbd后的负荷端总需求功率，p
lb
为负荷平衡系统中单个felbd负荷(也称为felbd的分辨率)，k
*
为电负荷平衡系统应投入设备个数，floor()为向下取整函数。当电网系统频率偏差高于电网系统允许频率正向波动上限δf
lim
时，电网系统将快速投felbd填补缺损负荷，维持电网系统平衡，假设电网系统中拥有k个felbd，每个设备的负荷为p
lb
，则柔性电负荷平衡装置最多可以填补kp
lb
的负荷。
[0067]
如电网系统短时间内无需再重启负荷，可随时间逐渐切除felbd，假设在t
eb
时刻时电网系统已经开始切除负荷，则t时刻负荷端需求功率为：
[0068][0069][0070]
k
e
(t)p
lb
≤(1
‑
β)δp
lim
[0071]
其中k
e
(t)为第t个单位时间内电网系统切除设备数，δp
lim
为发电机组单位时间增加的最大出力，考虑要保留一定裕度，因此加入机组剩余出力裕度β。
[0072]
felbd最快切除时间为
[0073][0074]
其中ceiling()为向上取整函数，在最快切除情况下，不保留发电机组出力裕度或只保留极小裕度。
[0075]
2)孤岛电网启动大负荷
[0076]
如图5所示，在50s时下游有大容量用电负荷准备启动，首先在30s时逐步投入felbd，令在30s至50s之间根据发电机组调频能力缓慢上升，促使发电机增加出力从而达到提前增大的目的，一旦监视并检测到待接入线路负荷突升马上切除相应容量的felbd使输出功率和需求功率保持动态平衡。期间设备切除情况如50s至55s之间felbd需求功率曲线所示。
[0077]
假设在t
pb
时刻开始功率平衡系统根据即将接入的大容量设备功率需求投入felbd，t时刻负荷端总需求功率应为
[0078][0079][0080]
k
p
(t)p
lb
≤(1
‑
β)δp
lim
[0081]
其中k
p
(t)为第t个单位时间内电负荷平衡装置投入felbd数。
[0082]
则电网系统如要接入大容量设备，应提前最小预留时间t
pmin
通知电网系统，保证felbd投入工作顺利完成。最小预留时间可由下式求得
[0083]
[0084]
其中p
exp
为计划启动设备增加的容量，在最小预留时间投入情况下，不保留发电机组出力裕度或只保留极小裕度。
[0085]
电网系统在t
pf
时段完成felbd投入工作，在t
pf
时刻有
[0086][0087]
电网系统从t
pf
开始启动大容量设备，电网系统需要根据系统增加负荷对felbd进行切除，切除规则如下
[0088][0089][0090]
其中δp
exp
(t)为实际负载在第t个时间内所增加的负荷。建立发电机端调频模型。
[0091]
发电机调频主要由汽轮机调速系统、励磁系统和电力系统静态稳定器三部分共同实现。
[0092]
系统频率控制模型如图6所示，根据系统输出频率变化的信息来进行控制涡轮的转动速度，通过比较系统输出频率与期望量之间的偏差，消除偏差以获得预期的系统性能。在这个控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的负反馈回路，在运行中实现输出量和期望值保持一致的目的。其中δe为频率偏差积分控制器增量，δp
m
为发电机输出功率增量，δp
d
为负荷需求功率增量，δp
v
为调节阀位置增量，δp
b
为功率部件输出功率增量，δf1为功率部件系统调频控制信号，δp
ref.b
为发电机的调频控制信号，δp
ref.s
为积分控制增益，k
e
为调速器调速系数，r为系统惯性常数，m为负荷阻尼系数，d为低通滤波器时间常数，t
lpf
为发电机时间常数，δf0为系统频率调节量，s为拉普拉斯算子，t
t
为时间常量。
[0093]
汽轮机调速器系统控制原理如图7所示，其中w和w
ref
分别汽轮机转速与设定额定转速，f
hp
为汽轮机再热器前轴总容量，t
c
为控制放大器时间常数，t
ch
和t
rh
分别为蒸汽箱时间常数和再热器时间常数，t
sr
为速度继电器时间常数。
[0094]
汽轮机调速器的传递函数根据图7可以求得到
[0095][0096]
励磁系统控制原理如图8所示，其中v
rmax
为最大励磁电压e
fdmax
的激励函数值，k
a
为调节器增益，k
e
为自激场的励磁常数，k
f
为稳压器稳定电压增益，k
i
为电流回路增益系数，k
p
为电位电路增益系数，t
a
为稳压放大器时间常数，t
e
为励磁时间常数，t
f
为稳压器第二时间常数，t
r
为调节器输入滤波器时间常数，i
fd
为同步机励磁电流，e
fd
为同步机励磁输出电压，分别为发电机端子电压和电流，v
thev
为点位电路输出电压，v
ref
为电压调节器参考电压，v
rmin
为调节器最小输出电压,v
bmin
为调节器的最小功率。则频率滤波器时间常数a可由式得到
[0097][0098]
其中x
l
为电位源电抗。
[0099]
励磁系统的传递函数根据图8可以求得
[0100][0101]
电网系统的静态稳定器作为励磁系统的附加装置，具有抑制有功振荡功能，控制原理如图9所示。
[0102]
发电机转速、发电机端电压和电网系统频率均可以作为系统静态稳定器的输入，其中k
s
为系统静态稳定器收益，a1和a2为频率滤波器时间常数，t3和t4为超前补偿时间常数，t2和t1为滞后补偿时间常数，t5为冲洗时间常数，t6为传感器时间常数。
[0103]
系统静态稳定器的传递函数根据图9可以求得
[0104][0105]
2.利用采用某工业园数据在etap平台实例分析
[0106]
印尼苏拉威西某工业园位于苏拉威西岛上，负荷完全由岛上150mw机组供电，属于典型的孤网运行。该电网150mw机组经升压变与供电端110kv母线相连接，通过双回联络线由负荷端110kw母线经降压变连接0.485kv母线对48mw负载进行供电。负荷包含电炉在内的多种时变非线性设备，电极动作、电炉放渣会导致电网系统出现大幅功率波动，塌料、电极烧断更会令部分负荷在一定时间内降低至零，对电网系统造成冲击。电炉设备的仿真等效模型如下公式：
[0107]
r(t)＝c*l*e^(1/(a b[1
‑
cos(2wt d θ)]))
[0108]
其中ω＝2πf，f为电网系统频率50hz，θ为电流滞后电压相位角，功率因数取cosθ＝0.92，d为电弧热惯性影响因子，a＝t0/a，b＝(t1
‑
t0)/2a，t0为电弧最低温度取1250℃，t1为电弧最高温度1500℃，l为电弧弧长，取平均值2米，c为负荷系数。
[0109]
为了避免电网系统频率出现长时间大幅度扰动，园区采取同时考虑负荷端与发电机端的频率控制模型。其中负荷端利用6个回路共60wm功率调节模块对电网系统频率进行快速调节，每个回路包含10mw功率部件，felbd采用分辨率为0.1mw的基于晶闸管的柔性负荷平衡系统；机端采用汽轮机调速器、ieeet3励磁系统和ieeet1电力系统静态稳定器对电网系统频率进行精准调节，其中汽轮机调速模型采用下垂控制方法，电力系统静态稳定器以电机角转速为输入，汽轮机调速器、励磁系统和电力系统静态稳定器参数如表1
‑
3所示：
[0110]
表1汽轮机调速器参数表
[0111][0112]
表2励磁系统参数表
[0113][0114]
表3电力系统稳定器参数表
[0115][0116]
利用etap仿真平台针对突甩大负荷和增加负荷两种工况进行仿真，图10为采用上述参数时突甩大负荷时电网系统频率变化情况。由图10可知，一个回路的48mw负荷线路在t＝1s时突甩大负荷，负荷端功率在短时间内大幅减少造成电网系统功率供需不平衡，机端发出功率大于负荷实际需求功率导致电网系统频率快速上升，调速系统立即开始对电网系统进行一次调频。调速系统只能进行有差调节，因此电网系统频率最终稳定在50.2hz左右，在0至5秒期间，频率波动达到0.2hz以上。当felbd投入工作后，电网系统频率得到明显改善，频率变化如图10所示。电网突甩大负荷后，监视发现异常工况即刻对系统功率平衡情况进行分析，经计算发现单纯依靠机端调速系统无法快速将频率控制在允许范围内。根据监视得到的被甩负荷数值在t＝1.2s时刻投入48mw的felbd。系统频率在短暂的振荡后迅速稳定在49.983hz。由图可知，在频率冲击发生后的最大频率波动只有0.05hz，要远小于不投入felbd时的波动。
[0117]
通过自动控制系统对投入的felbd进行调节，频率最终稳定位置也会发生变化，如图11所示。当投入44mw时，在t＝10s时刻电网系统频率基本稳定在50hz，这说明通过加入felbd可以在突甩负载情况下实现对电网系统频率的无差调节。
[0118]
图12为采用上述参数时接入大负荷工况下频率变化情况示在t＝51.1s时刻电网系统有一个回路的48mw负荷线路接入到电网系统，负载端功率在短时间内大幅增加导致系统功率供需不平衡，系统频率在5s时间内呈断崖式下跌，最终稳定在49.8hz左右。这样的频率波动会为系统内的设备造成损坏，给电机调频带来巨大压力。为了缓解电机调频压力提前投入felbd，系统频率变化如图12所示。监视得知1分钟后有一个回路48mw负荷线路需接入电网，系统判断此行为将对电网频率造成巨大冲击选择提前投入felbd，在t＝1s时刻开始，每10s投入10mw的felbd，至t＝41s时刻投入4mw的felbd，在t＝51s时刻退出所有felbd并在t＝51.1s时刻将负荷线路接入系统。由图12可知，虽然系统频率最终依旧稳定在49.8hz左右，但是通过引入felbd使得断崖式下跌区间被拆分成多个部分，引入大负荷线路对系统造成的冲击得到缓解。
[0119]
本发明在传统发电端和负荷端的调频模型的基础上引入柔性电负荷平衡装置的调整函数，通过实际工程的仿真分析比较了两种情况下的频率响应曲线，得出以下结论；
[0120]
在系统将接入大负荷前预先按梯次投入felbd可以避免系统频率断崖式下跌的情况，减小频率波动对系统内设备造成的压力，大负荷接入系统前的提前调度对保持系统频率稳定至关重要。
[0121]
在系统突甩大负荷的情况下投入felbd可以使频率快速恢复稳定，大幅减小因系统功率供需不平衡导致的频率波动。
[0122]
在突甩大负荷情况下，通过对投入的felbd进行合理配合，可以实现对系统频率的无差调节。
[0123]
本发明的另一实施例还提供了一种孤岛电网调频的控制系统，该系统包括：调频模型建立模块、监测模块、负荷端调频模块和发电机端调频模块。
[0124]
调频模型建立模块，用于在负荷端回路接入柔性电负荷平衡装置，建立负荷端调频模型，以及在发电机端建立发电机端调频模型；
[0125]
监测模块，用于监测孤岛电网的实时运行工况；
[0126]
负荷端调频模块，用于在孤岛电网突甩大负荷时，和/或在准备增加大容量负荷之前，启动所述负荷端调频；
[0127]
发电机端调频模块，用于启动发电机端调频模型，以配合负荷端调频模型。其中，柔性电负荷平衡装置，由晶闸管开关和镍铬合金的金属电阻器串联组成，通过改变所述晶闸管在每个周期的导通角，来改变功率元件的功率输出。其中，发电机端调频模块包括汽轮机调速系统、励磁系统控制系统和电网系统的静态稳定器三部分。
[0128]
本发明实施例通过负荷端与发电机端协同出力的调频模型可使得系统频率波动更小，稳定频率更接近额定频率；合理设置电负荷平衡装置大小，可以实现该工况下频率的无差调节。当系统将接入大负荷时，提前投入电负荷平衡装置可以避免系统频率断崖式下跌的情况，将频率下跌过程进行拆分，缓解系统内设备的压力，为孤岛电网频率调节提供一定参考。
[0129]
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。