一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法。

背景技术

风电等可再生能源在未来30年内将实现跨越式发展，电力系统将面临安全、经济、低碳运行等巨大挑战。电源侧新能源大量替代传统火电，电力系统惯量水平下降，调节能力降低，不稳定性增加；电网侧电力主干网架从超高压向特高压演变，电网运行方式改变，稳定控制能力下降。在此背景下，系统运行方式变化越来越频繁，为了更好地保证电网安全、经济运行并保证电能质量，电力系统运行越来越依赖于自动控制技术提高。传统发电机组跟踪负荷有功功率的平衡控制方式逐渐难以适应，仅依靠火电、水电机组提供功率备用已无法满足电力系统运行需求，亟需寻求新的调节资源以分担有功备用压力。

传统机组调频容量不足，可利用柔性负荷自身的特点，如空调，电动汽车，热水器等，在不影响用户体验的前提下，适当降低运行，或短时关闭，以减低电力系统负荷侧压力，能有效辅助电网调频，提高电网频率稳定性。而在众多柔性负荷中，高耗能电解铝负荷因其本身具有功率密集、热惯量特性大等特点，所以蕴含巨大的调频潜能。

同时，随着变速风能转换系统安装数量的迅速增长，电力系统负荷频率控制问题正在发生根本性变化，变速风电机组通过频率环节对转子惯性和桨距角控制，可具备惯性响应和一次频率调节能力，使得旋转容量储存的部分动能可瞬间释放，从而快速支援系统。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法，包括：

在IEEE标准两区域模型基础上搭建基于自饱和电抗器建立电解铝负荷消耗有功与直流电压耦合关系模型；

提出一种利用电解铝负荷特性支援电网的辅助调频策略；

建立风电机组模型并提出一种考虑风机惯性控制的快速频率控制策略；

将电解铝负荷特性支援电网的辅助调频策略以及考虑风机惯性控制的快速频率控制策略相结合，加入标准两区域负荷频率控制模型中进行联合参与系统频率调节仿真验证。

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述搭建基于IEEE标准的两区域负荷频率控制模型还包括，

搭建汽轮机组模型；

构建联络线功率偏差的传递函数模型；

确定区域控制误差；

构建具有调速死区的调速器线。

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述汽轮机组的传递函数模型如下：

其中，K

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述构建联络线功率偏差的传递函数模型如下：

其中，ΔP

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述联络线同步系数的计算公式如下：

其中，X

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述区域控制误差ACE的计算公式如下：

ACE＝ΔP

其中，Δf为发生扰动时的系统频率偏差，ΔP

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述构建具有调速死区的调速器线的线性化后的传递函数模型公式如下：

其中，N

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述一种利用电解铝负荷特性支援电网的辅助调频策略还包括：

确定电解铝生产的限制；

确定饱和电抗器调压深度的限制。

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述建立风电机组模型并提出一种考虑风机惯性控制的快速频率控制策略还包括：

利用风电机组惯性控制技术来模拟传统电源的惯性响应；

利用风电机组变桨距控制技术来模拟传统电源的一次调频。

作为本发明所述一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法的一种优选方案，其中：所述风电机组采用主流变速双馈发电机组，该风电机组的频率模型传递函数的计算公式如下：

其中，K

本发明的有益效果：本发明提供的一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法，针对电力系统呈现出非线性、不确定性和时变性的特点，提出了将风电机组与电解铝负荷调频方式相结合的联合调频方法，利用电解铝可用负荷支援电网，不仅能有效的抬升系统最大频差，而且能明显缩短系统的调节时间。同时采用基于WECS的改进惯性控制方法，通过一次频率调节器瞬时提供的额外功率参考信号，增强了现有的惯性控制策略。将两种方式结合在一起，联合调频，能有效平抑扰动带来的电网频率波动，对电网的频率控制研究具有一定的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例的风-铝联合系统频率响应模型示意图；

图2为本发明一个实施例的电解铝负荷的控制电路示意图；

图3为本发明一个实施例的基于WECS的风电机组控制策略示意图；

图4为本发明一个实施例的电解铝负荷内部调控仿真示意图；

图5为本发明一个实施例的电解铝负荷参与电网调频仿真分析示意图；

图6为本发明一个实施例的调频功率输出示意图；

图7为本发明一个实施例的不同调频方式下频率偏差仿真分析示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1～3，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法，包括：

S1：在IEEE标准两区域模型基础上搭建基于自饱和电抗器建立电解铝负荷消耗有功与直流电压耦合关系模型。

具体的，优先搭建机组模型，汽轮机组的传递函数模型如下：

其中，K

进一步的，汽轮机组调速器的传递函数模型为：

其中，Tg为调速器时间常数，s为拉普拉斯变换算子；

在一个，构建联络线功率偏差的传递函数模型如下：

其中，ΔP

所述联络线同步系数的计算公式如下：

其中，X

然后确定区域控制误差ACE；

所述区域控制误差ACE的计算公式如下：

ACE＝ΔP

其中，Δf为发生扰动时的系统频率偏差，ΔP

所述区域频率响应系数的计算公式如下：

β

上式中，β

然后，构建具有调速死区的调速器线；

所述构建具有调速死区的调速器线的线性化后的传递函数模型公式如下：

其中，N

最后，基于自饱和电抗器建立电解铝负荷消耗有功与直流电压耦合关系模型；

电解铝负荷的内部通过直流斩波电路与控制绕组相连实现电流的转换与控制，其中控制绕组可等效为直流电压源与电阻Rc的串联。其中Eb为Buck 电路电压，Lb为滤波电感，Cb为滤波电容，rb为Mos管内阻。

在整个电解铝闭环控制系统中，占空比d为输入量，以电感电流Ib、电容两端的电压Uc、流过控制绕组的电流Ic、电解槽电压Ud电解槽电流Id为状态变量x＝[IbUcIcUdId]，则电解铝负荷内部控制电路的状态空间方程为：

其中，A、B、C、D系数矩阵为：

/>

则电解槽消耗的有功功率为：

P

S2：提出一种利用电解铝负荷特性支援电网的辅助调频策略。

具体的，计算电解铝产生的限制；

在《有色金属冶炼厂电力设计规范》中给出了明确规定，针对电解铝厂电解槽的停电时间小于30min-45min；减电10％应在12小时内。所以在电解铝正常生产过程中，系列电流最低减少10％，在减电的过程中会对铝的产量产生一定影响，但不会导致质量降低和设备的损坏。此时的系列电压为：

U'

其中，U'

则电解系列的极限可用有功：

进一步的，确定饱和电抗器调压深度的限制；

根据饱和电抗器的极限调压深度可计算出电解系列的极限可用有功：

其中，P

S3：建立风电机组模型并提出一种考虑风机惯性控制的快速频率控制策略；

具体的，所述风电机组采用主流变速双馈发电机组，该风电机组的频率模型传递函数的计算公式如下：

其中，K

进一步的，风电机组变桨距控制技术特性适合模拟传统电源的一次调频，其频率模型的传递函数为：

然后将变速机组的惯性控制和变桨距控制相结合，其频率模型传递函数为：

其中，K

S4：将步骤2、3两种调频手段结合，加入步骤1中搭建的两区域负荷频率控制模型中进行联合参与系统频率调节仿真验证。

实施例2

参照图4～7，为本发明的第二个实施例，提供了一种风-铝联合的源荷协同频率控制方法，为了验证本发明的有益效果，通过实科学仿真进行论证。

设置仿真系统容量为500MW，再热汽轮机组参数见表1，仿真时域为50s， 20s时区域i发生0.01p.u的扰动。在相同扰动及相同区域控制参数下，仿真分析不同工况下电力系统频率特性，电解铝负荷容量300WM，风电场功率 200WM。将系统的采样周期T设置为0.01，对系统的状态方程进行离散化处理。

表1.再热式汽轮机组区域LFC基本参数

Tab.2BasicparametersofLFCinreheatsteamturbine

unitarea

电解铝负荷内部调控仿真，具体参数如下：

表2电解铝负荷参数表 Tab.2Electrolyticaluminumloadparametertable

5s时将系列电流参考值下降10％，即以270kA作为目标值，仿真分析电解铝系列的电流、电压和有功功率的变化情况。在5s时将调节系列电流参考值从300kA下调至270kA，系列电流参考值的改变，引起PWM波占空比变化，从0.1快速上升至极限值1，占空比变化引起控制电流的改变，从2.8A上升至 10.5A左右，从而调节系列电压，系列电压从1024V下降至973V左右，系列电流从300kA下降至274kA。由于占空比的限制，系列电流无法跟随目标值270kA，极限达到274kA。因此以274kA作为目标值，仿真分析极限可用有功，此时的系列电压为973V。

电解铝负荷参与电网调频如下：

利用PID控制器调节电解铝负荷的参考电流，以此实现电解铝负荷的精准降负荷操作。采用优化算法对电解铝厂内部的PID控制器进行优化， Kp＝0.0978，Ki＝0.1327，Kd＝0.010；

整个系统的发电功率为500MW，电解铝厂的总消耗功率为307.2MW，区域内其他负荷为192.8MW。根据上述分析，调节系列电流参考值，影响系列电压，最终实现电解铝厂的减负荷操作，系列电流参考值下降至274kA时，电解铝厂消耗有功功率减少40.598MW，即电解铝厂可用有功为40.598MW。因此设置不同比例的可用有功支援电网调频以满足调度需求。分析50％和100％电解铝负荷可用有功参与电网对频率控制的影响。仿真分析面对0.01p.u.的扰动时， 50％和100％电解铝可用负荷支援电网调频和电解铝负荷不参与调频的频率波动情况，结果如图5所示。

当50％电解铝可用负荷参与时，电解铝厂快速下调负荷，在5s内将功率消耗从307MW下调至了286MW，最大频差从-0.026减少至-0.018左右，系统的调节时间从12s减少至8s；当100％电解铝可用负荷参与时，功率消耗从 307MW下调至了265MW左右，最大频差减少至-0.016左右，系统的调节时间缩短了将近5s；仿真结果显示，电解铝负荷的支援能有效的减小系统的最大频差，明显缩短了系统所需的调节时间。电解铝厂快速下调负荷，减少有功消耗，支援电网。所以发电机-调速器系统需增发的有功随着电解铝负荷降负荷量的增加而减小，即电解铝负荷的参与可有效缓解发电机侧的调节压力，快速弥补电网有功缺额，快速平抑电网频率波动。因此，面对较大扰动时，负荷侧的有功支援能有效减小系统的频率波动情况，促使系统频率快速稳定。

综上所述，本发明提出的风-铝联合的源荷协同频率控制方法，在区域负荷频率控制中表现出更强的鲁棒性和稳定性，对于两区域模型的负荷频率控制，能够缩短频率恢复时间，提高系统的动态性能。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。