一种基于电源性能指标的多元频率控制策略构建方法

技术领域

本发明属于大电网安全稳定控制领域，具体涉及一种基于电源性能指标的多元频率控制策略构建方法。

背景技术

随着新能源渗透率的不断攀升，电网惯性响应能力下降，大功率有功冲击将导致频率急剧变化，甚至可能引发连锁性事故，导致系统崩溃，电网的安全稳定运行面临着新的困难与挑战。

在目前的紧急频率控制措施中，存在着以下几点问题：

第一，切除手段的颗粒性。如今占主导性地位的控制手段仍为切机切负荷，或在此基础上根据各个发电机组或者负荷的切除成本、控制性能的差异，以经济性为目标进行紧急控制策略的优化。然而，单纯的切除措施具有颗粒性，存在着欠切或过切的风险，无可避免地会带来经济损失甚至社会影响。

第二，控制手段的单一性。随着新型电力系统的建成，出于经济性与系统稳定性的考虑，在进行切机时一般优先切除新能源机组。实际上，在满足一定的气候条件下，由逆变器控制的新能源机组具有出色的快速调控能力，通过“以调代切”的方法可以大大降低紧急控制的成本及社会影响。实践证明，光伏电站与储能电站的快速调控技术可满足百毫秒内的快速功率响应，风机在一定的控制方式下也可通过快速功率调控实现频率支撑。

第三，机组选择的简单性。在实际的工程运用中，对于具备调控能力的新能源机组的功率控制指令一般仅按照当前最大可调节容量进行等比例分配或按照事先确定好的场站优先级进行满额分配，考虑因素较为单一，而可控资源的响应速度、地理位置等因素在紧急控制问题中同样重要，需要进行综合的控制性能量化评估。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于电源性能指标的多元频率控制策略构建方法，通过改进AHP-MARCOS方法从多个电源性能指标对控制资源的控制性能进行综合量化，考虑了控制策略的多样性，解决了系统级紧急频率控制的机组处理优先级问题，充分挖掘新能源机组的紧急控制潜力，可显著提高电网的可靠性与经济性。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于电源性能指标的多元频率控制策略构建方法，包括如下步骤：

S1：选取参与紧急频率控制性能评估的各项电源性能指标；

S2：计算各个待评估控制手段对应步骤S1中选取的各项电源性能指标的参数值；

S3：运用改进的AHP方法建立判断矩阵，计算各项电源性能指标的权重；

S4：通过MARCOS方法，根据各控制手段的电源性能指标的参数值及其权重计算控制性能综合量化指标；

S5：按照综合量化指标依次组合控制手段，直至匹配到大电网下发的需要切除或调控的功率总量，列出初步紧急控制策略表；当某一控制资源的直接切除手段与连续调控手段同时出现在策略表中时，选择直接切除；

S6：根据风光储的动态响应特性建立系统响应模型；

S7：通过系统响应模型对初步紧急控制策略表进行优化，直至频率满足安全要求，输出最终控制策略表。

进一步地，所述步骤S1中各项电源性能指标包括距离系数、控制资源的控制代价系数、控制资源的功率响应时间和功率恢复系数。

进一步地，所述步骤S1中，

距离系数

其中，z

η

式中，f

控制代价系数

式中，C

功率响应时间

定义控制资源通过快速调控达到目标功率的响应时间或通过直接切机完成指令的断路器响应时间为

功率恢复系数

式中，n为一段时间内的采样数量，p

进一步地，所述步骤S3中运用改进的AHP方法建立判断矩阵，判断矩阵的表达式为：

其中，t

使用传统AHP法进行权重计算时，一旦判断矩阵无法满足一致性检验则会导致庞大的计量。本发明采用改进AHP法，判断矩阵R不需要进行一致性检验，且计算量显著减小，方法简洁，便于实际操作。

进一步地，所述步骤S3中各项电源性能指标的权重的计算公式为：

其中，α

进一步地，所述步骤S4中控制性能综合量化指标的计算过程为：

A1：收集专家意见，对各设备在评价指标下进行评分，构造评价矩阵X；

A2：根据评价矩阵X利用MARCOS方法，计算各设备效用函数K；

A3：根据效用函数值大小进行排序，输出排序结果。

根据控制手段经量化评估后的效用函数大小进行排序。

进一步地，所述步骤S6中系统响应模型包括发电机组一次调频模型、系统等效惯性模型和风光储响应模型，具体如下：

发电机组一次调频模型

式中，M

系统等效惯性模型：

式中，H

风光储响应模型包括风机的功率响应函数、光伏的功率响应函数和储能的功率响应函数，具体如下：

风机的功率响应函数：

风机在转速不同下的功率响应模型不同，转子动能控制时风机功率会自动恢复至控制前初值，且恢复速度较快，故相应近似模型中要考虑其恢复动态，桨距角控制响应功率调节指令的速度较慢，假定参与频率紧急控制的风机都采用转子动能控制方式，风机的功率响应函数的表达如下：

式中，

光伏的功率响应函数：

用一阶惯性环节近似代替其紧急控制功率响应动态，表达如下：

式中，

储能的功率响应函数：

与光伏类似，用一阶惯性环节代替

式中，

进一步地，所述发电机组一次调频模型中

式中，T

进一步地，所述步骤S7中对初步紧急控制策略表进行优化的方法为：将初步策略表中的各控制手段代入系统响应模型中，判断采取措施后系统频率是否恢复至安全范围内；若未恢复，则以可调量的1/2为梯度依次调整策略表中对应性能指标最小风机连续调控手段，当两次调整后仍不能满足安全要求时，直接将该手段剔除，对应的调整功率由控制性能仅次于其的其他控制手段依次补足，从而刷新控制策略表，直至满足暂态最高频率≤50.5Hz的安全要求后输出最终控制策略表。

进一步地，所述步骤A4中各配电设备的效用函数的计算方法为：

B1：形成初始评价矩阵X，包括一组n个标准和m个控制手段；其中n个标准即

B2：使用MARCOS方法时首先将评价矩阵根据不同指标的性质转化为扩展矩阵X

式中，AI代表理想解，表示性能最好的控制手段；AAI代表负理想解，表示性能最差的控制手段；AAI和AI的定义方式为：

式中，B代表一组最大化标准，而C代表一组最小化标准；

B3：对扩展后的矩阵进行标准化处理，处理方式为：

式中x

B4：确定加权矩阵V＝[v

v

B5：计算待评估控制手段相对于理想解和负理想解的效用度，计算方法为：

其中，S

与理想解和负理想解有关的效用函数的计算方法为：

根据效用度确定待评估控制手段的效用函数，计算方法为：

有益效果：本发明与现有技术相比，考虑了风光储等电站的快速连续调控能力，从距离、成本、响应速度与功率恢复情况这四项电源性能指标综合判断控制手段的优先级，同时基于以控代切的思想，将调控手段与切除手段相结合，减少传统紧急控制中的过切现象，提高了紧急频率控制的经济性与可靠性。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本实施例中本发明方法的计算过程图；

图3为本实施例中系统频率响应模型的结构示意图；

图4为本实施例中系统频率变化展示图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于电源性能指标的多元频率控制策略构建方法，其包括如下步骤：

S1：选取参与紧急频率控制性能评估的各项电源性能指标：

各项电源性能指标包括距离系数、控制资源的控制代价系数、控制资源的功率响应时间和功率恢复系数，具体如下：

距离系数

其中，z

η

式中，f

控制代价系数

式中，C

功率响应时间

定义控制资源通过快速调控达到目标功率的响应时间或通过直接切机完成指令的断路器响应时间为

功率恢复系数

式中，n为一段时间内的采样数量，p

S2：计算各个待评估控制手段对应步骤S1中选取的各项电源性能指标的参数值，具体如下表1所示：

表1各参数取值

S3：运用改进的AHP方法，综合专家意见，根据表1所给出的标度值两两比较风险指标相对重要性程度，建立判断矩阵R，计算各项评估指标的权重：

判断矩阵R的表达式为：

其中，t

标度值的参考取值如表2所示。

表2标度值取值

根据专家意见，形成判断矩阵；

各项电源性能指标的权重的计算公式为：

其中，α

本实施例中收集专家意见可得上述各评价指标的重要性排序为：控制代价系数＞响应时间＞功率恢复系数＞距离系数，根据表1确定标度值分别为1.4，1.6，1.8，计算可得四种指标的权重分别为：0.3995，0.2853，0.2039，0.1113。

S4：通过MARCOS方法，根据各控制手段的电源性能指标的参数值及其权重计算控制性能综合量化指标，过程如下：

A1：收集专家意见，对各设备在评价指标下进行评分，构造评价矩阵X；

A2：根据评价矩阵X利用MARCOS方法，计算各设备效用函数K；

各配电设备的效用函数K的计算方法为：

B1：形成初始评价矩阵X，包括一组n个标准和m个控制手段；其中n个标准即

B2：使用MARCOS方法时首先将评价矩阵根据不同指标的性质转化为扩展矩阵X

式中，AI代表理想解，表示性能最好的控制手段；AAI代表负理想解，表示性能最差的控制手段；AAI和AI的定义方式为：

式中，B代表一组最大化标准，而C代表一组最小化标准；

B3：对扩展后的矩阵进行标准化处理，处理方式为：

式中x

B4：确定加权矩阵V＝[v

v

B5：计算待评估控制手段相对于理想解和负理想解的效用度，计算方法为：

其中，S

与理想解和负理想解有关的效用函数的计算方法为：

根据效用度确定待评估控制手段的效用函数，计算方法为：

根据控制手段经量化评估后的效用函数大小进行排序，本实施例以修改过的某省级电网为例，计算其各控制手段的控制性能综合量化指标，其中同时考虑直接切除手段和连续调控手段，体现了控制策略的多元性。计算所得综合量化指标排名前二十的控制手段及其效用函数值的结果由表3所示。

表3综合指标前20名结果表

S5：按照综合量化指标依次组合控制手段，直至匹配到大电网下发的需要切除或调控的功率总量，列出初步紧急控制策略表；当某一控制资源的直接切除手段与连续调控手段同时出现在策略表中时，选择直接切除；

本实施例中假设某时刻该电网容量为6000MW的直流外送线路发生直流闭锁故障，根据需要切除的功率总额，按效用函数的大小依次调用对应的控制手段的调控能力直至完全满足需求量，构成初步紧急控制策略表。若表中有某一调控资源的直接切除手段与连续调控手段同时出现，则只保留直接切除手段，剩余调控需求由之后的控制手段依次补足，进行控制策略的优化修正。

S6：根据风光储的动态响应特性建立系统响应模型：

系统响应模型包括发电机组一次调频模型、系统等效惯性模型和风光储响应模型，具体如下：

发电机组一次调频模型

式中，M

式中，T

系统等效惯性模型：

/>

式中，H

风光储响应模型包括风机的功率响应函数、光伏的功率响应函数和储能的功率响应函数，具体如下：

风机的功率响应函数：

风机在转速不同下的功率响应模型不同，转子动能控制时风机功率会自动恢复至控制前初值，且恢复速度较快，故相应近似模型中要考虑其恢复动态，桨距角控制响应功率调节指令的速度较慢，假定参与频率紧急控制的风机都采用转子动能控制方式，风机的功率响应函数的表达如下：

式中，

光伏的功率响应函数：

用一阶惯性环节近似代替其紧急控制功率响应动态，表达如下：

式中，

储能的功率响应函数：

与光伏类似，用一阶惯性环节代替

式中，

本实施例中建立的系统响应模型的结构具体如图3所示，频率响应模型用来验证采取控制策略后的实验结果，参照图3，P

S7：将初步策略表中的各控制手段代入系统响应模型中，判断采取措施后系统频率是否恢复至安全范围内；若未恢复，则以可调量的1/2为梯度依次调整策略表中对应性能指标最小风机连续调控手段，当两次调整后仍不能满足安全要求时，直接将该手段剔除，对应的调整功率由控制性能仅次于其的其他控制手段依次补足，从而刷新控制策略表，直至满足暂态最高频率≤50.5Hz的安全要求后输出最终控制策略表。

本实施例中最终输出的控制策略表具体如表4和表5所示：

表4调控结果表

/>

表5控制策略结果表

本实施例中为了验证本发明方法的实际效果，获取到如图4所示的系统频率变化图，从图4中可看出，在第1s发生直流闭锁故障后，系统频率迅速上升，根据本发明实验方法得到策略表进行采取紧急控制措施后，系统暂态频率达到最高值50.45Hz，随后下降到50.27Hz并逐渐趋于平稳，符合安全稳定要求，验证了本发明方法的有效性。

本实施例中将本发明控制策略与传统控制策略进行实验对比，具体结果如表6所示：

表6控制策略对比

如表6所示，通过传统的按照机组优先级直接切除直至匹配需求量的紧急频率控制策略与本发明所提出的紧急频率控制策略进行对比，本发明所提出的策略通过连续调控有效避免了机组的过切现象，并且连续调控策略替代传统控制中简单的直接切除策略，显著降低紧急频率控制成本。本发明通过多种电源性能指标综合考虑了多种可紧急调控资源的控制潜力，使得评估结果更为可靠；并将切除手段与调控手段共同排序，体现了本发明所提出策略的多元性与可调整性，既顾及了紧急频率控制的快速性要求，也满足了一定的经济性要求，具有良好的应用前景。

综上，本发明提出了一种基于电源性能指标的多元频率控制策略构建方法，首先，在同时考虑直接切除与连续调控手段的基础上，通过多种电源性能指标对各控制手段进行紧急频率控制性能的综合量化，并进行优先级排序；其次，根据各控制资源即风光储的响应特性建立系统频率响应模型进行策略表的验证与优化；最后，以某电网为例验证了所提出策略的有效性。