一种电熔镁负荷提供快速频率响应服务的运行控制策略

技术领域

本发明涉及电网频率稳定控制技术领域，尤其涉及一种电熔镁负荷提供快速频率响应服务的运行控制策略。

背景技术

一次调频过程是阻止大功率缺额下电力系统低频减载、维持系统稳定的关键阶段,在以火电为主体的传统电力系统，一次调频能力强，快速频率响应备用容量的需求小,然而，随着可能源机组的大规模并网，电力系统控制高度电力电子化以及特高压交直流混联电网逐渐成型，我国电力系统的常规机组容量占比下降，电网转动惯量减小、一次调频能力减弱，面临着的大功率缺失故障风险增加，系统频率安全稳定形势日益严峻,因此，在新形势下，为了维持系统的频率安全稳定，电力系统对快速频率响应的备用容量需求增大，有必要从负荷侧实现系统的快速频率响应，以解决日益严峻的频率稳定问题。

我国菱镁矿储量雄厚，截至目前已探明菱镁矿储量约36.42亿吨，占世界总储量的28.85％，居世界首位,我国菱镁矿储量以辽宁最为丰富，主要集中于营口至大石桥至海城一带，储量约26亿吨，电熔镁行业作为辽宁省镁砂资源工业的重中之重，其电能消耗在全省的工业生产耗电中占有举足轻重的地位，另一方面，电熔镁熔炼过程具有功率可调节的特点，这为对其功率控制进而参与电网快速频率响应控制提供了可能，因此，对于电网而言，具有一定可中断运行特性的电熔镁炉可作为负荷侧资源，参与快速频率响应控制。

公开号为CN111682559B的中国专利公开了一种用于全工况的风电机组快速频率响应控制方法及控制系统，具体为：采集风速，根据不同风速工况，切换到不同的频率响应控制策略，低风速频率响应控制策略；为发电企业节约了大量运维成本的同时又不会因为一次调频量不足产生考核；但该专利是适用于全工况的风电机组的，不适用于电熔镁负荷的快速频率响应。

公开号为CN113078662B的中国专利公开了一种新能源快速频率响应系统及方法，通过调频控制响应装置转发电网调度主站的有功电压控制指令，可以对各新能源发电机组进行日常的有功输出控制和稳态电压控制，减少其他设备的使用和运维，提高新能源电场的电网运行的可靠性，当电网频率异常时，对电网调度主站的有功功率控制指令进行闭锁控制，从而可以使得调频控制响应装置独立进行调频，不叠加电网调度主站下发的有功功率控制指令中的控制值，提高快速调频的准确性，当调频控制操作结束或超时后，则解开电网调度主站的功功率控制指令的闭锁控制，从而使得电网调度主站和调频控制响应装置协调工作，保障了新能源场站的电网稳定运行；但该方法适用于从控制侧着手，应用于电熔镁负荷不能从负荷侧达到很好的快速频率响应效果。

发明内容

本发明提供了一种电熔镁负荷提供快速频率响应服务的运行控制策略，制定了实施电熔镁群炉协调快速频率响应控制策略，对电网实行主动频率响应控制，有效提升系统整体频率响应控制能力，引入模糊评价理论，实现群炉智能化集中控制，实现大扰动下电熔镁群炉的快速频率响应。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种电熔镁负荷提供快速频率响应服务的运行控制策略，包括以下步骤：

步骤一：将快速频率响应划分为响应阶段、持续阶段、退激活阶段和恢复阶段，总结四个阶段快速频率响应技术要求；

步骤二：建立电熔镁负荷频率响应模型，明确电熔镁负荷的技术指标为控制模式、响应时间、持续时间、退激活阶段、恢复阶段、服务时间和服务灵活性；

步骤三：根据短持续时间和长持续时间采取不同的电熔镁负荷运行控制策略。

进一步地，所述步骤一中四个阶段快速频率响应技术要求如下：

1)响应阶段：0.25秒至2秒；

2)持续阶段：5秒至20分钟；

3)退激活阶段：短持续时间下每秒功率下降速率0至中标容量的20％；

4)恢复阶段：功率动作幅度0至25％的装机容量；

5)部分国家要求：从激活到恢复完毕整个过程0至15分钟；

6)最小容量：0.1兆瓦至1兆瓦。

进一步地，所述步骤二中根据电熔镁负荷频率响应模型决定是否投入快速频率响应，模型如下：

其中，ΔP

进一步地，所述步骤二中电熔镁负荷的技术指标要求如下：

1)控制模式：固定轨迹控制；

2)响应时间：1.5秒；

3)持续时间：短持续30秒，长持续10分钟；

4)退激活阶段：短持续时间下每秒功率下降速率0至中标容量的20％；

5)恢复阶段：功率动作幅度0至10％的装机容量；

6)服务时间：5月-次年4月，工作日夜间和周末共4608小时；

7)服务灵活性：工作日实时需求1000小时。

进一步地，所述步骤三中短持续时间和长持续时间采取的不同电熔镁负荷运行控制策略如下：

(1)短持续时间下电熔镁负荷的运行控制策略；

1)在响应阶段，电熔镁负荷收到任务要求，感知电熔镁群炉在线运行状态；

2)根据快速频率响应需求和事前申报的响应容量，按需直接进行停炉控制；

3)在短持续时间的任务完成后，电熔镁负荷需按照“停一加二”的控制策略来退出响应，具体为：每停一台电熔镁炉，就恢复两台电熔镁炉；

(2)长持续时间下电熔镁负荷的运行控制策略为一种负荷组合的方法，利用模糊数学的思想，对各炉进行调节潜力评价，选取得分较高的炉参与调节。

进一步地，所述在短持续时间的快速频率响应服务中，持续时间可增加或减少，但需控制在1分钟以内。

进一步地，所述在长持续时间的快速频率响应服务中，持续时间可增加或减少，但需控制在15分钟以内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)根据频率安全任务要求，制定实施电熔镁群炉协调快速频率响应控制策略；

2)对电网实行主动频率响应控制，在限定时间内提供足够的调节容量，有效提升系统整体频率响应控制能力，从而改善大扰动下的系统频率稳定紧张局面；

3)引入模糊评价理论，智能精细化各电熔镁群炉地调频能力，实现群炉智能化集中控制，实现大扰动下电熔镁群炉的快速频率响应。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明所述单台电熔镁炉运行状态曲线。

图3是本发明所述单台电熔镁炉的运行功率曲线。

图4是本发明所述快速频率响应服务场景。

图5是本发明所述短持续时间下的电熔镁负荷运行控制策略示意图。

图6是本发明所述长持续时间下的电熔镁负荷运行控制策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1，是本发明的流程示意图。本发明一种电熔镁负荷提供快速频率响应服务的运行控制策略，包括以下步骤：

步骤一：将快速频率响应划分为响应阶段、持续阶段、退激活阶段和恢复阶段，总结四个阶段快速频率响应技术要求；

步骤二：建立电熔镁负荷频率响应模型，明确电熔镁负荷的技术指标为控制模式、响应时间、持续时间、退激活阶段、恢复阶段、服务时间和服务灵活性；

步骤三：根据短持续时间和长持续时间采取不同的电熔镁负荷运行控制策略。

进一步地，在电力系统中，当系统发生大功率扰动，依次由同步惯性响应、一次调频和二次调频提供功率支撑，在一次调频之前，扰动引起的频率跌幅会越过低频减载装置的动作阈值，因此，为弥补同步惯性和一次调频备用容量不足，通过有功快速注入在一次调频响应前限制频率下降速度，避免低频减载，快速频率响应产品应运而生，快速频率响应需在一次调频之前动作，按输入信号分类，其控制方式可分为3种：频率变化率控制、频率偏差控制和固定轨迹控制，所述步骤一中四个阶段快速频率响应技术要求如下：

1)响应阶段：0.25秒至2秒；

2)持续阶段：5秒至20分钟；

3)退激活阶段：短持续时间下每秒功率下降速率0至中标容量的20％；

4)恢复阶段：功率动作幅度0至25％的装机容量；

5)部分国家要求：从激活到恢复完毕整个过程0至15分钟；

6)最小容量：0.1兆瓦至1兆瓦。

进一步地，所述步骤二中根据电熔镁负荷频率响应模型决定是否投入快速频率响应，模型如下：

其中，ΔP

当快速频率响应触发功率ΔP

进一步地，所述步骤二中电熔镁负荷的技术指标要求如下：

1)控制模式：固定轨迹控制；

2)响应时间：1.5秒；

3)持续时间：短持续30秒，长持续10分钟；

4)退激活阶段：短持续时间下每秒功率下降速率0至中标容量的20％；

5)恢复阶段：功率动作幅度0至10％的装机容量；

6)服务时间：5月-次年4月，工作日夜间和周末共4608小时；

7)服务灵活性：工作日实时需求1000小时。

进一步地，所述步骤三中快速频率响应需要依据不同频率偏差等级，来要求供应商提供不同时间尺度的产品服务，因此，作为供应商的电熔镁负荷需依据不同时间尺度采取不同的控制策略，以免影响自身的生产过程，短持续时间和长持续时间采取的不同电熔镁负荷运行控制策略如下：

(1)短持续时间下电熔镁负荷的运行控制策略：单台电熔镁炉可停炉30秒至一分钟，因此，针对短持续时间下的快速频率响应服务，电熔镁负荷可采取按需直接控制的策略，由于短持续时间对于退激活阶段有着严格的功率下降要求，设计了“停一加二”的运行控制策略；

1)在响应阶段，电熔镁负荷收到任务要求，感知电熔镁群炉在线运行状态；

2)根据快速频率响应需求和事前申报的响应容量，按需直接进行停炉控制；

3)在短持续时间的任务完成后，电熔镁负荷需按照“停一加二”的控制策略来退出响应，具体为：每停一台电熔镁炉，就恢复两台电熔镁炉；

(2)在长持续时间下，电熔镁负荷仅靠一次停炉是不可能完成任务的，因此，需要一种负荷组合的方法，进行分时段组合停炉，以实现长持续时间下的快速频率响应任务，由于电熔镁炉受调节次数和调节时间约束，其具有的调节潜力各不相同。因此，可利用模糊数学的思想，对各炉进行调节潜力评价，选取得分高的炉参与调节，电熔镁炉调节能力的决策变量共有4种，包括：工况、已调节次数、剩余可调时间和实时功率，由于四种变量互不影响，可将四个决策变量分别分析，形成各决策变量下的隶属度函数，进行加权求和；

1)工况

电熔镁负荷共有5种工况，包括：主熔工况、投料工况、排气工况、起炉工况、停炉工况，电熔镁处于投料工况、排气工况、起炉工况以及停炉工况下，功率不可调整，因此，为简化运算，设定决策变量工况为x，在主熔工况下取值为“1”，在其他工况下取值为“0”。

2)已调节次数

根据控制原则，已调节次数越小，采用的概率越大，因此采用偏小正态型隶属度函数，设y为已调节次数，k

其中，

3)可调节时间

根据控制原则，可调节时间越大，采用的概率越大，因此采用偏大正态型隶属度函数，设z为已调节次数，k

其中，

4)实时功率

根据控制原则，可调节时间越大，采用的概率越大，因此采用偏大正态型隶属度函数，设p为已调节次数，k

其中，

基于公式(3)-(11)，建立了电熔镁炉调节能力评价模型，由于炉况为0-1变量，可对其进行了解耦计算，因此不再考虑其所占权重，假定各因素所占的权重为：

λ＝(λ

因此，得分矩阵A可表示为：

A＝x×(λοk)(13)

其中，过程矩阵B为：

矩阵B中算子计算课表示为:

采用如下算子能够对各因素按权数大小，统筹兼顾，综合考虑比较合理，

算子：

因此，得分矩阵A为：

基于上述分析，面向长持续时间，利用模糊数学思想实行电熔镁负荷的运行控制策略，具体如下：

1)在响应阶段，电熔镁负荷收到任务要求，感知电熔镁群炉在线运行状态。

2)在长持续时间阶段，在线获取当前时段的得分矩阵后，对其进行排序，按照从大到小的顺序依次选取调控的电熔镁炉，直至完成任务要求，以一分钟为一个调控时段，在线更改其运行状态为停炉状态，并修改下一时段的功率矩阵。

3)在长持续时间的任务完成后，可根据电网实际需求，按需分组恢复或直接全部恢复。

4)在确定调控的电熔镁群炉时，为保证电熔镁砂产品的质量，若电熔镁在当前调度时段内被调度，下一时间将不参与调度。

进一步地，所述在短持续时间的快速频率响应服务中，持续时间可增加或减少，但需控制在1分钟以内。

进一步地，所述在长持续时间的快速频率响应服务中，持续时间可增加或减少，但需控制在15分钟以内。

进一步地，在大功率缺失任务下，电熔镁负荷完成电网下达的调频任务，以达到遏制频率下跌的效果，可有效缓解网侧调频压力。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

为验证控制策略的有效性，现提供20台电熔镁炉，每台炉子的单吨能耗值在2600千瓦时至3600千瓦时，申报容量为263.33千瓦，起炉时间为1.5小时至2小时，熔炼总时间为10小时至12小时，其中正常熔炼工况时间为6分钟至7分钟，加料工况时间为1分钟至2分钟，排气工况时间为1分钟至2分钟，停炉工况时间为随机，通过随机生产模拟方法，模拟出20台电熔镁炉的工作状态，其中，电熔镁起炉状态用“0”表示，投料状态用“1”表示，熔炼状态用“2”表示，排气状态用“3”表示，停炉状态用“4”表示；则模拟出的单台电熔镁的运行状态曲线如图2所示，运行功率曲线如图3所示。

基于上述模拟条件，设定如图4所示的快速频率响应服务场景，其服务时间点在522分钟，功率大小为：266.402千瓦，根据本发明提出的运行控制策略，针对该场景，短持续时间下的运行控制策略结果如图5所示，在实际运行过程中，可依据此实现短时间尺度下的电熔镁群炉的协调控制；在长持续时间下，受产品质量的影响，要求电熔镁群炉不能频繁启停，若盲目控制，必将导致工业事故，因此，根据本发明提出的运行控制策略，在保证产品质量的前提下，协调控制电熔镁群炉提供快速频率响应服务，针对图4所示服务场景，模拟了20台电熔镁炉长持续时间下的运行控制策略，结果如图6所示；从图2-图6所示，在不同调度时间段，本发明提出的方法能够有效协调控制电熔镁群炉，保证每个电熔镁炉参与到服务中来，从负荷侧实现系统的快速频率响应，既保证产品质量，也保证了服务的稳定性。