考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统分析与运行控制技术领域，并且更具体地，涉及一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法及系统。


背景技术：

2.当前新能源调频控制策略应用较多的是下垂控制、虚拟惯性控制及其综合控制，其中附加惯性控制通过引入电网频率变化率模拟同步机的惯性响应；附加一次调频控制通过引入电网频率与额定值间的差值，响应电网频率的变化。但其模拟同步机的调频特性是否必须及其对系统频率响应支撑作用最优还有待进一步研究，同时当前研究新能源调频控制对电网的频率主动支撑均未考虑新能源调频能量的约束，与新能源实际调频能量有限的情况不符，若过度利用新能源调频能量，可能会造成频率二次跌落以及威胁机组自身安全。
3.因此需要考虑新能源与同步机的调频协调问题，具体而言是其控制规律与同步机的频率响应特性如何配合。同步机仍然是系统中重要的频率调节资源，且不具调频能量代价。新能源和同步机的频率支撑特性完全不同，新能源实现频率支撑所能释放的转子动能或调频能量等有限（不考虑配储能），但其响应速度快，同时功率控制灵活可控。同步机具有足够大的调频能量，但由于一次调频响应的机械延时，同步机的频率调节速度较慢且不灵活，因此需要同步机和新能源之间的调频协调，如果同步机和新能源在频率支撑上配合的好，系统频率响应特性也较好，然而当前的新能源频率下垂控制和虚拟惯性控制难以实现与同步机较好的协调，协调机理与机制对系统频率响应的致稳定机理也不清晰。何种控制规律下的新能源才能实现新能源调频能量的合理释放以及与同步机调频频能量的有效配合，提升系统频率稳定性。
4.其中，涉及到新能源调频的介入时间问题，当前基本认识是新能源介入的越早，调频控制强度越大，对系统的频率特性改善越明显，但是新能源的介入改善频率特性的同时，导致同步机一次调频响应幅度受到抑制，难以充分发挥同步机一次调频备用能量输出无代价的优势，新能源过早过大幅度参与调频，也可能导致后期功率恢复出现问题。因此，新能源何时参与调频能最大程度发挥新能源调频快、可控性强的优势，以及规避调频能量有限、调频代价高的劣势，最大程度的支撑系统频率稳定需要进一步研究。
5.因此，需要一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法。


技术实现要素：

6.本发明提出一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法及系统，以解决如何高效地实现新能源系统频率稳定控制的问题。
7.为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法，所述方法包括：计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间；判断所述频率最低点到达时间是否满足频率稳定能量平衡判据，获取判断结果；
当所述判断结果指示不满足频率稳定能量平衡判据时，确定每个新能源场站的可用调频能量；按照可用调频能量从小到大的顺序将新能源场站的可用调频能量在所述频率最低点到达时间的上一时段依次加入调频序列，直至满足调频稳定需求时停止，完成系统频率稳定控制。
8.优选地，其中所述计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间，包括：将时间t离散化为n+1个时段，每个时段的时间间隔为 ， ，逐步增加t的时段，基于下述公式确定频率最低点到达时间，包括：，其中， 为频率最低点到达时间；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为扰动功率； 为阻尼系数； 为扰动下允许最大频率偏差； 和 分别为第一个时段的结束时间和第二个时段的结束时间。
9.优选地，其中所述频率稳定能量平衡判据，包括：，其中， 为扰动功率； 为频率最低点到达时间；m为系统中开机的同步机惯量； 为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
10.优选地，其中所述确定每个新能源场站的可用调频能量，包括：
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，其中， 为第i个新能源场站的可用调频能量； 为第i个新能源场站的输出功率； 为时间间隔。
11.优选地，其中所述调频稳定需求，包括：，其中， 为扰动功率； 为频率最低点到达时间；i为加入调频序列的新能源场站的数量； 为第i个新能源场站的可用调频能量；m为系统中开机的同步机惯量； 为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
12.根据本发明的另一个方面，提供了一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制系统，所述系统包括：频率最低点到达时间确定单元，用于计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时
为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
17.基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法中任一项的步骤。
18.基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：上述的计算机可读存储介质；以及一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
19.本发明提供了一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法及系统，包括：计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间；判断所述频率最低点到达时间是否满足频率稳定能量平衡判据，获取判断结果；当所述判断结果指示不满足频率稳定能量平衡判据时，确定每个新能源场站的可用调频能量；按照可用调频能量从小到大的顺序将新能源场站的可用调频能量在所述频率最低点到达时间的上一时段依次加入调频序列，直至满足调频稳定需求时停止，完成系统频率稳定控制。本发明从能量视角出发将频率稳定等效为扰动能量与调频能量能否平衡的问题，随后将新能源调频对频率的贡献等效为能量方块，通过能量方块的叠加判别，保证频率稳定，同时最小化对新能源调频能量的需求，可以为区域、省级系统频率稳定的判别、新能源场站参与调频的时序提供参考和借鉴。
附图说明
20.通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：图1为根据本发明实施方式的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法100的流程图；图2为根据本发明实施方式的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制系统200的结构示意图。
具体实施方式
21.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
22.除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
23.图1为根据本发明实施方式的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法，从能量视角出发将频率稳定等效为扰动能量与调频能量能否平衡的问题，随后将新能源调频对频率的贡献等效为能量方块，通过能量方块的叠加判别，保证频率稳定，
同时最小化对新能源调频能量的需求，可以为区域、省级系统频率稳定的判别、新能源场站参与调频的时序提供参考和借鉴。本发明实施方式提供的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法100，从步骤101处开始，在在101，计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间。
24.优选地，其中所述计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间，包括：将时间t离散化为n+1个时段，每个时段的时间间隔为 ， ，逐步增加t的时段，基于下述公式确定频率最低点到达时间，包括：，其中， 为频率最低点到达时间；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为扰动功率； 为阻尼系数； 为扰动下允许最大频率偏差； 和 分别为第一个时段的结束时间和第二个时段的结束时间。
25.在本发明中，对同步机调频出力进行线性化表征，采用分段逼近近似方法计算系统在一定有功扰动下的频率最低点到达时间 。
26.其中，同步机出力线性化表征为： ，其中，r为一次调频最大功率， 为一次调频响应时间，接近同步机主导的传统电力系统中最大扰动下频率最低点到达时间，10s。
27.将时间t离散化，令 ，每个时段时间间隔为 ，共有n+1个时段，逐步增加t的时段，当t所在的时段满足下述公式时, 即为频率最低点到达时间：
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，式中， 为扰动功率， 为阻尼系数，包括系统中负荷阻尼和电气阻尼， 为扰动下允许最大频率偏差， 为频率最低点到达时间。
28.在步骤102，判断所述频率最低点到达时间是否满足频率稳定能量平衡判据，获取判断结果。
29.优选地，其中所述频率稳定能量平衡判据，包括：，其中， 为扰动功率； 为频率最低点到达时间；m为系统中开机的同步机惯量； 为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
30.在步骤103，当所述判断结果指示不满足频率稳定能量平衡判据时，确定每个新能源场站的可用调频能量。
31.优选地，其中所述确定每个新能源场站的可用调频能量，包括：
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，其中， 为第i个新能源场站的可用调频能量； 为第i个新能源场站的输出功率； 为时间间隔。
32.在步骤104，按照可用调频能量从小到大的顺序将新能源场站的可用调频能量在所述频率最低点到达时间的上一时段依次加入调频序列，直至满足调频稳定需求时停止，完成系统频率稳定控制。
33.优选地，其中所述调频稳定需求，包括：，其中， 为扰动功率； 为频率最低点到达时间；i为加入调频序列的新能源场站的数量； 为第i个新能源场站的可用调频能量；m为系统中开机的同步机惯量； 为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
34.在本发明中，依据频率稳定能量平衡判据判断大扰动下频率最低点到达时间是否满足要求 。其中，频率稳定能量平衡判据为：，其中， 为扰动功率； 为频率最低点到达时间；m为系统中开机的同步机惯量； 为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
35.如频率不满足要求，则计算每个新能源场站i的可用调频能量 ，每个新能源场站满足调频能量约束 ；其中， 为第i个新能源场站的输出功率。
36.再对可用调频能量从小到大进行排序，然后按照顺序将i个新能源调频场站在频率最低点到达时间的上一时段 时段依次加入调频序列，直至满足公式：，确定满足频率稳定要求，完成频率稳定控制。
37.本发明的方法基于能量平衡的频率稳定框架，可实现频率稳定的在线评估和预防控制，具有较高的工程适用性，可以有效支撑电网公司运行方式制定、机组安排，保障电网频率安全；本发明通过优化新能源参与调频的时间，最大化释放同步机组的调频能力，最小化参与调频的新能源调频备用能量，以应对高比例新能源接入后传统调频能量缺失的问
题，降低系统频率失稳风险，同时本发明从系统角度提出对新能源的调频技术需求，可以评估为满足系统频率稳定所需的新能源调频资源（能量）。
38.图2为根据本发明实施方式的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制系统200的结构示意图。如图2所示，本发明实施方式提供的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制系统200，包括：频率最低点到达时间确定单元201、判断单元202、可用调频能量确定单元203和频率稳定控制单元204。
39.优选地，所述频率最低点到达时间确定单元201，用于计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间。
40.优选地，其中所述频率最低点到达时间确定单元201，计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间，包括：将时间t离散化为n+1个时段，每个时段的时间间隔为 ， ，逐步增加t的时段，基于下述公式确定频率最低点到达时间，包括：
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，其中， 为频率最低点到达时间；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为扰动功率； 为阻尼系数； 为扰动下允许最大频率偏差； 和 分别为第一个时段的结束时间和第二个时段的结束时间。
41.优选地，所述判断单元202，用于判断所述频率最低点到达时间是否满足频率稳定能量平衡判据，获取判断结果。
42.优选地，其中所述频率稳定能量平衡判据，包括：，其中， 为扰动功率； 为频率最低点到达时间；m为系统中开机的同步机惯量； 为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
43.优选地，所述可用调频能量确定单元203，用于当所述判断结果指示不满足频率稳定能量平衡判据时，确定每个新能源场站的可用调频能量。
44.优选地，其中所述可用调频能量确定单元203，确定每个新能源场站的可用调频能量，包括：
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，其中， 为第i个新能源场站的可用调频能量； 为第i个新能源场站的输出功率； 为时间间隔。
45.优选地，所述频率稳定控制单元204，用于按照可用调频能量从小到大的顺序将新能源场站的可用调频能量在所述频率最低点到达时间的上一时段依次加入调频序列，直至
满足调频稳定需求时停止，完成系统频率稳定控制。
46.优选地，其中所述调频稳定需求，包括：，其中， 为扰动功率； 为频率最低点到达时间；i为加入调频序列的新能源场站的数量； 为第i个新能源场站的可用调频能量；m为系统中开机的同步机惯量； 为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率； 为一次调频响应时间； 为阻尼系数。
47.本发明的实施例的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制系统200与本发明的另一个实施例的考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法100相对应，在此不再赘述。
48.基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法中任一项的步骤。
49.基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：上述的计算机可读存储介质；以及一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
50.已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
51.通常地，在本发明中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0052]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0053]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0054]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。
[0055]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0056]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法，其特征在于，所述方法包括：计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间；判断所述频率最低点到达时间是否满足频率稳定能量平衡判据，获取判断结果；当所述判断结果指示不满足频率稳定能量平衡判据时，确定每个新能源场站的可用调频能量；按照可用调频能量从小到大的顺序将新能源场站的可用调频能量在所述频率最低点到达时间的上一时段依次加入调频序列，直至满足调频稳定需求时停止，完成系统频率稳定控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间，包括：将时间t离散化为n+1个时段，每个时段的时间间隔为，，逐步增加t的时段，基于下述公式确定频率最低点到达时间，包括：，其中，为频率最低点到达时间；r为一次调频最大功率；为一次调频响应时间；为扰动功率；为阻尼系数；为扰动下允许最大频率偏差；和分别为第一个时段的结束时间和第二个时段的结束时间。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率稳定能量平衡判据，包括：，其中，为扰动功率；为频率最低点到达时间；m为系统中开机的同步机惯量；为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率；为一次调频响应时间；为阻尼系数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定每个新能源场站的可用调频能量，包括：，其中，为第i个新能源场站的可用调频能量；为第i个新能源场站的输出功率；为时间间隔。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调频稳定需求，包括：，
其中，为扰动功率；为频率最低点到达时间；i为加入调频序列的新能源场站的数量；为第i个新能源场站的可用调频能量；m为系统中开机的同步机惯量；为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率；为一次调频响应时间；为阻尼系数。6.一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制系统，其特征在于，所述系统包括：频率最低点到达时间确定单元，用于计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间；判断单元，用于判断所述频率最低点到达时间是否满足频率稳定能量平衡判据，获取判断结果；可用调频能量确定单元，用于当所述判断结果指示不满足频率稳定能量平衡判据时，确定每个新能源场站的可用调频能量；频率稳定控制单元，用于按照可用调频能量从小到大的顺序将新能源场站的可用调频能量在所述频率最低点到达时间的上一时段依次加入调频序列，直至满足调频稳定需求时停止，完成系统频率稳定控制。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述频率最低点到达时间确定单元，计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间，包括：将时间t离散化为n+1个时段，每个时段的时间间隔为，，逐步增加t的时段，基于下述公式确定频率最低点到达时间，包括：，其中，为频率最低点到达时间；r为一次调频最大功率；为一次调频响应时间；为扰动功率；为阻尼系数；为扰动下允许最大频率偏差；和分别为第一个时段的结束时间和第二个时段的结束时间。8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述频率稳定能量平衡判据，包括：，其中，为扰动功率；为频率最低点到达时间；m为系统中开机的同步机惯量；为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率；为一次调频响应时间；为阻尼系数。9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述可用调频能量确定单元，确定每个新能源场站的可用调频能量，包括：，其中，为第i个新能源场站的可用调频能量；为第i个新能源场站的输出功率；
为时间间隔。10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述调频稳定需求，包括：，其中，为扰动功率；为频率最低点到达时间；i为加入调频序列的新能源场站的数量；为第i个新能源场站的可用调频能量；m为系统中开机的同步机惯量；为扰动下允许最大频率偏差；r为一次调频最大功率；为一次调频响应时间；为阻尼系数。11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。12. 一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求11中所述的计算机可读存储介质；以及一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

技术总结
本发明公开了一种考虑新能源调频能量约束的系统频率稳定控制方法及系统，包括：计算系统在有功扰动下的频率最低点到达时间；判断所述频率最低点到达时间是否满足频率稳定能量平衡判据，获取判断结果；当不满足频率稳定能量平衡判据时，确定每个新能源场站的可用调频能量；按照可用调频能量从小到大的顺序将新能源场站的可用调频能量在所述频率最低点到达时间的上一时段依次加入调频序列，直至满足调频稳定需求时停止，完成系统频率稳定控制。本发明从能量视角出发将频率稳定等效为扰动能量与调频能量能否平衡的问题，随后将新能源调频对频率的贡献等效为能量方块，通过能量方块的叠加判别，保证频率稳定，同时最小化对新能源调频能量的需求。能源调频能量的需求。能源调频能量的需求。


技术研发人员：罗魁 王铁柱 郭剑波 马士聪 荆逸然 侯玮琳 徐浩田 范士雄 郭雅蓉 成义杰 高俊诚 戚洪昌 汪梦军
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/7/21