法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2023-07-07
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H02J 3/14 专利号:ZL2017104390043 申请日:20170612 授权公告日:20200505
专利权的终止
2020-05-05
授权
授权
2017-12-08
实质审查的生效 IPC(主分类):H02J3/14 申请日:20170612
实质审查的生效
2017-11-14
公开
公开
技术领域
本发明属于发输电系统领域,目的是实现发输电系统的负荷削减 量计算,具体涉及考虑一、二次调频及最小频率偏差的负荷削减优 化模型。
背景技术
近年来,风电应用规模的持续扩大以及电力负荷需求的快速增长, 对发输电系统的安全可靠运行提出了更高的要求。发输电系统的运 行可靠性水平直接受系统频率等实时运行条件的影响,频率过小或 过大都不利于系统的安全、可靠、经济运行,严重时将导致系统崩 溃。一、二次调频是维持系统功率平衡、保障系统可靠运行的重要 手段,因此,展开考虑一、二次调频的发输电系统运行可靠性评估 具有十分重要的意义。然而,负荷削减计算是发输电系统可靠性评 估关键环节,构建准确的负荷削减模型是实现系统可靠性合理、有 效评估的重要基础。
目前,现有研究将频率加入到约束条件中,能够反映频率变化对 负荷削减的影响,但通过牺牲频率质量来维持负荷削减量最小,只 能得出紧急情况下的负荷削减量,无法在负荷削减后为系统留出一 定的充裕度水平,不符合系统的实际运行情况,并且没有计及风电 机组的一次调频能力,具有一定的局限性,无法实现发输电系统负 荷削减量的有效、准确计算。
综上所述,现有优化模型存在以下问题:一是不考虑风电机组的 一次调频能力和AGC机组的二次调频能力,二是负荷削减后系统频 率一直在下限值,不符合发输电系统的实际运行情况。
发明内容
本发明的目的是针对现有的发输电系统负荷削减优化模型的不足, 提出一种考虑一、二次调频及最小频率偏差的负荷削减优化模型:优 化模型的目标函数中加入频率偏差,以负荷有功功率削减量与频率偏 差的平方的加权和最小作为目标函数;将风电机组的一次调频方程和 AGC机组的二次调频方程加入优化模型的等式约束中;在优化模型的 不等式约束中考虑频率质量约束、节点电压幅值约束、机组有功和无 功功率约束、AGC机组爬坡约束、支路功率约束和负荷节点有功功率 削减量约束。
实现本发明目的之技术方案是:考虑一、二次调频及最小频率偏 差的负荷削减优化模型的建立和求解。首先,建立优化模型的目标 函数,以负荷有功功率削减量与频率偏差的平方的加权和最小;其 次,考虑风电机组、常规非AGC机组、AGC机组的一、二次调频 能力,基于发输电系统的节点有功功率平衡方程、无功功率平衡方 程,建立优化模型的等式约束;再次,考虑频率质量约束、节点电 压幅值约束、机组有功和无功功率约束、AGC机组爬坡约束、支路 功率约束和负荷节点有功功率削减量约束,构建优化模型的不等式 约束;最后,在不同风电场出力和不同权重系数的场景下,采用内 点法对所建优化模型进行求解。其具体方法步骤如下:
(1)建立负荷削减优化模型的目标函数
本专利所建发输电系统负荷削减优化模型以负荷有功功率削减量 与频率偏差的平方的加权和最小为优化目标,可表示为:
式中:F为目标函数;PCi为负荷节点i的有功负荷削减量;fN为系>1和ω2为权重系数;ω1越大,越强调负荷削减代价,>2越大,越强调频率质量,可根据系统运行要求调整ω1、ω2的取值。
(2)建立等式约束
在系统节点有功平衡方程中引入有功负荷削减变量PCi,在系统节>
其中,式(2)是电力系统节点有功平衡方程,式(3)是电力系统节 点无功平衡方程。式中,PWi和QWi为节点i上所连风电机组的无功功率;>Gi和QGi分别为节点i上所连常规机组的有功功率和无功功率;PDi和QDi为节点i上负荷有功功率和无功功率;Vi为节点i的电压幅值;Gij和>ij分别为节点导纳矩阵中第i行第j列元素的实部和虚部;θij为节点i与>
风电机组、常规非AGC机组、AGC机组和节点负荷的频率特性如下:
①风电机组
系统风电机组一次调频能力随风速的变化而变化。本发明基于风 电机组调频容量及其调差系数随风速变化的特征,提出计及风电机 组一次调频的潮流模型。
常规机组由于一次能源的可控性,因此能够稳定地参与系统一次 调频。然而,风速具有的随机性、波动性等特点,使得风电机组的 一次调频能力具有不确定性,具体表现在以下两方面:
1)风电机组通过减载运行,可以为系统提供一次调频容量。然 而,风电机组有功出力随着风速的变化而随机波动,因此,所能提 供的调频容量以及减载后的有功输出随时发生改变。
2)对风电机组来说,调差系数(或静态频率调节效应系数)随 风速的变化而变化,而并非定值。因为风速不同,风电机组所能提 供的调频容量不同,可承担的一次调频任务也不同。
下面对风电机组减载后的有功输出和静态频率调节效应系数进 行介绍。
风电机组减载后的有功输出与风速的关系可表示为(以下k为风 电机组的序号):
式中:PWk,d为风电机组k在减载运行下的有功出力;PWk,r为风电机>Wk%为风电机组k的减载率;vk为风电机组k的>k,ci为风电机组k的切入风速;vk,co为风电机组k的切出风速;>k,r为风电机组k的额定风速;参数Ak、Bk、Ck分别为风电机组k的>W为风电机组总数。
风电机组静态频率调节效应系数与风速的关系可表示如下:
式中:KWk为风电机组k的静态频率调节效应系数;KWk,max为风电机>tk,min为风电机组k可参与一次>tk,max为风电机组k可参与一次调频的最大风速。
风电机组的一次调频特性可表示为
PWk=PWk,d-KWk(f-f0),k=1,2,…,NW>
式中:PWk为风电机组k的有功功率;f为系统频率;f0为当前运行>
②常规非AGC机组
考虑常规非AGC机组的静态频率特性,机组有功功率PGm的表>
PGm=PGm0-KGm(f-f0),m=1,2,…,NC>
式中:PGm0为常规非AGC机组m在当前运行条件下的有功出力;>Gm为常规非AGC机组m的静态频率调节效应系数;NC为常规非>
③AGC机组
AGC机组可以同时参与系统一、二次调频,其有功功率PGn的表>
PGn=PGn>-KGn(f-f0)+ΔPGn,r,n=1,2,…,NAGC> 式中:ΔPGn,r为AGC机组n的二次调频量;NAGC为AGC机组总数。 值得指出的是,在实际运行中,发电机组的调速系统不会一直发 挥作用。当机组有功出力越过上下限时,机组将不再参与有功功率的 分配。 ④节点负荷 同时考虑负荷的静态频率特性和静态电压特性,各节点负荷的有 功功率PDi和无功功率QDi表达式为: 式中,下标“0”表示初始运行条件时相关变量的值;系数APi、BPi、>Pi
(3)建立不等式约束
频率质量约束、节点电压幅值约束、机组有功和无功功率约束、 AGC机组爬坡约束、支路功率约束和负荷节点有功功率削减量约束 分别为:
fmin≤f≤fmax>
Vi,min≤Vi≤Vi,max,i=1,2,…,N>
PGi,min≤PGi≤PGi,max,i=1,2,…,NG>
QGi,min≤QGi≤QGi,max,i=1,2,…,NG>
-ΔPGm,d≤PGm-PGm>≤ΔPGm,u,m=1,2,…,NAGC> -Tl,max≤Tl≤Tl,max,l=1,2,…,NB> 0≤PCi≤PDi,i=1,2,…,ND> 式中:fmin和fmax分别为系统频率的下限值和上限值;Vi,min和Vi,max分别为节点i电压幅值的下限值和上限值;PGi,min和PGi,max分别为发>Gi,min
基于第(1)步的目标函数和第(2)步的等式约束以及第(3) 步的不等式约束,考虑一、二次调频及最小频率偏差的负荷削减优 化模型已建立完成。该模型为非线性优化问题,可采用内点法对其 进行求解,本发明调用内点法求解器IPOPT求解该优化模型。
本发明采用上述技术方案后,主要有以下效果:
1.本发明提出的负荷削减优化模型计及了包括风电机组在内的所 有机组的一次调频能力和AGC机组的二次调频能力,更加客观真实 地反映了发输电系统中各发电机组的实际运行状况。
2.本发明提出的负荷削减优化模型在目标函数中引入了频率偏差, 使得负荷削减之后系统频率能够满足尽量接近额定值的实际运行要 求。
3.相比于现有发输电系统的负荷削减模型,本发明所提的模型充 分计及系统中的一、二次调频能力,并且将频率偏差最小作为优化 目标,使得系统的负荷削减量计算能够更加客观、真实地反映系统 实际运行状况。
本发明可广泛应用于发输电系统的负荷削减量计算,而且还适用 于风电等新能源大规模接入发输电系统的情况。
附图说明
图1为IEEE14测试系统图。图中,IEEE14测试系统共有5台发 电机,总装机容量为400MW,峰值负荷为388.5MW。本发明在节 点11处接入风电,以反映风电对系统的影响。
图2负荷削减后系统频率随频率偏差权重系数的变化关系。
图3系统总负荷削减量随频率偏差权重系数的变化关系。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不应该理解为本 发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思 想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段,做出各种替换 和变更,均应包括在本发明的保护范围内。
(1)基础数据准备
本实施例中系统的基础数据参见IEEE14标准系统,假设各节点负 荷的随机特性均服从正态分布,其标准差为各节点负荷期望值的5%; 风速服从两参数威布尔分布,尺度参数为1.637,形状参数为5.218。 系统节点11接入风电场的风机减载率、切入风速、额定风速、切出 风速和风机功率特性曲线参数等风电场相关参数取值参见表1。
表1风电场相关参数
(2)建立负荷削减优化模型的目标函数
以负荷有功功率削减量与频率偏差的平方的加权和最小为优化目 标。由于系统中共有11个负荷,1个频率全局变量,因此目标函数中 共有15个变量。
(3)建立负荷削减优化模型的等式约束
计及所有机组的一次调频能力和AGC机组的二次调频能力,基于 电力系统中的节点有功、无功功率平衡方程,建立等式约束。由于系 统中共有14个电力系统节点,因此根据所建模型要求,共有28个等式 约束,包括14个电力系统有功平衡约束和14个无功平衡约束。
(4)建立负荷削减优化模型的不等式约束
基于第(2)步所建立的等式约束,系统负荷削减优化模型的不等 式约束包括:1个频率上下限约束,14个电力系统节点电压约束,4 个常规机组出力约束,1个风电机组出力约束,1个AGC机组出力约束, 13个线路功率约束,11个电负荷削减变量上下限约束。模型中变量的 不等式约束上下限如下表所示:
表2不等式约束上下限表
(5)负荷削减优化模型求解
完成以上步骤的工作之后,可以进行考虑一、二次调频及最小频 率偏差的负荷削减优化模型的求解,本发明调用内点法求解器IPOPT 对该优化模型进行求解。设置几组不同的负荷有功功率削减量与频率 偏差权重系数,观察不同权重系数对频率和系统总负荷削减量的影响, 系统总负荷削减量的计算式如下:
式中,C为系统总负荷削减量。
在系统总装机容量不变的情况下,模拟负荷增大1.12倍,取风速 为8m/s、ω1为1,设置5组频率偏差权重系数ω2的场景,观察系统频>
表3不同权重系数下频率和系统总负荷削减量计算结果
由表3可知,随着ω2的增大,不考虑风电调频和考虑风电调频所计>2越大,则表示>
为了直观地区分不考虑风电调频和考虑风电调频对系统频率、系 统总负荷削减量的影响,绘图见说明书附图:
由图2和图3可知,在相同频率偏差权重系数下,不考虑风电调频 和考虑风电调频所计算出的系统频率基本相同,不过考虑风电调频计 算得到的系统频率略差于不考虑风电调频计算得到的系统频率。然而, 不考虑风电调频和考虑风电调频所计算出的系统总负荷削减量差异 较大,考虑风电调频计算得到的系统总负荷削减量小于不考虑风电调 频计算得到的系统总负荷削减量,可以得出,考虑风电调频后,通过 风电机组的一次调频作用,系统将失去更少的负荷,有助于提高系统 的可靠性水平。
从实验结果可知:通过求解本发明提出的负荷削减模型,可在计 及一、二次调频的情况下,得到系统总负荷削减量和系统频率。该模 型为发输电系统运行可靠性评估打好模型基础。
综上所述,本发明提出一种考虑一、二次调频及最小频率偏差的 负荷削减优化模型。首先,建立优化模型的目标函数,以负荷有功功 率削减量与频率偏差的平方的加权和最小作为目标函数;其次,考虑 风电机组、常规非AGC机组、AGC机组的一、二次调频能力,基于 发输电系统的节点有功功率平衡方程、无功功率平衡方程,建立优化 模型的等式约束;再次,考虑频率质量约束、节点电压幅值约束、机 组有功和无功功率约束、AGC机组爬坡约束、支路功率约束和负荷节 点有功功率削减量约束,构建优化模型的不等式约束;最后,调用内 点法求解器IPOPT实现该模型的计算求解,并在不同权重系数的场景 下实现仿真分析。通过仿真发现,通过本发明可以避免负荷削减后系 统频率在下限值的弊端,同时考虑风电调频有助于提高系统的可靠性 水平。
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