一种光热发电机组参与电网一次调频的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定技术领域，具体涉及一种光热发电机组参与电网一次调频的控制方法和系统。

背景技术

光伏发电和风力发电等可再生能源在近二十年来得到了大规模快速发展，很多地区已建成了百万千瓦甚至千万千瓦级可再生能源发电基地，这些可再生能源基地往往通过特高压直流输电系统送往远方负荷中心，属于含高比例可再生能源的送端电力系统。此类系统中水、火电机组很少，其频率调节问题面临很大的难度，引起了工业界和学术界的重视。

高比例可再生能源将是未来世界电力系统的一个基本特征。鉴于风能和太阳能的低排放甚至零排放，以及取之不尽、用之不竭，风力发电和太阳能发电是两种最有前景的可再生能源发电技术。太阳能发电技术主要包括光伏发电和光热发电两种类型，相比光伏发电和风力发电，光热发电技术拥有与火电机组类似的调节输出特性，有效克服了光伏发电和风力发电的间歇性与波动性；同时，由于光热发电机组采用同步发电机与电网接口，因此它具备很强的支撑电网电压、频率和短路容量能力，是未来电力系统中一种很有前景的发电技术，随着其技术的不断成熟以及经济成本的不断降低，有望在未来电力系统中得到大规模快速发展。

光热发电站普遍配置储热系统，可以实现无光照条件下支持电站约15小时的满负荷发电，这使得光热发电站具备良好的调度特性。此外，光热发电站的热交换系统具有较好的可控性和调节能力，能支持汽轮机组进行快速出力调节，具有优良的爬坡能力，普遍可以达到每分钟2％～5％的调节速度，最快可以达到每分钟调节20％的装机容量，远高于常规火电机组每分钟1％-2％的调节速度，具备参与电网一次调频的良好潜力。

目前有关光热发电站各子系统性能的研究较多，也有一些光热发电站参与电网调度运行的理论研究，但是欠缺其参与电网一次调频的相关研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光热发电机组参与电网一次调频的控制方法和系统，该方法能够根据电网频率的不同变化及时调整光热发电机组的有功功率输出，有效地支撑电网频率在扰动后的快速恢复。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种光热发电机组参与电网一次调频的控制方法，所述方法包括：

当电网频率偏差超出光热发电机组的一次调频死区时，根据电网频率偏差确定光热发电机组的调频增益；

基于电网频率偏差和光热发电机组的调频增益确定光热发电机组的一次调频有功功率；

利用光热发电机组的一次调频有功功率调节光热发电机组的有功输出；

其中，所述电网频率偏差为电网实测频率与电网额定频率的差值。

本发明提供一种光热发电机组参与电网一次调频的控制系统，所述系统包括：

第一确定模块，用于当电网频率偏差超出光热发电机组的一次调频死区时，根据电网频率偏差确定光热发电机组的调频增益；

第二确定模块，用于基于电网频率偏差和光热发电机组的调频增益确定光热发电机组的一次调频有功功率；

控制模块，用于利用光热发电机组的一次调频有功功率调节光热发电机组的有功输出；

其中，所述电网频率偏差为电网实测频率与电网额定频率的差值。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的技术方案，当电网频率偏差超出光热发电机组的一次调频死区时，根据电网频率偏差确定光热发电机组的调频增益；基于电网频率偏差和光热发电机组的调频增益确定光热发电机组的一次调频有功功率；利用光热发电机组的一次调频有功功率调节光热发电机组的有功输出。该方案能够根据电网频率的不同变化及时调整光热发电机组的有功功率输出，有效地支撑电网频率在扰动后的快速恢复。

附图说明

图1是一种光热发电机组参与电网一次调频的控制方法流程图；

图2是一种光热发电机组参与电网一次调频的控制系统结构图；

图3是本发明实施例中光热发电机组一次调频分段控制示意图。

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的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

鉴于未来电力系统将是一个含超高比例可再生能源的电力系统、光热发电在技术上的诸多优势以及光热发电成本的不断降低，在未来的电力系统中，光热发电有望扮演重要的角色。而且相比风力发电和光伏发电，光热发电在调频方面也具有明显的优势，但是至今为止光热发电在调频方面的研究较少，实用技术更少，亟需开展研究。

为解决上述问题，本发明提供一种光热发电机组参与电网一次调频的控制方法，如图1所示，该方法能够根据电网内不同扰动大小，自适应地调节光热发电机组功率输出，并且保证调节品质，以及不影响系统稳定性，从而保证电网频率在扰动后得到快速恢复。又考虑到光热发电机组的容量普遍在几十MW～几百MW之间，因此该方法作用对象为单个光热发电机组。

该方法的具体步骤，包括：

步骤101，当电网频率偏差超出光热发电机组的一次调频死区时，根据电网频率偏差确定光热发电机组的调频增益；

步骤102，基于电网频率偏差和光热发电机组的调频增益确定光热发电机组的一次调频有功功率；

步骤103，利用光热发电机组的一次调频有功功率调节光热发电机组的有功输出；

其中，所述电网频率偏差为电网实测频率与电网额定频率的差值。

具体的，所述光热发电机组的一次调频死区的上/下边界值的绝对值小于电网中其它发电机组死区的上/下边界值的绝对值。

具体的，所述步骤101，包括：

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

其中，f

进一步的，所述K

K

所述K

K

其中，K

进一步的，所述光热发电机组的调差系数最大允许值的获取过程，包括：

步骤A：在电力系统仿真分析软件中建立光热发电机组接入电网的仿真分析模型，并在该模型中设定光热发电机组在参与电网一次调频控制期间的有功输出

步骤B：设置仿真分析模型中光热发电机组的调频裕量为K倍的额定有功出力，并调节仿真分析模型中光热发电机组的出力至(1-K)倍的额定有功出力；

步骤C：设定仿真分析模型中光热发电机组参与电网一次调频的调差系数

步骤D：在仿真分析模型中设置负荷投入/切除扰动，响应得到电网频率曲线，若电网频率曲线的动态性能满足预设电网频率曲线的动态性能要求，则转至步骤E，否则，转至步骤F；

步骤E：将该调差系数的设定值逐步调大，直至电网频率曲线的动态性能不满足要求，记录此时的调差系数的设定值，并转至步骤G；

步骤F：将该调差系数的设定值逐步调小直至电网频率曲线的动态性能满足要求，记录此时的调差系数的设定值；

步骤G：将此时调差系数的设定值作为光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最大允许值；

其中，所述预设电网频率曲线的动态性能要求为：响应时间不大于3秒，超调量不大于30％、调节时间不大于20秒；

K为大于0、小于1的实数，Δf为电网频率偏差，P

进一步的，所述光热发电机组的调差系数最小允许值的获取过程，包括：

步骤L：在电力系统仿真分析软件中建立光热发电机组接入电网的仿真分析模型，并在该模型中设定光热发电机组在参与电网一次调频控制期间的有功输出

步骤M：设置仿真分析模型中光热发电机组的调频裕量为K倍的额定有功出力，并调节仿真分析模型中光热发电机组的出力至(1-K)倍的额定有功出力；

步骤N：设定仿真分析模型中光热发电机组参与电网一次调频的调差系数

步骤O：在仿真分析模型中设置负荷投入/切除扰动，响应得到仿真分析模型中光热发电机组的输出功率，若该输出功率出现了等幅或增幅振荡现象，则转至步骤P，否则，转至步骤Q；

步骤P：将该调差系数的设定值逐步调大直至光热发电机组的输出功率不再出现等幅或增幅振荡现象，记录此时的调差系数的设定值，并转至步骤R；

步骤Q：将该调差系数的设定值逐步调小直至光热发电机组的输出功率出现等幅或增幅振荡现象，记录此时的调差系数的设定值；

步骤R：将此时调差系数的设定值作为光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最小允许值；

其中，K为大于0、小于1的实数，Δf为电网频率偏差，P

具体的，所述步骤102，包括：

令光热发电机组的一次调频有功功率等于电网频率偏差与调频增益的乘积。

具体的，所述步骤103，包括：

控制光热发电机组的有功输出为光热发电机组的一次调频有功功率和光热发电机组的有功输出参考值的加和。

实施例2：

本发明提供了一种光热发电机组参与电网一次调频的控制系统，如图2所示，包括：

第一确定模块，用于当电网频率偏差超出光热发电机组的一次调频死区时，根据电网频率偏差确定光热发电机组的调频增益；

第二确定模块，用于基于电网频率偏差和光热发电机组的调频增益确定光热发电机组的一次调频有功功率；

控制模块，用于利用光热发电机组的一次调频有功功率调节光热发电机组的有功输出；

其中，所述电网频率偏差为电网实测频率与电网额定频率的差值。

具体的，所述光热发电机组的一次调频死区的上/下边界值的绝对值小于电网中其它发电机组死区的上/下边界值的绝对值。

具体的，所述第一确定模块，用于：

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

若电网频率偏差Δf满足f

其中，f

进一步的，所述K

K

所述K

K

其中，K

进一步的，所述光热发电机组的调差系数最大允许值的获取过程，包括：

步骤A：在电力系统仿真分析软件中建立光热发电机组接入电网的仿真分析模型，并在该模型中设定光热发电机组在参与电网一次调频控制期间的有功输出

步骤B：设置仿真分析模型中光热发电机组的调频裕量为K倍的额定有功出力，并调节仿真分析模型中光热发电机组的出力至(1-K)倍的额定有功出力；

步骤C：设定仿真分析模型中光热发电机组参与电网一次调频的调差系数

步骤D：在仿真分析模型中设置负荷投入/切除扰动，响应得到电网频率曲线，若电网频率曲线的动态性能满足预设电网频率曲线的动态性能要求，则转至步骤E，否则，转至步骤F；

步骤E：将该调差系数的设定值逐步调大，直至电网频率曲线的动态性能不满足要求，记录此时的调差系数的设定值，并转至步骤G；

步骤F：将该调差系数的设定值逐步调小直至电网频率曲线的动态性能满足要求，记录此时的调差系数的设定值；

步骤G：将此时调差系数的设定值作为光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最大允许值；

其中，所述预设电网频率曲线的动态性能要求为：响应时间不大于3秒，超调量不大于30％、调节时间不大于20秒；

K为大于0、小于1的实数，Δf为电网频率偏差，P

进一步的，所述光热发电机组的调差系数最小允许值的获取过程，包括：

步骤L：在电力系统仿真分析软件中建立光热发电机组接入电网的仿真分析模型，并在该模型中设定光热发电机组在参与电网一次调频控制期间的有功输出

步骤M：设置仿真分析模型中光热发电机组的调频裕量为K倍的额定有功出力，并调节仿真分析模型中光热发电机组的出力至(1-K)倍的额定有功出力；

步骤N：设定仿真分析模型中光热发电机组参与电网一次调频的调差系数

步骤O：在仿真分析模型中设置负荷投入/切除扰动，响应得到仿真分析模型中光热发电机组的输出功率，若该输出功率出现了等幅或增幅振荡现象，则转至步骤P，否则，转至步骤Q；

步骤P：将该调差系数的设定值逐步调大直至光热发电机组的输出功率不再出现等幅或增幅振荡现象，记录此时的调差系数的设定值，并转至步骤R；

步骤Q：将该调差系数的设定值逐步调小直至光热发电机组的输出功率出现等幅或增幅振荡现象，记录此时的调差系数的设定值；

步骤R：将此时调差系数的设定值作为光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最小允许值；

其中，K为大于0、小于1的实数，Δf为电网频率偏差，P

具体的，所述第二确定模块，用于：

令光热发电机组的一次调频有功功率等于电网频率偏差与调频增益的乘积。

具体的，所述控制模块，用于：

控制光热发电机组的有功输出为光热发电机组的一次调频有功功率和光热发电机组的有功输出参考值的加和。

实施例3：

为对采用本发明控制方法的某光热发电机组的一次调频能力进行验证，在仿真平台上搭建该光热发电机组接入电网的相关模型，并通过下述步骤完成相应的验证操作：

步骤1：通过仿真计算确定光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最大允许值和最小允许值；

步骤1.1：在电力系统仿真分析软件中建立光热发电机组接入电网的仿真分析模型，在该模型中设定光热发电机组在参与电网一次调频控制期间的有功输出

该步骤中电力系统仿真分析软件可以采用PSS/E、DIgSILENT PowerFactory、PSASP、BPA等常用的商业软件。

步骤1.2：设定仿真分析模型中光热发电机组参与电网一次调频的调差系数为预设最大允许值；

步骤1.3：在仿真分析模型中设置负荷投入/切除等扰动，响应得到电网频率曲线，若电网频率曲线的动态性能满足要求(响应时间不大于3秒，超调量不大于30％、调节时间不大于20秒)，转至步骤1.4，否则，转至步骤1.5；

步骤1.4：将该调差系数的设定值逐步调大，直至电网频率曲线的动态性能不满足要求，记录此时的调差系数的设定值，并转至步骤1.6；

步骤1.5：将该调差系数的设定值逐步调小直至电网频率曲线的动态性能满足要求，记录此时的调差系数的设定值；

步骤1.6：将此时调差系数的设定值作为光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最大允许值；

步骤1.7：设定仿真分析模型中光热发电机组参与电网一次调频的调差系数为预设最小允许值；

步骤1.8：在仿真分析模型中设置负荷投入/切除等扰动，响应得到仿真分析模型中光热发电机组的输出功率，观察该输出功率是否出现了等幅或增幅振荡现象，若出现，则转至步骤1.9，否则，转至步骤1.10；

步骤1.9：将该调差系数的设定值逐步调大直至光热发电机组的输出功率不再出现等幅或增幅振荡现象，记录此时的调差系数的设定值，并转至步骤1.11；

步骤1.10：将该调差系数的设定值逐步调小直至光热发电机组的输出功率出现等幅或增幅振荡现象，记录此时的调差系数的设定值；

步骤1.11：将此时调差系数的设定值作为光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最小允许值；

其中，

步骤2：基于光热发电机组参与电网一次调频的调差系数的最大允许值和最小允许值，确定光热发电机组参与电网一次调频的调频增益取值区间；

因为光热发电机组参与电网一次调频的调差系数为光热发电机组参与电网一次调频的调频增益的倒数，故光热发电机组参与电网一次调频的调频增益取值区间下限值K

步骤3：根据电网频率偏差量Δf的大小来设置光热发电机组不同调频控制区段的调频增益；

这里预设的调频控制区段共有6段，如图3所示，分别为欠频一段、欠频二段、欠频三段、过频一段、过频二段和过频三段；

欠频一段为电网频率偏差Δf满足f

欠频二段为电网频率偏差Δf满足f

欠频三段为电网频率偏差Δf满足f

过频一段为电网频率偏差Δf满足f

过频二段为电网频率偏差Δf满足f

过频三段为电网频率偏差Δf满足f

图3中，f

为有效的进行一次调频，预先设定光热发电机组不同调频控制区段的调频增益，设定过程须保证：K

这样设置的原因是：尽可能保证电网频率偏差量的绝对值|Δf|越大，光热发电机组参与电网一次调频的调频增益设置越大；

例如：电网频率偏差的绝对值|Δf|小于0.05Hz，光热发电机组参与电网一次调频的调频控制增益设为调频增益取值区间上限值的1/5与调频增益取值区间下限值中的最大值；

电网频率偏差的绝对值|Δf|大于0.05Hz且小于0.1Hz，光热发电机组参与电网一次调频的调频控制增益设为调频增益取值区间上限值的1/3与调频增益取值区间下限值中的最大值；

电网频率偏差的绝对值|Δf|大于0.1Hz，光热发电机组参与电网一次调频的调频控制增益设为调频增益取值区间上限值的1/2与调频增益取值区间下限值中的最大值。

步骤4：设置仿真程序中光热发电机组参与电网一次调频的控制算法；

其中，该控制算法为：

首先：判断电网频率偏差Δf是否处于光热发电机组的一次调频死区范围内；若否，则光热发电机组进入一次调频过程；若是，则光热发电机组不参与电网一次调频。

说明：为充分发挥光热发电机组调节的快速性和输出的稳定性，实现与高比例可再生能源电力系统的其它发电机组协调配合，需保证电网频率发生小范围波动时，光热发电机组参与一次调频的优先级大于其它发电机组，因此光热发电机组死区上/下限值的绝对值小于其它发电机组死区上/下限值的绝对值，例如设置光热发电机组死区上/下限值的绝对值为0.03Hz；

其次：当光热发电机组进入一次调频过程，根据电网频率偏差Δf确定光热发电机组需进入的调频控制区段，并调用该区段对应的调频增益；

再次：令光热发电机组的一次调频有功功率ΔP等于电网频率偏差Δf与调频增益的乘积；

最后：控制光热发电机组的有功输出为P＝ΔP+P

步骤5：设定不同的扰动，仿真光热发电机组参与电网一次调频的过程，得到不同的电网频率响应结果：

对不同的电网频率响应结果进行分析，可知采用本发明控制方法的某光热发电机组能够根据电网频率的不同变化及时调整自身有功功率输出，有效地支撑电网频率在扰动后的快速恢复。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

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。

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。

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权利要求保护范围之内。