[發明專利]計及風電不確定性波動的區域電網火電調頻機組配置方法

有效

• 申請號: 201410486165.4
• 申請日: 2014-09-22
• 公開（公告）號: CN104201700B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 郭鈺鋒;王琦;朱凌志;陳寧;錢敏慧;姜達軍;施濤;韓華玲
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學;國家電網公司;江蘇省電力公司;中國電力科學研究院
• 主分類號: H02J3/24
• 分類號: H02J3/24;G06Q10/06;G06Q50/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

1.計及風電不確定性波動的區域電網火電調頻機組配置方法，其特征在于它包括下述步驟：

步驟一：以Mallat小波分解和重構算法為工具，并選擇db10作為小波基，進行風功率時間序列的分解和重構：首先，對采樣間隔為n S的實測風功率數據進行小波分解，具體分解層數m由采樣間隔決定，應保證分解的最后一層周期n·2^m恰好為15min或者n·2^m大于15min并且最接近15min，若n·2^m與15min的差在3min內，則將第m層作為小時級別的小時平均風功率，若n·2^m與15min的差大于3min，則將第m層與第m-1層進行重構，得到周期為小時級別的小時平均風功率；將后面的周期為秒級以及分鐘級的分解層分別進行重構，得到原始風功率序列去掉小時平均風功率后的秒級、分鐘級功率波動殘差；

基于小波多尺度的分析方法，建立秒級、分鐘級風電廠功率不確定性波動的瞬時模型，給出時域瞬時表達式；

(1)分級風功率波動同風電場小時級平均功率的瞬時關系表達式

${\mathrm{\σ}}_{rm}={\mathrm{\σ}}_m/\stackrel{\‾}{P}=a\·{\stackrel{\‾}{P}}^b+c---\left(1\right)$

式中，σ_m為風電場輸出功率分鐘級波動的標準差，為風電場小時級平均功率，a、b、c為擬合系數，通過最小二乘法擬合確定；

(2)秒級風功率波動同風電場小時級平均功率的瞬時關系表達式

${\mathrm{\σ}}_{rs}={\mathrm{\σ}}_s/\stackrel{\‾}{P}=a\·{\stackrel{\‾}{P}}^b+c---\left(2\right)$

式中，σ_s為風電場輸出功率秒級波動的標準差；

時間分辨率為15分鐘的風功率預測值恰好為小時級風功率，將其作為式(1)、(2)中的P進行輸入，對秒級、分鐘級風電廠功率不確定性波動的范圍進行實時預報；

步驟二：根據電廠的實際情況，建立用于調頻分析的含風電區域電網模型，基于調頻分析模型，給出表征系統一、二次調頻能力的表達式：

建立用于調頻分析的含風電的區域電網模型，其中區域A中含有風電，區域B中不包含風電；

每個區域中分別含有一次調頻通道以及二次調頻通道，系統的輸出為當前各區域的頻率偏差χ_f(s)，α_i為第i臺機組的發電份額系數，δ_i為第i臺火電機組的調差系數，B_A、B_B為各區域的頻率偏差系數，K_A、K_B分別為各區域二次調頻積分器增益；G_i(s)為第i臺發電機組的傳遞函數，具體表達式如下：

$G_i\left(s\right)=\frac{1}{T_{0}s+1}\·\frac{1}{T_{s}s+1}---\left(3\right)$

其中，表示液壓伺服電機的動態特性，T_ss是液壓伺服電機時間常數，取T_ss＝0.2s；表示汽輪機的容積動態特性，T₀s是高壓缸的容積時間常數；T_a∑表示等效轉子時間常數，本系統中除風機外均為同步發電機，將所有同步發電機等效為一臺同步發電機，再用功率份額系數乘以各自的轉子時間常數，求出等效轉子時間常數；β_A、β_B分別表示區域A和區域B的等效摩擦系數，與T_a∑的求取方法是一樣的，也是根據功率份額系數來求取；考慮風功率不確定性波動的電網一次調頻能力，即僅在一次調頻作用下，某段時間內秒級風功率波動方差與電網頻率波動方差的比值，表達式為：

假定區域A負荷無波動，斷開其二次調頻通道即只考慮一次調頻作用，計算得出電網頻率變化與秒級風功率波動的頻域解析表達式為：

${\mathrm{\χ}}_{fA1}\left(s\right)=-\frac{1}{T_{a\mathrm{\Σ}A}s+{\mathrm{\β}}_A+G_A\left(s\right)}{\mathrm{\χ}}_{Pw1}\left(s\right)---\left(5\right)$

其中，α_iA是區域A中第i臺機組的發電份額系數，δ_iA是區域A中第i臺火電機組的調差系數；T_a∑A為區域A對應的T_a∑，表示區域A的等效轉子時間常數；G_iA(s)為區域A對應的G_i(s)，表示區域A的第i臺發電機組的傳遞函數；

χ_Pw1(s)表示秒級風功率波動，χ_fA1(s)表示與秒級風功率波動對應的電網頻率變化；

設輸入為零均值信號x(t)，經其對應的輸入-輸出傳遞函數H(jω)作用后，得到輸出為y(t)，j為虛數，ω為角頻率，則輸出y(t)的方差為：

${\mathrm{\σ}}_y^2=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{S}_y\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}---\left(6\right)$

式中S_y(ω)＝S_x(ω)|H(jω)|²，S_y(ω)表示輸出的功率譜密度，S_x(ω)表示輸入的功率譜密度；

考慮到所涉及的變量為偏差量，均值為0，將式(5)代入式(6)中得到由秒級風功率波動造成的系統頻率波動的方差

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{fA1}^2=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}|{\mathrm{\χ}}_{fA1}\left(j\mathrm{\ω}\right){|}^{2}d\mathrm{\ω}\\ =\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}|-\frac{1}{T_{a\mathrm{\Σ}A}j\mathrm{\ω}+{\mathrm{\β}}_A+G_A\left(j\mathrm{\ω}\right)}{|}^2{S}_{w1}\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}\end{array}---\left(7\right)$

其中，S_w1(ω)為秒級風功率波動的功率譜密度；在頻域中，s＝jω；χ_fA1(jω)是χ_fA1(s)的頻域表達形式，G_A(jω)是G_A(s)的頻域表達形式；

由PSD時頻轉換計算機算法得到，σ_s(i)的功率譜密度在頻域中的抽樣被近似為：

$S_{w1}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{{\mathrm{N\ω}}_s}E\left(\right|M_{FFT}\left(x\left(k\right)\right){|}^2)---\left(8\right)$

其中，σ_s(i)是不同時刻的風電場輸出功率秒級波動的標準差所構成的采樣序列，i表示第i個采樣時刻點；M_FFT(_·)為快速傅里葉變換，N為采樣長度，ω_s為采樣頻率，E(·)為均值函數；根據香濃采樣定理，當采樣頻率高于信號頻率一倍以上時，連續信號從采樣樣本中完全重建出來；因此，選擇適當的采樣頻率，通過式(8)得到風功率秒級波動的功率譜密度；將式(8)作為輸出信號的功率譜密度帶入式(6)得到秒級風功率波動的方差為：

${\mathrm{\σ}}_{pw1}^2=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{S}_{w1}\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}---\left(9\right)$

經過推導得到考慮風功率不確定性波動的電網一次調頻能力的頻域解析表達式為:

$D_{PFRA}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{pw1}^2}{{\mathrm{\σ}}_{fA1}^2}=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{S}_{w1}\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}}{\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}|-\frac{1}{T_{a\mathrm{\Σ}A}j\mathrm{\ω}+{\mathrm{\β}}_A+G_A\left(j\mathrm{\ω}\right)}{|}^2\·S_{w1}\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}}---\left(10\right)$

其中，為秒級風功率波動的方差，為由秒級風功率波動造成的系統頻率波動的方差，S_w1(ω)為秒級風功率波動的功率譜密度；

考慮風功率不確定性波動的電網二次調頻能力，即僅在二次調頻作用下，某段時間內分鐘級風功率波動方差與電網頻率波動方差的比值，表達式為：

同樣得到分鐘級風功率波動的方差以及由分鐘級風功率波動造成的系統頻率波動的方差經過推導得到考慮風功率不確定性波動的電網二次調頻能力的頻域解析表達式為:

$D_{SFRA}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{pw2}^2}{{\mathrm{\σ}}_{fA2}^2}=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{S}_{w2}\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}}{\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}|\frac{1}{T_{a\mathrm{\Σ}A}j\mathrm{\ω}+{\mathrm{\β}}_A+B_A\·\left(\frac{K_A}{j\mathrm{\ω}}\right)\·G_A\left(j\mathrm{\ω}\right)}{|}^2\·S_{w2}\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}}---\left(12\right)$

其中，為分鐘級風功率波動的方差，為系統頻率波動的方差，S_w2(ω)為分鐘級風功率波動的功率譜密度；

步驟三：基于調頻能力表達式，定量分析計算區域電網在不同條件下的一、二次調頻能力。