一种异步电网频率约束优化调度方法及装置与流程

本发明属于电力系统的运行控制，具体涉及一种异步电网频率约束优化调度方法及装置。

背景技术：

1、大量新能源并网造成电力系统惯量降低，调频资源不足，频率安全问题日益突出。此外，直流异步互联运行使得不同电力系统分区间频率相互解耦，分区间缺乏同步支援，系统的抗扰性变差，在直流互联异步运行的各个分区间，受端电网因其负荷型结构缺乏发电机等调频资源，频率安全问题最为严重。为了保障直流异步互联电网的安全运行，一方面需要新能源场站、储能设备等灵活性资源参与一次频率控制，为系统提供更多的频率支撑灵活性；另一方面需要通过直流线路从送端电网向受端电网提供一次调频支撑，实现不同分区间的频率支援。新能源场站、储能设备以及直流线路频率控制参数的设置需要综合考虑送端、受端电网的电源结构和负荷水平，需要与分区内调频资源和调频需求相适应，确保各分区电网在扰动后的频率安全。现有的调控模式缺乏灵活性调频资源和直流频率控制的协调配合，不合理的调度计划会和直流频率控制相矛盾，威胁电网的安全运行。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种异步电网频率约束优化调度方法及装置。本发明针对直流互联送端、受端电网的调度运行，综合考虑送端、受端电网扰动和直流闭锁等多种扰动场景，优化分区内常规机组、新能源及储能发电计划，新能源、储能频率控制参数计划，分区间直流功率计划和直流频率控制参数计划，保证异步互联电网的安全经济运行。

2、本发明第一方面实施例提出一种异步电网频率约束优化调度方法，包括：

3、构建不同扰动场景下送端电网和受端电网的最大频率偏差表达式，其中任一电网的最大频率偏差为关于该电网系统总惯量和总阻尼的函数；

4、将所述最大频率偏差表达式进行等效线性转化；

5、构建同时考虑所述送端电网和所述受端电网的直流异步电网频率约束优化调度模型，所述直流异步电网频率约束优化调度模型的约束条件中包含等效线性转化后的所述最大频率偏差表达式；

6、求解所述直流异步电网频率约束优化调度模型，得到所述送端电网和所述受端电网的调度优化结果。

7、在本发明的一个具体实施例中，所述构建不同扰动场景下送端电网和受端电网的最大频率偏差表达式，包括：

8、1)基于电力系统频率响应模型，构建频率偏差表达式；

9、其中，电力系统的频率动态响应过程用发电机转子转动方程进行描述，表达式如下：

10、

11、

12、其中，δf表示电力系统频率偏差，h表示系统总惯量，d表示系统总阻尼，s表示拉普拉斯算子，δpm为电力系统的总发电功率增量，δpe为电力系统的总负荷功率增量；r为所有发电机聚合后的总下垂系数，t为所有发电机聚合后的等效调速器时间常数，ff表示所有发电机聚合后的等效调速器参数；

13、将扰动功率等效为总负荷功率增量δpe，则式(1)和(2)结合后，得到电力系统频率偏差δf关于扰动功率的传递函数：

14、

15、

16、其中，ωn为无阻尼自然角频率参数，ζ为阻尼比，f为电力系统的聚合参数；

17、令功率扰动为阶跃扰动，即δpe＝δp/s，δp为扰动量大小，则扰动后电力系统的最大频率变化率和最大频率偏差分别为：

18、

19、

20、

21、其中，δfmax分别为扰动后电力系统的最大频率变化率和最大频率偏差，ωr为阻尼振荡角频率参数，tn为频率偏差达到最大值对应的时刻；g(h,d)为系统最大频率偏差关于系统参数(h,d)的复杂非线性函数；

22、2)基于步骤1)的结果，构建不同扰动场景下送端电网和受端电网的最大频率偏差表达式，包括：

23、2-1)送端电网扰动场景下，受端电网频率不受影响，送端电网最大频率变化率和最大频率偏差表达式如下：

24、

25、

26、其中，上标s表示送端电网变量，表示送端电网扰动场景；分别表示在送端电网扰动场景下送端电网的最大频率变化率和最大频率偏差；hs、ds分别为送端电网内系统总惯量、总阻尼；δps为送端电网扰动量大小；

27、2-2)受端电网扰动场景下，受端电网最大频率变化率和最大频率偏差表达式如下：

28、

29、

30、其中，上标r表示受端电网变量，表示受端电网扰动场景；分别表示在受端电网扰动场景下受端电网的最大频率变化率和最大频率偏差；hr、dr分别为受端电网内系统总惯量、总阻尼；δpr为受端电网扰动量大小；

31、受端电网扰动场景下，送端电网最大频率变化率和最大频率偏差表达式如下：

32、

33、

34、其中，分别表示在受端电网扰动场景下送端电网的最大频率变化率和最大频率偏差；δpr为受端电网扰动量大小；

35、2-3)直流闭锁扰动场景下，受端电网的最大频率变化率和最大频率偏差表达式如下：

36、

37、

38、其中，表示直流闭锁扰动场景；分别表示在直流闭锁扰动场景下受端电网的最大频率变化率和最大频率偏差，δpdc为直流闭锁扰动量大小；

39、直流闭锁扰动场景下，受端电网的最大频率变化率和最大频率偏差表达式如下：

40、

41、

42、其中，分别表示在直流闭锁扰动场景下送端电网的最大频率变化率和最大频率偏差。

43、在本发明的一个具体实施例中，所述将所述最大频率偏差表达式进行等效线性转化，包括：

44、

45、其中，n为线性片段标号，为第n个线性片段中与参数h对应的系数，为第n个线性片段中与参数d对应的系数，bn为第n个线性片段的常数项系数，nseg为线性片段总数。

46、在本发明的一个具体实施例中，所述直流异步电网频率约束优化调度模型的目标函数包括送端电网目标函数和受端电网目标函数；

47、所述直流异步电网频率约束优化调度模型的目标函数表达式如下：

48、

49、其中，上标*代表任一种电网，*为s或r；当*为s时，如式(19)所示的目标函数为所述直流异步电网频率约束优化调度模型的目标函数中的送端电网目标函数；当*为r时，如式(19)所示的目标函数为所述直流异步电网频率约束优化调度模型的目标函数中的受端电网目标函数；

50、obj*表示送端或受端电网目标函数值，下标t表示调度时刻，nt表示调度时刻总数；i、j、k分别为常规机组、新能源场站、储能设备的标号，分别为送端或受端电网常规机组集合、新能源场站集合、储能设备集合；为送端或受端电网第i台常规机组在时刻t的燃料成本，为送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t的调频备用成本，分别为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t的充放电损耗成本和调频备用成本。

51、在本发明的一个具体实施例中，还包括：

52、

53、其中，为送端或受端电网第i台常规机组在时刻t的出力值；分别为送端或受端电网第i台常规机组发电成本的二次项、一次项、常数项系数；

54、

55、其中，为送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t的调频备用功率，为送端或受端电网第j个新能源场站的调频备用成本系数；

56、

57、其中，为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t的充放电损耗功率，cl为储能充放电损耗惩罚系数；

58、

59、其中，为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t的调频备用功率，为送端或受端电网第k个储能设备的调频备用成本系数。

60、在本发明的一个具体实施例中，所述直流异步电网频率约束优化调度模型的约束条件包括送端电网约束条件和受端电网约束条件；

61、其中，上标*代表任一种电网，*为s或r；当*为s时，约束条件式(26)-(35)、式(39)、式(52)-(58)、式(61)-(62)，以及约束条件式(24)-(25)、式(36)-(38)、式(40)-(51)、式(59)-(60)、式(63)共同组成送端电网约束条件；当*为r时，约束条件式(26)-(35)、式(39)、式(52)-(58)、式(61)-(62)，以及约束条件式(24)-(25)、式(36)-(38)、式(40)-(51)、式(59)-(60)、式(63)共同组成受端电网约束条件；具体如下：

62、功率平衡约束；

63、

64、

65、其中，m、d分别为直流线路标号和负荷标号，为直流线路集合，分别为送端电网常规机组集合、新能源场站集合、储能设备集合、负荷集合，分别为受端电网的常规机组集合、新能源场站集合、储能设备集合、负荷集合；为第m条直流线路在时刻t的传输功率；分别为送端电网的第i台常规机组在时刻t的功率、第j个新能源场站在时刻t的功率、第k个储能设备在时刻t的功率、第d个负荷在时刻t的功率；分别为受端电网的第i台常规机组在时刻t的功率、第j个新能源场站在时刻t的功率、第k个储能设备在时刻t的功率、第d个负荷在时刻t的功率；

66、常规机组约束；

67、

68、

69、

70、其中，分别表示送端或受端电网第i台常规机组的最小允许发电功率和最大允许发电功率；分别表示送端或受端电网第i台常规机组的向上爬坡量和向下爬坡量，为送端或受端电网第i台常规机组在时刻t-1的出力值；

71、新能源场站约束；

72、

73、

74、其中，分别为送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t的发电功率和调频备用功率；表示送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t的预测功率；

75、储能装置约束；

76、

77、

78、

79、

80、

81、其中，分别为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t的充放电功率、功率损耗和存储能量值；表示放电，表示充电；分别为送端或受端电网第k个储能设备允许的最小存储能量和最大存储能量，为送端或受端电网第k个储能设备允许的最大充放电功率；分别为送端或受端电网第k个储能设备的放电效率系数和充电效率系数；δt为一个调度周期的时间间隔大小；

82、直流线路功率约束；

83、

84、其中，为第m条直流线路在时刻t的传输功率；分别为第m条直流线路允许的最小传输功率和最大传输功率；

85、交流线路功率约束；

86、

87、

88、其中，为送端电网第l条交流线路允许的最大传输功率；为受端电网第l条交流线路允许的最大传输功率；为送端电网第l条交流线路关于第i台常规机组的传输分配系数，为送端电网第l条交流线路关于第j个新能源场站的传输分配系数，为送端电网第l条交流线路关于第k个储能设备的传输分配系数，为送端电网第l条交流线路关于第m条直流线路的传输分配系数，为送端电网第l条交流线路关于第d个负荷功率的传输分配系数；为受端电网第l条交流线路关于第i台常规机组的传输分配系数，为受端电网第l条交流线路关于第j个新能源场站的传输分配系数，为受端电网第l条交流线路关于第k个储能设备的传输分配系数，为受端电网第l条交流线路关于第m条直流线路的传输分配系数，为受端电网第l条交流线路关于第d个负荷功率的传输分配系数；

89、频率稳定约束；

90、其中，系统参数的计算表达式如下：

91、

92、

93、

94、

95、其中，为送端或受端电网在时刻t的系统总惯量；为送端或受端电网第i台常规机组的惯量，为送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t设置的虚拟惯量，为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t设置的虚拟惯量；为受端电网在时刻t的系统总阻尼，为送端电网在时刻t的系统总阻尼，为时刻t所有直流线路聚合后的总下垂系数；为受端电网的负荷阻尼系数，为送端电网的负荷阻尼系数；为受端电网第j个新能源场站在时刻t设置的下垂控制系数，为受端电网第k个储能设备在时刻t设置的下垂控制系数，为送端电网第j个新能源场站在时刻t设置的下垂控制系数，为送端电网第k个储能设备在时刻t设置的下垂控制系数，为第m条直流线路在时刻t的下垂控制系数；

96、其中，送端电网扰动场景下频率稳定约束：

97、

98、

99、其中，分别为送端电网在时刻t的系统总惯量、总阻尼；为送端电网在时刻t的假想扰动量大小，分别为送端电网允许的最大频率变化率和最大频率偏差；

100、受端电网扰动场景下频率稳定约束：

101、

102、

103、

104、

105、其中，分别为受端电网在时刻t的系统总惯量、总阻尼；为受端电网在时刻t的假想扰动量大小，分别为受端电网允许的最大频率变化率和最大频率偏差；

106、直流闭锁扰动场景下频率稳定约束：

107、

108、

109、

110、其中，为送端或受端电网在时刻t的系统总惯量，为送端或受端电网允许的最大频率变化率；分别为第m条直流线路在时刻t的传输功率、下垂控制系数；

111、调频备用约束；

112、

113、

114、其中，为送端或受端电网第i台常规机组在时刻t的发电功率；为送端或受端电网第i台常规机组的下垂系数；分别表示送端或受端电网第i台常规机组的最小允许发电功率和最大允许发电功率；为送端或受端电网允许的最大频率偏差；

115、

116、

117、其中，分别为送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t的发电功率和调频备用功率；为送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t设置的下垂控制系数和虚拟惯量；为送端或受端电网允许的最大频率变化率；

118、

119、

120、

121、其中，分别为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t的发电功率和调频备用功率；为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t设置的下垂控制系数和虚拟惯量；为送端或受端电网第k个储能设备允许的最大充放电功率；

122、

123、

124、其中，为第m条直流线路在时刻t的传输功率；为第m条直流线路在时刻t的下垂控制系数；分别为第m条直流线路允许的最小传输功率和最大传输功率；为受端电网允许的最大频率偏差；

125、调频参数约束：

126、

127、其中，分别为送端或受端电网第j个新能源场站在时刻t设置的下垂控制系数和虚拟惯量；分别为送端或受端电网第j个新能源场站可以设置的最小虚拟惯量和最大虚拟惯量；分别为送端或受端电网第j个新能源场站可以设置的最小下垂控制系数和最大下垂控制系数；

128、

129、其中，分别为送端或受端电网第k个储能设备在时刻t设置的下垂控制系数和虚拟惯量；分别为送端或受端电网第k个储能设备可以设置的最小虚拟惯量和最大虚拟惯量；分别为送端或受端电网第k个储能设备可以设置的最小下垂控制系数和最大下垂控制系数；

130、

131、其中，为第m条直流线路在时刻t的下垂控制系数；分别为第m条直流线路可以设置的最小下垂控制系数和最大下垂控制系数。

132、在本发明的一个具体实施例中，所述求解所述直流异步电网频率约束优化调度模型，得到所述送端电网和所述受端电网的调度优化结果，包括：

133、送端电网和受端电网常规机组发电计划、新能源发电计划、储能充放电计划，新能源、储能频率控制参数计划，直流功率计划和直流频率控制参数计划，即：

134、

135、式中，ω为求解得到的决策变量集合。

136、本发明第二方面实施例提出一种异步电网频率约束优化调度装置，包括：

137、频率偏差表达式构建模块，用于构建不同扰动场景下送端电网和受端电网的最大频率偏差表达式，其中任一电网的最大频率偏差为关于该电网系统总惯量和总阻尼的函数；

138、线性化模块，用于将所述最大频率偏差表达式进行等效线性转化；

139、优化调度模型构建模块，用于构建同时考虑所述送端电网和所述受端电网的直流异步电网频率约束优化调度模型，所述直流异步电网频率约束优化调度模型的约束条件中包含等效线性转化后的所述最大频率偏差表达式；

140、优化调度模型求解模块，用于求解所述直流异步电网频率约束优化调度模型，得到所述送端电网和所述受端电网的调度优化结果。

141、本发明第三方面实施例提出一种电子设备，包括：

142、至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

143、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种异步电网频率约束优化调度方法。

144、本发明第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种异步电网频率约束优化调度方法。

145、本发明特点及有益效果在于：

146、(1)本发明建立的异步电网频率约束优化调度模型考虑了分区内新能源场站及储能设备的频率支撑灵活性以及分区间直流线路的频率支援能力，实现了分区内灵活性调频资源配置和分区间直流频率控制的协调配合，保证异步互联电网的安全经济运行。

147、(2)本发明所建立的优化调度模型综合考虑了送端、受端电网扰动和直流闭锁等多种扰动场景，可以保证送端及受端电网在各类扰动场景下频率变化率和频率偏差等指标不越限，从而保证送端、受端电网的频率动态安全。

148、(3)本发明所建立的模型为二次规划模型，可以通过调用商业求解器进行快速求解，进而计算得到分区内常规机组、新能源及储能发电计划，新能源、储能频率控制参数计划，分区间直流功率计划和直流频率控制参数计划。