一种风光储氢氨醇园区有功平衡控制方法及系统与流程

本发明涉及一种有功平衡控制方法及系统，特别是一种风光储氢氨醇园区有功平衡控制方法及系统，属于系能源与节能。

背景技术：

1、风光储氢作为一种全新的能源供应系统，有效解决新能源外送通道受限和新能源跨省跨区消纳难题，通过就地利用风光新能源发电制氢，以此带动甲醇、合成氨下游化工产品生产，由此形成的风光储氢氨醇一体化园区（以下简称“园区”）是实现新能源就近消纳、提升能源利用效率、实现“双碳”目标的重要途径。

2、根据园区电网与公用电网（以下简称“公网”）是否建立连接，由园区电源、负荷组成的发供用电系统可划分为并网型和离网型两类。园区系统需严格控制公网的下电率、提高新能源利用率、降低全生命生产过程的碳排放，以确保氨和甲醇符合国际绿色认证标准。根据绿电制氢及下游化工产业布局，园区内有风电场、光伏电站、生物质发电厂（或燃氢发电机）、电化学储能电站、制氢（电解水或pem制氢）、合成氨和甲醇化工负荷，其中风电场和光伏电站用于提供园区负荷用电的绿电来源；生物质发电厂（或燃氢发电机）用于承担园区化工生产基荷，生物质发电释放的二氧化碳经碳捕集后存储用于甲醇生产；电化学储能电站作为灵活调节资源用于园区电网调峰调频控制；制氢、合成氨和甲醇为园区的用电负荷。由于园区缺乏传统的同步发电机做基础电源支撑，风光等新能源出力不确定加大了园区电网的实时平衡控制难度；园区电网涉及电网供用电安全和化工生产安全的双重限制约束。因此，为提高园区电力系统的安全性、稳定性和可靠性，需结合电源发电和负荷用电特性和要求，选择可靠的调节资源用于实时发用电平衡控制，避免系统频率出现大幅波动，以提升系统的抗扰动能力。

3、互联大电网、微电网的有功平衡控制策略已有广泛和深入的研究，针对化工为主要用电负荷、柔性负荷形成的园区微电网或园区电网有功平衡控制策略和方法尚未涉及。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种风光储氢氨醇园区有功平衡控制方法及系统，实现园区电网的实时有功平衡调度。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种风光储氢氨醇园区有功平衡控制方法，包含以下步骤：

4、s1、园区电网有功平衡控制区建模；

5、s2、园区电网有功平衡控制模式与控制策略，具体步骤为：

6、2.1、控制区控制模式决定了控制区的有功平衡调节责任；

7、2.2、根据主控制区和子控制区的控制模式计算区域控制偏差ace；

8、2.3、并网型园区电网在并网状态下，由于园区电网扰动引起并网点潮流变化，考虑网电使用限制要求和园区用电的需量控制要求，通过附加控制环节，进行定周期电量偿还；

9、2.4、含新能源场站的控制区，增加考虑新能源预测修正的附加控制环节，以应对新能源预测与实际出力的偏差、新能源出力大幅波动的风险；

10、2.5、采用比例积分环节计算区域有功调节需求；

11、s3、园区电网有功平衡控制分配方法，具体步骤为：

12、3.1、控制区内场站和负荷作为控制区的调度控制单元，接收远方计划或调度控制指令，其控制模式决定了参与控制区平衡的调节责任；

13、3.2、考虑并/离网状态的区域调节需求的计算；

14、3.3、区域调节需求在调度控制单元间分配时，采用新能源优先消纳、储能优先调度、负荷应急调节的原则，在风电场、光伏电站、储能电站和制氢负荷间分配，利用储能优先调节系统扰动、减少新能源限电几率、避免电解槽进入频繁启停的负荷区间段；

15、3.4、子控制区完全由生物质发电厂或燃氢发电机承担的调节，多个电厂或机组间采用常规的可调容量比例、可调容量或指定优先级的分配策略；

16、3.5、计算场站、负荷的有功控制目标。

17、进一步地，所述步骤s1具体为，

18、1.1、根据园区与公网的连接关系确定园区有功平衡控制要求，其中并网型用于维持联络线功率跟踪交换计划或下电功率控制、离网型用于维持系统频率符合要求；在园区有功平衡控制区划分时，分为主控制区和子控制区；

19、1.2、将风电、光伏、柔性制氢的资源组合，生物质发电与合成氨和制甲醇的资源组合；

20、1.3、在园区电网中，储能作为调节资源纳入风电、光伏、柔性制氢的资源组合；

21、1.4、在园区电网中，合成氨和制甲醇属于高供电可靠性要求负荷，用电负荷稳定与之匹配稳定的基础电源生物质发电；

22、1.5、园区电网中风电、光伏、柔性制氢和储能作为主控制区内部资源；

23、1.6、确定主控制区和子控制区的边界模型。

24、进一步地，所述步骤1.6具体为，

25、并网型园区电网：子控制区作为主控制区的内部控制区，子控制区联络线为生物质发电厂经升压变后的并网点出线、合成氨和制甲醇用电负荷的降压变的并网点进线；主控制区联络线为电网公司要求的并网考核点，取公共连接点pcc主变高压侧或低压侧进线；园区有功控制区的有功潮流流向均以送出为正；子控制区是一个封闭区域或多个封闭区域的合集；

26、离网型园区电网：主控制区和子控制区相互独立，通过联络线互联；两个控制区间的联络线是生物质发电厂经升压变后的并网点出线、合成氨和制甲醇用电负荷的降压变的并网点进线；园区有功控制区的有功潮流流向均以送出为正。

27、进一步地，所述步骤2.1具体为，

28、并网型园区电网：根据园区电网公共连接点pcc处并网开关状态，确定园区电网的并离网运行状态，其中并网状态下主控制区和子控制区维持联络线交换功率在交换计划区间内，采用恒定联络线交换功率控制ftc；离网状态下主控制区维持系统频率在目标频率区间内，采用恒定频率控制ffc；子控制区维持联络线交换功率在计划值区间内，采用恒定联络线交换功率控制ftc；

29、离网型园区电网：主控制区维持系统频率在目标频率区间内，采用恒定频率控制ffc；子控制区维持联络线交换功率在计划值附近，采用恒定联络线交换功率控制ftc。

30、进一步地，所述步骤2.2具体为，

31、恒定频率控制ffc：

32、 （1）

33、式中，pace为区域控制偏差ace的值； b为频偏系数； f为量测频率； f n为目标频率；

34、恒定联络线交换功率控制ftc:

35、 （2）

36、式中， p t为联络线交换功率； p t,plan为联络线交换计划。

37、进一步地，所述步骤2.3具体为，

38、电量偿还周期内累积的非计划交换电量为，

39、  (3)

40、式中，为周期的起点时刻；、分别为 t时刻联络线交换功率、联络线交换计划或最大需量；为电量偿还周期；

41、若非计划交换电量大于设定门槛值，，则启动电量偿还，用于计划偿还的功率为，

42、 （4）

43、计划偿还的功率作为联络线交换计划的分量，对公式（2）调整；

44、 （5）。

45、进一步地，所述步骤2.4具体为，

46、 （6）

47、式中，、为新能源预测偏差、新能源预测增量的调整系数，取值范围0~1.0；、为当前5分钟的新能源预测、下5分钟的新能源预测值；为新能源实际出力；多个风电场或光伏电站，新能源预测和实际出力取所有场站预测和实际出力的累加。

48、进一步地，所述步骤2.5具体为，

49、 （6）

50、式中，、分别为比例系数和积分系数，取值为负；为t时刻的ace；为积分的周期的起始时刻。

51、进一步地，所述步骤s3具体为，

52、3.1、控制区内场站和负荷作为控制区的调度控制单元，接收远方计划或调度控制指令，其控制模式决定了参与控制区平衡的调节责任；

53、a)并网型园区电网：

54、主控制区：风电场、光伏电站采用计划跟踪blo模式或计划跟踪+平衡调节blr模式；计划跟踪blo模式跟踪风电、光伏发电计划；计划跟踪+平衡调节blr模式在跟踪风电、光伏发电计划基础上，参与控制区不平衡量分配；储能电站采用平衡调节bpr作为控制区的平衡电源，若存在多个储能电站，选择部分储能电站工作在计划跟踪blo模式或计划跟踪+平衡调节blr模式下，参与调峰或调峰调频控制；制氢负荷采用计划跟踪blo模式或计划跟踪+平衡调节blr模式；计划跟踪blo模式跟踪制氢用电计划；计划跟踪+平衡调节blr模式在跟踪制氢用电计划的基础上，参与控制区不平衡量分配；

55、子控制区：生物质发电厂或燃氢发电机采用平衡调节bpr模式，参与子控制区的联络线功率控制；合成氨和甲醇负荷采用计划跟踪blo模式，跟踪用电计划；

56、b)离网型园区电网：

57、主控制区风电场、光伏电站、制氢负荷，子控制区生物质发电厂或燃氢发电机、合成氨和甲醇负荷的控制模式与并网型园区电网相同；储能电站作为平衡电源，采用恒频恒压就地控制模式下，不接收远方agc指令，同样若存在多个储能电站，选择部分储能电站工作在平衡调节bpr模式、计划跟踪blo模式或计划跟踪+平衡调节blr模式下；

58、3.2、考虑并/离网状态的区域调节需求的计算；并网状态主、子控制区和离网状态下子控制区的同公式（6）；离网状态下，主控制区负责园区电网的频率调节，承担有功的实时平衡控制，其中平衡电源的储能电站偏离预设平衡基点的部分功率，需要由其他调频电源来承担，以恢复平衡电源的可调能力；

59、离网状态下的主控制区调节需求为，

60、 （7）

61、式中，、分别为t时刻作为平衡电源的储能电站的实际出力与预设平衡基点；若存在多个作为平衡电源的储能电站，则取各站实际出力、预设平衡基点的累加；由于变化频繁，工程化应用可采用一阶低通滤波，滤除高频分量，捕捉功率的变化趋势；

62、3.3、区域调节需求在调度控制单元间分配时，采用新能源优先消纳、储能优先调度、负荷应急调节的原则，在风电场、光伏电站、储能电站和制氢负荷间分配，利用储能优先调节系统扰动、减少新能源限电几率、避免电解槽进入频繁启停的负荷区间段；

63、a)若，按照处于限电状态的风电场和光伏电站增出力、处于充电状态的储能电站转零功率运行或放电、非充电状态的储能电站放电、高负荷率的制氢单元降低负荷的顺序，各调控单元根据有功调节步长依次承担；

64、风电场、光伏电站和储能电站的分配功率为

65、 （8）

66、式中，为剩余待分配区域调节需求，，i为场站的调用顺序；、和分别为场站的调节上限、实际出力和调节步长；

67、制氢场站的分配功率为

68、 （9）

69、式中，、和分别为制氢调控单元的调节下限、实际负荷和调节步长；

70、b)若，按照处于放电状态的储能电站转零功率运行或充电、非放电状态的储能电站充电、低负荷率的可调制氢电源增加负荷功率、风电场和光伏电站降出力限电运行的顺序，各调控单元根据有功调节步长依次承担；

71、风电场、光伏电站和储能电站的分配功率为

72、 （8）

73、式中，为剩余待分配区域调节需求，，i为场站的调用顺序；、和分别为场站的调节下限、实际出力和调节步长；

74、制氢单元的分配功率为

75、 （9）

76、式中，、和分别为制氢调控单元的调节上限、实际负荷和调节步长；

77、3.4、子控制区完全由生物质发电厂或燃氢发电机承担的调节，多个电厂或机组间采用常规的可调容量比例、可调容量或指定优先级的分配策略；

78、3.5、计算场站、负荷的有功控制目标；

79、 （10）

80、式中，为调控单元的基点功率，计划跟踪blo模式、计划跟踪+平衡调节blr模式取发用电计划值，平衡调节bpr模式取实际出力；为调控单元的调节功率，计划跟踪blo模式为0，计划跟踪+平衡调节blr模式的风电场、光伏电站和储能电站取、制氢场站取。

81、一种风光储氢氨醇园区有功平衡控制系统，包括平衡控制区建模单元、有功调控单元建模单元、量测数据获取与处理单元、区域控制偏差和调节需求计算单元、功率分配与有功调控单元控制目标计算单元和控制性能监视模块单元；

82、平衡控制区建模单元，用于风光储氢氨醇一体化园区的平衡控制区的建模和参数维护，平衡控制区作为有功平衡控制的责任主体，包括控制主体和控制边界的封闭区域；控制主体维护控制区的控制模式、目标频率、频率偏差系数、比例系数、积分系数、非计划交换电量偿还门槛值、非计划交换电量偿还状态、新能源预测修正状态；控制边界维护控制区的联络线测点、联络线限额、联络线计划、联络线运行状态；

83、有功调控单元建模单元，用于风光储氢氨醇一体化园区的控制区内部的风电场、光伏电站、储能电站、生物质发电厂、制氢工厂、合成氨和甲醇工厂的有功控制对象建模，底层为风电场、光伏电站、储能电站、生物质发电厂、可调负荷的场站具体模型，通过抽象提取各类场站和负荷的公用特征，作为控制区内有功调度控制指令的接收单元；

84、量测数据获取与处理模块单元，用于获取园区电网频率、并网点有功功率、联络线交换功率、联络线交换计划、并离网状态；

85、区域控制偏差和调节需求计算单元，根据园区内各控制区的控制模式、频率量测、联络线交换功率量测和联络线交换计划，分别计算各控制区的区域控制偏差，并根据需要叠加非计划电量偿还、新能源预测修正环节的计算分量，得到用于控制的ace；叠加分量后的控制ace经比例积分环节，得到区域调节需求arr；离网状态下主控制区考虑平衡电源恢复预设平衡基点的调节容量，更新本控制区的arr；

86、功率分配与有功调控单元控制目标计算单元，区域调节需求arr按照预设的资源调用优先级顺序，依次计算各有功调控单元的分配容量，分配过程中考虑调节上限、调节下限、调节步长约束；

87、控制性能监视单元，包括控制区性能监视和有功调控单元性能监视；控制区性能监视实时监视各控制区的分钟、统计周期、小时、日、月、年的频率均值、频率均方根、ace均值、非计划交换电量、新能源预测偏差电量、控制合格率；有功调控单元性能监视实时监视各有功调控单元运行状态、有功控制目标的执行情况，统计每条指令的响应时间、调节速率和调节精度，统计小时、日、月、年的投运时间、agc投运时间、agc投运率、发用电量、agc指令次数、平均速率、平均精度。

88、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种风光储氢氨醇园区有功平衡控制方法及系统，根据园区内部电源和负荷构成情况，通过划分不同平衡控制区来确定“保供电”、“保平衡”的控制区平衡责任，以此满足关键化工负荷持续可靠供电、并网点下电潮流和离网系统频率稳定控制要求。考虑非计划电量交换偿还、新能源预测偏差和预测增量对区域控制偏差进行修正，满足下电量和用电需量、新能源预测超前控制的要求。采用“新能源优先消纳、储能优先调度、负荷应急调节”的原则，在风电场、光伏电站、储能电站和制氢负荷间分配，利用储能优先调节系统扰动、减少新能源限电几率、避免电解槽进入频繁启停的负荷区间段。相关策略和方法的实施，可提高园区电力系统的安全性、稳定性和可靠性，避免系统频率出现大幅波动，提升系统的抗扰动能力。