电力系统一次调频动态仿真实验设计

针对学校一流专业建设、一流人才培养的需求,依托先进科研成果,设计了基于Simulink的电力系统一次调频动态仿真模型。该模型主要包含发电机组、负荷、联络线等核心模块,简化了参数设置,便于电力系统实验教学使用。通过电力系统动态模拟综合实验验证,该仿真模型可以得到准确的稳态结果,同时保留了一定程度的动态过程,可满足本科实验教学需要。

CPS及其考核在北美与国内的应用比较

目前,中国大部分区域电网已经使用控制性能标准(CPS)进行互联电网有功功率控制性能的评价与考核。在引入标准时,国内电网并非完全照搬北美的评价考核模式,而是进行了改进。主要修改包括:CPS1指标值使用短期分段平均计算法、放弃直接使用CPS2考核、使用惩罚返还的考核规则等。从理论分析和定量测算2个方面着手,分析比较了修改后的CPS在互联电网评价与考核应用中与北美的差异,并较为详尽地分析了这些差异可能给最终考核带来的影响。此外,也尝试理清控制性能评价中所涉及的相关概念。

基于频差预期控制性能标准下的自动发电控制策略

通过对实际电网系统频率分析,发现系统频差波动周期绝大多数都在5min以内。由于自动发电控制(AGC)调节过程的时间尺度相对较长,跟踪小周期的频差变化会造成机组调节次数增加、调节效率下降。对实际频率特性的进一步研究发现,系统频差均值在较长时间尺度上具有可以利用的规律性。由此,提出基于未来频差预期的控制性能标准(CPS)控制策略。仿真实验表明,所提出的新控制策略对AGC机组性能要求与传统策略相比大大降低,可以实现以较少的调节次数,维持较高的CPS指标,提高调节效率,降低机组调节损耗。

区域控制偏差的动态内涵

随着互联电网的日趋复杂、技术的发展和更为先进的管理需求,对区域控制偏差的理解和运用应该与时俱进。文中从互联电网有功功率运行平衡控制性能评价的角度,对区域控制偏差和相关基本概念与理论进行了系统而深入的剖析,明确了频率偏差系数与相对应自然频率特性系数间的偏差是影响有功功率平衡控制准确性的关键,进而提出了应该在规划、计划和调度层面给出提高相关控制性能的措施。提出了动态自然频率特性系数和动态区域控制偏差时间序列等概念,可为新一代评价标准的设计提供新的思路。

互联电网运行控制性能评价标准研究 (一)制定原则和需解决的问题

在对已有评价标准深入剖析的基础上,结合中国互联电网的具体情况,以标准的制定目的为基础,提出了"自上而下"和兼顾安全、优质、经济的标准制定原则。依据该原则,以标准主体、时间尺度和频率偏差系数等为切入点,论述了实现控制目标的手段。指出了中国互联电网运行控制性能评价标准制定需研究的六方面的问题,并分别进行了分析与探讨。分析表明,开展评价标准的基础理论研究十分必要,应针对具体问题积极开展适合中国实际情况的新标准研究。

互联电网运行控制性能评价标准研究 (二)新标准构架

从中国电网频率偏差的实际变化规律出发,基于概率理论的分析,讨论了不同时间尺度下的控制目的,进而明确了标准的设计思想,提出了一种新的互联电网运行控制性能评价标准构架。在该构架下,包含频率安全标准、无意交换电量标准和频率质量标准等3个标准,分别对应分钟、小时和月及以上3个时间尺度的控制性能评价。在新构架下所设计的标准,既可引导控制区域快速做出调节,为系统保证电网频率秒或分钟级时间尺度的频率安全奠定基础,又能允许控制区域在一定的时间尺度内"将功补过",可解决目前中国各区域电网公司所实施标准中可能出现的频繁调节和过度调节问题,从而达到节能减排的目的。

互联电网运行控制性能评价标准研究(三)新标准的指标设计

基于所提出的评价标准新构架和3个标准的设计思想,针对中国电网运行具体实际,对各标准指标的构造进行了理论探索,给出了3个标准的指标备选方案。其要点是:将行业标准中频率合格百分数指标转化为概率指标,以适应中国的电网质量考核方式;针对频率安全的实际关注点,设计积分型的频率安全标准指标形式,并给出了离散采样情况下的指标样式;无意交换电量标准中时段长度可选,可适应不同的结算时间尺度;对所设计的各项标准的重合度进行分析,明确了各标准同时设置的必要性。

新一代互联电网运行控制性能评价标准设计的理论基础与工作展望

研究全新的互联电网运行控制性能评价标准构建理论,揭示出:区域控制偏差和频率偏差等物理量的时间序列中蕴含着各种频率调节手段的控制信息,可利用傅里叶分解等数学手段对其处理,得到不同波动周期的时域分量;通过对区域控制偏差和频率偏差序列各频段相应分量间的相关性分析,达到单独评价每种频率调节手段控制性能的目的,从而实现控制性能的精细与准确评价.并设计出新一代的互联电网运行控制性能评价标准.

10 kV真空断路器分合闸速度实验研究

提出了对分合闸速度研究的实验方法:以ATMEL公司生产的ATmega16A型AVR单片机为核心,对10 kV单稳态真空断路器分、合闸进行控制,研究了分合闸速度与充电电压、放电时间、占空比之间的关系。给出了相关硬件设计方法及软件的编程思路,实现了整个实验系统的建设任务。最后做了断路器分合闸性能的相关实验,给出了实验波形与数据,对实验结果进行了分析,检验了控制系统的可靠性。实验装置通过软件编程修改参数,方便灵活,可以用于实验教学及实际生产科研中。

虚实结合的永磁断路器实验教学方法探讨

单稳态永磁操动机构涉及电磁学、力学、电器学、电力电子、微控制器等多学科交叉的知识点,概念难于理解,实物实验很难涵盖全部知识点,尤其是电磁学与力学的知识点难以在实物实验中体现。为此开设了以IGBT为主电路、以STM32单片机为控制系统的实物实验,便于研究真空断路器的分合闸动作特性;利用大型仿真软件ANSYSMaxwell开发了永磁断路器操动机构仿真实验,实现了断路器有关电磁学、力学较为抽象知识点的学习目标。教学实践证明实物实验与虚拟实验能够互相补充,提高了学生的学习效率,对毕业生能力提升起到积极作用。

高电压虚拟仿真实验教学探讨

介绍了高电压虚拟仿真实验项目教学方法。通过该实验的教学,解决了教学资源短缺及实际高电压实验的危险性问题。虚拟实验加深了学生对于高电压技术基本知识点的理解,熟练了实验的操作过程。同时,实验增加了设计性实验教学内容,优化了高电压技术实验的教学评价方法,取得了较好的实验教学效果。

三相12/8极开关磁阻电动机控制系统设计

以三相12/8极开关磁阻电机作为研究对象,设计了以TMS320F28335芯片作为主控单元的开关磁阻电机调速系统。调速系统由软件部分和硬件部分组成。软件部分采用双闭环PI进行控制,电流为内环,转速为外环,在综合考虑速度给定信号、位置信号、保护信号的基础上,计算得出对应导通相的PWM驱动信号;硬件部分主要由开关磁阻电机、功率变换器、电流检测、位置检测、键盘和数码管显示屏组成。结合位置信号、速度信号、电流反馈信号,对开关磁阻电机的控制策略进行调整,让其在电压斩波控制方式下工作。经过参数调整实验,最后选择合理的PI控制比例系数和积分系数。通过实验数据优化、对比、分析,验证了此控制系统设计的合理性。

面向快速频率响应的混流式水轮机动态模型研究

针对大功率缺失下快速频率响应的需求,鉴于常用静态模型无法准确描述水电机组随外部参数变化而具有的动态频率特性,从水轮机工作本质出发,在全参数模型的基础上,视水轮机接力器行程按直线规律变化,且认为不同工况下混流式水轮机的流量系数以及效率相等,并以此分析建立考虑外部参数的混流式水轮机动态模型。算例表明,所建立的动态模型既能够规避全参数模型传递系数求取复杂等问题,又能相对准确地对混流式水轮机快速频率响应动态特性加以描述。以此模型应用于相关仿真计算中,可针对机组所处外部参数的不同,准确估计混流式水电机组的动态频率响应能力,为频率响应资源的合理配置提供依据。

冲击电压发生器虚拟仿真实验

冲击高电压试验设备的特点是:电压等级高、实验空间大,投入的经费较多。同时考虑到实验过程中的学生人身安全性问题,因此采用虚实结合的教学方式完成了冲击电压发生器的实验教学。介绍了冲击电压发生器虚拟仿真实验项目的建设过程。项目实现了实验前的原理预习,安全知识学习,实验中的操作步骤详细模拟,以及为提高学生的综合能力而开发的虚拟设计环节。通过虚拟仿真实验教学,加深了学生对于冲击电压发生器基本原理的理解,熟练了操作过程。实验的安全性得到了保证,提高了学生分析问题、解决问题的能力。

新能源高占比的特高压电网频率控制模式及性能评价

在新能源广域消纳和特高压交直流混联的电网新特征下,频率控制模式及其控制性能评价方式应该发生改变。基于协同控制理念,提出了省网采用新的协同频率偏差控制模式(cooperationfrequencybias control,CFBC);针对交直流混联增强区域网间相互影响的情况,论述了交流互联采用联络线功率频率偏差控制模式、直流互联采用定频率控制模式的合理性;综合分析国内外电网评价标准,提出新的通用评价方法,包括长期的频差均方根值约束和短期的频率持续越限时间约束;建立针对网调和省调的两层级评价结构,并设置了新的频率偏差系数和控制偏差。仿真表明,省调采用CFBC模式有利于充分利用全网调节资源,实现频率快速恢复;网调采用联络线功率频率偏差控制模式益于实现交流互联区域网的自治管理以及责任的划分;该文评价方法既能满足电网长期和短期的运行要求,又能减少机组调节次数。

基于运行安全的频率控制性能评价新方法

目前我国电网在频率控制性能评价方面实施的"时段CPS标准",存在指标设计缺乏理论依据、评价方式过于严苛等不足,导致一些电网出现机组调节频繁、评价结果与控制效果不匹配的现象。本文从系统安全运行的角度出发,以《电力系统安全稳定控制技术导则》为依据,抽象出频率控制的要求:正常运行情况下保证频率留有一定的安全裕度;Ⅰ类扰动情况下限制频率持续越限的时间。鉴于此,提出新的频率安全评价方法(FSAM),包括评价指标和评价方式的设计,以此对区域在正常情况和Ⅰ类扰动情况下的控制行为进行规范和评价。算例仿真表明:本文方法能够引导控制区域进行有利于系统安全运行的调节行为,保证频率在安全范围内变化,且能够减少机组调节次数,提高运行的经济性。

考虑频率与区间联络线功率安全约束的两区互联电力系统机组组合

随着电源结构与电网形态的转变,互联电力系统频率时空分布特征日益显著,区域频率差异与区间联络线功率振荡增大,基于统一频率假设的频率安全约束机组组合方法不再适用。针对考虑频率时空分布特征的两区互联电力系统安全约束机组组合,推导区域频率与区间联络线功率闭式解,并基于闭式解的两项划分,推得区域频率最低点、最大变化率、准稳态值以及区间联络线功率振荡峰值、准稳态值等一系列解析安全量化指标。基于所得指标,构建考虑区域频率与区间联络线功率安全约束的机组组合模型。并根据调度模式与指标特点,提出兼顾区域能力保障与区间能力协调的两级两阶段迭代求解算法。结果表明,所得指标可准确描述两区互联电力系统的安全特征,所提模型和算法可有效保障两区互联电力系统机组组合方案的运行安全。

用户侧分布式储能参与一次调频的日内前瞻-值函数近似策略

用户侧分布式储能响应电价同时参与一次调频(PFR)服务的日内运行过程,需要在多维不确定信息下开展优化决策,以保障PFR的可靠性能及运行经济效益。将日内运行问题构建为考虑PFR性能约束的马尔可夫决策过程,进而提出了一种“前瞻-值函数近似”混合运行策略。在离线阶段,基于近似动态规划思想引入决策后状态近似值函数,以表征不同时段状态下的长期期望效益,并利用差分学习算法对近似效益函数开展离线训练。日内运行过程中,结合滚动更新的预测信息以及离线训练的长期时域近似效益函数,在线滚动优化两阶段近似动态规划模型以动态获取各时段近似最优决策。算例结果表明,所提策略能够兼顾全局经济效益与在线运算开销,同时保障分布式储能资源的频率响应能力。

联络线功率控制性能评价标准的实施方式

首先分析了目前T标准实施过程中所存在的问题,在此基础上提出了控制性能标准(CPS)与T标准的串联实施方式,即根据特高压电网所处运行状态的不同实时切换CPS和T标准,并针对特高压电网的4种典型运行状态设计了兼顾特高压联络线功率偏差与系统频率偏差的4种控制方式。分析与仿真结果表明,在CPS与T标准的串联实施方式下,控制区之间不会出现功率调节矛盾,且能兼顾特高压联络线功率偏差与系统频率偏差。

平衡监管区区域控制偏差限制标准剖析

探索BAAL(balancing authority ACE limits)标准的内涵,明确其在评价和规范区域控制行为上的本质,理解其在频率控制方面的作用,可为构建我国新一代评价标准提供参考。为此,通过对BAAL标准考核指标和越限等级的深入剖析,揭示了其本质是保证频差连续越限的时间不超过30 min;理清了BAAL与CPS1标准之间的关系,即CPS1可约束系统频差幅值的大小分布特性,而BAAL可对频差幅值在时间尺度上的连续分布做出限制;通过对BAAL标准设计原理的分析,明确了其评价过程及具有的5个特点。分析表明:BAAL标准主要关注于电网的运行可靠性;从频率约束角度看,BAAL与CPS1标准相互配合,可对频差大小及其在时间轴上的分布做出约束;但BAAL只限于数十分钟及以上时间尺度的频差幅值约束,对秒至分钟级的短时频差约束还未涉及。