Tuning method for governor control parameters of hydropower generator in isolated grid considering primary frequency performance and small-signal stability

This paper presents a method of tuning governor control parameters of an isolated hydropower generator considering the primary frequency performance and small-signal stability. First, generators that can be operated in isolated state are identified. Second, different schemes are proposed for generator mode switching from on-grid to off-grid state through comparison and mechanism analysis. Third, the time domain model and frequency domain model of the isolated generator governor are constructed to respectively estimate the primary frequency performance and small signal stability. Parameter sets that satisfy the primary frequency performance and small signal stability are acquired as optimal values of governor control parameters. Finally, the measurement-based parameters of the governor are identified and validated using simulations to demonstrate the feasibility and effectiveness of the method.

Frequency-constrained Unit Commitments with Linear Rules Extracted from Simulation Results Considering Regulations from Battery Storage

Heavy renewable penetrations and high-voltage cross-regional transmission systems reduce the inertia and critical frequency stability of power systems after disturbances.Therefore,the power system operators should ensure the frequency nadirs after possible disturbances are within the set restriction,e.g.,0.20 Hz.Traditional methods utilize linearized and simplified control models to quantify the frequency nadirs and achieve frequency-constrained unit commitments(FCUCs).However,the simplified models are hard to depict the frequency responses of practical units after disturbances.Also,they usually neglect the regulations from battery storage.This paper achieves FCUCs with linear rules extracted from massive simulation results.We simulate the frequency responses on typical thermal-hydro-storage systems under diverse unit online conditions.Then,we extract the rules of frequency nadirs after disturbances merely with linear support vector machine to evaluate the frequency stability of power systems.The algorithm holds a high accuracy in a wide range of frequency restrictions.Finally,we apply the rules to three typical cases to show the influences of frequency constraints on unit commitments.

Novel Optimal Load Control for Power System Frequency and Voltage Regulation

The sudden generation-consumption imbalance is becoming more frequent in modern power systems, causing voltage and frequency stability issues. One potential solution is load participation in primary control. We formulate a novel optimal load control(NOLC) problem that aims to minimize the disutility of controllable loads in providing primary regulation. In this paper, we show that the network dynamics, coupled with welldefined load control(obtained via optimality condition), can be seen as an optimization algorithm to solve the dual problem of NOLC. Unlike most existing load control frameworks that only consider frequency response, our load-side primary control focuses on frequency, voltage, and aggregate cost. Simulation results imply that the NOLC approach can ensure better frequency and voltage regulations. Moreover, the coordination between NOLC and other devices enabled in the system, the NOLC performance against the total size of controllable loads, and the NOLC effectiveness in a multi-machine power system are also verified in MATLAB/Simulink.

基于频率响应特性的储能辅助电网调频方法

新能源渗透率的提高增加了电网频率控制的复杂度,储能辅助电网调频能在一定程度上缓解该问题,但受储能运行的安全性与经济性约束,要求调频措施更具针对性。文中对此展开研究,提出一种基于频率响应特性的储能辅助电网一次调频方法。首先,在储能辅助电网调频模型基础上,选择惯性加下垂的储能辅助电网调频综合控制方法,通过电网频率变化率(rate of change of frequency,RoCoF)、频率偏差与调频需求的关联性分析,设计基于频率响应特性的调频需求分区规则;然后,根据不同调频需求对应的分区判断,对储能有功输出方式进行动态调整,以响应调频需求的不确定性,并在此基础上,针对调频需求与储能出力需求、储能出力强弱与其循环使用寿命间的矛盾关系,通过多目标优化问题的设计与求解来予以平衡;最后,仿真结果验证了所提方法能够在保证电网调频效果的基础上,有效降低储能充放电深度。

新能源场站快速频率支撑能力评估研究现状与技术展望

随着以风电、光伏为代表的新能源发电逐步取代同步机组,系统调频资源不足、抗扰动能力下降,频率安全问题凸显,新能源场站提供快速频率支撑成为构建新型电力系统的必然要求。新能源场站快速频率支撑是其内部多设备、多环节综合作用的结果,受风光资源、控制策略、电网条件等多因素的影响和制约。量化评估新能源场站的快速频率支撑能力是指导场站调频优化控制、分析新型电力系统频率响应特性、实现场站调频资源与电网交互的基础和前提。文中对新能源场站快速频率支撑能力评估问题进行了全面综述。首先,分析场站快速频率支撑的特征,并给出了场站快速频率支撑能力的定义;然后,从状态属性、控制特性、调频效果3个维度梳理了场站快速频率支撑能力的评估指标体系,并对各类评估指标的常用计算方法进行分析评述;最后,提出了值得关注和进一步研究的关键技术问题。

Scenario-based Unit Commitment Optimization for Power System with Large-scale Wind Power Participating in Primary Frequency Regulation

Continuous increase of wind power penetration brings high randomness to power system,and also leads to serious shortage of primary frequency regulation(PFR)reserve for power system whose reserve capacity is typically provided by conventional units.Considering large-scale wind power participating in PFR,this paper proposes a unit commitment optimization model with respect to coordination of steady state and transient state.In addition to traditional operation costs,losses of wind farm de-loaded operation,environmental benefits and transient frequency safety costs in high-risk stochastic scenarios are also considered in the model.Besides,the model makes full use of interruptible loads on demand side as one of the PFR reserve sources.A selection method for high-risk scenarios is also proposed to improve the calculation efficiency.Finally,this paper proposes an inner-outer iterative optimization method for the model solution.The method is validated by the New England 10-machine system,and the results show that the optimization model can guarantee both the safety of transient frequency and the economy of system operation.

基于逐次变分模态分解的飞轮-火电一次调频控制策略

随着新型电力系统的大力建设与推广,火电机组面临的调频压力增大,提出一种逐次变分模态分解的飞轮-火电一次调频控制策略。首先,以飞轮储能和火电机组为研究对象,建立考虑新能源占比的飞轮-火电一次调频模型;其次,将一次调频功率指令利用逐次变分模态方法分解,由火电机组响应分解后的低频功率指令,同时设计飞轮储能下垂优化控制方法,实现飞轮储能与火电机组响应频率变化的协同控制;最后在不同工况下仿真验证,结果表明所提策略可有效避免火电机组一次调频时的频繁出力,减小火电机组响应频率变化时的调控要求,同时可最大限度地利用飞轮储能调频容量并保证飞轮储能调频期间的运行安全,进一步提升了系统的频率响应能力。

计及风力发电机转速安全约束的DFIG一次调频模型预测控制策略

针对传统方法控制双馈感应发电机(DFIG)的调频效果过于依赖参数整定的问题,该文提出了一种基于模型预测控制(MPC),计及转速安全约束的风力发电机参与一次调频控制策略。该方法结合风力发电机动力学模型与频率响应模型建立预测模型,通过线性回归方法变参考值将风力发电机转速的稳定性纳入考虑。相较于虚拟惯性控制等方法将系统频率偏差与转子动能直接关联,该文方法通过建立全新的预测模型,实时统筹考虑整个系统的状态信息,无需反复调整参数,在考虑转速安全性的同时兼顾全局性能。最后,通过实际算例分析验证了该文调频策略的有效性以及相对现有方法的优越性。

适用于一次调频能力在线监测的锅炉蓄热系数计算方法

锅炉蓄热系数是衡量火电机组一次调频能力的重要参数,实际运行中随着机组工况变化,但目前仿真中多忽略变工况下的蓄热系数变化对调频能力的影响。为准确掌握机组运行中真实的一次调频能力,需要在线确定蓄热系数。基于IEEE标准模型的框架,提出适用于一次调频能力在线监测的锅炉蓄热系数计算方法。建立考虑工质流动与传热过程的锅炉热力系统动态模型。以某1000 MW超临界机组为算例,结果表明所提出的变工况锅炉蓄热系数算法能更准确地描述一次调频过程中热力参数的动态变化。一次调频60 s内积分电量相较于IEEE标准模型减小62.4%。且低负荷下蓄热系数大,蓄热释放速率慢。该方法能根据现场实时数据确定当前工况下的蓄热系数,可应用于一次调频能力在线监测。

新型电力系统下燃煤火电机组一次调频面临的挑战与展望

频率稳定是未来新型电力系统运行的最关键要求之一。中国的能源禀赋决定了燃煤火电机组是最核心、最可靠的一次调频资源。然而,燃煤火电已开始出现一次调频能力不足的趋势。为了满足当前和长远发展的需要,文中综述了燃煤火电在一次调频领域所面临的挑战、研究现状和关键科学问题。首先,总结了新型电力系统发展背景下火电一次调频的4个重要趋势,分析了下一步调频在电网和火电厂运行中的不足,提炼出提高一次调频能力和快速准确模拟调频的关键挑战。其次,从电网和火电厂运行的双向视角,综述了调频能力提升和调频动态仿真的研究现状和存在的问题。最后,结合上述挑战和瓶颈,展望了未来新型电力系统火电一次调频的关键技术问题。

面向电网最大频率偏差的风电机组短时频率支撑最优策略与机理

当电网出现有功缺额并导致频率跌落时,风电机组可以通过释放自身轴系动能为电网提供短时频率支撑(short-term frequency support,STFS)。如何利用有限的风电机组轴系动能最大限度地支撑电网频率,是当前研究的热点问题。针对风电机组可释放动能和电网频率变化率约束下的电网最大频率偏差最小化问题,该文提出一种基于有功功率互补控制(active-power complementation control,ACC)的风电机组STFS策略,揭示STFS过程中风电机组的最小动能释放机理,并证明采用ACC释放全部轴系动能的STFS策略为上述问题的最优解。最后,基于含风电的电网动模实验平台的实验结果验证该文提出STFS策略的可行性与频率支撑效果。

考虑荷电状态一致性的分布式储能电站一次调频控制策略

随着可再生能源比例增加,电网新建储能电站成为提升系统频率稳定性的重要手段。针对电网中分布式储能电站(distributedenergystoragestations,DESS)参与一次调频面临的荷电状态均衡问题,提出了一种考虑荷电状态(state of charge,SOC)一致性的DESS协同控制策略。首先,构建了含分布式储能电站的区域电网调频模型,分析了传统调频控制方法的特点,并讨论了储能在高渗透率新能源电网中的调频及一致性控制需求;其次,分析了电网调频需求与DESS的SOC一致性调整需求之间的耦合关系,设计了基于一致性原理的SOC分布式控制策略,进而构建了兼顾两种需求的DESS一次调频协同控制方法,详细分析了关键控制参数的设计原则与取值方法。最后,搭建典型区域电网模型,结合不同频率波动工况进行了仿真验证,结果表明:所提控制策略可以有效改善电网频率质量,在不增加系统调频负担的前提下实现多个储能电站的SOC一致性调节,减小了DESS集群的SOC越限风险,增强了其聚合控制效果。

双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计

通过释放转子动能参与一次调频的风电机组,其一次调频能力随外界工况特别是风速的波动而变化,需要动态估计一次调频能力,从而为电力系统运行规划、控制策略制定等提供依据。基于风电机组参与一次调频的功率转换动态过程分析,提出了计及风电机组转子转速动态变化的一次调频简化解析模型,借助其一次调频能力的解析解,可快速分析风速波动对风电机组一次调频能力的影响;提出双馈风电机组一次调频能力的概率解析描述,利用点估计与Gram-Charlier级数展开,获得了风电机组一次调频能力随风速波动的概率分布特征。仿真验证了所提动态解析模型的准确性和一次调频能力概率估计方法的可行性与有效性。

计及灵活经济环保运行的火电-飞轮储能系统容量配置与调频参数协同优化

提出了一种计及灵活经济环保运行的火储系统容量配置与调频参数协同优化方法。首先,设计了一种基于低通滤波自动分配火储功率和考虑储能荷电状态自恢复的火储联合一次调频协调控制策略;综合考虑系统调频性能、投入运行成本、污染物排放等,建立了火储容量配置与调频参数协同优化模型,并给出了基于粒子群算法的求解方法。最后,以某火储系统为例进行仿真验证。结果表明:协调控制策略和协同优化方法具有有效性。

基于变下垂系数的风电全直流输电系统一次调频协调控制策略

风电场经直流汇集-直流送出的风电全直流输电系统中,直流系统的存在会解耦风电场和受端电网的频率耦合,在传统控制策略下对受端电网频率支撑能力弱。为此,提出一种针对风电全直流输电系统的一次调频变下垂协调控制策略。首先,提出基于Logistic函数的电压-频率变下垂频率传递策略,以直流系统电压为媒介,建立起电网频率与风电场功率的耦合关系。基于该频率传递策略,构建了由受端换流站的变下垂虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制、直流升压站的改进双闭环控制及风力发电机的变下垂减载控制组成的风电全直流输电系统一次调频协调控制策略,实现系统无通信传递频率并参与电网一次调频。最后,利用Matlab/Simulink软件搭建风电全直流输电系统仿真模型,在不同工况下进行仿真验证。仿真结果表明,所提控制策略能使风电场在不依赖远端通信的情况下实现对电网的一次调频,同时,有效减小了调频过程中直流电压的波动幅度。

计及调速系统详细模型和调频备用的大扰动下频率最低值预测方法

随着新能源占比的提升,系统惯性降低、调频资源减少,系统频率稳定问题严峻。因此在新型电力系统运行方式多变的背景下,如何快速精准评估大功率扰动下系统频率安全指标显得尤为重要。其中频率最低值指标由于与多种参数存在高度非线性且无法显式表达的量化关系而难以实现快速准确预测,是频率稳定安全指标评估的研究重点。然而,目前频率最低值快速预测方法难以考虑调频备用的影响。为此,基于系统频差曲线抛物线近似的假设,对平均系统频率(average system frequency,ASF)模型进行开环解耦,进一步得出系统频率最低值时间与调速器输出功率之间的量化关系,最终实现考虑调频备用容量的频率最低值快速预测方法。该方法在小系统和ACTIVSg2000算例上的预测精度分别为99.28%和97.71%,算例结果证明了算法的有效性。该方法对频率安全约束下机组组合、频率稳定控制措施的有效性评估以及频率稳定约束下系统新能源运行承载能力评估等问题具有重要意义。

基于强化学习的新能源场站储能一次调频自适应控制策略

针对当前储能参与一次调频时不同控制策略配合存在的缺陷,在传统虚拟惯性和虚拟下垂控制方法的基础上,考虑新能源出力特征,提出一种基于强化学习算法的新能源场站储能一次调频自适应控制策略。所提策略中,强化学习智能体负责根据系统频差和频差变化率实时波动来动态调整储能通过虚拟惯性控制方法参与一次调频的出力占比,进而由储能一次调频自适应控制器计算出虚拟下垂控制方法的出力占比,并获取储能总一次调频出力指令。考虑到新能源场站有功扰动的随机性,本工作中的强化学习智能体通过在特定新能源场站出力扰动下学习获取,其中新能源场站出力扰动由风速扰动通过风电机组模型获取。所提控制策略能充分发挥虚拟惯性和虚拟下垂控制方法在调频前后期的不同优势,实现两种控制方法的最优结合,挖掘储能参与一次调频的潜力。最终在Matlab/Simulink中搭建了区域电网频率响应模型,基于新能源发电突变和新能源发电连续波动两种扰动工况来模拟新能源场站极端工况和实际运行场景,并通过仿真验证了所提控制策略的有效性。结果表明,本工作所提策略能在调频过程中合理调整虚拟惯性出力和虚拟下垂出力的占比,减少电池储能的动作深度,有效缓解新能源出力波动给电网带来的频率波动,提升频率质量。

汽轮机高位布置燃煤发电系统调频动态特性模拟研究

汽轮机高位布置技术可大幅缩短四大管道的长度,降低四大管道阻力,有望在降低发电煤耗率的同时提升机组的响应能力。采用GSE软件建立了660MW汽轮机高位布置超超临界燃煤发电机组动态模型,研究了主汽阀、高加抽汽节流和低加抽汽节流参与一次调频时的调节性能,并与汽轮机常规布置机组进行比较。结果表明:汽轮机高位布置可减少主汽阀参与一次调频时的调节时间,负荷扰动分别为-0.3%P e、-0.4%P e和-0.5%P e时,高位布置机组的调节时间分别减少了2s、2.1s和2.6s,负荷扰动分别为+0.3%P e、+0.4%P e和+0.5%P e时调节时间减少了2.1s、3.5s和4.1s;但是汽轮机高位布置对抽汽节流参与调频时的调节时间影响较小。

风储制氢电厂的一次调频控制策略

针对风电机组调频特性弱且单一储能装置无法满足全时间尺度功率能量需求的问题,提出了风储制氢电厂的一次调频控制策略。首先,依据传统同步机组一次调频功率输出特性,确定风储制氢电厂一次调频所需功率支撑。其次,通过分析电制氢装置(P2H)作为一种大容量可控负荷参与系统调频的可行性,对比不同储能介质的应用特点,选取超级电容与电制氢装置减载的多能协同调频方法。进而,针对分布式储能集中制氢架构的风储制氢电厂的特点,提出了一种多能协同的一次调频控制策略。最后,通过建立给予不同风速初始状态的风储制氢电厂仿真模型,验证了所提控制策略的有效性与合理性。

一种水轮机调速器开度控制方法及应用

鉴于水轮机调速器对水电机组AGC控制和一次调频性能影响较大,实际电站中大量存在小频差一次调频性能不合格的情况,从水轮机调速器不同调节模式分析入手,提出了一种水轮机调速器改进开度控制方法,该方法采用功率开度预测方法实现AGC功率控制、开度反馈实现频率控制,通过差值系数在线调整实现一次调频目标功率的准确控制。试验结果表明,AGC调节的目标功率均满足两个细则中有关调节允许的偏差量为机组额定有功功率1%的考核要求,一次调频响应功率与积分电量贡献在不同工况下的一致性较好,不同频差时的功率响应比和积分电量贡献比基本一致,有效降低了功率调节模式小频差一次调频不合格情况出现。