一體化電站對電力系統(tǒng)區(qū)域控制偏差指標的響應控制策略

解 大，賈玉健，馮俊淇，婁宇成，楊敏霞，張 宇

(1．上海交通大學電氣工程系，上海市200240;2． 華東電力設計院，上海市200063;3．上海市電力公司電力科學研究院，上海市200122)

0 引 言

我國電動汽車及充電設施的推廣與建設主要集中在公交用車、公務用車等示范運營方面［1-4］，國內(nèi)研究人員提出了兼具充電、換電池、儲能、退役電池再利用功能于一體的電動汽車智能“充放儲”一體化電站［5］。相比于傳統(tǒng)的單一功能充電站、換電站或儲能站，一體化電站能夠顯著節(jié)約土地資源、降低電池使用成本，獲得了廣泛認可，被認為是推動電動汽車發(fā)展的有力保證。

一體化電站除作為電動汽車充電、換電池電站之外，還可利用站內(nèi)大量儲能電池和變流器裝置，對電網(wǎng)提供一定的增值效益，包括削峰填谷、無功補償、頻率偏差調(diào)整等［6］。雖然單座一體化電站的容量有限，但是隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模推廣［7-8］，一體化電站也將大量配套建設，對電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響會大大加強，采用合理的控制方法可產(chǎn)生可觀的效益［9］。

目前，國內(nèi)研究人員對電動汽車功能設施的基礎充放電功能有了較為完善的討論和實踐，但是對于深層次的優(yōu)化、增值控制方法，卻鮮有報道［10-13］。為此，本文引入一體化電站區(qū)域控制偏差指標，建設性地提出一體化電站參與區(qū)域控制偏差的控制策略，并通過算例分析定量計算一體化電站參與區(qū)域控制偏差時的調(diào)整效果。

1 一體化電站區(qū)域控制偏差指標

1.1 一體化電站結(jié)構(gòu)與功能

“充放儲”一體化電站系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)［5］如圖1所示，它包括調(diào)度中心、多用途變流裝置、充換電站、梯次電池儲能電站以及儲能電池。

圖1 一體化電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated power station

調(diào)度中心是電站系統(tǒng)的主控中心;多用途變流裝置是電站系統(tǒng)內(nèi)部以及內(nèi)部與電網(wǎng)之間能量多向流動的通道;電池充換電站的主要功能是對動力電池進行合理的充放電控制，對能量狀態(tài)不足的車輛進行電池換取;梯次電池儲能電站的主要功能是對退役電池做優(yōu)化重組進行再利用。

1.2 電力系統(tǒng)運行狀態(tài)與一體化電站運行模式

根據(jù)歐洲輸電聯(lián)盟、美國紐約州電網(wǎng)等標準運行規(guī)程，頻率偏差、區(qū)域控制偏差、電壓裕度、電能質(zhì)量等指標是電力系統(tǒng)運行監(jiān)控的重要指標［14-15］。依據(jù)這些指標的數(shù)值可將電力系統(tǒng)劃分為:正常運行狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急/嚴重緊急狀態(tài)、崩潰狀態(tài)、恢復狀態(tài)，其運行模式如圖2 所示。

圖2 電力系統(tǒng)運行狀態(tài)與一體化電站運行模式Fig.2 Power system states and integrated station operating modes

根據(jù)電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，一體化電站具有3 種運行模式:

(1)正常運行模式。電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)及警戒狀態(tài)下，一體化電站也應處于正常運行模式，運行目標是維持正常穩(wěn)定運行，優(yōu)化充放電控制，并選擇性采取一些增值效益運行模式。

(2)系統(tǒng)保護運行模式。電力系統(tǒng)在緊急狀態(tài)和嚴重緊急下，“充放儲”一體化電站采用系統(tǒng)保護運行模式，采取一系列緊急控制措施，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)和多用途變流裝置快速控制的技術優(yōu)勢，支持電網(wǎng)恢復正常狀態(tài)。

(3)孤島(自治)運行模式。在電力系統(tǒng)崩潰及系統(tǒng)恢復狀態(tài)下，一體化電站主動從電網(wǎng)解列，采取孤島運行模式。

1.3 電力系統(tǒng)ACE 指標與一體化電站ISACE指標

由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)采取區(qū)域電網(wǎng)大范圍互聯(lián)組成大電網(wǎng)運行方式，各區(qū)域電網(wǎng)之間通過交換功率取得系統(tǒng)有功功率的動態(tài)平衡，因此電力系統(tǒng)區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)是調(diào)度工作重點監(jiān)控指標。

ACE 計算公式如式(1)所示。

式中:常數(shù)β 為頻率偏置系數(shù);Δf 為頻率偏差;ΔPT為聯(lián)絡線實際交換功率與計劃交換功率之間的偏差。

電力系統(tǒng)的控制目標是通過調(diào)節(jié)自動發(fā)電控制，使得區(qū)域控制偏差εACE為0。當系統(tǒng)頻率發(fā)生擾動，εACE達到一定數(shù)值之后，由網(wǎng)調(diào)電廠在調(diào)節(jié)容量范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，省調(diào)按給定的計劃進行調(diào)整。

AGC 依據(jù)ACE 指標的運行值控制，這種控制體系最早采用經(jīng)驗體系A 標準進行調(diào)節(jié)。北美電力可靠性委員會于1996年提出了控制性能標準(control performance standard，CPS)標準，CPS 標準包括2個部分:CPS1 和CPS2 標準［16-17］。

一體化電站具有可快速調(diào)節(jié)正負功率發(fā)電機特性，也可納入AGC 控制的范疇，在正常運行模式下，一體化電站可采取區(qū)域控制偏差增值控制策略;在系統(tǒng)保護運行模式下，可采取區(qū)域控制偏差緊急支持控制策略;在孤島運行模式下，系統(tǒng)不存在ACE 指標，不予考慮。

由于一體化電站容量較小，兼顧控制的快速性和容量2個方面，需要類似地定義應用于一體化電站的區(qū)域控制偏差指標(area control error of integrated station，ISACE)作為一體化電站功率控制的依據(jù)。

分析實際的電力系統(tǒng)ACE 數(shù)據(jù)可以看出。ACE數(shù)值的變動可分成3 種分量:第1 種是變化很緩慢的持續(xù)分量，變化周期為3 ～30 min;第2 種是脈動分量，其變化周期在15 s ～3 min;第3 種是頻率較高的隨機分量，其變化周期為7.5 ～15 s。

將原始的εACE(n)數(shù)據(jù)，采取合理的高通數(shù)字濾波器IIRHP進行處理，可將ACE 數(shù)據(jù)中高頻部分分離出來，得到HP(εACE(n))數(shù)據(jù)，作為一體化電站運行指標。常用的數(shù)字濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等，其中巴特沃斯濾波器具有通頻的頻率響應曲線最平滑的特點，能夠準確地保留特定頻率的信息，因此本文采用巴特沃斯數(shù)字濾波器。圖3 為巴特沃斯濾波器的頻率響應圖，式(2)為其振幅的平方對頻率的表達式。

圖3 巴特沃茲濾波器頻率響應圖Fig.3 Frequency response of Butterworth filter

式中:n 為濾波器的階數(shù);ωc為截止頻率;ωp為通頻帶邊緣頻率。

ACE 數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4 所示，定義一體化電站區(qū)域控制偏差指標如式(3)所示:

HP(εACE(n))為經(jīng)過IIRHP濾波器處理過的系統(tǒng)ACE 指標值。

圖4 ACE 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Processing of ACE data

2 一體化電站區(qū)域控制偏差調(diào)度策略

根據(jù)電力系統(tǒng)標準規(guī)程，當εACE小于L10，認為系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，此時一體化電站處于正常運行模式，可由調(diào)度人員選擇進入一體化電站區(qū)域控制偏差增值控制;如果εACE大于L10超過10 min，或者大于2 倍L10，認為電力系統(tǒng)進入緊急狀態(tài)，一體化電站轉(zhuǎn)入系統(tǒng)保護運行模式下對應HP(εACE(n))指標的緊急支持控制。

將HP(εACE(n))按照絕對值的大小，分為如圖5所示的死區(qū)、正常區(qū)以及緊急區(qū)，一體化電站的期望充放電功率(integrated station destination generation，ISDG)與其控制方式和當前HP(εACE(n))落入的控制區(qū)段有關。

圖5 一體化電站控制對HP(ε ACE(n))調(diào)節(jié)區(qū)域的劃分Fig.5 Division of HP(ε ACE(n))ranges based on integrated station control

結(jié)合一體化電站的正常運行模式、系統(tǒng)保護運行模式綜合設計出一體化電站區(qū)域偏差調(diào)度的各種調(diào)節(jié)方式，具體調(diào)節(jié)形式見表1。

表1 一體化電站區(qū)域偏差調(diào)度策略表Table 1 Dispatch plan of integrated station ACE

表1 中，基礎充放電是一體化電站正常的計劃運行模式，不考慮ACE 的影響。響應調(diào)節(jié)ISDG 表示一體化電站在計劃運行模式下考慮對ACE 的要求，計算一體化電站增值期望功率ISDG，并按照計算目標進行調(diào)節(jié)。全力支持ISDG 表示一體化電站在系統(tǒng)保護運行模式下，不再考慮運行計劃，而是以全力支持期望功率ISDG，以期系統(tǒng)度過緊急狀態(tài)。

2.1 正常模式下一體化電站的區(qū)域控制偏差增值控制

正常運行模式下，一體化電站除制定基本的充放電運行計劃之外，可有選擇地進入ACE 增值控制。在增值控制策略中，調(diào)度中心依據(jù)一體化電站區(qū)域控制偏差指標HP(εACE(n))及一體化電站容量，實時計算并調(diào)整一體化電站的充放電有功功率，抑制電力系統(tǒng)區(qū)域控制偏差中的高頻波動。參考電力系統(tǒng)ACE 控制的CPS 標準，類似地制訂一體化電站控制標準:

式中:(εACE(n))AVE－min是1 min εACE的 平 均 值;ΔfAVE－min是1 min 頻率偏差的平均值;ε1是互聯(lián)電網(wǎng)全年1 min 頻率平均值偏差的均方根控制目標值;BIS為根據(jù)一體化電站容量而調(diào)整設定的頻率偏差系數(shù)。

式中:B 為控制區(qū)域設定的頻率偏差系數(shù)，MW/0.1 Hz，且有負號;PISei為給定控制區(qū)域內(nèi)第i個參與調(diào)節(jié)的一體化電站額定功率;PΣ為互聯(lián)電網(wǎng)全年1 min功率的平均值。

同時，規(guī)定HP(εACE(n))每10 min 的平均值必須控制在規(guī)定的范圍LIS－10內(nèi):

式中:BISΣ為含一體化電站的所有控制區(qū)即整個互聯(lián)電網(wǎng)的頻率偏差系數(shù);ε10為互聯(lián)電網(wǎng)對全年10 min頻率偏差的均方根值的控制目標值;系數(shù)1.65 為標準正態(tài)分布置信度為0.9 的分位點，概率上使頻率恢復到目標值的可能性達到90%。

一體化電站HP(εACE(n))指標對一體化電站與電網(wǎng)交換的有功功率調(diào)度要求包括2個部分:根據(jù)一體化電站充放電、換電池正常運行要求制定的基礎充放電功率;消除一體化電站HP(εACE(n))指標所需增減的控制調(diào)節(jié)有功功率。

含多個一體化電站的區(qū)域電網(wǎng)所需要的HP(εACE(n))稱為基于一體化電站的區(qū)域需求(area requirement based on integrated station，ISAR)，是指二次調(diào)頻中每一計算周期根據(jù)HP(εACE(k))、上次控制發(fā)出后預期響應HP(εACE(k－1))exp和死區(qū)段及正常段之間的門檻值εDBMW計算出的調(diào)節(jié)增量。當ISAR 在全死區(qū)段模式(full-time dead band mode，F(xiàn)DM)時和部分死區(qū)段模式(part-time dead band mode，PDM)時的取值為

對于包含一體化電站的電網(wǎng)區(qū)域需求，AGC 發(fā)出的調(diào)節(jié)功率Pr按比例積分式計算:

式中:Gl、Gp分別為控制的積分增益和比例增益;Pl、Pp分別為控制的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)調(diào)節(jié)功率。Pr的分配周期與調(diào)度中心的運行周期同步，Pr分配到一體化電站i 的功率Psi為

式中:Pbi為一體化電站i 的實際功率點;αi為一體化電站i 的經(jīng)濟分配系數(shù)，其值是成本微增率曲線在一體化電站計劃運行點處斜率的倒數(shù)，且∑αi=1，βi為一體化電站i 的調(diào)節(jié)分配系數(shù)，其值是一體化電站的響應速率，且∑βi=1，由于一體化電站的響應速度取決于多用途變流裝置，可以認為所有一體化電站的調(diào)節(jié)速度是一致的。αi和βi也可以由調(diào)度員人工確定。

HP(εACE(n))分配到一體化電站i 的功率增量為

一體化電站期望功率PISDG的計算公式為

式中:SBP為一體化電站運行的基點;為一組經(jīng)濟分配系數(shù);為一組調(diào)節(jié)分配系數(shù)，DG為自上次計算運行以來總的發(fā)電出力變化量。

據(jù)此，一體化電站可根據(jù)式(3)至式(11)按照預先設定的周期反復運行進行類于AGC 的調(diào)節(jié)，上述增值控制的流程如圖6(a)所示。

首先，按照選定的ACE 算法從SCADA 實時數(shù)據(jù)庫中提取當前頻率遙測值并與頻率基準值對比，計算出頻率偏差;從SCADA 實時數(shù)據(jù)庫中提取當前聯(lián)絡線交換功率的合計值并與聯(lián)絡線凈交換功率計劃值對比，計算出聯(lián)絡線有功功率偏差，求出一體化電站所在系統(tǒng)的ACE，啟用高通濾波器對原始ACE 進行濾波，得到一體化電站頻率偏差指標HP(εACE(n))。

其次，判斷HP(εACE(n))大小和落入的控制區(qū)段，決定控制策略，計算出控制區(qū)域的有功功率要求和規(guī)范化的分配系數(shù)。

然后，根據(jù)當前控制區(qū)段和電站參與調(diào)節(jié)的模式組合結(jié)合分配系數(shù)分別計算各一體化電站的期望有功功率值，比較期望發(fā)電值和實際功率計算一體化電站控制偏差并判斷功率的增減方向。由于一體化電站的控制速度遠遠高于發(fā)電機組，因此如果需要調(diào)節(jié)則立刻向一體化電站發(fā)出調(diào)節(jié)指令，一體化電站的多用途變流裝置接收到調(diào)節(jié)指令并作出響應。

圖6 基于一體化電站ACE 指標的控制策略Fig.6 Integration station control strategy based on ACE

最后，從SCADA 實時數(shù)據(jù)庫中提取機組實際發(fā)電功率，計算預期響應情況。

2.2 一體化電站頻率偏差指標的緊急支持控制

一體化電站保護運行模式下，系統(tǒng)εACE指標超出合格值，一體化電站根據(jù)上級調(diào)度指令配合電網(wǎng)調(diào)度中心進行區(qū)域調(diào)度，調(diào)整系統(tǒng)頻率。記L1、L2為一體化電站所在區(qū)域的εACE指標合格值以及緊急閾值;T、Tm分別為εACE越限持續(xù)時間以及越限時間緊急閾值。

當L1時，εACE介于合格值與緊急閾值之間，但越限時間超過緊急閾值，或者εACE嚴重越限，此時一體化電站參與有功調(diào)度，且以最大能力對所在電網(wǎng)進行支持。系統(tǒng)保護運行模式下一體化電站區(qū)域控制偏差指標的緊急支持控制算法流程如圖6(b)所示。

3 算例分析

圖7(a)為依據(jù)CPS 標準進行控制的某實際電力系統(tǒng)ACE 指標1 h 的數(shù)據(jù)，εACE數(shù)值每15 s 計算1次，2 400 ～3 000 s 期間，電力系統(tǒng)由正常狀態(tài)進入緊急狀態(tài)，ACE 指標變化幅度大幅增加。

根據(jù) ACE 數(shù)據(jù)的頻譜分布特點，設計Butterworth 濾波器IIRHP參數(shù)如下:

通帶截止頻率fp=1/5 Hz;

通帶最大衰減Ap=1 dB;

阻帶截止頻率fs=1/20 Hz;

阻帶最小衰減As=40 dB。

將圖7(a)所示的ACE 數(shù)據(jù)，采用上述IIRHP濾波器進行處理，得到ISACE 數(shù)據(jù)，如圖7(b)所示。對比圖7(a)、7(b)可以看出，經(jīng)過高通濾波處理后，ISACE 的絕對值在20 以內(nèi)，貼合一體化電站的調(diào)整容量。

圖7 依據(jù)CPS 標準的電力系統(tǒng)ACE 數(shù)據(jù)及ISACE 數(shù)據(jù)Fig.7 ACE data and ISACE of power system according to CPS

以上述某實際區(qū)域電網(wǎng)的數(shù)據(jù)為算例，假設一體化電站群參與區(qū)域控制偏差調(diào)整的容量額度為20 MW。在正常運行模式下按照圖6(a)給出增值控制策略，計算一體化電站響應ISACE 指標所作出的輸出功率調(diào)整量ΔPIS;在系統(tǒng)保護運行模式下，按照圖6(b)給出的緊急支持控制策略，計算ΔPIS。圖8給出了ΔPIS的變化曲線。

圖8 一體化電站集群響應ISACE 指標的輸出功率調(diào)整曲線Fig.8 Output power curve of integrated stations responding to ISACE

通過圖8 可以看出，正常模式下一體化電站輸出功率數(shù)值較小，持續(xù)時間較短;系統(tǒng)保護運行模式下，功率值較大且持續(xù)時間長。

圖9 則給出了一體化電站集群參與區(qū)域控制偏差調(diào)整前后的對比圖。

圖9 一體化電站集群參與調(diào)整前后的效果對比圖Fig.9 Effect comparison before and after integrated station participating adjustment

圖9(a)、9(b)分別為一體化電站調(diào)整前后的ISACE 指標曲線，對比可知，在正常運行模式下，一體化電站的增值控制策略有效削減了ISACE 的幅值;圖9(c)、9(d)分別為一體化電站參與調(diào)整前后的系統(tǒng)頻率偏差指標，可見，當電力系統(tǒng)進入緊急狀態(tài)后，一體化電站在緊急支持策略控制下，調(diào)整有功功率，大大削減了系統(tǒng)頻率偏差數(shù)值，使之回歸正常狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1)對應電力區(qū)域控制偏差指標，本文定義了一體化電站區(qū)域控制偏差指標，該指標由原始ACE 數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理得出。

(2)對應電力系統(tǒng)正常狀態(tài)，一體化電站運行于正常模式，可采用增值控制策略;當電力系統(tǒng)進入緊急或嚴重緊急狀態(tài)時，一體化電站運行于系統(tǒng)保護模式，可采用緊急支持控制策略。

(3)對實際電力系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行算例分析，依據(jù)本文所提出的一體化電站區(qū)域控制偏差指標，按照本文提出的控制策略模擬計算一體化電站參與系統(tǒng)ACE 控制的增值效果，算例表明，本文所提出的一體化電站區(qū)域控制偏差指標以及對應的控制策略科學合理、易于實現(xiàn)、控制效果顯著。

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