國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51707032）

（以下為本文主干內(nèi)容，原文詳見《電力自動(dòng)化設(shè)備》2020年第40卷第2期）

大功率缺失下頻率響應(yīng)負(fù)荷聚合建模與分散控制方法

陶蘇朦1，王琦1，趙奇2，李亞平3，湯奕1

（1. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院；2. 國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司；3. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司南京分院）

1、研究背景

特高壓直流工程能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍能源資源優(yōu)化配置，但其單體設(shè)備輸送容量巨大，一旦發(fā)生故障將引起受端電網(wǎng)大功率缺失和頻率快速下降。為應(yīng)對(duì)此類故障，常優(yōu)先采用加大發(fā)電供應(yīng)、多直流提升、抽蓄電站切泵等措施，在上述措施不足以彌補(bǔ)缺額的情況下，則利用快速有效但影響用戶生產(chǎn)生活的緊急負(fù)荷控制手段進(jìn)一步彌補(bǔ)。隨著通信、量測(cè)技術(shù)的逐漸成熟，負(fù)荷可觀性和可控性增強(qiáng)，通過評(píng)估區(qū)域電網(wǎng)需求響應(yīng)資源的分布特性、運(yùn)行特性和聚合特性等，利用負(fù)荷分散式控制響應(yīng)速度快和可控性高的特點(diǎn)，能夠輔助電力系統(tǒng)一次調(diào)頻以及彌補(bǔ)緊急故障下的功率缺額。

2、整體研究思路及創(chuàng)新點(diǎn)

頻率響應(yīng)負(fù)荷是依據(jù)內(nèi)嵌或外接監(jiān)控裝置（如智能插座）監(jiān)測(cè)頻率變化，通過比較系統(tǒng)頻率信號(hào)和設(shè)定的頻率響應(yīng)閾值，實(shí)現(xiàn)就地分散響應(yīng)參與系統(tǒng)頻率調(diào)控的負(fù)荷。為充分利用海量分布的頻率響應(yīng)負(fù)荷資源，本文提出一種大功率缺失下頻率響應(yīng)負(fù)荷聚合建模與分散控制方法。首先建立頻率響應(yīng)負(fù)荷聚合功率模型，對(duì)省級(jí)電網(wǎng)典型場(chǎng)景下的負(fù)荷聚合潛力進(jìn)行評(píng)估；基于離線典型場(chǎng)景和在線狀態(tài)更新2種方式，提出頻率響應(yīng)負(fù)荷分散動(dòng)作策略制定方法，通過負(fù)荷分散動(dòng)作響應(yīng)階段和恢復(fù)階段的控制參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)負(fù)荷的快速響應(yīng)和有序恢復(fù)；最后通過某省級(jí)電網(wǎng)算例驗(yàn)證了大功率缺失下頻率響應(yīng)負(fù)荷分散控制策略的有效性。

3、頻率響應(yīng)負(fù)荷定義和動(dòng)作條件

頻率響應(yīng)負(fù)荷動(dòng)作條件示意圖如圖1所示，依據(jù)頻率信號(hào)和頻率變化率信號(hào)確認(rèn)大功率缺失故障來臨時(shí)，若頻率響應(yīng)負(fù)荷控制裝置檢測(cè)到系統(tǒng)頻率偏差Δf 低于設(shè)定的響應(yīng)閾值Δfth，則關(guān)斷與之相連的頻率響應(yīng)負(fù)荷，幫助恢復(fù)電網(wǎng)頻率，記錄負(fù)荷響應(yīng)時(shí)刻為tr 。經(jīng)過一段強(qiáng)制響應(yīng)時(shí)間tf 使得頻率恢復(fù)到一次調(diào)頻死區(qū)范圍內(nèi)（Δf ?> Δfdb）后，等待恢復(fù)時(shí)延toff 結(jié)束，負(fù)荷控制裝置將頻率響應(yīng)負(fù)荷打開，使其繼續(xù)工作。

圖1 頻率響應(yīng)負(fù)荷動(dòng)作條件示意圖

4、頻率響應(yīng)負(fù)荷聚合潛力評(píng)估

空調(diào)、熱水器和電動(dòng)汽車是典型的頻率響應(yīng)負(fù)荷，以某省級(jí)電網(wǎng)為例，通過估計(jì)頻率響應(yīng)負(fù)荷數(shù)量及構(gòu)成比例，依據(jù)所建負(fù)荷聚合功率模型，綜合考慮負(fù)荷自身運(yùn)行特性和用戶用電習(xí)慣（負(fù)荷運(yùn)行時(shí)段），對(duì)典型場(chǎng)景下的負(fù)荷可控容量及響應(yīng)潛力進(jìn)行評(píng)估。基于某省電網(wǎng)公司營(yíng)銷和調(diào)度部門的負(fù)荷數(shù)據(jù)以及某省2018年統(tǒng)計(jì)年鑒提供的人口數(shù)據(jù)，對(duì)某實(shí)際省級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行估算后，得到某省級(jí)電網(wǎng)在夏、冬和春秋3個(gè)典型季節(jié)居民負(fù)荷群體參與需求響應(yīng)的聚合功率曲線，如圖2所示。

圖2 某省級(jí)電網(wǎng)夏季、冬季和春秋季居民負(fù)荷聚合功率曲線

5、頻率響應(yīng)負(fù)荷分散動(dòng)作策略

頻率響應(yīng)負(fù)荷分散動(dòng)作策略考慮不同負(fù)荷控制架構(gòu)和控制信號(hào)傳輸通道建設(shè)情況，分為有負(fù)荷通信通道下的混合控制策略和無負(fù)荷通信通道下的離線控制策略，其分散動(dòng)作策略流程圖如圖3所示。具體包括如下步驟：

（1）電力系統(tǒng)調(diào)度控制中心離線仿真預(yù)想故障，確定預(yù)想故障下的大功率缺額ΔPm 以及頻率最大跌落Δfm，考慮多直流提升、抽蓄電站切泵、精準(zhǔn)切負(fù)荷等多種預(yù)調(diào)度措施，確定需要頻率響應(yīng)負(fù)荷抬升的頻率偏差ΔfDR，并基于系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，計(jì)算各預(yù)想故障下需要參與響應(yīng)的頻率響應(yīng)負(fù)荷總量；

（2）分析電網(wǎng)典型運(yùn)行狀態(tài)（四季運(yùn)行方式、白天夜晚、工作日、休息日等），依據(jù)典型場(chǎng)景離線計(jì)算分散響應(yīng)閾值，將多個(gè)場(chǎng)景下的閾值以時(shí)間觸發(fā)的形式預(yù)先嵌入智能終端控制模塊，裝置內(nèi)的閾值將隨時(shí)間靈活切換；

（3）控制中心根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)，確定當(dāng)前最可能出現(xiàn)的大功率缺失故障，并進(jìn)行在線匹配，確定當(dāng)前需要頻率響應(yīng)負(fù)荷參與響應(yīng)的負(fù)荷量PDRN；

（4）負(fù)荷智能終端依據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)時(shí)采集負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)、溫度、功率等信息，并將用戶負(fù)荷信息實(shí)時(shí)上傳至控制中心（比如：10 min一次），由控制中心實(shí)時(shí)評(píng)估當(dāng)前負(fù)荷響應(yīng)潛力，即最大可響應(yīng)功率PDRmax；

（5）通過比較預(yù)調(diào)度需要的PDRN和當(dāng)前PDRmax，確定當(dāng)前頻率響應(yīng)負(fù)荷參與響應(yīng)的實(shí)際負(fù)荷量PDR，當(dāng)PDRN>PDRmax時(shí)，PDR=PDRmax，當(dāng)PDRN （6）結(jié)合PDR以及每組負(fù)荷的響應(yīng)潛力及可響應(yīng)功率，每10 min計(jì)算一次N批智能終端的控制參數(shù)，包括不同頻率動(dòng)作閾值Δfth、動(dòng)作延時(shí)td（≥1 s）、負(fù)荷恢復(fù)延時(shí)toff，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)送出安全區(qū)之后通過公網(wǎng)下發(fā)到各個(gè)智能插座；

（7）智能終端確定頻率響應(yīng)負(fù)荷分散動(dòng)作的頻率閾值，若控制中心在線更新頻率閾值，則優(yōu)先采用在線頻率閾值，若控制中心未下發(fā)頻率閾值，則采用默認(rèn)的離線頻率閾值；

（8）智能終端就地實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)頻率，并根據(jù)當(dāng)前在線或離線頻率閾值，進(jìn)行分散動(dòng)作，當(dāng)檢測(cè)到本地頻率f 小于響應(yīng)啟動(dòng)頻率fs 后，延時(shí)td，再反時(shí)限切除所接負(fù)荷，待恢復(fù)延時(shí)toff 過后，再依次有序恢復(fù)負(fù)荷。

圖3 ?頻率響應(yīng)負(fù)荷快速參與調(diào)頻的分散動(dòng)作策略流程圖

6、仿真結(jié)果分析

模擬某區(qū)域地區(qū)直流雙極閉鎖故障，損失7.5 GW功率后的頻率變化過程，故障發(fā)生后頻率快速跌落至49.3 Hz以下。假設(shè)現(xiàn)階段，負(fù)荷聚合潛力功率小于功率缺額ΔP，評(píng)估每一典型場(chǎng)景下頻率響應(yīng)負(fù)荷的聚合潛力為PDR；考慮總量為PDR 的頻率響應(yīng)負(fù)荷響應(yīng)，依據(jù)頻率響應(yīng)負(fù)荷分散控制策略，計(jì)算每一典型場(chǎng)景下10組負(fù)荷各自的頻率響應(yīng)閾值并參與響應(yīng)。

6.1、不同負(fù)荷響應(yīng)總量下的頻率、功率響應(yīng)特性

設(shè)置頻率響應(yīng)死區(qū)Δfdb=-0.2，負(fù)荷參與響應(yīng)后的頻率最大跌落值Δfprmax 依據(jù)不同場(chǎng)景下的頻率響應(yīng)負(fù)荷響應(yīng)量計(jì)算確定；頻率響應(yīng)負(fù)荷分為N=10組參與頻率響應(yīng)，根據(jù)頻率最大跌落值Δfprmax和各組負(fù)荷的啟動(dòng)閾值Δfth計(jì)算結(jié)果，仿真得到不同場(chǎng)景下的頻率響應(yīng)曲線和響應(yīng)功率總量曲線分別如圖4所示。其中，虛線波形為未考慮頻率響應(yīng)負(fù)荷參與的頻率響應(yīng)曲線，其余波形為不同典型場(chǎng)景下考慮頻率響應(yīng)負(fù)荷參與的響應(yīng)曲線。

圖4 不同負(fù)荷響應(yīng)總量下的頻率、功率曲線

由圖4可知，在響應(yīng)階段，10 s故障發(fā)生后頻率快速跌落，很快達(dá)到各組負(fù)荷的啟動(dòng)閾值；夏季時(shí)，負(fù)荷響應(yīng)總量為5 GW，可以將頻率最低點(diǎn)抬升到49.6 Hz；冬季情況下，負(fù)荷響應(yīng)總量為4 GW，頻率最低點(diǎn)被抬升到49.5 Hz；春秋季負(fù)荷響應(yīng)總量為3 GW時(shí)，頻率最低點(diǎn)可以提升到49.4 Hz。根據(jù)負(fù)荷依次恢復(fù)的時(shí)間和容量，在負(fù)荷恢復(fù)的時(shí)段，頻率波動(dòng)很小。仿真結(jié)果表明，負(fù)荷分散動(dòng)作策略可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的快速響應(yīng)和有序平滑恢復(fù)。

6.2、單步響應(yīng)與多步響應(yīng)頻率特性比較

為了進(jìn)一步驗(yàn)證頻率響應(yīng)負(fù)荷分散動(dòng)作策略的有效性，設(shè)計(jì)負(fù)荷單步階躍響應(yīng)和負(fù)荷多輪次響應(yīng)的比較算例，仿真結(jié)果如圖5所示。負(fù)荷響應(yīng)總量為4 GW，多步響應(yīng)的控制參數(shù)設(shè)定與夏季的參數(shù)相同；單步響應(yīng)的啟動(dòng)頻率閾值為Δfth=-0.4。仿真結(jié)果表明，在響應(yīng)階段，采取多步響應(yīng)策略時(shí)的頻率最低點(diǎn)高于單步響應(yīng)策略；在恢復(fù)階段，一次性恢復(fù)所有的頻率響應(yīng)負(fù)荷，會(huì)對(duì)頻率造成二次沖擊，但梯度依次恢復(fù)負(fù)荷可以實(shí)現(xiàn)頻率平滑恢復(fù)。

圖5 單步響應(yīng)與多步響應(yīng)頻率曲線比較

對(duì)于多步響應(yīng)，進(jìn)一步分析負(fù)荷控制參數(shù)（負(fù)荷恢復(fù)速率）設(shè)置對(duì)恢復(fù)效果的影響，對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：第一組負(fù)荷恢復(fù)速率kre=0.01，其頻率響應(yīng)曲線如圖4所示；第二組負(fù)荷恢復(fù)速率kre=0.05，其頻率響應(yīng)曲線如圖6所示。比較可知，2種負(fù)荷恢復(fù)速率下，頻率響應(yīng)負(fù)荷均呈現(xiàn)梯度恢復(fù)特性，但當(dāng)kre=0.01時(shí)，負(fù)荷恢復(fù)較為平穩(wěn)；當(dāng)kre=0.05時(shí)，負(fù)荷恢復(fù)產(chǎn)生了新的頻率沖擊。2種情況本質(zhì)差別在于負(fù)荷恢復(fù)速率是否與發(fā)電機(jī)二次調(diào)頻速率相匹配。

圖6 不同負(fù)荷恢復(fù)速率下的頻率曲線

6.3、負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響

為進(jìn)一步考慮了負(fù)荷延時(shí)對(duì)頻率響應(yīng)特性的影響，本文設(shè)置了3組不同的負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)分布，并比較3種情況下頻率響應(yīng)特性曲線，如圖7所示。當(dāng)負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)服從分布Tdelay~N(0,100 ms)時(shí)，系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)值和無負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)的情況一致，但由于延時(shí)的存在導(dǎo)致負(fù)荷不能及時(shí)響應(yīng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)提升效果不及無負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)的情況；當(dāng)負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)服從分布Tdelay~N(100 ms,200 ms)時(shí)，負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)較大，有一部分負(fù)荷可能當(dāng)系統(tǒng)頻率已經(jīng)達(dá)到最低點(diǎn)后尚未達(dá)到自身的響應(yīng)閾值而錯(cuò)過響應(yīng)，實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)總量小于計(jì)劃負(fù)荷響應(yīng)量，系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)和系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)值均低于無負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)的情況。

圖7 不同負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)下系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性曲線

7、結(jié)論

本文提出了一種頻率響應(yīng)負(fù)荷聚合功率建模方法和分散動(dòng)作策略，通過聚合頻率響應(yīng)負(fù)荷資源，基于離線場(chǎng)景分析和在線狀態(tài)更新兩種方法設(shè)定負(fù)荷啟動(dòng)閾值和恢復(fù)時(shí)延控制參數(shù)，有效引導(dǎo)負(fù)荷快速響應(yīng)和有序恢復(fù)，為負(fù)荷主動(dòng)快速響應(yīng)應(yīng)對(duì)大功率缺失提供了靈活方案。本文得到的主要結(jié)論如下：

（1）通過聚合功率建模方法，可以對(duì)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)頻率響應(yīng)負(fù)荷的調(diào)節(jié)潛力進(jìn)行評(píng)估；

（2）本文所提負(fù)荷分散控制策略可有效減少大功率缺失下系統(tǒng)頻率的跌落程度，作為現(xiàn)有電網(wǎng)頻率緊急控制措施的補(bǔ)充；

（3）在恢復(fù)階段，需要依據(jù)電網(wǎng)發(fā)電機(jī)的二次調(diào)頻能力設(shè)置合適的恢復(fù)速率，以保證不對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生二次沖擊。

作者簡(jiǎn)介

陶蘇朦

陶蘇朦，東南大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)頻率穩(wěn)定控制，需求響應(yīng)；

王 ? ?琦

王 ? 琦，通信作者，講師，博士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)等；

趙 ? ?奇，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化；

李亞平，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)?a href="http://www.nncyjs.com/zhuanti/njjb1O" style="color:#4595e6;" target="_blank">智能電網(wǎng)互動(dòng)運(yùn)行控制；

湯 ? ?奕

湯 ? 奕，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、新能源并網(wǎng)等。