2020年06月12日 | 大功率缺失下频率响应负荷聚合建模与分散控制方法

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51707032）

（以下为本文主干内容，原文详见《电力自动化设备》2020年第40卷第2期）

大功率缺失下频率响应负荷聚合建模与分散控制方法

陶苏朦1，王琦1，赵奇2，李亚平3，汤奕1

（1. 东南大学 电气工程学院；2. 国网苏州供电公司；3. 中国电力科学研究院有限公司南京分院）

1、研究背景

特高压直流工程能够实现大范围能源资源优化配置，但其单体设备输送容量巨大，一旦发生故障将引起受端电网大功率缺失和频率快速下降。为应对此类故障，常优先采用加大发电供应、多直流提升、抽蓄电站切泵等措施，在上述措施不足以弥补缺额的情况下，则利用快速有效但影响用户生产生活的紧急负荷控制手段进一步弥补。随着通信、量测技术的逐渐成熟，负荷可观性和可控性增强，通过评估区域电网需求响应资源的分布特性、运行特性和聚合特性等，利用负荷分散式控制响应速度快和可控性高的特点，能够辅助电力系统一次调频以及弥补紧急故障下的功率缺额。

2、整体研究思路及创新点

频率响应负荷是依据内嵌或外接监控装置（如智能插座）监测频率变化，通过比较系统频率信号和设定的频率响应阈值，实现就地分散响应参与系统频率调控的负荷。为充分利用海量分布的频率响应负荷资源，本文提出一种大功率缺失下频率响应负荷聚合建模与分散控制方法。首先建立频率响应负荷聚合功率模型，对省级电网典型场景下的负荷聚合潜力进行评估；基于离线典型场景和在线状态更新2种方式，提出频率响应负荷分散动作策略制定方法，通过负荷分散动作响应阶段和恢复阶段的控制参数整定，实现频率响应负荷的快速响应和有序恢复；最后通过某省级电网算例验证了大功率缺失下频率响应负荷分散控制策略的有效性。

3、频率响应负荷定义和动作条件

频率响应负荷动作条件示意图如图1所示，依据频率信号和频率变化率信号确认大功率缺失故障来临时，若频率响应负荷控制装置检测到系统频率偏差Δf 低于设定的响应阈值Δfth，则关断与之相连的频率响应负荷，帮助恢复电网频率，记录负荷响应时刻为tr 。经过一段强制响应时间tf 使得频率恢复到一次调频死区范围内（Δf  > Δfdb）后，等待恢复时延toff 结束，负荷控制装置将频率响应负荷打开，使其继续工作。

图1 频率响应负荷动作条件示意图

4、频率响应负荷聚合潜力评估

空调、热水器和电动汽车是典型的频率响应负荷，以某省级电网为例，通过估计频率响应负荷数量及构成比例，依据所建负荷聚合功率模型，综合考虑负荷自身运行特性和用户用电习惯（负荷运行时段），对典型场景下的负荷可控容量及响应潜力进行评估。基于某省电网公司营销和调度部门的负荷数据以及某省2018年统计年鉴提供的人口数据，对某实际省级电网负荷仿真数据进行估算后，得到某省级电网在夏、冬和春秋3个典型季节居民负荷群体参与需求响应的聚合功率曲线，如图2所示。

图2 某省级电网夏季、冬季和春秋季居民负荷聚合功率曲线

5、频率响应负荷分散动作策略

频率响应负荷分散动作策略考虑不同负荷控制架构和控制信号传输通道建设情况，分为有负荷通信通道下的混合控制策略和无负荷通信通道下的离线控制策略，其分散动作策略流程图如图3所示。具体包括如下步骤：

（1）电力系统调度控制中心离线仿真预想故障，确定预想故障下的大功率缺额ΔPm 以及频率最大跌落Δfm，考虑多直流提升、抽蓄电站切泵、精准切负荷等多种预调度措施，确定需要频率响应负荷抬升的频率偏差ΔfDR，并基于系统频率响应模型，计算各预想故障下需要参与响应的频率响应负荷总量；

（2）分析电网典型运行状态（四季运行方式、白天夜晚、工作日、休息日等），依据典型场景离线计算分散响应阈值，将多个场景下的阈值以时间触发的形式预先嵌入智能终端控制模块，装置内的阈值将随时间灵活切换；

（3）控制中心根据当前电网运行态势，确定当前最可能出现的大功率缺失故障，并进行在线匹配，确定当前需要频率响应负荷参与响应的负荷量PDRN；

（4）负荷智能终端依据实际运行工况，实时采集负荷运行状态、温度、功率等信息，并将用户负荷信息实时上传至控制中心（比如：10 min一次），由控制中心实时评估当前负荷响应潜力，即最大可响应功率PDRmax；

（5）通过比较预调度需要的PDRN和当前PDRmax，确定当前频率响应负荷参与响应的实际负荷量PDR，当PDRN>PDRmax时，PDR=PDRmax，当PDRN （6）结合PDR以及每组负荷的响应潜力及可响应功率，每10 min计算一次N批智能终端的控制参数，包括不同频率动作阈值Δfth、动作延时td（≥1 s）、负荷恢复延时toff，系统将数据送出安全区之后通过公网下发到各个智能插座；

（7）智能终端确定频率响应负荷分散动作的频率阈值，若控制中心在线更新频率阈值，则优先采用在线频率阈值，若控制中心未下发频率阈值，则采用默认的离线频率阈值；

（8）智能终端就地实时量测系统频率，并根据当前在线或离线频率阈值，进行分散动作，当检测到本地频率f 小于响应启动频率fs 后，延时td，再反时限切除所接负荷，待恢复延时toff 过后，再依次有序恢复负荷。

图3  频率响应负荷快速参与调频的分散动作策略流程图

6、仿真结果分析

模拟某区域地区直流双极闭锁故障，损失7.5 GW功率后的频率变化过程，故障发生后频率快速跌落至49.3 Hz以下。假设现阶段，负荷聚合潜力功率小于功率缺额ΔP，评估每一典型场景下频率响应负荷的聚合潜力为PDR；考虑总量为PDR 的频率响应负荷响应，依据频率响应负荷分散控制策略，计算每一典型场景下10组负荷各自的频率响应阈值并参与响应。

6.1、不同负荷响应总量下的频率、功率响应特性

设置频率响应死区Δfdb=-0.2，负荷参与响应后的频率最大跌落值Δfprmax 依据不同场景下的频率响应负荷响应量计算确定；频率响应负荷分为N=10组参与频率响应，根据频率最大跌落值Δfprmax和各组负荷的启动阈值Δfth计算结果，仿真得到不同场景下的频率响应曲线和响应功率总量曲线分别如图4所示。其中，虚线波形为未考虑频率响应负荷参与的频率响应曲线，其余波形为不同典型场景下考虑频率响应负荷参与的响应曲线。

图4 不同负荷响应总量下的频率、功率曲线

由图4可知，在响应阶段，10 s故障发生后频率快速跌落，很快达到各组负荷的启动阈值；夏季时，负荷响应总量为5 GW，可以将频率最低点抬升到49.6 Hz；冬季情况下，负荷响应总量为4 GW，频率最低点被抬升到49.5 Hz；春秋季负荷响应总量为3 GW时，频率最低点可以提升到49.4 Hz。根据负荷依次恢复的时间和容量，在负荷恢复的时段，频率波动很小。仿真结果表明，负荷分散动作策略可以实现负荷的快速响应和有序平滑恢复。

6.2、单步响应与多步响应频率特性比较

为了进一步验证频率响应负荷分散动作策略的有效性，设计负荷单步阶跃响应和负荷多轮次响应的比较算例，仿真结果如图5所示。负荷响应总量为4 GW，多步响应的控制参数设定与夏季的参数相同；单步响应的启动频率阈值为Δfth=-0.4。仿真结果表明，在响应阶段，采取多步响应策略时的频率最低点高于单步响应策略；在恢复阶段，一次性恢复所有的频率响应负荷，会对频率造成二次冲击，但梯度依次恢复负荷可以实现频率平滑恢复。

图5 单步响应与多步响应频率曲线比较

对于多步响应，进一步分析负荷控制参数（负荷恢复速率）设置对恢复效果的影响，对比试验参数设置如下：第一组负荷恢复速率kre=0.01，其频率响应曲线如图4所示；第二组负荷恢复速率kre=0.05，其频率响应曲线如图6所示。比较可知，2种负荷恢复速率下，频率响应负荷均呈现梯度恢复特性，但当kre=0.01时，负荷恢复较为平稳；当kre=0.05时，负荷恢复产生了新的频率冲击。2种情况本质差别在于负荷恢复速率是否与发电机二次调频速率相匹配。

图6 不同负荷恢复速率下的频率曲线

6.3、负荷响应延时对系统频率响应的影响

为进一步考虑了负荷延时对频率响应特性的影响，本文设置了3组不同的负荷响应延时分布，并比较3种情况下频率响应特性曲线，如图7所示。当负荷响应延时服从分布Tdelay~N(0,100 ms)时，系统频率稳态值和无负荷响应延时的情况一致，但由于延时的存在导致负荷不能及时响应，从而导致系统频率最低点提升效果不及无负荷响应延时的情况；当负荷响应延时服从分布Tdelay~N(100 ms,200 ms)时，负荷响应延时较大，有一部分负荷可能当系统频率已经达到最低点后尚未达到自身的响应阈值而错过响应，实际负荷响应总量小于计划负荷响应量，系统频率最低点和系统频率稳态值均低于无负荷响应延时的情况。

图7 不同负荷响应延时下系统频率响应特性曲线

7、结论

本文提出了一种频率响应负荷聚合功率建模方法和分散动作策略，通过聚合频率响应负荷资源，基于离线场景分析和在线状态更新两种方法设定负荷启动阈值和恢复时延控制参数，有效引导负荷快速响应和有序恢复，为负荷主动快速响应应对大功率缺失提供了灵活方案。本文得到的主要结论如下：

（1）通过聚合功率建模方法，可以对区域电网内频率响应负荷的调节潜力进行评估；

（2）本文所提负荷分散控制策略可有效减少大功率缺失下系统频率的跌落程度，作为现有电网频率紧急控制措施的补充；

（3）在恢复阶段，需要依据电网发电机的二次调频能力设置合适的恢复速率，以保证不对电网频率产生二次冲击。

作者简介

陶苏朦

陶苏朦，东南大学硕士研究生，主要研究方向为电力系统频率稳定控制，需求响应；

王    琦

王   琦，通信作者，讲师，博士，主要研究方向为电力系统稳定分析与控制、电网信息物理系统等；

赵    奇，工程师，主要研究方向为电力系统自动化；

李亚平，高级工程师，博士，主要研究方向为智能电网互动运行控制；

汤    奕

汤   奕，教授，博士研究生导师，主要研究方向为电力系统稳定分析与控制、新能源并网等。