论文题目：大范围频率偏移场景下电力系统频率稳定机理及协调控制
摘要：维持电力系统频率在允许范围内对系统安全稳定运行具有重要意义。国内外多个大停电事故表明,区域电网由于大规模风电、光伏脱网,或在连锁故障驱动下解列成发电、负荷不平衡的孤立区域,导致孤立电网出现频率大范围偏移甚至电网频率崩溃的情况。互联大电网联络线故障,也可能导致系统出现严重的有功功率扰动。随着可再生能源发电机组和高压直流输电接入电力系统的比例逐渐增加,电网的形态结构正经历一个由量到质的变化过程,低惯量、低可控性和潜在有功功率扰动量大等特点导致系统频率稳定问题突出。在电力电子化电源和高压直流输电发展的驱使下,电网的动态频率响应更加复杂、剧烈,增加了频率大范围偏移、频率失稳和崩溃的风险,给电力系统频率安全稳定分析与控制带来新的挑战。电力系统频率安全稳定的相关研究大都集中在频率响应曲线的获取,常规频率响应模型中通常认为频率偏移不大,忽略频率变化对锅炉热状态和辅机出力的影响。但大幅频率偏移会直接影响给水泵、送风机等辅机出力,进而影响系统频率特性。目前很少有研究涉及频率稳定性量化评估问题,对频率稳定机理分析不清,进而无法获知系统的稳定程度。通常对系统频率安全性和频率稳定性不加严格区分,对频率稳定性的分析大都是基于频率偏移安全评估思路,采用定性的方法或近似用暂态频率偏移评估代替真正的频率稳定评估,缺乏对频率安全性和频率稳定性内涵的剖析以及对其本质的区分和阐述,频率稳定机理及其量化分析研究仍是一个相对薄弱的环节。论文针对在频率大范围偏移场景下的频率响应建模、频率稳定机理及其量化分析和频率协调优化控制问题开展研究,取得的主要创新成果如下:（1）针对传统模型在频率大范围偏移情况下频率特性模拟不够准确的问题,建立了考虑频率偏移对锅炉热状态以及给水系统出力影响的较为详细的火电机组有功-频率响应扩展模型,改善了常规频率响应模型的适应性;基于扩展模型揭示了频率偏移影响辅机出力进而导致系统频率失稳的过程;为国际广泛应用的电力系统仿真计算软件PSS/E建立了火电机组有功-频率响应扩展模型并通过编程实现,拓展了PSS/E在电力系统发生大范围频率偏移下的频率动态仿真功能,提高了发生大扰动后的计算精度。（2）针对频率安全性和频率稳定性没有严格区分、频率稳定性缺乏有效的量化分析方法等问题,揭示了在更大频率变化范围内机组和负荷静态功频特性曲线存在两个交点,从理论上系统分析了这两个平衡点的稳定特性,定义了电力系统频率静态不稳定平衡点;提出了静态频率稳定裕度指标,给出了电力系统频率稳定性量化评估方法;阐述了电力系统频率安全性和频率稳定性本质和内涵,首次从物理机理上将频率安全性与频率稳定性清晰地区分开来,丰富了电力系统稳定性分析理论体系。（3）针对大扰动情况下送端电网频率稳定协调控制问题,基于频率安全裕度和频率稳定裕度指标,在高频场景下将系统静态频率稳定裕度分析转化为最小切机量控制分析,建立了一种频率协调控制数学模型;为简化模型求解过程,进一步提出了首轮单次切机总量子模型和分轮次切机量优化整定子模型的分解-综合协调优化策略并基于轨迹灵敏度进行求解,提高了决策方案的适应性;利用机组与直流落点电气距离,机组出力和贪婪算法相结合的方法,优化各轮次切机组合方案。论文研究建立了考虑给水系统功频特性的火电机组有功-频率响应扩展模型,改善了常规系统频率响应模型的适应性;提出了静态频率稳定裕度指标和量化评估方法,为频率稳定协调控制提供了量化信息,综合评估了给定大扰动下电网的频率安全稳定水平;基于频率安全和稳定裕度建立了一种高频场景下频率协调控制数学模型并进一步提出了分解-综合协调优化策略,提高了决策控制方案的适应性。从频率响应计算、频率稳定机理和频率稳定协调控制三个层面上丰富了频率分析和控制理论体系,完善了电力系统频率响应模型,提升了电力系统数值仿真的频率响应计算水平,丰富了电力系统稳定分析理论体系,促进频率控制技术的进步,为新型电力系统的构建提供了有益理论支撑。
关键词：锅炉/辅机;频率响应扩展模型;功频特性;频率稳定;量化评估指标;频率协调控制
学科专业：电气工程
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 背景与意义
1.2 研究现状
1.2.1 频率响应模型
1.2.2 频率稳定评估
1.2.3 频率稳定控制
1.3 存在的问题
1.4 本文主要研究工作
第2章 考虑锅炉辅机功频特性的火电机组有功-频率控制建模
2.1 引言
2.2 火电机组有功-频率控制逻辑
2.2.1 火电厂物理结构
2.2.2 火电机组频率响应
2.2.3 控制元件模型
2.3 火电机组有功-频率响应扩展建模
2.3.1 有功-频率控制建模
2.3.2 给水系统功频特性
2.3.3 给水流量和燃料量数学模型
2.3.4 考虑变频器的机组有功-频率响应模型
2.4 PSS/E频率动态仿真和分析功能扩展
2.4.1 扩展思路
2.4.2 功能扩展实现
2.5 算例分析
2.6 小结
第3章 严重低频场景下的系统频率稳定性分析
3.1 引言
3.2 基于平衡点的静态频率稳定
3.2.1 平衡点邻域状态方程
3.2.2 平衡点邻域静态频率稳定性
3.3 静态频率稳定性量化指标
3.3.1 平衡点数学计算
3.3.2 稳定性量化指标
3.4 电力系统频率安全性和稳定性内涵
3.4.1 电力系统安全性和稳定性的定义
3.4.2 频率安全性与稳定性辨析
3.4.3 频率安全性与稳定性的内涵及评估
3.5 算例分析
3.6 小结
第4章 高频场景下频率稳定协调控制策略
4.1 频率稳定量化指标高频应用
4.2 高频切机背景和问题分析
4.3 高频切机方案优化整定模型
4.3.1 方案整定配置原则
4.3.2 分解-综合协调优化整定模型
4.4 基于轨迹灵敏度的高频切机整定模型求解
4.4.1 首轮单次切机总量子模型求解
4.4.2 分轮次切机量优化整定子模型求解
4.4.3 各轮次机组分配
4.5 算例分析
4.5.1 算例系统介绍
4.5.2 高频切机整定策略
4.5.3 整定方法比较
4.6 小结
第5章 结论与展望
5.1 结论
5.2 展望
附录1 电厂辅机技术参数
附录2 IEEEG1模型及典型参数
附录3 IEEE39节点系统
潮流数据
动态数据
附录4 扩展频率响应模型典型参数
单机频率响应扩展模型状态方程
参考文献
致谢
博士期间的研究成果