需求响应参与电力系统调频机理及控制研究

摘要

随着智能电表和高级量测技术的发展，需求响应能够参与到电力系统的频率控制中。需求响应通过精细化地管理电网友好型用电设备(GFA)的负荷，对电力系统的频率变化做出响应，从而实现对电力系统频率的实时调节。如何合理地调用这些需求响应资源以实现对电力系统频率的稳定控制，需要对需求响应参与调频的机理及控制方法进行深入研究。在新能源不断接入电网、电力系统稳定性与可靠性面临巨大挑战的新形势下，研究需求响应参与电力系统调频的机理及控制方法具有重要的现实意义。
　　本文在全面分析了传统电力系统一次调频、二次调频机理的基础上，对需求响应参与电力系统调频的机理进行深入分析，阐明了需求响应参与电力系统调频的必要性和可行性，并建立了包含需求响应的电力系统频率响应模型。接着围绕需求响应参与电力系统调频的四个关键技术进行了研究:
　　1.提出了一种多层混合需求响应调频控制策略。所提出的控制策略包含两个层次的控制逻辑:控制中心层控制逻辑和控制器层控制逻辑。控制中心负责给定各个GFA控制器的控制参数，而各个分散的GFA控制器负责频率检测和整个控制逻辑的具体实现。为了改善整个系统的调频性能，采用遗传算法对包含需求响应的整个频率控制系统的相关控制参数进行优化，得到最优控制参数。通过多个算例验证了该多层混合控制策略的性能。
　　2.针对性地提出了多区域互联电力系统中需求响应参与调频的控制策略。通过反馈本区域频率偏差信号以及区域间联络线功率偏差信号，不仅能够使本区域频率快速地恢复到额定值，而且能够快速平抑联络线上的功率波动。为了得到最优控制参数，将包含需求响应的整个控制系统转化为多目标优化问题，并采用遗传算法对相关参数进行优化。基于三区域电力系统的算例对所提出的控制策略和优化方法进行了仿真验证。
　　3.有效地解决了包含多时间尺度需求响应资源的优化调度问题。将频率控制问题通过一个频率限值约束条件引入到调度模型中。通过分段线性化的方法，将频率限值约束转化为发电机机组组合以及需求响应资源总容量的线性不等式关系，并通过混合整数线性规划(MILP)的方法对整个优化调度问题来进行求解。通过算例对所提出的优化调度策略进行了验证。
　　4.系统地设计并实现了GFA控制器。采用锁相环(PLL)实现对频率高精度的检测，通过采用延时补偿环节减轻响应延时对控制结果的影响。整个GFA控制器的所有模块采用Verilog语言编程，并基于FPGA芯片实现。通过在Quartus和Matlab软件上搭建GFA控制器和电力系统频率响应模型，进行Quartus-Matlab联合仿真验证GFA控制器的性能。最后通过FPGA开发板实现了GFA控制器的整个功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景与研究现状

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究现状

1．2 论文的内容

1．3 项目资助情况

第二章 需求响应参与电力系统调频机理分析

2．1 电力系统调频机理

2．1．1 一次调频

2．1．2 二次调频

2．2 需求响应参与电力系统调频的机理

2．2．1 需求响应参与电力系统调频的基本原理

2．2．2 不同类型GFA参与调频的方式

2．3 包含需求响应的电力系统频率响应模型

2．4 小结

第三章 多层混合需求响应调频控制策略的研究

3．1 需求响应的控制策略

3．1．1 控制器层控制逻辑

3．1．2 控制中心层控制逻辑

3．2 模型的建立

3．3 控制系统中参数的优化

3．4 算例分析

3．4．1 参数的优化

3．4．2 基于详细模型的算例研究

3．4．3 与其它需求响应控制策略的比较

3．5 小结

第四章 多区域互联电力系统中需求响应调频控制策略的研究

4．1 多区域电力系统频率响应模型的建立

4．2 需求响应控制策略

4．3 系统中控制参数的优化

4．4 算例分析

4．4．1 不同需求响应控制方法的比较

4．4．2 不同参数优化方法的比较

4．5 小结

第五章 参与移峰和参与调频的需求响应资源优化调度策略的研究

5．1 考虑多时间尺度需求响应资源的机组组合和经济调度模型

5．1．1 目标函数

5．1．2 约束条件

5．2 系统频率限值约束建模

5．3 算例分析

5．3．1 6节点系统

5．3．2 17机系统

5．4 小结

第六章 GFA控制器的硬件实现

6．1 GFA控制器的硬件设计

6．1．1 控制器的整体结构

6．1．2 频率检测模块

6．1．3 控制逻辑模块

6．1．4 GFA控制器的实现

6．2 Quartus-Matlab联合仿真

6．2．1 电力系统频率响应模型

6．2．2 仿真平台的建立

6．2．3 算例验证

6．3 GFA控制器的硬件实现

6．4 小结

第七章 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 进一步研究的内容

致谢

参考文献

攻读博士期间发表论文及申请专利情况