技术领域
[0001] 本发明属于电力系统技术领域，具体涉及温控负荷集群参与电力系统频率响应的综合惯性控制参数设计应用场景。
相关背景技术
[0002] 以“高比例新能源”和“高比例电力电子设备”为特征的新型电力系统日趋形成。然而，这种趋势导致传统同步电源容量降低，惯性水平下降，一次调频能力减弱，给电网频率安全带来了严峻挑战。学术界和工业界主要关注并网新能源和并网储能的惯量支撑研究。而负荷侧，特别是大规模分散分布小微负荷，在为电力系统提供惯性支撑方面的潜力却较少被关注。
[0003] 近年来，信息通信和智能控制技术的快速发展，为温控负荷集群参与电网调频提供了新机遇。5G公共通信网络的高带宽、低时延和大连接特性，为电力系统数字化、网络化和智能化转型提供了关键支撑。这不仅为电力供给侧与负荷侧之间的深度双向互动创造了条件，也为大规模温控负荷提供了集中控制和主动响应电网频率变化的可能性。
[0004] 利用开放式通信网络，可实现对大范围温控负荷的信息采集和指令交互。在此基础上，可以对海量温控负荷实施集群功率响应控制，使其主动向电网提供惯性支撑。这种基于5G等新型信息通信技术的温控负荷集群频率响应控制，必将有助于缓解新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战。
[0005] 温控负荷需求响应的灵活性使其可以用作频率调节手段。集中式控制模式下，负荷集群由中央控制系统直接或经中间层控制系统间接进行统一管理和监控，在调节过程中可以提供高可控性和精确性的控制性能。但温控负荷在电力系统中的动态变化将对频率稳定性产生显著影响。大量温控负荷的同步响应可能会引起系统频率的剧烈波动，对电网的安全稳定运行带来挑战。
[0006] 因此，合理设计温控负荷频率响应的综合惯性控制参数，对于提高电力系统的频率稳定性至关重要。通过优化设计，实现温控负荷快速而稳定地参与频率调节，发挥其灵活性优势，有效支撑电网频率稳定性。这对于应对新型电力系统面临的频率调节压力，具有重要的现实意义，也是本领域技术人员急需解决的技术问题。
具体实施方式
[0065] 本发明的实施例以技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于一下实施例。
[0066] 本发明提出的温控负荷频率响应综合惯性控制参数设计方法，包括以下步骤：
[0067] 1、如图1所示，建立集成温控负荷集群的电力系统频率响应(System Frequency Response，SFR)控制模型：
[0068] 电力系统常规机组采用水电机组，水电机组参与调频的传递函数为：
[0069]
[0070] 式中系数a0～a3，b0～b4由下式确定：
[0071]
[0072] 式中，M为系统惯性时间常数。D为系统阻尼。Tw为水锤效应时间常数。KP、KI和KD分别为水轮机PID调速器的比例、积分和微分系数。bp为调差系数。Ty为伺服系统时间常数。
[0073] 温控负荷频率响应采用综合惯性控制集成至电力系统频率响应模型中：
[0074]
[0075] 式中，Kvi、Kdr、Δtd分别为温控负荷频率响应虚拟惯量控制参数，下垂控制参数和响应延时。
[0076] 2、基于电力系统频率稳定性约束下的参数设计；
[0077] (1)虚拟惯量控制参数设计。
[0078] 建立温控负荷频率响应虚拟惯量控制环节的系统开环传递函数：
[0079]
[0080] 得到系统幅频特性A(ω)：
[0081]
[0082] 幅值裕度稳定条件：A(ωp)<1，ωp为相位穿越频率，即系统相频特性相位为‑π时对应的输入信号频率。系统幅频特性只受到温控负荷集群虚拟惯量控制参数Kvi的影响，Kvi增大，系统幅值裕度减小，稳定性变差。
[0083] 系统相频特性
[0084]
[0085] 求得系统相角裕度γ表达式：
[0086]
[0087] ωc为截止频率，即系统幅频特性穿越0dB线时对应的输入信号频率。相角裕度仅受到负荷频率响应时延Δtd影响，时延增大，相角裕度减小。
[0088] 当温控负荷虚拟惯量控制系数Kvi较小时，系统幅频特性曲线与0dB线没有交点，系统相角裕度为无穷大，即温控负荷频率响应时延不会导致系统频率振荡。采用劳斯近似方法将常规水电机组参与频率响应的模型W(s)降为二阶，令系统幅频特性A(ω)＝1，整理得到以下表达式：
[0089] aω4+bω2+c＝0 (25)
[0090] 式中，
[0091] 方程判别式Δ＝b2‑4ac＝0时，系统幅频特性曲线与0dB线相切，存在唯一截止频率ωc，此时虚拟惯量控制系数为不受延时影响的最大惯量控制系数。可得：
[0092]
[0093] 式中，
[0094] 故温控负荷虚拟惯量控制系数低于下式所整定的参数时，系统频率稳定性不受延时大小影响。求解相角裕度不受延时影响的最大惯量控制系数
[0095]
[0096] 式中，
[0097] 随着Kvi的增大，系统幅频特性曲线上移，与0dB线相交，存在相角裕度，系统频率稳定性将受到延时影响，即存在使系统频率稳定的时延取值范围。当相频特性时，可得受相位稳定约束的温控负荷响应最大延时为：
[0098]
[0099] 虚拟惯量控制参数 响应延时 可根据相频特性求得时的频率ω(Δtd)，将ω(Δtd)代入幅频特性中。令幅值A(ω)＝1求解当前延时对应的温控负荷最大虚拟惯量控制系数：
[0100]
[0101] 当温控负荷频率响应延时接近于0，随着频率ω的增加，幅值条件A(ω)≈Kvia3/b4＝Kvi/M，系统幅值裕度稳定条件约束的虚拟惯量控制系数为：
[0102]
[0103] (2)下垂控制参数设计。
[0104] 建立温控负荷频率响应向下垂控制环节的系统开环传递函数：
[0105]
[0106] 得到系统幅频特性A(ω)和相频特性
[0107]
[0108]
[0109] 求得系统相角裕度γ表达式，分别得到系统截止频率ωc、下垂控制参数Kdr、负荷频率响应延时Δtd与相角裕度γ的参数变化相关关系；求解相位裕度不受延时影响的温控负荷下垂控制系数最大值为：
[0110]
[0111] 式中，
[0112] 下垂控制系数 求解受相位稳定约束的温控负荷响应最大延时为：
[0113]
[0114] 响应延时 令幅值A(ω)＝1求解当前延时对应的温控负荷最大下垂控制系数：
[0115]
[0116] 响应延时Δtd接近于0，温控负荷下垂控制参数不受约束。
[0117] (3)综合惯性控制参数设计。
[0118] 在采用综合惯性控制时，基于频率稳定性整定的虚拟惯量控制系数和下垂控制参数范围可能导致系统频率振荡失稳。新能源渗透率不断提高的背景下，电力系统低惯量特征显著。因此，温控负荷综合惯性控制考虑优先满足系统惯量需求，虚拟惯量控制系数调节范围保持不变，即 通过调整下垂控制参数满足频率稳定性约束。
[0119] 由于综合惯性控制中的系统幅相特性与综合惯性控制参数相互耦合，相频特性不再独立地反映与需求响应延时相关的特性。因此，无法仅通过相频特性来重新确定下垂控制参数。在这种情况下，本文采用遍历方式确定下垂控制参数。根据上一节中的参考范围，对 进行下调。调节所得温控负荷综合惯性控制参数范围如图2所示。
[0120]
[0121] 3、叠加负荷调节容量约束下的参数设计。
[0122] 电力系统遭受功率扰动后，频率动态变化过程中，存在Δf(t)、frate(t)使得温控负荷集群功率总指令达到最大值 可以近似认为温控负荷集群功率总指令的最大值出现在系统频率的最低点处，因此，可以将上述表达式简化为：
[0123] 若温控负荷集群总调节容量ΔPIAC始终满足电力系统功率调节指令要求，即综合惯性控制参数总限制在系统频率稳定性约束范围中。
[0124] 若集群总调节容量小于电力系统功率调节指令要求，即 需调整负荷侧综合惯性控制参数，使得功率响应指令满足负荷集群调节容量约束。参数调整规律如图3所示。
[0125] (1)优先通过调整温控负荷下垂控制参数调节范围以满足负荷集群调节容量约束：
[0126]
[0127] (2)调整负荷下垂控制系数置边界0，若仍无法满足负荷集群调节容量约束，则对虚拟惯量控制系数进行调整，此种情况下 则受负荷集群调节容量约束的温控负荷虚拟惯量控制参数调节范围为：
[0128]
[0129] 考虑系统频率稳定性和负荷调节容量的双重约束下，温控负荷集群频率响应综合惯性控制参数调整规律可总结为：
[0130]
[0131] 以温控负荷集群参与电力系统频率响应场景为例分析。
[0132] 系统在t＝0.5s时受到0.2p.u.功率扰动，频率越限，水电机组与温控负荷集群响应系统频率变化，为系统频率恢复提供功率支撑。
[0133] 根据频率稳定性分别整定得到温控负荷需求响应最大时延和最大虚拟惯量控制系数和下垂控制参数的关系如图4所示。当虚拟惯量控制系数较小时，系统稳定性不受需求响应延时影响，由图4(b)可知，经幅频特性整定不受延时影响的最大虚拟惯量控制系数为4.18。选取温控负荷虚拟惯量控制参数验证结果如图5(a)所示，取Kvi＝4，即使延时Δtd＝
1.5s，系统频率依然保持稳定。Kvi＝7时理论计算所得需求响应最大延时 由验证结果可知，当响应延时小于整定值 系统频率稳定，否则，系统相位裕度为负，频率振荡失稳。
[0134] 由图4(c)可知，不受延时影响的最大下垂控制系数为5.24，Kdr＝15时理论计算所得需求响应最大延时 选取温控负荷虚拟惯量控制参数验证结果如图5(b)所示，可由仿真结果分析得出同样结论：当响应延时小于整定值 系统频率稳定，否则，系统相位裕度为负，频率振荡失稳。
[0135] 故在选取温控负荷频率响应虚拟惯量控制参数和下垂控制参数时，本文所整定的参数设计范围具有极大的参考意义。
[0136] 基于时间触发机制的温控负荷频率响应延时为1s时，虚拟惯量控制参数和下垂控制参数取值范围约束分别为：Kvi≤4.18，Kdr≤18.94。而温控负荷需求响应采用综合惯性控制，上述参数取值范围会导致系统失稳。故基于频率稳定性约束再次调整下垂控制参数范围。采用遍历方式可得下垂控制参数Kdr≤15.10。
[0137] 进一步考虑到温控负荷调节容量约束，对温控负荷综合惯性参数进行优化设计。
[0138] 场景A：负荷皆处于满载工作状态，温控负荷最大调节容量为0.2p.u.。
[0139] 下调下垂控制参数至10.98即可满足温控负荷容量约束。
[0140] 场景B：某些负荷处于关闭状态或非满载工作，温控负荷集群最大调节容量为0.1p.u.。
[0141] 下调下垂控制参数至3.47即可满足温控负荷容量约束。
[0142] 场景C：某时段温控负荷工作需求量较低，温控负荷集群最大调节容量仅为0.05p.u.。
[0143] 下调下垂控制参数至0仍无法满足温控负荷容量约束。开始下调虚拟惯量控制参数，Kvi≤3.02时满足容量约束。
[0144] 图6‑7为叠加负荷调节容量约束的系统频率响应结果。由6(a)仿真结果可知，在基于频率稳定性和调节容量双重约束整定的综合惯性控制参数下，负荷频率响应功率在满足综合惯性控制律的同时，将更贴合工程和实际需求。此外，由图6(b)和图7可以看出，温控负荷可提供的调节容量更多，同步电源调频压力将进一步减轻，且对于电网频率的动态改善效果越好。
[0145] 以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
