CN105706325B 电网频率响应

描述了用于确定在电网的同步区域内的惯性的方法和设备。基于控制信号的序列(图4a)对至和/或来自一个或多个功率单元的组的功率流进行调制并且测量与在电网中的流动的电流的频率相关的频率特征(图4b‑图4d的实线)。基于所测量出的频率特征和所确定的幅度特征确定与电网的至少一个区域相关联的频率响应特征。从其确定功率单元位于其中的电网的该区域中的惯性是低(图4b)、中间(图4c)或高(图4d),并且使电网的同步区域内的频率响应特征能够易于被确定。

 

CN105706325B 电网频率响应
技术领域
本发明涉及用于确定电网(electrical power grid)内的频率响应特征(frequency response characteristics)的方法和设备。
背景技术
在供应商与用户之间通过配电网络或电网交换电力。在这种电网中,电力通常由较大容量的发电站和较小容量的可再生能源的组合供应。
在大型发电站(例如,化石燃料燃烧的或核电站)中的发电机通常包括具有较高速旋转的较高质量的旋转部件,因此,称为旋转发电(spinning generation)。在其正常操作的过程中,旋转发电机存储较大量的动能。更小的可再生能源(风力涡轮机和太阳能发电机)存储远远更小的量的能量或者甚至根本不存储能量。
通常,电网通过在电网的整个同步区域中均匀的标称电网频率操作。例如,英国市电电源通常通过50Hz操作。电网运营商通常被迫将电网频率保持在预先定义的限制内,例如,英国市电电源应保持在标称50Hz电网频率的0.4%内。如果在电能的发电和消耗之间未保持平衡(例如,如果总发电量不能满足在高需求周期的消耗,或者如果来自电力发电机的输出改变,可能是由于发电机故障),那么存储在电网的发电机内的能量的净总量可以改变。这造成旋转发电机的旋转速度的变化并且电网的工作频率的对应变化。因此,电网运营商将系统工作频率用作在电网内的电力的消耗与发电之间的平衡的测量。
频率响应特征描述电网频率对在电网中的电力的生成与消耗之间的平衡的变化的响应。这种频率响应特征的实例包括电网“刚度(stiffness)”和电网“惯性(inertia)”。
电网刚度(grid stiffness)是描述对规定的功率平衡变化的电网频率响应的程度(即,幅度)的性能。具有较高刚度的同步电网(例如)对规定的功率平衡变化显示了网格频率的较小变化。坚硬的或牢固的电网通常具有低电网阻抗并且通常具有系统发电容量较大的电网。在刚度通常是规定的电网的静态性能的同时,应注意的是,实际上,例如,在大电网内,发电和消耗容量频繁改变,例如,在新供应商加入电网和/或间歇发电(例如,风和太阳)源中或者从电网和/或间歇发电源中去除时。这表示实际上,电网刚度可以是电网的基本上动态的性能。
电网惯性是存储在电网内的能量的总量的测度,并且影响电网的工作频率响应于电网平衡的变化而改变的速率。具有高比例的旋转发电的同步电网的区域通常具有作为旋转动能存储在发电机内的大量能量(即,具有高惯性),因此,具有将电网的工作频率保持为标称电网频率的更大容量。与此相反,具有低比例的旋转发电的同步电网的区域具有较低量的存储能量(即,具有低惯性),因此,具有将电网的工作频率保持为标称电网频率的更小容量。因此,在电网的高惯性区域内的频率变化率小于在电网的低惯性区域内的频率变化率,并且“惯性”可表示该频率变化率。
由于在电网内的频率响应特征可以提供电网响应于消耗或发电的突然变化的方式的指示,所以有助于网络运营商理解电网频率响应特征在整个电网上变化的方式。通常,使用相量仪表进行电网工作频率的精确的并且高分辨率的测量,来确定电网频率响应特征。由于仪表昂贵,所以实际上不广泛地分布;通常,在输电网内的有限数量的中心节点上进行测量。这表示测量对在电网内的局部变化相对不敏感。
进一步地,由于测量产生大量数据,所以通常离线分析测量。这表示在频率响应特征的确定中具有延迟;这使网络运营商等难以对频率响应特征的变化及时做出反应。
本发明的目标在于,至少缓解先有技术的一些问题。
发明内容
根据本发明的第一方面,提供了一种用于在测量系统内确定在电网的同步区域内的频率响应特征的方法,电流(electricity)根据电网频率在电网内流动,其中,所述电网连接至被布置为消耗来自所述电网的电力和/或将电力提供给所述电网的第一组的一个或多个功率单元(power unit),使得所述第一组的一个或多个功率单元的功率供应和/或消耗的变化造成在所述电网内的功率流(power flow)的变化,其中,基于控制信号的序列(asequence of control signals)对至和/或来自所述功率单元中的每一个的功率流进行调制,从而调制所述电网频率以根据所述控制信号的序列提供调频信号(frequencymodulated signal),所述方法包括:
在测量系统中测量与在所述电网中流动的电流的频率相关的频率特征;
访问存储与所述一个或多个功率单元的功率特征相关的数据的数据库,并且基于所述数据确定与所述功率流调制相关的特征;并且
基于所测量出的频率特征和所确定的功率流调制特征来确定与所述电网的至少一个区域相关联的频率响应特征。
由于所需要的频率特征测量装置比较简单,所以在电网的同步区域内测量由具有已知的功率特征的现有功率单元产生的调频信号的特征,能够通过较低的成本实时或者近实时确定在电网内的很多点上的频率响应特征。
在一些实施方式中,确定所述频率响应特征包括使所测量出的频率特征与所述功率流调制特征相关联。
在一些实施方式中,确定所述频率响应特征包括确定所述功率流调制特征与所测量出的频率特征的比率。
在一些实施方式中,确定所述频率响应特征包括确定所述功率流调制特征相关联和所测量出的频率特征的比率。
在一些实施方式中,所述功率流调制特征包括与所述功率流调制相关的幅度特征。
在一些实施方式中,所述幅度特征(magnitude characteristic)包括所述功率流的幅值(amplitude)。
在一些实施方式中,基于以下项中的一个或多个来测量所测量出的频率特征:交流电压的频率、交流电流的频率、测量出的在所述电网内流动的功率的频率、频率的变化率、交流电流或交流电压的周期。
在一些实施方式中,所测量出的频率特征包括与所述调制的信号相关联的频率的时间变化。
在一些实施方式中,所述频率响应特征包括惯性特征(inertiacharacteristic)。
在一些实施方式中,所述惯性特征包括与所述调频信号相关联的上升时间和下降时间中的至少一个。
在一些实施方式中,所述频率响应特征包括与功率平衡的每个单位变化(perunit change)的电网频率的变化幅度相关的特征。
在一些实施方式中,所述第一组功率单元是分布式的一组功率单元,并且存在一种方法,包括:
根据控制模式,调制至和/或来自所述第一组的功率单元中的每个的功率流,使得协调所述多个功率单元的功率的消耗和/或供应,以提供所述测量系统可检测的具有集体频率特征(collective frequency characteristic)的集体调频信号(collectivefrequency modulated signal)。
根据控制模式调制至和/或来自所述多个功率单元中的每个的功率流,启用一种由连接至电网的能够具有功率流调制的一个到所有功率单元共同传送给测量系统的方法。在使用消耗少量功率的功率单元时,这可以有利,这单独不能产生足够强烈以由测量系统可检测的调频信号,超过其他信号或电网噪声,但是在协调时,可以共同产生足够强烈用于在电网内的期望点上检测的调频信号。通过这种方式,可确定频率响应特征的地点的数量可增加。
在一些实施方式中,包括将指定所述控制模式的信号发送给所述第一组的功率单元的每个功率单元。
在一些实施方式中,所述控制模式包括重复模式,并且根据所述重复模式连续控制进入和/或来自所述第一组一个或多个功率单元的功率。
包括重复模式的控制模式可有利于给测量系统提供测量功率流模式的特征的多个机会,并且有利于由测量系统平均连续相同的功率流模式,以(例如)在确定在电网内的惯性时允许更高的精度。
在一些实施方式中,根据所述控制模式间歇性控制进入和/或来自所述第一组一个或多个功率单元的功率。
间歇性的控制可有利于省电的目的,允许功率单元(例如)在不需要时保持关闭。这还可有利于将数据编码成功率流控制模式,因此,有利于通过在电网内产生的功率流模式将数据传送给测量系统。
在一些实施方式中,提供了一种方法,其中,所述共同调制的信号包括识别所述一组功率单元的标识符,所述方法包括:
访问存储各自与所述第一组的一个或多个功率单元相关联的一个或多个标识符的数据库;并且
确定在包含在所述集体调制的信号中的标识符与存储在所述数据库中的一个或多个标识符之间的对应关系,从而识别所述第一组的一个或多个功率单元。
在一些实施方式中,存储在所述数据库中的每个标识符与所述电网的至少一个区域相关联并且所述方法包括基于所确定的标识符对应关系来确定与所确定的频率响应特征相关联的区域。
在一些实施方式中,提供了一种方法,其中,所述电网连接至第二组的一个或多个功率单元,每个功率单元被布置为消耗来自所述电网的功率和/或将功率提供给所述电网,所述方法包括:
基于所确定的频率响应特征确定用于在触发所述第二组的一个或多个功率单元的功率消耗和/或供应上的变化时所使用的一个或多个参数;并且
传输所述一个或多个参数,用于在所述第二组功率单元上接收。
在一些实施方式中,提供了一种方法,包括:
在所述第二组的功率单元上接收所述一个或多个参数;
基于所述接收的参数获得触发条件;
基于在第二组功率单元局部地(locally)在所述电网内流动的电力的所测量出的频率特征,确定是否满足所述触发条件;并且
响应于确定满足所述触发条件,改变进入和/或来自所述第二组功率单元的功率流。
触发功率单元的功率消耗和/或供应的变化,可以有助于限制在电网内的其他地方的功率流的变化对电网频率的影响。由于频率响应特征响应于功率流的变化提供(例如)与电网频率的变化率相关的信息,所以在触发参数的获得内包含频率响应特征有利。因此,功率单元的触发参数可以定制成在局部电网惯性(例如)较低的情况下提供(例如)较早的响应并且在局部电网惯性(例如)较高的情况下提供较晚的响应。由于避免了可以造成不可接受的电网频移的在(例如)低惯性环境内太晚的响应以及会对功率单元的使用造成不必要的中断的对(例如)高惯性环境太早的响应,所以这是一种有利的设置。同样,例如,由于对规定的可能功率平衡变化提供了所测量出的频率特征变化的可能幅度的指示,所以在触发参数的获得内包含(例如)刚度特征有利。
在一些实施方式中,提供了一种方法,包括:
在所述测量系统上限定在第一时间周期期间与所述频率特征相关联的第一系列值以及在稍后的第二时间周期期间与所述频率特征相关联的第二系列值;
在所述测量系统上,确定基于所述第一系列值的具有第一系数集合的第一多项式函数以及基于所述第二系列值的具有第二系数集合的第二多项式函数;并且
在所述测量系统上,基于在所述第一系数集合与所述第二系数集合之间的差,确定是否满足所述触发条件。
在一些实施方式中,提供了一种方法,其中,所述电网连接至第二组一个或多个功率单元,功率单元布置为消耗来自所述电网的功率和/或将功率提供给所述电网,所述方法包括:
基于与和所述第二组功率单元相关联的区域相关联的所述确定的频率响应特征,确定用于触发所述第二组一个或多个功率单元的功率消耗和/或供应的变化的一个或多个参数;
基于所测量出的频率响应特征获得触发条件;
在与所述第二组功率单元相关联的区域内测量与在所述电网内流动的电流的频率相关的频率特征;
将在与所述第二组功率单元相关联的区域内测量的所测量出的频率特征传送给所述测量系统;
基于传送的所测量出的频率特征确定是否满足所述触发条件;并且
响应于确定满足所述触发条件给所述第二组功率单元发送改变进入和/或来自所述第二组功率单元的功率流的请求。
以上实施方式能够在用作一些或所有电网的中央控制中心执行(例如)是否满足触发条件的确定。由于能够集中控制触发、集中覆盖触发(一种集中控制在功率单元上的功率流的方法),所以这可有利,并且与用于在每个装置上的这些功能的需要先有技术方法的设备相比,还可启用一种触发条件确定的更划算的方法。
在一些实施方式中,所述第二组功率单元与所述第一组功率单元相同。
在一些实施方式中,所述功率调制包括实际功率和无功功率中的至少一个的调制。
根据本发明的第二方面,提供了一种用于确定在电网的同步区域内的频率响应特征的测量系统,其中,电流根据电网频率在该电网中流动并且所述电网连接至被布置为消耗来自所述电网的电功率和/或将电功率提供给所述电网的一组的一个或多个功率单元,使得通过所述功率单元的功率供应和/或消耗的变化造成在所述电网中的功率流的变化,其中,基于控制信号的序列对至和/或来自所述功率单元中的每一个的功率流进行调制,从而调制所述电网频率以提供调频信号,所述测量系统被布置为:
测量与在所述电网中流动的电流的频率相关的频率特征;
访问存储与所述一个或多个功率单元的功率特征相关的数据的数据库并且基于所述数据确定与所述功率流的调制相关的特征;并且
基于所测量出的频率特征和所确定的功率流调制特征来确定与所述电网的至少一个区域相关联的频率响应特征。
在一些实施方式中,本发明的第二方面包括和与上面相对于本发明的第一方面列出的各种实施方式相关联的所有特征对应的特征。
根据本发明的第三方面,提供了一种功率控制装置,用于使用一个或多个关联的功率单元来提供对在电网的同步区域中流动的电流的频率上的变化的响应,其中,所述电网连接至测量系统,所述测量系统被布置为确定在所述区域内的该电网的频率响应特征并且基于所测量出的频率响应特征来确定一个或多个触发参数,所述功率控制装置被布置为:
从所述测量系统间歇性地接收一个或多个参数,从所确定的频率响应特征获得所述参数;
基于所接收到的一个或多个参数获得触发条件;
基于测量出的在所述电网中流动的电功率的频率特征来确定是否满足所述触发条件;并且
响应于确定满足了所述触发条件而改变至和/或来自所述功率单元的功率流。
在一些实施方式中,所接收到的一个或多个参数中的一个包括所述触发条件。
在一些实施方式中,所述频率响应特征包括惯性特征。
在一些实施方式中,所述频率响应特征包括与功率平衡的每个单位变化的电网频率的变化幅度相关的特征。
在一些实施方式中,功率控制装置被布置为:
限定在第一时间周期期间与所述频率特征相关联的第一系列值以及在稍后的第二时间周期期间与所述频率特征相关联的第二系列值;
确定基于所述第一系列值的具有第一系数集合的第一多项式函数以及基于所述第二系列值的具有第二系数集合的第二多项式函数;并且
基于在所述第一系数集合与所述第二系数集合之间的差确定是否满足所述触发条件。
以上实施方式允许触发条件基于频率随着时间改变的方式。由于可以提供可允许快速恢复电网频率的对频率特征的较快变化的较早响应,并且可替换地提供防止功率单元的不必要的中断的对频率特征的较慢变化的较晚响应,所以这会是有利的。由于提供滤出在规定的时间尺度上发生的频率特征波动的方式,所以这也是有利的,所述波动可表示对确定是否满足触发条件没有兴趣的噪声或其他波动。
在一些实施方式中,第一多项式函数和第二多项式函数是二次多项式函数。
在一些实施方式中,基于与在所述第一系数集合内的对应系数相差超过预定量的所述第二系数集合的至少一个系数的值,识别频率变化事件。
在一些实施方式中,功率控制装置被布置为根据多项式外推技术(polynomialextrapolation technique)和/或二次曲线外推技术(conic extrapolation technical,圆锥曲线外推技术)测量所述一系列值。
在一些实施方式中,功率控制装置包括被布置为基于相量测量来测量所测量出的频率特征的相量测量仪表。
在一些实施方式中,所述相量测量仪表被布置为参照绝对时间参考测量与在所述电网内测量的电压的矢量相关联的相位。
在一些实施方式中,所测量出的频率特征包括以下中的一个或多个:交流电压的频率、交流电流的频率、在所述电网内流动的功率的所测量出的频率;频率的变化率;以及交流电流的周期。
在一些实施方式中,功率控制装置被布置为接收信号,所述信号表示可控制功率流的时间周期。
在一些实施方式中,所述功率调制包括实际功率和无功功率中的至少一个的调制。
根据本发明的第四方面,提供了一种用于响应于在电网内的频率变化的系统,所述系统包括:
分布式的多个功率控制装置,每个功率控制装置控制连接至所述电网的相应功率单元;以及
测量系统,用于将一个或多个触发参数传输给所述多个分布式的功率控制装置。
在一些实施方式中,所述测量系统被布置为:
限定来自所述分布式的多个功率控制装置的多个组的功率控制装置;
将不同的相应触发条件分配给所述多个组中的每一组;并且
向每个功率控制装置传输触发条件,所述触发条件被分配给分配了所述触发条件的组。
在一些实施方式中,所述测量系统被布置为:
访问存储与和所述功率控制装置相关联的功率单元的功率消耗和/或供应相关的配置文件信息的功率单元数据库;并且
基于所述访问的配置文件信息限定所述多个组。
在一些实施方式中,所述测量系统被布置为:
接收指示表示所测量出的频率特征的多项式函数的数据;
基于所述多项式函数外推与所测量出的频率特征相关联的未来期望值;并且
基于所述外推的未来期望值确定响应于所述频率变化事件的期望功率流要求。
由于允许更多的时间来组织对可造成满足触发条件的频率特征的变化的有效响应,所以在以上实施方式中规定的频率特征的预测有利。由于提供了允许更严格地控制频率特征的补偿可能在不久的将来发生的频率特征变化(而非补偿已经发生了的变化)的方式,所以该预测也有利。
在一些实施方式中,所述测量系统布置为:
访问包括与所述功率单元的功率消耗和/或供应相关的配置文件信息的功率单元数据库;
基于所述期望功率流要求和所述配置文件信息,限定响应于所述频率变化事件的一组或多组一个或多个功率单元。
在一些实施方式中,所述测量系统被布置为传输控制与功率控制装置相关联的功率单元的电力的消耗和/或供应的用于在所述限定的组的功率单元上接收的一个或多个请求,从而改变在所述区域内的电能的净消耗。
根据本发明的第五方面,提供了一种功率控制装置,使用由一个或多个关联的功率单元来提供对在电网内流动的电流的频率的变化的响应,其中,电流根据电网频率在所述电网内流动,所述功率控制装置包括频率测量装置并且被布置为:
使用所述频率测量装置在所述功率控制装置上监控所述电网频率的变化;
至少部分基于所述监控确定触发条件;
基于在所述电网内流动的电力的所测量出的频率特征确定是否满足所述触发条件;并且
响应于确定满足所述触发条件改变进入和/或来自所述功率单元的功率流。
在一些实施方式中,功率控制装置布置为响应于与阈值相交的所测量出的频率特征:
在与所述阈值相交之前的时间执行所测量出的频率特征的分析;并且
至少部分基于所述分析确定所述触发条件。
在一些实施方式中,功率控制装置被布置为:
使用所述频率测量装置在获得所述触发条件之后,在所述功率控制装置上监控所述电网频率的变化,并且
基于后续监控获得更新的触发条件。
在一些实施方式中,至少部分基于所述第一触发条件获得所述更新的触发条件。
在以上实施方式中,该装置能够基于其本身获得的触发条件控制功率流。该装置(例如)在不访问通信网络的电网的区域内或者在通过这些网络的命令不划算的情况下有利。
从参照附图进行的仅通过实例提供的本发明的优选实施方式的以下描述中,本发明的进一步特征和优点显而易见。
附图说明
图1是示出可实现本发明的同步电网的示意图;
图2a是示出调频装置的示意图;
图2b是示出在调制的功率的生成/消耗平衡与在电网内产生的电网调频之间的关系的示图;
图3是示出测量装置的示意图;
图4a是示出示例性方波功率调制的信号的示图;
图4b是示出在电网的低惯性区域内的调频信号的示图;
图4c是示出在电网的中间惯性区域内的调频信号的示图;
图4d是示出在电网的高惯性区域内的调频信号的示图;
图5是示出用于确定在电网的区域内的频率响应特征的实例方法和设备的示意图;
图6a是示出为所测量出的频率特征限定的一系列间距的示图;
图6b是示出可以与多项式函数拟合的所测量出的频率特征的示图;
图6c是示出可以与多项式函数拟合的所测量出的频率特征的示图;
图6d是示出可以与多项式函数拟合的所测量出的频率特征的示图;
图6e是示出可以与多项式函数拟合的所测量出的频率特征的示图;
图6f是示出可以与多项式函数拟合的所测量出的频率特征的示图;
图7是示出响应于电网平衡的突然变化的在三个示例性区域内的频率变化的示图;以及
图8是示出功率控制装置的示意图。
具体实施方式
通常通过配电网或电网将电力从供应商(例如,发电站)供应给用户(例如,家庭用户和企业)。图1示出了包括输电网102和配电网104的示例性电网100,其中可实现本发明的实施方式。

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THE END
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