本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的運行、分析與調(diào)度領(lǐng)域，特別涉及一種考慮水電和風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合進(jìn)行電網(wǎng)黑啟動的方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力用戶和用電量大幅提高，電力需求越來越大。當(dāng)前大容量的臨界、超臨界機(jī)組，高壓、特高壓長距離輸電線路，交直流混合輸電系統(tǒng)大量投入使用，電力系統(tǒng)向著大規(guī)模化邁進(jìn)。由于人員操作失誤或自然災(zāi)害等引起的電網(wǎng)事故可能會造成電網(wǎng)崩潰，釀成大面積、長時間的停電事故，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活，給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失和不良后果。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的增大，對電力系統(tǒng)的供電安全有了更高的要求，一旦發(fā)生電網(wǎng)系統(tǒng)的大面積停電，如何快速穩(wěn)定的恢復(fù)電網(wǎng)的供電，是保證電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)。因此電力系統(tǒng)的黑啟動研究有著重要的意義。

在電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故后，必須迅速進(jìn)行黑啟動，啟動電網(wǎng)全停應(yīng)急預(yù)案，在最短時間恢復(fù)電網(wǎng)出力，減少經(jīng)濟(jì)損失和社會動蕩。制定黑啟動方案首先要選定黑啟動電源機(jī)組，傳統(tǒng)的黑啟動機(jī)組包括水輪機(jī)組，燃?xì)鈾C(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組。

隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，風(fēng)電場也可以作為本地黑啟動的啟動電源。但是風(fēng)電場輸出功率的不穩(wěn)定、波動大導(dǎo)致了風(fēng)電場不適合直接作為黑啟動電源。雖然通過儲能裝備的配合可以平抑風(fēng)電場的波動，但目前來說成本比較高。對于水電容量不足而風(fēng)電容量比較充沛的電網(wǎng)黑啟動子系統(tǒng)來說，考慮到風(fēng)電和水電的互補(bǔ)性，可以用水電機(jī)組來平抑由于風(fēng)速的波動性和間歇性導(dǎo)致的風(fēng)電場輸出功率波動，通過控制水輪機(jī)實現(xiàn)風(fēng)水聯(lián)合運行，使水電和風(fēng)電場聯(lián)合向電力系統(tǒng)提供較為穩(wěn)定的黑啟動功率輸出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對水電容量不足而風(fēng)電容量比較充沛的電網(wǎng)黑啟動子系統(tǒng)的黑啟動問題，提供一種用水電機(jī)組平抑風(fēng)電場輸出功率波動，通過控制水輪機(jī)實現(xiàn)風(fēng)水聯(lián)合運行的電網(wǎng)黑啟動方法。包括：

步驟1、電網(wǎng)全停的情況下，由具備自啟動能力的水電機(jī)組自啟動；

步驟2、啟動成功的水電機(jī)組為被啟動的火電機(jī)組提供廠用電，包括：給水泵電機(jī)、循環(huán)泵電機(jī)、充灰泵電機(jī)、除塵泵電機(jī)、碎煤機(jī)電機(jī)等；為防止一次投入負(fù)荷過大可能導(dǎo)致因頻率波動過大造成系統(tǒng)崩潰，采用負(fù)荷分批投入的方法；

步驟3、小系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步投入風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組，通過控制水輪機(jī)輸出保持水電和風(fēng)電場聯(lián)合運行系統(tǒng)總輸出維持給定功率值；聯(lián)合系統(tǒng)繼續(xù)為其他火電機(jī)組提供廠用電，直至達(dá)到保留一定裕度下的最大輸出功率。

在上述的一種考慮水電和風(fēng)電場聯(lián)合進(jìn)行電網(wǎng)黑啟動的方法，所述步驟3中，控制水輪機(jī)輸出的具體方法是：

定義P_c為黑啟動所需功率；P_w為風(fēng)電場未來15s預(yù)測輸出功率；P_h為水輪機(jī)理想輸出功率，其值為黑啟動所需功率P_c與風(fēng)電預(yù)測輸出功率P_w之差；P_g為水輪機(jī)實際輸出功率。

控制方法是基于混沌時間序列的支持向量機(jī)短期風(fēng)電功率預(yù)測模型來預(yù)測未來15s的風(fēng)電輸出功率，將其和黑啟動所需功率的差值作為水輪機(jī)的期望輸出，通過水電的快速調(diào)節(jié)能力跟蹤調(diào)節(jié)、補(bǔ)償風(fēng)電輸出功率的波動，從而提供較為穩(wěn)定的黑啟動功率輸出。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明涉及的風(fēng)水聯(lián)合運行原理圖。

附圖2是本發(fā)明涉及的風(fēng)水聯(lián)合控制原理圖。

附圖3是本發(fā)明涉及的仿真試驗系統(tǒng)圖。

附圖4是本發(fā)明實施例中水電機(jī)組#1機(jī)輸出有功功率曲線圖。

附圖5是本發(fā)明實施例中風(fēng)電場1輸出有功功率曲線圖。

具體實施方式

本發(fā)明針對水電容量不足而風(fēng)電容量比較充沛的電網(wǎng)黑啟動子系統(tǒng)的黑啟動問題，提出一種用水電機(jī)組平抑風(fēng)電場輸出功率波動，通過控制水輪機(jī)實現(xiàn)風(fēng)水聯(lián)合運行的電網(wǎng)黑啟動方法。

水輪機(jī)的調(diào)節(jié)時間為15s左右，為使水輪機(jī)調(diào)節(jié)能跟蹤上風(fēng)電的波動，基于混沌時間序列的支持向量機(jī)短期風(fēng)電功率預(yù)測模型來預(yù)測未來15s的風(fēng)電輸出功率。具體步驟如下：(1)分析風(fēng)電功率時間序列的混沌特性，選取最佳嵌入維數(shù)m和延遲時間τ，本控制模型里τ取15s；計算樣本的關(guān)聯(lián)維數(shù)及最大Lyapuno指數(shù)等參數(shù)。采用小數(shù)據(jù)量法方法計算時間序列的最大Lyapuno指數(shù)，利用G-P算法確定嵌入維數(shù)m。(2)對于風(fēng)電功率時間序列的預(yù)測，通過到目前時刻為t已知的序列值來預(yù)測將來t+τ時刻的序列值。實際操作上一般是通過建立一個映射關(guān)系來實現(xiàn)。用前m個采樣點來構(gòu)造一個t+τ時刻序列映射關(guān)系：[x(t-(m-1)τ),x(t-(m-2)τ),…,x(t),x(t+τ)]。

式中，x(t-(m-1)τ),x(t-(m-2)τ),…,x(t)為最小二乘支持向量機(jī)模型的輸入數(shù)據(jù)；x(t+τ)為最小二乘支持向量機(jī)模型的預(yù)測輸出，m為嵌入維數(shù)，τ為延遲時間。(3)根據(jù)貝葉斯框架下的最小二乘支持向量機(jī)對風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測。

預(yù)測風(fēng)電場未來15s的輸出功率后，將其和黑啟動所需功率的差值作為水輪機(jī)的期望輸出，通過水電的快速調(diào)節(jié)能力跟蹤調(diào)節(jié)、補(bǔ)償風(fēng)電輸出功率的波動，從而提供較為穩(wěn)定的黑啟動功率輸出。

控制水輪發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)電功率進(jìn)行互補(bǔ)的原理如圖1所示。其中，P_c為黑啟動所需功率；P_w為風(fēng)電場未來15s預(yù)測輸出功率；P_h為水輪機(jī)理想輸出功率，其值為黑啟動所需功率P_c與風(fēng)電預(yù)測輸出功率P_w之差；P_g為水輪機(jī)實際輸出功率。

風(fēng)水聯(lián)合運行控制原理圖如圖2所示。

W_a(s)為水輪機(jī)調(diào)速器的比例積分微分調(diào)節(jié)模塊，其動態(tài)特性為

式中：K_p、K₁、K_D分別為比例增益、積分增益、微分增益；y_in為導(dǎo)葉接力器開度給定(標(biāo)么值)；y_PID為PID調(diào)節(jié)輸出的導(dǎo)葉接力器開度(標(biāo)么值)；P_c和P分別為功率給定和輸出功率；f_c和f分別為頻率給定和輸出頻率；Δf為頻差；Δf′為經(jīng)過頻率死區(qū)e_f后的頻率偏差；b_t為暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；T_d為緩沖時間常數(shù)；T_n為加速度時間常數(shù)。

W₂(s)為水輪機(jī)機(jī)械液壓系統(tǒng)模塊，特性為

式中：y為機(jī)械液壓系統(tǒng)輸出變量；T_y為接力器響應(yīng)時間常數(shù)，取值范圍為0.05～0.25s。

W₁(s)為水輪機(jī)及引水系統(tǒng)模塊，其動態(tài)特性為

式中：T_w為水流慣性時間常數(shù)，取值范圍為0.5～4s；y為接力器導(dǎo)葉開度。

控制原理是提前預(yù)測由于風(fēng)速的波動性和間歇性導(dǎo)致的風(fēng)電功率隨機(jī)變化的情況，將風(fēng)電并網(wǎng)的差額功率作為水輪發(fā)電機(jī)組的期望輸出功率，通過在水輪發(fā)電機(jī)組的PID微機(jī)調(diào)速器實現(xiàn)對水輪發(fā)電機(jī)組的功率閉環(huán)控制，達(dá)到當(dāng)風(fēng)電功率發(fā)生變化時，水電能快速跟蹤補(bǔ)償風(fēng)電的波動。

風(fēng)水聯(lián)合進(jìn)行黑啟動的具體步驟如下：

1、電網(wǎng)全停的情況下，由具備自啟動能力的水電機(jī)組自啟動；

2、啟動成功的水電機(jī)組為被啟動的火電機(jī)組提供廠用電，包括：給水泵電機(jī)、循環(huán)泵電機(jī)、充灰泵電機(jī)、除塵泵電機(jī)、碎煤機(jī)電機(jī)等。為防止一次投入負(fù)荷過大可能導(dǎo)致因頻率波動過大造成系統(tǒng)崩潰，可采用負(fù)荷分批投入的方法，每投一組負(fù)荷應(yīng)檢測試驗系統(tǒng)的頻率及各部分電壓，待系統(tǒng)頻率、電壓穩(wěn)定后，再投入其他負(fù)荷；

3、小系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步投入風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組，通過控制水輪機(jī)輸出保持水電和風(fēng)電場聯(lián)合運行系統(tǒng)總輸出維持給定功率值。啟動過程中應(yīng)合理設(shè)置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)參數(shù)，阻尼功率振蕩，提高聯(lián)合運行系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)；

聯(lián)合系統(tǒng)繼續(xù)為其他火電機(jī)組提供廠用電，直至達(dá)到保留一定裕度下的最大輸出功率。

下面以某地具體案例為例。

某系統(tǒng)水電#1機(jī)裝機(jī)容量為50MW，參數(shù)選取如表1所示；風(fēng)電場裝機(jī)容量為50MW。通過水電#1機(jī)和風(fēng)電場1聯(lián)合運行啟動被啟動火電#1機(jī)。

表1水電機(jī)組參數(shù)對照表

為啟動火電#1機(jī)，通過高備變?yōu)榛痣?1機(jī)提供廠用電20MW。在0-60秒內(nèi)，火電#1機(jī)廠用電逐步投入，水電#1機(jī)出力同步增加到20MW，之后廠用電一直保持在20MW，以保證火電#1機(jī)能否成功啟動成功。實際過程廠用電負(fù)荷負(fù)荷是分批投入的，變化過程和本仿真顯示的平滑變化有差異，本仿真只是做了理想化處理。從120秒開始逐步投入風(fēng)機(jī)，同時降低水電出力，直至210秒水電#1機(jī)和風(fēng)電場各承擔(dān)10MW的有功負(fù)荷。210秒后，隨著風(fēng)電機(jī)組出力的波動，火電#1機(jī)相應(yīng)進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，以保證總出力維持在20MW。水電#1機(jī)和風(fēng)電場1的出力仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。