本發明涉及了一種慣量和調頻輔助服務出清方法，涉及電力系統穩定運行，具體涉及一種考慮慣量和調頻輔助服務的多類型資源協同出清方法。

背景技術：

1、隨著新能源發電比例的快速提升，傳統以同步機組為主的電力系統運行模式正發生根本性變化。新能源機組通常通過電力電子裝置接入電網，無法提供物理慣性，也難以對系統頻率波動做出快速響應，導致低慣量電力系統在突發擾動下更容易出現頻率失穩問題。這種變化對電力系統的頻率穩定性提出了全新的挑戰。

2、現有調頻機制已難以滿足新型電力系統頻率穩定的實際需求，調頻輔助服務的出清方法往往局限于傳統火電機組的單一作用，未能充分考慮儲能、分布式能源等多類型資源的協調能力。與此同時，分布式資源的虛擬慣量潛力未被有效挖掘，使得系統無法在慣量不足或頻率波動劇烈時提供及時而全面的支撐。因此，亟需整合多類型資源的慣量支撐和調頻能力，構建協同出清機制，不僅可以有效提高電力系統在低慣量場景下的頻率穩定性，還能更好地適應新能源高比例接入的電網運行需求。

技術實現思路

1、為了解決背景技術中存在的問題，本發明所提供一種考慮慣量和調頻輔助服務的多類型資源協同出清方法。本發明方法旨在解決低慣量電力系統中多類型響應資源（如發電機組、儲能設備、分布式能源設備等）協同提供慣量支撐和頻率調節輔助服務的技術難題，并為提升頻率輔助服務的資源配置效率提供重要的技術支撐。

2、本發明采用的技術方案是：

3、本發明的考慮慣量和調頻輔助服務的多類型資源協同出清方法，包括：

4、s1：建立包含發電機組和虛擬電廠的輸電網的多類型資源協同系統，構建基于輸電網的對偶約束的輸電網慣量和調頻輔助服務出清模型，將響應資源設備時間參數輸入輸電網慣量和調頻輔助服務出清模型中，處理后輸出輔助服務出清代價參數作為控制指令對輸電網進行控制。

5、s2：構建由最優性條件和互補松弛條件構成的虛擬電廠慣量和調頻輔助服務出清模型，將輔助服務出清代價參數輸入虛擬電廠慣量和調頻輔助服務出清模型中，處理后輸出虛擬電廠的功率參數作為控制指令對虛擬電廠進行控制。

6、s3：構建多類型資源協同系統的多類型資源協同出清模型，將輸電網和虛擬電廠的預設控制參數輸入多類型資源協同出清模型中，處理后輸出輸電網和虛擬電廠的實際控制參數作為控制指令，實現對多類型資源協同系統的協同出清。

7、所述的步驟s1中，多類型資源協同系統的輸電網中包含位于電力節點上的發電機組、電力負荷和虛擬電廠，發電機組包括火電機組和以風電機組為代表的可再生能源機組，但可再生能源機組不提供慣量和調頻輔助服務，發電機組和虛擬電廠作為輸電網的控制主體，在輸電網控制層級，虛擬電廠作為一個獨立的控制主體進行調控，虛擬電廠內部包含分布式能源設備和儲能設備，在虛擬電廠控制層級參與調控，因此多類型資源協同系統通過發電機組、分布式能源設備和儲能設備作為響應資源對電力系統進行頻率調節。

8、所述的步驟s1中，輸電網慣量和調頻輔助服務出清模型如下：

9、min?∑ i,t[ a i( p g i,t)2+ b i p g i,t+ n i· u i,t+ su i,t+ sd i,t]

10、其中， a i和 b i分別表示第 i個發電機組提供功率支撐服務的第一和第二運行代價參數； p g i,t表示 t時刻第 i個發電機組的輸出功率； n i表示第 i個發電機組的空載代價； u i,t表示 t時刻第 i個發電機組的啟停狀態，當 u i,t=1時，則開啟，當 u i,t=0時，則停機； su i,t和 sd i,t分別表示 t時刻第 i個發電機組實際發生的開機代價和關機代價。

11、所述的步驟s1中，輸電網的對偶約束如下：

12、 m i,t=?- b i+ λ e n,t+ u g- i,t- u g+ i,t+ u gu i,t+1- u gu i,t- u gd i,t+1+ u gd i,t- v rg+ i,t

13、 n i+ u g- i,t p gmin i- u g+ i,t p gmax i- u su+ i,t+1 k u i+ u su+ i,t k u i+ u sd+ i,t+1 k d i- u sd+ i,t k d i- v rg+ i,t p gmax i- λ h t h g i

14、 p gmax i /p sys+ u uc+ i,t≥0

15、1- u su+ i,t +∑ t? u tc i,t≥0,? t∈[1, t c-1]

16、1- u su+ i,t +∑ t? u tc i,t≥0,? t∈[ t c, t- t c+1]

17、1- u su+ i,t +?u tc i,t-tc+1≥0,? t∈[ t- t c+2, t]

18、1- u sd+ i,t +∑ t u tc i,t≥0,? t∈[1, t c-1]

19、1- u sd+ i,t +∑ t u tc i,t≥?0,? t∈[ t c, t- t c+1]

20、1- u sd+ i,t +u tc i,t-tc+1≥0,? t∈[ t- t c+2, t]

21、∑ m b nm( λ e n,t- λ e m,t)+∑ m b nm( ε nmmax ,t- ε mnmax ,t)-∑ m b nm( ε nmmin ,t- ε mnmin ,t)-

22、 εmin n,t +εmax n,t +ε δ1 t≥0

23、 u rg+ i,t +?v rg+ i,t- λ pfr t≥0

24、 λ h t-2 rocofmax· p sys· u rocof t +p sys· u nadir2 t /f0?- p sys· u nadir3 t /f0≥0

25、 u fss t +u rocof t f0 +u nadir1 t /( △fmax)1/2≥0

26、 λ pfr t- u fss t +t d,g u nadir1 t/[ t g( △fmax)1/2]+ t d,g2( u nadir2 t- u nadir3 t)/(4 t g △fmax)-( u nadir2 t+ u nadir3 t)/ t g≥0

27、 λ pfres t- u fss t- u nadir1 t /( △fmax)1/2-(2 t d,es +t es)·( u nadir2 t- u nadir3 t)/(4 △fmax)≥0

28、 λ pfrder t- u fss t- u nadir1 t /( △fmax)1/2-(2 t d,der +t der)·( u nadir2 t- u nadir3 t)/(4 △fmax)≥0

29、( u nadir1 t)2 +( u nadir2 t)2≤( u nadir3 t)2

30、其中， m i,t表示 t時刻第 i個發電機組的運行代價相關的輔助變量； b i表示第 i個發電機組提供功率支撐服務的第二運行代價參數； λ e n,t和 λ e m,t分別表示 t時刻第 n個和第 m個電力節點上功率支撐服務的出清代價參數； u g- i,t和 u g+ i,t分別表示 t時刻第 i個發電機組的第一和第二對偶變量； u gu i,t+1和 u gu i,t分別表示 t+1時刻和 t時刻第 i個發電機組的第三對偶變量； u gd i,t+1和 u gd i,t分別表示 t+1時刻和 t時刻第 i個發電機組的第四對偶變量； v rg+ i,t表示 t時刻第 i個發電機組的第五對偶變量； n i表示第 i個發電機組的空載代價； p gmax i和 p gmin i分別表示第 i個發電機組的輸出功率的上下限； u su+ i,t+1和 u su+ i,t分別表示 t+1時刻和 t時刻第 i個發電機組的第六的對偶變量； k u i和 k d i分別表示第 i個發電機組的單次開機和停機啟停代價； u sd+ i,t表示 t時刻第 i個發電機組的第七對偶變量； λ h t表示 t時刻輸電網中慣量輔助服務的出清代價參數； h g i表示第 i個發電機組的慣量常數； p sys表示輸電網的額定功率； u uc+ i,t表示 t時刻第 i個發電機組的第八對偶變量； u tc i,t和 u tc i,t-tc+1分別表示時間間隔 t c中 t時刻和 t-t c+1時刻第 i個發電機組的第九對偶變量， t c表示發電機組啟停狀態變換的最小時間間隔； t表示優化周期； b nm表示第 n個和第 m個電力節點之間輸電線路的導納； ε nmmin ,t和 ε nmmax ,t分別表示 t時刻第 n個電力節點向第 m個電力節點的第十和第十一對偶變量， ε mnmin ,t和 ε mnmax ,t分別表示第 m個向第 n個電力節點的第十二和第十三對偶變量； εmin n,t和 εmax n,t分別表示 t時刻第 n個電力節點的第十四和第十五對偶變量； ε δ1 t表示 t時刻第一個電力節點的第十六對偶變量； u rg+ i,t表示 t時刻第 i個發電機組的第十七對偶變量； λ pfr t表示 t時刻發電機組提供調頻輔助服務的出清代價參數； rocofmax表示輸電網的頻率變化率最大值； u rocof t表示 t時刻輸電網的第十八對偶變量； u nadir1 t、 u nadir2 t和 u nadir3 t分別表示 t時刻輸電網的第十九、第二十和第二十一對偶變量； f 0表示輸電網的額定頻率； u fss t表示 t時刻輸電網的第二十二的對偶變量； △ fmax表示輸電網的最大頻率偏差； λ pfr t表示 t時刻發電機組提供調頻輔助服務的出清代價參數； t d,g表示發電機組從故障發生到開始提供調頻輔助服務的延遲時間； t g表示發電機組提供完整的調頻輔助服務的傳遞時間； λ pfres t和 λ pfrder t分別表示 t時刻儲能設備和分布式能源設備提供調頻輔助服務的出清代價參數； t d,es表示儲能設備從故障發生到開始提供調頻輔助服務的延遲時間， t es表示儲能設備提供完整的調頻輔助服務的傳遞時間； t d,der表示分布式能源設備從故障發生到開始提供調頻輔助服務的延遲時間， t der表示分布式能源設備提供完整的調頻輔助服務的傳遞時間。

31、所述的步驟s2中，虛擬電廠慣量和調頻輔助服務出清模型的最優性條件如下：

32、- λ e n,t+ λ a k,t=0

33、 λ c k,t+ λ a k,t- u ei,c- k,t+ u ei,c+ k,t- u e k,t η c k △t- v res+ k,t=0

34、 λ d k,t- λ a k,t- u ei,d- k,t+ u ei,d+ k,t+ u e k,t △tη d k+ v res+ k,t=0

35、 u e k,t- u e k,t+1+ u e+ k,t- u e- k,t=0

36、 u e k,t- u e0 k+ u e+ k,t- u e- k,t=0

37、- λ h t p eimax k /p sys- u eh- k,t+ u eh+ k,t+( u ei,c+ k,t+ u ei,d+ k,t +v res+ k,t)·(2| rocofmax|) p eimax k /f0+( u e+ k,t+ u e- k,t)·(2| △fmax|) p eimax k /f0=0

38、- λ pfres t- u res- k,t+ u res+ k,t+ v res+ k,t=0

39、 λ der k- λ a k,t- u der- k,t+ u der+ k,t+ v rder+ k,t=0

40、- λ h t p dermax k /p sys- u dh- k,t+ u dh+ k,t+( u der+ k,t+ v rder+ k,t)·(2| rocofmax|)· p dermax k /f0=0

41、- λ pfrder t- u rder- k,t+ u rder+ k,t+ v rder+ k,t=0

42、- p der k,t- p ei,d k,t +p ei,c k,t +p vpp k,t +p l k,t=0

43、 e k,t= e k,t-1+ p ei,c k,t η c k △t- p ei,d k,t △t/η d k

44、 e k,0= e k,|t|

45、其中， λ e n,t表示 t時刻第 n個電力節點上功率支撐服務的出清代價參數； λ a k,t表示 t時刻虛擬電廠 k對應電力節點上功率支撐服務的出清代價參數； λ c k,t和 λ d k,t分別表示 t時刻虛擬電廠 k中儲能設備的充電代價和放電代價； u ei,c- k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第一拉格朗日乘子； u ei,c+ k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第二拉格朗日乘子； u e k,t和 u e k,t+1分別表示 t時刻和 t+1時刻虛擬電廠 k的第三拉格朗日乘子； u e+ k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第四拉格朗日乘子； u e- k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第五拉格朗日乘子； u e0 k表示虛擬電廠 k的第六拉格朗日乘子； η c k和 η d k分別表示虛擬電廠 k中儲能設備的充電和放電效率； △t表示虛擬電廠的控制時間間隔； v res+ k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第七拉格朗日乘子； u ei,d+ k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第八拉格朗日乘子； u ei,d- k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第九拉格朗日乘子； λ h t表示 t時刻輸電網中慣量輔助服務的出清代價參數； p dermax k表示虛擬電廠 k中分布式能源設備的最大輸出功率， p eimax k表示虛擬電廠 k中儲能設備的最大充電功率； p sys表示輸電網的額定功率； u eh- k,t和 u eh+ k,t分別表示 t時刻虛擬電廠 k的第十和第十一拉格朗日乘子； u dh- k,t和 u dh+ k,t分別表示 t時刻虛擬電廠 k的第十二和十三拉格朗日乘子； rocofmax表示輸電網的頻率變化率最大值； f 0表示輸電網的額定頻率； △fmax表示輸電網的最大頻率偏差； λ pfres t和 λ pfrder t分別表示 t時刻儲能設備和分布式能源設備提供調頻輔助服務的出清代價參數； u res- k,t和 u res+ k,t分別表示 t時刻虛擬電廠 k的第十四和第十五拉格朗日乘子； λ der k表示虛擬電廠 k中分布式能源設備的運行代價； u der- k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第十六拉格朗日乘子； u der+ k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第十七拉格朗日乘子； v rder+ k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的第十八拉格朗日乘子； u rder- k,t和 u rder+ k,t分別表示 t時刻虛擬電廠 k的第十九和第二十拉格朗日乘子； p der k,t表示 t時刻虛擬電廠 k中分布式能源設備的輸出功率； p ei,c k,t和 p ei,d k,t分別表示 t時刻虛擬電廠 k中儲能設備的充電功率和放電功率； p vpp k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的凈輸出功率； p l k,t表示 t時刻虛擬電廠 k的負荷功率； e k,t、 e k,t-1、 e k,0和 e k,|t|分別表示 t時刻、 t-1時刻、初始時刻和| t|時刻虛擬電廠 k中儲能設備所儲存的能量， t表示優化周期。

46、所述的步驟s2中，虛擬電廠慣量和調頻輔助服務出清模型的互補松弛條件如下：

47、0≤ u ei,c- k,t⊥ p ei,c k,t≥0

48、0≤ u ei,d- k,t⊥ p ei,d k,t≥0

49、0≤ u eh- k,t⊥ h ei k,t≥0

50、0≤ u eh+ k,t⊥( h ei+ k- h ei k,t )≥0

51、0≤ u ei,c+ k,t⊥( p cimax k- p ei,c k,t- h ei k,t·(2| rocofmax|) p eimax k /f0)≥0

52、0≤ u ei,d+ k,t⊥( p eimax k- p ei,d k,t- h ei k,t·(2| rocofmax|) p eimax k /f0)≥0

53、0≤ u e+ k,t⊥( emax k- h ei k,t·(2| △fmax|)· p eimax k /f0- e k,t)≥0

54、0≤ u e- k,t⊥( e k,t- emin k- h ei k,t·(2| △fmax|)· p eimax k /f0)≥0

55、0≤ u res- k,t⊥ r es k,t≥0

56、0≤ u res+ k,t⊥( r es+ k- r es k,t)≥0

57、0≤ v res+ k,t⊥( p eimax k- h ei k,t·(2| rocofmax|)· p eimax k /f0- p ei,d k,t +p ei,c k,t- r es k,t)≥0

58、0≤ u der- k,t⊥ p der k,t≥0

59、0≤ u dh- k,t⊥ h der k,t≥0

60、0≤ u dh+ k,t⊥( h der+ k- h der k,t)≥0

61、0≤ u der+ k,t⊥( p dermax k- p der k,t- h der k,t·(2| rocofmax|)· p dermax k /f0)≥0

62、0≤ u rder- k,t⊥ r der k,t≥0

63、0≤ u rder+ k,t⊥( r der+ k- r der k,t)≥0

64、0≤ v rder+ k,t⊥( p dermax k- p der k,t- h der k,t·(2| rocofmax|)· p dermax k /f0- r der k,t)≥0

65、其中，⊥表示互補松弛條件運算符； h ei k,t和 h ei+ k分別表示虛擬電廠 k中儲能設備所提供的虛擬慣量及其上限； p cimax k和 p eimax k分別表示虛擬電廠 k中儲能設備的最大放電和充電功率； emax k和 emin k分別表示虛擬電廠 k中儲能設備所儲存的最大和最小能量； r es k,t和 r der k,t分別表示 t時刻虛擬電廠 k中儲能設備和分布式能源設備提供的調頻輔助服務響應量； r es+ k和 r der+ k分別表示虛擬電廠 k中儲能設備和分布式能源設備的調頻輔助服務響應量的上限； h der k,t表示 t時刻虛擬電廠 k中分布式能源設備提供的虛擬慣量， h der+ k表示虛擬電廠 k中分布式能源設備提供的虛擬慣量的上限。

66、所述的步驟s3中，多類型資源協同出清模型如下：

67、min?∑ i,t[ a i( p g i,t)2+ b i p g i,t+ n i· u i,t+ su i,t+ sd i,t]-{-∑ i,t[( m i,t)2/4 a i]+∑ n,t? λ e n,t d d,t-∑ nm,t? ε nmmax,t

68、 lmax nm-∑ nm,t? ε nmmin ,t lmax nm-∑ n,t πεmin n,t-∑ n,t πεmax n,t-∑ i,t u tc i,t k u i-∑ i,t? u gu i,t p gu i-∑ i,t u gd i,t p gd i-∑ i,t u rg+ i,t r g+ i-∑ i,t u uc+ i,t+∑ k,t λ a k,t p l k,t-∑ k,t u dh+ k,t h der+ k-∑ k,t u der+ k, t p dermax k-∑ k,t

69、 u rder+ k,t r der+ k-∑ k,t? v rder+ k,t p dermax k-∑ k,t u eh+ k,t h ei+ k-∑ k,t u ei,c+ k,t p cimax k-∑ k,t u ei ,d+ k,t p eimax k-

70、∑ k,t=1 u e k,t e k,0+∑ k u e0 k e k,0-∑ k,t u e+ k,t emax k+∑ k,t u e- k,t emin k-∑ k,t u res+ k,t r es+ k-∑ k, t v res+ k,t p eimax k-

71、∑ k,t λ der k p der k,t-∑ k,t λ c k p ei,c k,t-∑ k,t λ d k p ei,d k,t}

72、本發明的考慮慣量和調頻輔助服務的多類型資源協同出清裝置，包括：

73、數據獲取單元，用于獲取響應資源設備時間參數以及輸電網和虛擬電廠的預設控制參數。

74、模型構建單元，用于構建基于輸電網的對偶約束的輸電網慣量和調頻輔助服務出清模型、構建由最優性條件和互補松弛條件構成的虛擬電廠慣量和調頻輔助服務出清模型以及多類型資源協同出清模型。

75、協同出清單元，用于將響應資源設備時間參數輸入輸電網慣量和調頻輔助服務出清模型中，處理后輸出輔助服務出清代價參數作為控制指令對輸電網進行控制；將輔助服務出清代價參數輸入虛擬電廠慣量和調頻輔助服務出清模型中，處理后輸出虛擬電廠的功率參數作為控制指令對虛擬電廠進行控制；將輸電網和虛擬電廠的預設控制參數輸入多類型資源協同出清模型中，處理后輸出輸電網和虛擬電廠的實際控制參數作為控制指令，實現對多類型資源協同系統的協同出清。

76、本發明的電子設備，包括：相互耦接的存儲器和處理器，其中，所述存儲器存儲有程序數據，所述處理器調用所述程序數據以執行如上述所述的方法。

77、本發明的計算機可讀存儲介質，其上存儲有程序數據，所述程序數據被處理器執行時實現如上述所述的方法。

78、本發明方法首先通過對輸電網中與發電機組相關的各類約束進行對偶轉化，構建上層輸電網慣量和調頻輔助服務出清模型。在此基礎上，基于虛擬電廠中與儲能設備、分布式能源設備相關的各類約束，利用最優性條件進行替換，進而構建下層虛擬電廠慣量和調頻輔助服務出清模型。最終通過集成上下層模型，制定以最大化運行效益為目標的目標函數，并利用強對偶理論進行線性化，得出多類型資源協同出清模型。通過求解該模型，可得到各類型資源在提供慣量和調頻輔助服務時的響應量。方法在提升發電機組、儲能設備、分布式能源設備等慣量和調頻輔助服務資源配置效率方面具有顯著優勢，能夠為電力系統頻率的安全穩定提供更靈活、高效的解決方案。

79、本發明的有益效果是：

80、1)?本發明精準刻畫頻率響應差異，優化系統穩定性：本發明考慮了不同資源在頻率響應延遲時間和傳遞時間上的差異（如發電機組、儲能設備和分布式發電設備等），通過細化這些差異，有效提升了對電力系統頻率穩定性的刻畫。尤其是在面對高滲透率可再生能源的情況下，能夠避免新能源波動對頻率響應的負面影響，減少系統因頻率失衡而出現的風險。這一細致的刻畫方法為未來多樣化調頻資源的接入和應用提供了科學依據，幫助電力系統更安全地應對不確定性。

81、2)?本發明的輸電網與虛擬電廠協同優化，提升資源配置效率：本發明建立了基于輸電網與虛擬電廠的雙層優化模型，集成了上層輸電網的運行代價最小化目標和下層虛擬電廠的運行效益最大化目標。通過這種多目標協同優化，不僅能夠降低電力系統的運行代價，還能有效利用虛擬電廠中的儲能設備和分布式能源，提升系統的頻率響應能力。尤其是在面臨復雜故障情況下，系統能夠更靈活地進行資源調度與響應，確保頻率穩定的同時優化效益。

82、3)?本發明的高效轉化雙層模型為單層混合整數二次規劃模型，簡化求解過程：本發明通過松弛非凸約束，轉化為對偶問題，再結合最優性條件，最終將雙層模型簡化為單層混合整數二次規劃模型。這一轉換極大地簡化了求解過程，使得優化模型能夠在較短時間內高效求解。對于大規模系統的應用尤為重要，尤其是在需要實時調度的電力場景中，可以實現快速決策，確保系統頻率在多變的負荷和可再生能源出力條件下始終保持穩定。

83、4)?本發明方法增強電力系統頻率調控的靈活性與可靠性：本發明提出的多類型資源協同出清方法，通過細致考慮不同類型發電機組、儲能設備和分布式能源的頻率響應差異，顯著提升了電力系統在面對新能源波動、頻率響應延遲以及虛擬電廠參與情況下的調度能力。該方法能夠在高滲透率可再生能源接入的背景下，根據各類資源的動態響應特性靈活調配調頻資源，確保系統能夠快速響應頻率擾動，有效防止因新能源波動引發的頻率失衡。此外，引入虛擬電廠作為調度主體，使得電力系統能夠更加靈活地應對突發故障和快速調節系統慣量，從而增強了系統的魯棒性和快速響應能力。這一方法不僅提高了電力系統的頻率調控能力，還為大規?？稍偕茉吹陌踩⒕W提供了堅實保障。

84、綜上所述，本發明不僅提供了高效的資源配置方法，優化了慣量和調頻輔助服務的配置，還為電力系統在面對高比例可再生能源接入時，提供了更加靈活、可靠的頻率調控方案，極大提升了系統的安全性和經濟性。