CN106571644B - 一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，通过构建光伏接入典型模型，分析光伏发电的特点和功率特征，以母线电压波动水平和线路输电能力为衡量标准，通过优化系统常规机组参数，提升光伏渗透率，确定该衡量标准下系统可接纳光伏的最大值，本发明能够从系统常规机组的角度，来分析改善光伏波动对系统的负面影响，操作简单，为进一步增强电网光伏接纳能力提供技术支撑。

Description

一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，具体的说是一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法。

背景技术

随着全球能源消耗的不断增长，世界范围内化石燃料等不可再生能源正在日益枯竭。新能源因其清洁、可再生等独特优势受到人们的广泛关注。作为可再生能源开发利用的重要形式之一，近年来光伏发电发展迅猛。规模化光伏发电由于并网规模和容量的不断增大，对系统影响愈加不容忽视。众所周知，光伏出力受天气影响严重，在阴雨或多云天气都会出现剧烈波动，且光伏发电系统自身并不具备调频调峰能力。局部并网的光伏装机容量不断增大、接入系统的光伏渗透率越来越高，使得光伏出力波动对系统安全稳定性的影响及系统接纳光伏的能力等问题，成为阻碍光伏发电大规模发展的技术瓶颈。

目前，对于光伏波动对系统特性影响的研究主要基于两方面。一是模型的搭建改进，从原理上改善光伏发电系统的性能以抑制光伏波动；二是从系统侧入手，分析光伏接入后出力波动对系统的影响，并提出行之有效的措施以改善系统特性，这两方面虽然有大量研究，但鲜有从系统常规机组的角度，来分析改善光伏波动对系统的负面影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，从系统常规机组的角度，来分析改善光伏波动对系统的负面影响。

本发明的目的是这样实现的：一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、建立光伏发电系统模型，分析光伏发电的特点和功率特性；

步骤2、根据实际规模化光伏接入系统的网格结构，建立光伏接入系统的典型模型；

步骤3、分析典型模型中不同渗透率光伏波动对系统的母线电压波动水平和线路输电能力的影响，确定是否可提升光伏渗透率的衡量标准；

步骤4、根据衡量标准，优化汽轮机的参数，提升光伏渗透率。

步骤1中建立的系统模型包括多个光伏发电单元、集电线路、汇集母线、无功补偿装置和升压变压器，多个光伏发电单元通过集电线路连接到汇集母线，汇集母线与升压变压器之间连接有无功补偿装置，光伏发电单元包括光伏阵列、逆变器和单元升压变压器，光伏阵列与单元升压变压器之间连接有逆变器，光伏阵列用于将接收到的太阳能转换为直流电并将直流电输出到逆变器，逆变器在实现逆变的同时，对有功和无功进行双环控制，输出交流功率。

进一步，光伏阵列模型用U-I模型，光伏阵列模型如下：

ΔT＝T-T_ref

U'_oc＝U_oc·(1-cΔT)·ln(e+bΔS)

U'_m＝U_m·(1-cΔT)·ln(e+bΔS)

其中，S为当前工况的太阳辐照度，T为当前工况的工作温度，U_dc为光伏阵列直流工作电压，I_pv为光伏阵列输出电流，a，b，c为计算常数，光伏阵列由硅材料构成时典型值分别为0.0025、0.0005、0.00288。

逆变器的双环控制包括外环控制和内环控制，外环控制方法为：

内环控制方法为：

其中，P_ord为有功功率设定值，Q_ord为无功功率设定值，I_{d_ref}和I_{q_ref}分别为外环控制输出电流，I_d和I_q为内环控制输出电流d、q轴分量，P_md、P_mq用于实现对I_d、I_q的无偏差控制。

步骤2中典型模型的建立方法为：光伏发电和常规机组出力经公共接入点(PCC)并入功率汇集支路，再经230kV外送长线路接入电网。

步骤3分析典型模型中不同渗透率光伏波动对系统的母线电压波动水平和线路输电能力的影响方法为：设为参考值，则：

其中P₁+jQ₁为光伏出力S₁，为光伏电站电压，P₂+jQ₂为系统侧输入功率S₂，为系统侧电压，R+jX为外送线路及并网线路等效阻抗。

进一步，汽轮机参数包括以下一项或多项：汽轮机的放大倍数，油动机开启时间常数，并基于汽轮机参数构造汽轮机调速器模型的传递函数如下：

其中，K为转速放大倍数，即系统速度变动率的倒数，T_o为油动机开启时间常数，油动机开启时间常数与汽轮机增减进气量调节频率有关。

本发明的优点在于：本发明能够从系统常规机组的角度，来分析改善光伏波动对系统的负面影响，操作简单，为进一步增强电网光伏接纳能力提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明的调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法的流程图；

图2为本实施例的光伏发电系统模型结构图；

图3为本实施例的光伏接入系统的典型模型并网结构图；

图4为本实施例中渗透率为10％、50％和100％时光伏变化图；

图5为本实施例中渗透率为10％、50％和100％时对应母线3电压变化图；

图6为本实施例中放大倍数分别取10、30、50时，常规机组机械功率变化图；

图7为本实施例中油动机开启时间常数取0.2、2和20时发电机机械功率的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1为本发明实施例一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法的流程图，如图1所述，该方法包括以下步骤：

步骤1、建立光伏发电系统模型，分析光伏发电的特点和功率特性；

步骤2、根据实际规模化光伏接入系统的网格结构，建立光伏接入系统的典型模型；

步骤3、分析典型模型中不同渗透率光伏波动对系统的母线电压波动水平和线路输电能力的影响，确定是否可提升光伏渗透率的衡量标准；

步骤4、根据衡量标准，优化汽轮机的放大倍数和油动机开启时间常数，提升光伏渗透率。

步骤1中建立的光伏发电系统模型结构如附图2所示，包括多个光伏发电单元、集电线路、汇集母线、无功补偿装置和升压变压器，光伏发电单元包括光伏阵列、逆变器和单元升压变压器，其中光伏阵列在接收太阳能后，利用其光电转换特性，输出直流电流到逆变器；逆变器在实现逆变的同时，对有功和无功进行控制，输出交流功率；交流功率经单元升压变压器输出到各集电线路，多条集电线路进一步汇入站内汇集母线，经站内升压变压器并入电网。

光伏阵列模型用以模拟在不同环境因素下光伏方阵的光电转化特性其工程采用U-I模型，光伏阵列模型如下：

ΔT＝T-T_ref

U'_oc＝U_oc·(1-cΔT)·ln(e+bΔS)

U'_m＝U_m·(1-cΔT)·ln(e+bΔS)

其中，S为当前工况的太阳辐照度，T为当前工况的工作温度，U_dc为光伏阵列直流工作电压，I_pv为光伏阵列输出电流，a，b，c为计算常数，光伏阵列由硅材料构成时典型值分别为0.0025、0.0005、0.00288。

逆变器控制保护部分模拟逆变器的电气控制功能；稳态运行时，逆变器双环控制，其中外环控制与其控制目标和参考坐标相关，外环控制方法为：

内环控制方法为：

其中，P_ord为有功功率设定值，Q_ord为无功功率设定值，I_{d_ref}和I_{q_ref}分别为外环控制输出电流，I_d和I_q为内环控制输出电流d、q轴分量，P_md、P_mq用于实现对I_d、I_q的无偏差控制。

光伏发电的功率特性随太阳的朝升夕落有所不同，晴天一般在中午时达到输出功率的峰值；而多云天气光伏出力曲线波动较大，这是由于太阳能受温度和光照强度等环境因素的综合影响，其出力情况并不确定；研究表明，光伏电站最大输出功率变化率根据装机容量的不同为每分钟20％Pm～80％Pm不等，受外界因素的影响，光伏出力波动频繁，波动量较大，对电力系统的安全稳定造成了一定的影响。

步骤2中光伏接入系统典型模型的并网结构图如附图3所示：光伏发电和常规机组出力经公共接入点(PCC)并入功率汇集支路，再经230kV外送长线路接入电网。局部电网中光伏电站额定电压为0.4kV，常规机组运行额定电压为13.8kV。

步骤3中分析典型模型中不同渗透率光伏波动对系统的母线电压波动水平和线路输电能力的影响方法为：设为参考值，则：

其中P₁+jQ₁为光伏出力S₁，为光伏电站电压，P₂+jQ₂为系统侧输入功率S₂，为系统侧电压，R+jX为外送线路及并网线路等效阻抗。

假设局部电网常规机组总装机容量为150MW，若光伏出力分别为机组装机容量的0％～100％，利用PSD-BPA软件仿真得到不同渗透率下的光伏波动曲线：本实施例中研究了渗透率为10％、50％和100％时光伏变化(如附图4所示)，对应母线3电压变化如附图5所示，从附图4和附图5中可以看出，母线3电压波动量随光伏渗透率的增加而增大，根据电力系统无功补偿配置技术原则规定，投切单组无功补偿引起的电压波动不宜超过电压额定值的2.5％，即母线3电压波动值不超过5.75kV。分析可知：该系统最大可接纳光伏渗透率为50％；而：随着光伏渗透率的增加，由动态稳定问题确定的输电能力降低。

综上所述，随着光伏渗透率的增加，系统母线电压波动加剧，线路输电能力降低。为使系统能保持安全稳定运行，母线电压波动不宜超过额定电压的2.5％，线路输电能力应不使线路动态失稳。

以上述结论为基础，进行步骤4提升光伏渗透率，首先基于汽轮机参数构造汽轮机调速器模型的传递函数如下：

其中，K为转速放大倍数，即系统速度变动率的倒数，T_o为油动机开启时间常数，油动机开启时间常数与汽轮机增减进气量调节频率有关。

在本实施例中汽轮机的初始参数为：放大倍数取20、油动机开启时间常数取2时，可接纳光伏的最大渗透率为50％；仿真结果表示，当放大倍数取10时，系统可接纳光伏渗透率为40％；放大倍数增大到30时，系统最大光伏渗透率为60％，附图6位本实施例中放大倍数分别取10、30、50时，常规机组机械功率变化图，从附图6中分析可知，光伏出力的波动，相应地影响着同步发电机调速器的控制输出。当光伏出力减少时，常规机组增加出力，以重建系统的功率平衡，反之亦然，但是，当光伏波动剧烈时，对常规机组调节能力的要求较高。并且当调速器的放大倍数增大时，常规机组对系统中功率变化的跟踪更为密切，且发电机机械功率的变化幅度较大，对系统动态平衡的调节能力更强。但是，相比于放大倍数取30的曲线，放大倍数为50时发电机频率变化较快，引起系统中电压和频率的剧烈波动，反而不利于系统稳定。

当取放大倍数20，改变油动机开启时间常数为0.2、2和20时，发电机机械功率的变化情况如附图7所示，从图中可知：当油动机开启时间常数取2时，电压波动量较小。

通过以上分析及仿真结果可知：适当增大汽轮机放大倍数和油动机开启时间常数，可以提高系统光伏渗透率。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、建立光伏发电系统模型，分析光伏发电的特点和功率特性；

步骤2、根据实际规模化光伏接入系统的网格结构，建立光伏接入所述系统的典型模型；

步骤3、分析所述典型模型中不同渗透率光伏波动对所述系统的母线电压波动水平和线路输电能力的影响，确定是否可提升光伏渗透率的衡量标准；

步骤4、根据所述衡量标准，优化汽轮机的参数，提升光伏渗透率。

2.根据权利要求1所述的一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，所述系统模型包括多个光伏发电单元、集电线路、汇集母线、无功补偿装置和升压变压器，所述多个光伏发电单元通过集电线路连接到所述汇集母线，所述汇集母线与所述升压变压器之间连接有无功补偿装置，所述光伏发电单元包括光伏阵列、逆变器和单元升压变压器，所述光伏阵列与单元升压变压器之间连接有逆变器，所述光伏阵列用于将接收到的太阳能转换为直流电并将所述直流电输出到逆变器，所述逆变器在实现逆变的同时，对有功和无功进行双环控制，输出交流功率。

3.根据权利要求2所述的一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，所述光伏阵列模型用U-I模型，所述光伏阵列模型如下：

ΔT＝T-Tref

U'oc＝Uoc·(1-cΔT)·ln(e+bΔS)

U'm＝Um·(1-cΔT)·ln(e+bΔS)

其中，S为当前工况的太阳辐照度，Udc为光伏阵列直流工作电压，Ipv为光伏阵列输出电流，a，b，c为计算常数，光伏阵列由硅材料构成时典型值分别为0.0025、0.0005、0.00288。

4.根据权利要求2所述的一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，所述逆变器的双环控制包括外环控制和内环控制，所述外环控制方法为：

所述内环控制方法为：

其中，Pord为有功功率设定值，Qord为无功功率设定值，Id_ref和Iq_ref分别为外环控制输出电流，Id和Iq为内环控制输出电流d、q轴分量，Pmd用于实现对Id的无偏差控制。

5.根据权利要求1所述的一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，所述典型模型的建立方法为：光伏发电和常规机组出力经公共接入点(PCC)并入功率汇集支路，再经230kV外送长线路接入电网。

6.根据权利要求1所述的一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，所述步骤3分析所述典型模型中不同渗透率光伏波动对所述系统的母线电压波动水平和线路输电能力的影响方法为：设为参考值，则：

其中P1+jQ1为光伏出力S1，U1为光伏电站电压，U3为系统侧电压，R+jX为外送线路及并网线路等效阻抗。

7.根据权利要求1所述的一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，所述汽轮机参数包括以下一项或多项：汽轮机的放大倍数，油动机开启时间常数。

8.根据权利要求7所述的一种调节汽轮机参数以提高光伏渗透率的仿真方法，其特征在于，基于所述汽轮机参数构造汽轮机调速器模型的传递函数如下：

其中：当Δω>0时，T＝T_C；当Δω<0时，T＝T_O；其中，K为转速放大倍数，即系统速度变动率的倒数，To为油动机开启时间常数，油动机开启时间常数与汽轮机增减进气量调节频率有关。