CN106655159A - 一种新能源电站一次调频能力测试系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新能源电站一次调频能力测试系统及其测试方法，通过新能源电站模型与电网模型构架的搭建，实现快速通信接口模块与新能源电站厂站级有功无功控制系统、电网实时的数据交换，在电网模型里设计测试场景，模拟电网在不同频率段的频率静态特性，测试新能源电站被测一次调频系统在电网频率变化下响应的一次调频各项指标，评估新能源电站参与一次调频的能力。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电站一次调频能力测试技术，具体涉及一种新能源电站一次调频能力测试系统及其测试方法。
背景技术
截至2015年底，全国风电装机达1.29亿千瓦、光伏发电装机达4318万千瓦，在西北多个省区，新能源发电渗透率已经超过30％，成为主力电源之一。为了保障电网在充分消纳新能源发电的情况下安全稳定运行，有必要充分掌握对新能源发电频率响应的测试能力。
目前越来越多的新能源发电站具备一次频率的能力。由于新能源发电站是由几十个甚至上百个发电单元组成，一次调频的控制方式与传统发电站不相同，不能使用传统发电站一次调频的测试方法测试新能源电站。因此亟需一种测试系统，对新能源电站的一次调频能力进行测试。
新能源电站厂站级控制系统可执行有功功率和频率控制，其中有功功率控制可通过指令下达方式在现场开展，但是频率扰动在实际电网中很难实现。如果要测试新能源电站的调频特性，在电网模型里设计测试场景，模拟电网在不同频率段的频率静态特性，测试新能源电站被测一次调频系统在电网频率变化下响应的一次调频各项指标，通过统计一次调频指标来实现对新能源电站参与电网一次调频的能力测试。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种新能源电站一次调频能力测试系统及其测试方法，通过对新能源电站和电网架构进行建模，将实际电站的相关数据参数导入实时仿真系统，将新能源电站厂站级有功无功控制系统接入测试系统，从而对新能源电站一次调频能力进行测试。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种新能源电站一次调频能力测试系统，其改进之处在于，所述测试系统包括实时仿真系统、通信接口模块、被测一次调频控制系统和评估模块；所述实时仿真系统通过通信接口模块与控制系统进行通信，所述评估模块分别与所述实时仿真系统和被测一次调频控制系统连接。
进一步地，所述实时仿真系统包括相互连接的新能源电站模型中的各发电单元和电网模型；基于通信接口模块，实现新能源电站模型中的各发电单元与被测一次调频控制系统的实时通信传递功能。
进一步地，所述新能源电站模型中的各发电单元包括光伏发电单元、风电机组、单元升压变和集电线路；
所述电网模型用于模拟实际新能源电站接入的电网构架，实现包括连接点阻抗、电压扰动、频率扰动和电网故障仿真工况，测试新能源电站在电网频率波动时对电网自主有功一次调频的能力。
进一步地，所述通信接口模块用于实现新能源电站信息传递功能，采用以太网标准通信协议分别与被测一次调频控制系统和实时仿真系统通信；所述新能源电站信息传递功能包括：
①与电网模型实时通信，获取电网模型侧的电压和电流信号；
②与新能源电站模型中的各发电单元实时通信，获取新能源电站各发电单元实时输出的有功功率，并下达有功功率控制指令。
进一步地，电网模型实现测试场景的设计，模拟电网频率扰动，测试新能源电站在电网系统频率波动时对电网自主有功一次调频的能力，测试场景包括：
(1)模拟电网频率扰动的场景一：电网负荷上升/下降；
(2)模拟电网频率扰动的场景二：电网常规机组出力上升/下降；
(3)模拟电网频率扰动的场景三：交直流混合电网换向失败。
进一步地，一次调频评估模块利用一次调频指标分析，根据预设方法计算新能源电站每次参与一次调频的被测一次调频指标，同时计算每次参与一次调频的电量贡献，即增加电量或减少电量；所述被测一次调频指标包括：
1)响应时间，从电网频率越过一次调频死区开始至目标值功率2％所需要的时间；
2)调节速率，从电网频率越过一次调频死区到响应目标值功率的90％所需的时间；
3)△t时间内一次调频动作积分电量完成率，新能源电站△t时间内一次调频实际动作积分电量与理论动作积分电量之比的百分数；
4)稳态均值，从新能源电站一次调频开始响应起，实际功率在目标值功率90％-110％范围的平均值，其中：△t表示后一时刻到前一时刻的时间间隔，目标值功率根据实际工况确定。
本发明还提供一种新能源电站一次调频能力测试系统的测试方法，其改进之处在于，所述测试方法包括下述步骤：
步骤1：搭建被测试新能源电站模型，新能源电站模型中的各发电单元由外部被测一次调频控制系统独立控制；
步骤2：搭建实际新能源电站接入的电网模型；
步骤3：建立通信接口模块，采用以太网标准通信协议进行通信；
步骤4：确定被测一次调频系统的频率特性，
步骤5：将被测一次调频系统接入新能源电站一次调频能力测试系统；
步骤6：确定电网的频率静态全特性，得到频率静态特性系数β；
步骤7：设计测试场景1，设置电网负荷±90/70/50MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内，监测全时段新能源电站频率与有功功率波形；
步骤8：设置电网负荷±96MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内，监测全时段新能源电站频率与有功功率波形；
步骤9：设置电网负荷±3100MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内，监测全时段新能源电站频率与有功功率波形；
步骤10：设置电网机组或者直流线路闭锁故障达到步骤7、8、9带来的频率波动效果，重复以上步骤；
步骤11：计算新能源电站被测一次调频指标，评估新能源电站有功无功控制系统参与电网一次调频的能力
进一步地，所述步骤1中，所述各发电单元包括：光伏发电单元、风电机组、单元升压变和集电线路；
所述步骤4中，频率特性包括动作频率门槛值、有功功率调节上限值、有功功率调节下限值；所述动作频率门槛值包括死区频率值，其值为0.03～0.1Hz之间。
进一步地，所述步骤6中，β表示频率静态特性系数，所述频率静态特性系数指的是电力系统固有频率特性系数，由发电机和负荷频率静态特性共同决定，反映了功率与频率的静态变化关系；频率静态特性系数的公式如下：
β＝(P2-P1)/(f2-f1)；
其中：P2:对应于t2时刻的功率实际值；P1:对应于t1时刻的功率实际值；f2:对应于t2时刻的频率实际值；f1:对应于t1时刻的频率实际值。
进一步地，所述步骤11中，被测一次调频指标包括：响应时间、调节速率和稳态均值。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
本发明技术方案中，通过构建新能源电站一次调频能力的测试系统，适用于测试风电场、光伏电站、风/光/混合型电站的厂站级控制系统参与电网一次调频的能力。通过新能源电站模型与电网构架的搭建，实现快速通信接口模块与新能源电站厂站级有功无功控制系统、电网实时的数据交换，在电网模型里设计测试场景，模拟电网在不同频率段的频率静态特性，测试新能源电站被测一次调频系统在电网频率变化下响应的一次调频各项指标，评估新能源电站参与一次调频的能力。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是本发明提供的新能源电站测试系统连接图；
图2是本发明提供的电网频率响应示意图；
图3是本发明提供的一次调频分析指标示意图；
图4是本发明提供的新能源电站一次调频能力测试流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明提供一种新能源电站一次调频能力测试系统，其新能源电站测试系统连接图如图1所示，包括实时仿真系统、通信接口模块、被测一次调频控制系统和评估模块；所述实时仿真系统通过通信接口模块与控制系统进行通信，所述评估模块分别与所述实时仿真系统和被测一次调频控制系统连接。
新能源电站一次调频能力测试系统可以实现在实际电网中很难进行频率扰动的一次调频能力测试。通过新能源电站模型与电网构架的搭建，实现快速通信接口模块与新能源电站厂站级有功无功控制系统、电网实时的数据交换，在电网模型里设计测试场景，模拟电网在不同频率段的频率静态特性，测试新能源电站被测一次调频系统在电网频率变化下响应的一次调频各项指标，评估新能源电站参与一次调频的能力。
实时仿真系统包括相互连接的新能源电站模型中的各发电单元和电网模型，基于通信接口模块，实现新能源电站各发电单元与电网有功无功控制系统的全站信息实时通信传递功能。
为了满足一次调频测试的需要，本发明提供了一种新能源电站一次调频测试系统，该系统通过构建新能源电站和电网结构，对新能源电站厂站级控制系统一次调频的能力进行检测，所述系统包括以下功能/环节：
环节1：新能源电站模型：
搭建被测试新能源电站模型，电站模型中每个发电单元可由外部独立控制，模型包括：光伏发电单元、风电机组、单元升压变、集电线路等。
环节2：电网的架构模型：
搭建电网模型，模拟实际新能源电站接入的电网构架，实现包括连接点阻抗、电压扰动、频率扰动和电网故障等众多仿真工况，测试新能源电站在系统频率波动时对电网自主有功一次调频的能力。
环节3：通信接口模块实现全站信息传递功能，采用“以太网标准通信协议”，所述环节包括：
环节3-1：与电网实时通信，获取电网侧的电压、电流信号；
环节3-2：与新能源电站各发电单元实时通信，获取个发电单元实时输出的有功功率，并下达有功功率控制指令。
环节4：测试场景的设计：
设计测试场景，模拟电网频率扰动，测试新能源电站在系统频率波动时对电网自主有功一次调频的能力。
环节4-1：模拟电网频率扰动的场景一：电网负荷上升/下降；
环节4-2：模拟电网频率扰动的场景二：电网常规机组出力上升/下降；
环节4-3：模拟电网频率扰动的场景三：交直流混合电网换向失败。
环节5：一次调频指标分析，根据预设方法计算新能源电站每次参与一次调频的各项指标，同时计算每次参与一次调频的电量贡献(增加电量或减少电量)，所述环节包括：
环节5-1：响应时间，从电网频率越过一次调频死区开始至目标功率2％所需要的时间；
环节5-2：调节速率，从电网频率越过一次调频死区到响应目标值功率的90％所需的时间；
环节5-3：△t时间内一次调频动作积分电量完成率，新能源电站△t时间内一次调频实际动作积分电量与理论动作积分电量之比的百分数；
环节5-4：稳态均值，从新能源电站一次调频开始响应起，实际功率在目标值功率90％-110％范围的平均值其中：△t表示后一时刻到前一时刻的时间间隔，目标值功率根据实际工况确定。
图1给出了本发明实施例中的一种新能源电站一次调频能力测试系统框图；通过新能源电站模型与电网构架的搭建，实现快速通信接口模块与新能源电站厂站级有功无功控制系统、电网实时的数据交换，在电网模型里设计测试场景，模拟电网在不同频率段的频率静态特性，测试新能源电站被测一次调频系统在电网频率变化下响应的一次调频各项指标，参照图2所示。图2是频率随时间变化曲线，是测试场景中模拟电网频率扰动的曲线之一，测试新能源电站在系统频率波动时对电网自主有功一次调频的能力。结合图4，本发明还提供一种新能源电站一次调频能力测试系统的测试方法，具体步骤如下：
步骤1：搭建被测试新能源电站模型，电站模型中每个发电单元可由外部独立控制，模型包括：光伏发电单元、风电机组、单元升压变、集电线路等；
步骤2：搭建实际新能源电站接入的电网模型；
步骤3：建立通信接口模块，采用“以太网标准通信协议”；
步骤4：确定被测一次调频系统的频率特性，包括动作频率门槛值(死区频率值，比如0.03Hz)、有功功率调节上限值、有功功率调节下限值等；
步骤5：将被测一次调频系统接入被测系统；
步骤6：确定电网的频率静态全特性，得到频率静态特性系数β，比如，β值在50±0.035Hz之外为3100MW/0.1Hz、在50±0.035Hz之内为300MW/0.1Hz；
步骤7：设计测试场景1，设置电网负荷±90/70/50MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内(0.03Hz)，监测新能源电站频率与有功功率波形(全时段)；
步骤8：设置电网负荷±96MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内(0.032Hz)，监测新能源电站频率与有功功率波形(全时段)；
步骤9：设置电网负荷±3100MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内(0.1Hz)，监测新能源电站频率与有功功率波形(全时段)；
步骤10：设置电网机组或者直流线路闭锁等故障达到步骤7/8/9带来的频率波动效果，重复以上步骤；
步骤11：参照图3，计算新能源电站被测一次调频指标，包括：响应时间、调节速率、稳态均值；评估新能源电站有功无功控制系统参与电网一次调频的能力。图3是新能源电站被测一次调频指标评价示意图；用来评估当系统频率波动时(对应虚线是系统频率波动实时值)，新能源电站有功功率(黑实线)对应的响应曲线，计算得到这些评估指标，包括：响应时间、调节速率、稳态均值。
本发明提供的一种新能源电站一次调频测试系统及其测试方法，适用于风电场、光伏电站、风/光/混合型电站。通过对新能源电站和电网架构进行建模，将实际电站的相关数据参数导入实时仿真系统，将新能源电站厂站级有功无功控制系统接入测试系统，从而对新能源电站一次调频能力进行测试。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新能源电站一次调频能力测试系统，其特征在于，所述测试系统包括实时仿真系统、通信接口模块、被测一次调频控制系统和评估模块；所述实时仿真系统通过通信接口模块与控制系统进行通信，所述评估模块分别与所述实时仿真系统和被测一次调频控制系统连接。
2.如权利要求1所述的一次调频能力测试系统，其特征在于，所述实时仿真系统包括相互连接的新能源电站模型中的各发电单元和电网模型；基于通信接口模块，实现新能源电站模型中的各发电单元与被测一次调频控制系统的实时通信传递功能。
3.如权利要求2所述的一次调频能力测试系统，其特征在于，所述新能源电站模型中的各发电单元包括光伏发电单元、风电机组、单元升压变和集电线路；
所述电网模型用于模拟实际新能源电站接入的电网构架，实现包括连接点阻抗、电压扰动、频率扰动和电网故障仿真工况，测试新能源电站在电网频率波动时对电网自主有功一次调频的能力。
4.如权利要求1所述的一次调频能力测试系统，其特征在于，所述通信接口模块用于实现新能源电站信息传递功能，采用以太网标准通信协议分别与被测一次调频控制系统和实时仿真系统通信；所述新能源电站信息传递功能包括：
①与电网模型实时通信，获取电网模型侧的电压和电流信号；
②与新能源电站模型中的各发电单元实时通信，获取新能源电站各发电单元实时输出的有功功率，并下达有功功率控制指令。
5.如权利要求1所述的一次调频能力测试系统，其特征在于，电网模型实现测试场景的设计，模拟电网频率扰动，测试新能源电站在电网系统频率波动时对电网自主有功一次调频的能力，测试场景包括：
(1)模拟电网频率扰动的场景一：电网负荷上升/下降；
(2)模拟电网频率扰动的场景二：电网常规机组出力上升/下降；
(3)模拟电网频率扰动的场景三：交直流混合电网换向失败。
6.如权利要求1所述的一次调频能力测试系统，其特征在于，一次调频评估模块利用一次调频指标分析，根据预设方法计算新能源电站每次参与一次调频的被测一次调频指标，同时计算每次参与一次调频的电量贡献，即增加电量或减少电量；所述被测一次调频指标包括：
1)响应时间，从电网频率越过一次调频死区开始至目标值功率2％所需要的时间；
2)调节速率，从电网频率越过一次调频死区到响应目标值功率的90％所需的时间；
3)△t时间内一次调频动作积分电量完成率，新能源电站△t时间内一次调频实际动作积分电量与理论动作积分电量之比的百分数；
4)稳态均值，从新能源电站一次调频开始响应起，实际功率在目标值功率90％-110％范围的平均值，其中：△t表示后一时刻到前一时刻的时间间隔，目标值功率根据实际工况确定。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的新能源电站一次调频能力测试系统的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括下述步骤：
步骤1：搭建被测试新能源电站模型，新能源电站模型中的各发电单元由外部被测一次调频控制系统独立控制；
步骤2：搭建实际新能源电站接入的电网模型；
步骤3：建立通信接口模块，采用以太网标准通信协议进行通信；
步骤4：确定被测一次调频系统的频率特性，
步骤5：将被测一次调频系统接入新能源电站一次调频能力测试系统；
步骤6：确定电网的频率静态全特性，得到频率静态特性系数β；
步骤7：设计测试场景1，设置电网负荷±90/70/50MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内，监测全时段新能源电站频率与有功功率波形；
步骤8：设置电网负荷±96MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内，监测全时段新能源电站频率与有功功率波形；
步骤9：设置电网负荷±3100MW，电网频率改变在被测系统死区频率值以内，监测全时段新能源电站频率与有功功率波形；
步骤10：设置电网机组或者直流线路闭锁故障达到步骤7、8、9带来的频率波动效果，重复以上步骤；
步骤11：计算新能源电站被测一次调频指标，评估新能源电站有功无功控制系统参与电网一次调频的能力。
8.如权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述步骤1中，所述各发电单元包括：光伏发电单元、风电机组、单元升压变和集电线路；
所述步骤4中，频率特性包括动作频率门槛值、有功功率调节上限值、有功功率调节下限值；所述动作频率门槛值包括死区频率值，其值为0.03～0.1Hz之间。
9.如权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述步骤6中，β表示频率静态特性系数，所述频率静态特性系数指的是电力系统固有频率特性系数，由发电机和负荷频率静态特性共同决定，反映了功率与频率的静态变化关系；频率静态特性系数的公式如下：
β＝(P2-P1)/(f2-f1)；
其中：P2:对应于t2时刻的功率实际值；P1:对应于t1时刻的功率实际值；f2:对应于t2时刻的频率实际值；f1:对应于t1时刻的频率实际值。
10.如权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述步骤11中，被测一次调频指标包括：响应时间、调节速率和稳态均值。
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