CN107181266B - 一种电网调频控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电网调频控制方法及装置，包括确定光伏电源有功功率参考值和光伏电源的电压/电流外特性曲线，并确定光伏电源输出功率，生成光伏电源输出P‑U曲线；在光伏电源输出P‑U曲线上查找与光伏电源有功功率参考值对应的电压，将其定义为光伏电源出口直流电压参考值；将光伏电源出口直流电压参考值和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线。通过本方案改变光伏电站的输出功率，从而改善光伏电站的涉网特性，实现光伏电源参与系统调频。

Description

一种电网调频控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种控制方法及装置，具体涉及一种电网调频控制方法及装置。

背景技术

太阳能具有清洁无污染且资源丰富的特点，能有效缓解能源危机和环境危机对电力工业造成的压力。近年来，太阳能光伏产业发展迅猛，发电装机容量持续增长。

当光伏发电装机容量较低时，并网运行对电网的影响可以忽略不计。同时，考虑到光伏发电的成本较高，其通常运行在最大功率点跟踪(MPPT)模式。在这种控制方式下，光伏发电出力具有波动性和不可预测性，无法提供电力系统所需的辅助服务，故传统发电机应维持其容量，从而提供足够的辅助服务。随着光伏发电渗透率的不断提高，由此带来的经济损失显著上升。此外，并网运行对电网造成的不利影响也逐步凸显，例如：①资源与负荷逆向分布带来的送出与消纳问题；②自然条件波动性、随机性强，运行控制问题突出等。这些因素严重制约新能源产业的大规模发展，甚至导致已建成的光伏电站屡屡被限电，造成极大的资源浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过测量光伏电站并网侧的频率，提出一种电网调频控制方法及装置，为光伏发电并网技术的发展提供了新思路和新方向。

本发明的技术方案是：

一种电网调频控制方法，所述方法包括：

确定光伏电源有功功率参考值P_ref和光伏电源的电压/电流外特性曲线；

根据所述光伏电源的电压/电流外特性曲线，确定光伏电源输出功率，生成光伏电源输出P-U曲线；

在所述光伏电源输出P-U曲线上查找所述光伏电源有功功率参考值P_ref对应的电压，将其定义为光伏电源出口直流电压参考值U_ref；

将所述光伏电源出口直流电压参考值U_ref和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线。

优选的，所述光伏电源有功功率参考值P_ref根据光伏电站并网侧频率和预先定义的功率-频率下垂特性曲线所得功率进行确定；其中，

所述定预先定义的功率-频率下垂特性曲线包括下述步骤：

根据光伏电源有功功率定义负荷频率调节系数；

比较交流系统额定频率和通过锁相环测得的并网侧频率f，获得频率偏差Δf；

根据所述负荷频率调节系数和频率偏差Δf绘制功率-频率下垂特性曲线。

进一步地，所述根据光伏电源有功功率定义负荷频率调节系数包括：根据预设光伏电源有功功率上、下限定义负荷频率调节系数；其中，

所述光伏电源有功功率上限为光伏电源发出的最大功率；

所述光伏电源有功功率下限为所述光伏电源有功功率上限的百分之十。

进一步地，通过下式确定所述功率-频率下垂特性曲线：

ΔP＝-Δf/δ (1)

其中，δ为负荷频率调节系数，Δf为交流电网输出频率与额定频率的偏差，ΔP为光伏电源的有功功率。

优选的，通过下式确定光伏电源的电压/电流外特性曲线：

其中，U和I分别为光伏电池的输出电压和电流；I_ph为光生电流的源电流，I_s为二极管饱和电流，q为常量，A为二极管特性拟合系数，K为玻尔兹曼常量，T为光伏电池工作绝对温度值，R_s和R_sh分别为光伏电池的串、并联电阻，N_s和N_p分别为串、并联的光伏电池数量。

进一步地，所述确定光伏电源的电压/电流外特性曲线之后，还包括：

从若干条光伏电源的电压/电流外特性曲线中选取与所选定厂家的光伏电源有功功率参考值P_ref、光照强度和电池温度拟合度最高的一条作为用于确定光伏电源输出功率的外特性曲线。

优选的，通过下式确定光伏电源输出功率：

P＝UI (3)

其中，U和I分别为光伏电池的输出电压和电流。

一种电网调频控制装置，所述装置包括：逆变器双环控制模块、Boost斩波器控制模块和调频控制模块，所述调频控制模块的输入端通过锁相环与光伏电源连接，输出端与Boost斩波器连接；

所述调频控制模块，用于通过调节光伏电源出口的电压参考值，以改变并网侧频率。

优选的，所述调频控制模块包括：

第一定义单元，用于确定光伏电源有功功率参考值P_ref和光伏电源的电压/电流外特性曲线；

生成单元，用于根据光伏电源的电压/电流外特性曲线，确定光伏电源输出功率，生成光伏电源输出P-U曲线；

第二定义单元，用于在光伏电源输出P-U曲线上查找与光伏电源有功功率参考值P_ref对应的电压，将其定义为光伏电源出口直流电压参考值U_ref；

拟合单元，用于将光伏电源出口直流电压参考值U_ref和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线。

进一步地，所述第一定义单元包括：

设置子单元，用于根据光伏电源有功功率定义负荷频率调节系数；

比较子单元，用于比较交流系统额定频率和通过锁相环测得的并网侧频率f，获得频率偏差Δf；

曲线绘制子单元，用于根据负荷频率调节系数和频率偏差Δf绘制功率-频率下垂特性曲线。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

本发明提出一种电网调频控制方法及装置，是一种就地控制方案，无需进行远方调度，便于实现；为光伏发电并网技术的发展提供了新思路和新方向。在光伏并网发电系统中加入用于调节光伏电源出口直流电压参考值的调频控制模块；所述调频控制模块的输入端通过锁相环与光伏电源连接，输出端与Boost斩波器连接；无需增加硬件设备，经济性好；通过确定光伏电源有功功率参考值和光伏电源的电压/电流外特性曲线，并确定光伏电源输出功率，生成光伏电源输出P-U曲线；在光伏电源输出P-U曲线上查找光伏电源有功功率参考值对应的电压，将其定义为光伏电源出口直流电压参考值；将光伏电源出口直流电压参考值和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线。取代了传统双极式光伏并网发电系统中的MPPT控制环节。改善了光伏电站的涉网特性，有利于解决光伏发电的消纳问题。从而实现光伏电源参与系统调频，确保了系统运行和输电稳定性。

附图说明

图1：本发明实施例中可再生能源经LCC直流外送系统结构示意图；

图2：本发明实施例中并网型光伏电源参与电网调频的控制装置结构示意图；

图3：本发明实施例中光伏电源出口电压和并网侧频率曲线图；

图4：本发明实施例中光伏输出有功功率与并网侧频率的下垂特性曲线示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

传统双极式光伏并网发电系统的拓扑结构如图1所示，光伏阵列首先经过Boost斩波电路进行升压，然后通过逆变器将直流电变换成交流电，实现并网，主要包括光伏阵列、滤波电容器、Boost斩波器、逆变器、滤波器和交流系统等几部分。图1所示的并网方式中，包含三个控制部分：①逆变器双环控制；②Boost斩波器控制；③最大功率追踪控制。通过控制斩波器的开关器件动作策略，可以实现光伏阵列最大功率点跟踪。逆变器主要实现并网控制，其控制系统采用双环控制方式，外环采用直流电压/无功功率控制，内环采用电流控制。

本发明提出了一种基于光伏并网发电系统的电网调频控制方法及装置，取代了传统双极式光伏并网发电系统中的MPPT控制环节，该方案是通过由光伏电源输出有功功率-电压特性曲线和电网有功功率-频率下垂特性曲线合成光伏电源调频控制特性曲线。

提出的并网型光伏电源参与电网调频的控制装置具体实现如图2所示，包含三个控制部分：①逆变器双环控制；②Boost斩波器控制；③调频控制。其中①和②与图1中的控制相同。调频控制器的输入信号为光照、温度、光伏电源输出电压、光伏电源输出电流、电网侧频率，输出信号为光伏电源出口电压参考值。

本发明采用的功率-频率(P-f)下垂特性曲线与火电机组的功率-频率(P-f)下垂特性曲线类似，即使得并网型光伏电源具有与火电机组类似的调频特性。

本发明提供一种电网调频控制方法，包括：

在光伏并网发电系统中加入用于调节光伏电源出口直流电压参考值的调频控制模块；所述调频控制模块的输入端通过锁相环与光伏电源连接，输出端与Boost斩波器连接；光伏电源是由多个串、并联的光伏电池构成光伏阵列；所述光伏阵列包括并联连接的光生电流源和二极管；其中，所述光生电流是光照强度和电池温度的函数。

定义调频控制模块的输入信号为光照强度、环境温度、光伏电源输出电压、光伏电源输出电流和并网侧频率，输出信号为光伏电源出口直流电压参考值，如图3所示。

获取光伏电源出口直流电压参考值包括下述步骤：

a,根据预设光伏电源的有功功率上、下限，定义负荷频率调节系数；

预设光伏电源有功功率上、下限包括：定义所述光伏电源有功功率上限为一定光照强度和环境温度的条件下，光伏电源发出的最大功率；定义所述光伏电源有功功率下限为所述光伏电源有功功率上限的百分之十。

对光伏电源功率调整设置一个范围，有功功率的上限为一定温度和光照条件下光伏电源发出的最大功率，考虑到Boost升压电路的调节裕度和电网频率的变化范围，有功功率的下限取有功功率上限的10％。另外，由于光伏电源参与了交流系统调频，因此光伏并网系统中需要考虑储能设备的接入。

b,比较交流系统额定频率和通过锁相环测得的并网侧频率f，获得频率偏差Δf；

c,根据所述负荷频率调节系数和频率偏差Δf绘制功率-频率下垂特性曲线；

通过下式确定所述功率-频率下垂特性曲线：

ΔP＝-Δf/δ (1)

其中，δ为负荷频率调节系数，Δf为交流电网输出频率与额定频率的偏差，ΔP为光伏电源的有功功率。在定义负荷频率调节系数时，需要综合考虑调频性能和系统稳定性设置负荷频率调节系数δ＝tanθ。系数越小，相同功率波动对应的频率波动越小，即调频性能越好，但是相同频率波动对应的功率波动越大，即调节作用越强，不利于系统稳定性。反之，负荷频率调节系数越大，系统稳定性越好，但是调频性能越差。综合考虑调频性能和系统稳定性，推荐负荷频率调节系数取值范围为0.01-0.1，推荐值为0.05，与火电机组频率调差系统的典型值相同。

通过下式确定各光伏电源的电压/电流外特性曲线：

其中，U和I分别为光伏电池的输出电压和电流；I_ph为光生电流的源电流，所述光生电流源表示光照强度和电池温度的函数，I_s为二极管饱和电流，q为常量，A为二极管特性拟合系数，K为玻尔兹曼常量，T为光伏电池工作绝对温度值，R_s和R_sh分别为光伏电池的串、并联电阻，N_s和N_p分别为串、并联的光伏电池数量。

为了提高系统频率的稳定性，还可以从公式(2)计算的各条光伏电源的电压/电流外特性曲线中选取与所选定厂家的光伏电源有功功率参考值P_ref、光照强度和电池温度拟合度最高的一条作为用于确定光伏电源输出功率的外特性曲线

通过下式确定光伏阵列输出功率：

P＝UI (3)

其中，U和I分别为光伏电池的输出电压和电流；

将公式(2)中的I代入公式(3)中，得到关于P和U的关系曲线，即P＝g(U，U²)，g是关于U和U²的二次函数。

d,当并网侧产生频率波动，则Δf≠0，在功率-频率下垂特性曲线上查找所述交流系统额定频率对应功率，将其定义为光伏电源有功功率参考值P_ref；

e,以实时光照强度和环境温度数据为依据，在光伏电源输出特性数据库中选取光伏电源的电压/电流外特性曲线；

f,根据所述光伏电源的电压/电流外特性曲线包含的光伏电池参数值，确定光伏阵列输出功率，生成光伏电源输出P-U曲线；

g,在所述光伏电源输出P-U曲线上查找所述光伏电源有功功率参考值P_ref对应电压，将其定义为光伏电源出口电压参考值U_ref。

3、将光伏电源出口电压参考值和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线，如图4所示。

基于同一发明构思，本发明还提供一种电网调频控制装置，包括逆变器双环控制模块和Boost斩波器控制模块和调频控制模块；

逆变器双环控制模块、Boost斩波器控制模块和调频控制模块；调频控制模块的输入端通过锁相环与光伏电源连接，输出端与Boost斩波器连接；

调频控制模块，用于通过调节光伏电源出口的电压参考值，以改变并网侧频率。其包括：

第一定义单元，用于确定光伏电源有功功率参考值P_ref和光伏电源的电压/电流外特性曲线；

生成单元，用于根据光伏电源的电压/电流外特性曲线，确定光伏电源输出功率，生成光伏电源输出P-U曲线；

第二定义单元，用于在光伏电源输出P-U曲线上查找与光伏电源有功功率参考值P_ref对应的电压，将其定义为光伏电源出口直流电压参考值U_ref；

拟合单元，用于将光伏电源出口直流电压参考值U_ref和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线。

其中，第一定义单元包括：

设置子单元，用于根据光伏电源有功功率定义负荷频率调节系数；

比较子单元，用于比较交流系统额定频率和通过锁相环测得的并网侧频率f，获得频率偏差Δf；

曲线绘制子单元，用于根据调节负荷频率系数和频率偏差Δf绘制功率-频率下垂特性曲线。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电网调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

确定光伏电源有功功率参考值P_ref和光伏电源的电压/电流外特性曲线；

根据所述光伏电源的电压/电流外特性曲线，确定光伏电源输出功率，生成光伏电源输出P-U曲线；

在所述光伏电源输出P-U曲线上查找与所述光伏电源有功功率参考值P_ref对应的电压，将其定义为光伏电源出口直流电压参考值U_ref；

将所述光伏电源出口直流电压参考值U_ref和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光伏电源有功功率参考值P_ref根据光伏电站并网侧频率和预先定义的功率-频率下垂特性曲线所得功率进行确定；其中，

所述预先定义功率-频率下垂特性曲线包括下述步骤：

根据光伏电源有功功率定义负荷频率调节系数；

比较交流系统额定频率和通过锁相环测得的并网侧频率f，获得频率偏差Δf；

根据所述负荷频率调节系数和频率偏差Δf绘制功率-频率下垂特性曲线。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据光伏电源有功功率定义负荷频率调节系数包括：根据预设光伏电源有功功率上、下限定义负荷频率调节系数；其中，

所述光伏电源有功功率上限为光伏电源发出的最大功率；

所述光伏电源有功功率下限为所述光伏电源有功功率上限的百分之十。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下式确定所述功率-频率下垂特性曲线：

ΔP＝-Δf/δ (1)

其中，δ为负荷频率调节系数，ΔP为光伏电源的有功功率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式确定光伏电源的电压/电流外特性曲线：

其中，U和I分别为光伏电池的输出电压和电流；I_ph为光生电流的源电流，I_s为二极管饱和电流，q为常量，A为二极管特性拟合系数，K为玻尔兹曼常量，T为光伏电池工作绝对温度值，R_s和R_sh分别为光伏电池的串、并联电阻，N_s和N_p分别为串、并联的光伏电池数量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定光伏电源的电压/电流外特性曲线之后，还包括：

从若干条光伏电源的电压/电流外特性曲线中选取与所选定厂家的光伏电源有功功率参考值P_ref、光照强度和电池温度拟合度最高的一条作为用于确定光伏电源输出功率的外特性曲线。

7.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，通过下式确定光伏电源输出功率：

P＝UI (3)

其中，U和I分别为光伏电池的输出电压和电流。

8.一种电网调频控制装置，其特征在于，所述装置包括：逆变器双环控制模块、Boost斩波器控制模块和调频控制模块，所述调频控制模块的输入端通过锁相环与光伏电源连接，输出端与Boost斩波器连接；

所述调频控制模块，用于通过调节光伏电源出口的电压参考值，以改变并网侧频率；

所述调频控制模块包括：

第一定义单元，用于确定光伏电源有功功率参考值P_ref和光伏电源的电压/电流外特性曲线；

生成单元，用于根据光伏电源的电压/电流外特性曲线，确定光伏电源输出功率，生成光伏电源输出P-U曲线；

第二定义单元，用于在光伏电源输出P-U曲线上查找与光伏电源有功功率参考值P_ref对应电压，将其定义为光伏电源出口直流电压参考值U_ref；

拟合单元，用于将光伏电源出口直流电压参考值U_ref和并网侧频率进行拟合，生成光伏电源调频控制特性曲线。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一定义单元包括：

设置子单元，用于根据光伏电源有功功率定义负荷频率调节系数；

比较子单元，用于比较交流系统额定频率和通过锁相环测得的并网侧频率f，获得频率偏差Δf；

曲线绘制子单元，用于根据负荷频率调节系数和频率偏差Δf绘制功率-频率下垂特性曲线。

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