CN107666153A - 一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法 - Google Patents

一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法，所述方法包括：建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构，其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构包括：光伏方阵/光伏方阵模拟器、光伏虚拟同步发电机、数据采集装置、第一阻尼负载、开关K1和第二阻尼负载，所述光伏虚拟同步发电机在离网模式下运行；调节所述参数量测结构中各装置参数确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量；本发明提供的方法确定各种类型的光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，为推进光伏虚拟同步发电机相关标准制定提供良好基础。

Description

一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法
技术领域
本发明涉及光伏检测领域，具体涉及一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法。
背景技术
由于传统光伏发电站惯性水平较低，随着大规模光伏接入电网比例的增加，将会导致电力系统惯性水平下降，影响系统安全稳定运行。为促进新能源的大规模开发与利用，国家电网公司在张北风光储基地开展总容量140MW的虚拟同步机示范工程(一期)建设，为建设电网友好型新能源电站提供典型示范。
光伏虚拟同步发电机尚无严格定义，一般被认为是一种基于虚拟同步发电机技术的装置或装置群，该装置具有与常规同步发电机组相似的运行机制及外特性。目前针对不同技术路线的光伏虚拟同步发电机，没有统一的测试方法，且国内外虚拟同步发电机相关并网性能技术规定和测试规程处于空白，中国电力科学研究院新能源研究中心承担了企业标准《单元式光伏虚拟同步发电机技术要求和试验方法》的编制工作和光伏虚拟同步发电机的测试工作，目前工作处于起步阶段。
发明内容
本发明提供一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法，其目的是确定各种类型的光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，为推进光伏虚拟同步发电机相关标准制定提供良好基础。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法，其改进之处在于，包括：
建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构，其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构包括：光伏方阵/光伏方阵模拟器、光伏虚拟同步发电机、数据采集装置、第一阻尼负载、开关K1和第二阻尼负载，所述光伏虚拟同步发电机在离网模式下运行；
调节所述参数量测结构中各装置参数确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量。
优选的，所述光伏方阵/光伏方阵模拟器、光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置依次连接，所述光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置的连接点与所述第一阻尼负载连接，所述光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置的连接点依次连接所述开关K1和第二阻尼负载。
优选的，所述调节所述参数量测结构中各装置参数确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量包括：
闭合所述开关K1，将所述第一阻尼负载设置为所述光伏虚拟同步发电机阻性负载的(1-n％)，所述第二阻尼负载设置为所述光伏虚拟同步发电机阻性负载的n％；
断开所述开关K1，通过所述数据采集装机记录闭合所述开关K1时和断开所述开关K1时所述光伏虚拟同步发电机的交流侧电压与电流；
分别确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量。
进一步的，按下式(1)确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数D：
D＝ΔP/(2π(f1-f0)ω0) (1)
式(1)中，ΔP为所述开关K1断开前后光伏虚拟同步发电机输出有功功率的变化量，f1为所述开关K1断开后光伏虚拟同步发电机输出电压频率的稳态值，f0为所述光伏虚拟同步发电机的标称频率，ω0为所述光伏虚拟同步发电机的标称角频率；
按下式(2)确定所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量J：
J＝D*(t2-t1) (2)
式(2)中，t2为所述开关K1的断开时刻，t1为所述光伏虚拟同步发电机的频率值为0.632(f1-f0)对应的时刻。
进一步的，闭合所述开关K1前将所述光伏虚拟同步发电机在标称频率和标称电压条件下分别运行于重载工况和轻载工况下，并设置n分别等于10、30、50、70和90，确定10组所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和10组所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量，并获取所述10组所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数的平均值和所述10组所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量的平均值。
进一步的，所述轻载工况为所述光伏虚拟同步发电机的出力在所述光伏虚拟同步发电机的额定功率的20％-30％之间，所述重载工况为所述光伏虚拟同步发电机的出力大于所述光伏虚拟同步发电机的额定功率的70％。
与最接近的现有技术比，本发明具有的优异效果如下：
(1)目前光伏虚拟同步发电机相关测试标准处于空白，本发明提供的技术方案，适用于各种模拟同步发电机外特性的光伏虚拟同步发电机，解决了虚拟同步发电机转动惯量缺乏标准化测试方法的难题。
(2)本发明提供的技术方案，在光伏虚拟同步发电机离网模式下开展测试，测试环境构建较为简单，不需要考虑模拟电网装置容量对光伏虚拟同步发电机转动惯量测试的影响。
(3)本发明提供的技术方案，不需要考虑虚拟同步发电机二阶及以上特性，仅需要通过“功-频”一阶传递函数计算出光伏虚拟同步发电机转动惯量，测试步骤简单，能够有效对虚拟同步发电机阻尼特性开展测试。
(4)本发明提供的技术方案，通过“功-频”一阶传递函数和频率响应曲线，不仅能够计算出光伏虚拟同步发电机转动惯量，还能够计算得到虚拟同步发电机的阻尼系数，可应用于阻尼特性测试中。
(5)本发明提供的技术方案，在光伏虚拟同步发电机轻载、重载工况下，通过切除不同阻值的负载，在10种工况开展精细化测试，并取平均值得到该光伏虚拟同步发电机的转动惯量值，能够有效反映光伏虚拟同步发电机惯量特性。
附图说明
图1是本发明一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法的流程图；
图2是实施例中光伏虚拟同步发电机的参数量测结构示意图。
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。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法，如图1所示，包括：
101.建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构，其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构包括：光伏方阵/光伏方阵模拟器、光伏虚拟同步发电机、数据采集装置、第一阻尼负载、开关K1和第二阻尼负载，所述光伏虚拟同步发电机在离网模式下运行；
102.调节所述参数量测结构中各装置参数确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量。
其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构，如图2所示，所述光伏方阵/光伏方阵模拟器、光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置依次连接，所述光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置的连接点与所述第一阻尼负载连接，所述光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置的连接点依次连接所述开关K1和第二阻尼负载。
具体的，所述步骤102包括：
闭合所述开关K1，将所述第一阻尼负载设置为所述光伏虚拟同步发电机阻性负载的(1-n％)，所述第二阻尼负载设置为所述光伏虚拟同步发电机阻性负载的n％；
断开所述开关K1，通过所述数据采集装机记录闭合所述开关K1时和断开所述开关K1时所述光伏虚拟同步发电机的交流侧电压与电流；
分别确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量。
按下式(1)确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数D：
D＝ΔP/(2π(f1-f0)ω0) (1)
式(1)中，ΔP为所述开关K1断开前后光伏虚拟同步发电机输出有功功率的变化量，f1为所述开关K1断开后光伏虚拟同步发电机输出电压频率的稳态值，f0为所述光伏虚拟同步发电机的标称频率，ω0为所述光伏虚拟同步发电机的标称角频率；
按下式(2)确定所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量J：
J＝D*(t2-t1) (2)
式(2)中，t2为所述开关K1的断开时刻，t1为所述光伏虚拟同步发电机的频率值为0.632(f1-f0)对应的时刻。
进一步的，为了确定更加精确的光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，在闭合所述开关K1前将所述光伏虚拟同步发电机在标称频率和标称电压条件下分别运行于重载工况和轻载工况下，并设置n分别等于10、30、50、70和90，确定10组所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和10组所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量，并获取所述10组所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数的平均值和所述10组所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量的平均值。
其中，所述轻载工况为所述光伏虚拟同步发电机的出力在所述光伏虚拟同步发电机的额定功率的20％-30％之间，所述重载工况为所述光伏虚拟同步发电机的出力大于所述光伏虚拟同步发电机的额定功率的70％。
实施例
在如图2所示的应用环境下，40kW光伏虚拟同步机，标称相电压为220V，频率为50Hz，光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量的量测步骤包括：
某40kW光伏虚拟同步机，标称相电压为220V，频率为50Hz。其转动惯量测试步骤为：
(1)初始运行状态：离网满载运行，额定功率40kW，接40kW阻性负载，电压幅值311V，频率50Hz。
(2)光伏虚拟同步发电机运行于离网模式下；
(3)开关K1初始状态为闭合，调节光伏方阵模拟器、第一阻性负载和第二阻性负载，其中，第一阻性负载接入光伏虚拟同步机全部阻性负载的90％，第二阻性负载为接入光伏虚拟同步机全部阻性负载的10％,使光伏虚拟同步发电机在标称频率和标称电压条件下分别运行在30％PN和100％PN两种工况下；
(4)稳定运行后，断开开关K1；
(5)根据现有技术，利用数据采集装置记录光伏虚拟同步发电机交流侧电压与电流的数据计算有功功率和电压频率曲线；
根据上述公式(1)和公式(2)计算得到10组转动惯量和10组阻尼系数的值，如表1所示：
表1组转动惯量和10组阻尼系数的值
该光伏虚拟同步发电机转动惯量为2.051kg.m2,阻尼系数为10N.m.s/rad，与光伏虚拟同步发电机设计时设置的转动惯量为2kg.m2,阻尼系数为5N.m.s/rad相比，误差非常小。
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 (6)

1.一种光伏虚拟同步发电机的参数量测方法，其特征在于，所述方法包括：
建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构，其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构包括：光伏方阵/光伏方阵模拟器、光伏虚拟同步发电机、数据采集装置、第一阻尼负载、开关K1和第二阻尼负载，所述光伏虚拟同步发电机在离网模式下运行；
调节所述参数量测结构中各装置参数确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光伏方阵/光伏方阵模拟器、光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置依次连接，所述光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置的连接点与所述第一阻尼负载连接，所述光伏虚拟同步发电机连接和数据采集装置的连接点依次连接所述开关K1和第二阻尼负载。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节所述参数量测结构中各装置参数确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量包括：
闭合所述开关K1，将所述第一阻尼负载设置为所述光伏虚拟同步发电机阻性负载的(1-n％)，所述第二阻尼负载设置为所述光伏虚拟同步发电机阻性负载的n％；
断开所述开关K1，通过所述数据采集装机记录闭合所述开关K1时和断开所述开关K1时所述光伏虚拟同步发电机的交流侧电压与电流；
分别确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按下式(1)确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数D：
D＝ΔP/(2π(f1-f0)ω0) (1)
式(1)中，ΔP为所述开关K1断开前后光伏虚拟同步发电机输出有功功率的变化量，f1为所述开关K1断开后光伏虚拟同步发电机输出电压频率的稳态值，f0为所述光伏虚拟同步发电机的标称频率，ω0为所述光伏虚拟同步发电机的标称角频率；
按下式(2)确定所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量J：
J＝D*(t2-t1) (2)
式(2)中，t2为所述开关K1的断开时刻，t1为所述光伏虚拟同步发电机的频率值为0.632(f1-f0)对应的时刻。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，闭合所述开关K1前将所述光伏虚拟同步发电机在标称频率和标称电压条件下分别运行于重载工况和轻载工况下，并设置n分别等于10、30、50、70和90，确定10组所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和10组所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量，并获取所述10组所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数的平均值和所述10组所述光伏虚拟同步发电机的转动惯量的平均值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轻载工况为所述光伏虚拟同步发电机的出力在所述光伏虚拟同步发电机的额定功率的20％-30％之间，所述重载工况为所述光伏虚拟同步发电机的出力大于所述光伏虚拟同步发电机的额定功率的70％。
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