CN109687481A - 基于主从协调控制的光伏电站参与一次调频实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主从协调控制的光伏电站参与一次调频实现方法，包括如下步骤：首先建立协调控制层，将输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量；然后设计有功调节量分配算法，使得总有功功率调节量合理地分配到每一个独立的光伏逆变器中；最后，本地控制层负责将光伏逆变器中给定的有功调节量平稳地在每一个光伏组件中消纳。本发明的有益效果在于：本发明建立主从协调控制策略，基于光伏电站运行状态，将多种输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量，从主站协调控制层进行分配，从属本地控制层实现平稳控制，从而实现光伏电站平稳实现参与一次调频。

Description

基于主从协调控制的光伏电站参与一次调频实现方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电技术领域，特别是涉及一种光伏电站参与一次调频实现方法

背景技术

传统同步发电机与电力系统之间直接耦合，通过励磁控制器、调速器等装置能够自动地响应系统的变化，对电力系统的电压、频率等提供支撑，对于保障电力系统的稳定运行至关重要。

传统同步发电机与并网光伏相比，并网光伏的主要特征是，首先发电通过电力电子装置并网，对电网动态表现出无惯性或弱惯性，基本不响应电网的变化；其次为了获得最大的光伏发电功率，并网机组一般都运行在最大功率跟踪状态，因而光伏电站没有有功功率储备。

对电网的无功电压支撑可以通过对并网逆变器控制来实现，而对电网的频率支撑由于逆变器的运行特点而较难实现，光伏电站的特性使得其不具备频率控制能力，基本不能响应电网有功功率变化。当系统发生功率不平衡时，容易引起较大的频率变化和频率偏移，不利于电网的稳定运行；当系统频率发生失稳时，将给系统运行带来安全隐患，可能诱发大面积停电事故，给国民经济和社会发展造成严重损失。开发并网光伏电站的控制潜力，使其参与电网一次调频，是保障光伏电站向常规能源转化的重要技术支撑。

发明内容

本发明通过提出一种光伏电站参与一次调频实现方法，使光伏电站能够具备参加电网一次调频能力。

本发明提供了一种基于主从协调控制的光伏电站参与一次调频实现方法，所述方法首先建立协调控制层，将输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量；然后设计有功调节量分配算法，使得总有功功率调节量合理地分配到每一个独立的光伏逆变器中；最后，本地控制层负责将光伏逆变器中给定的有功调节量平稳地在每一个光伏组件中消纳。

优选地，所述方法包括以下步骤：

步骤一：光伏电站运行在功率控制差值模式，为调频留出有功备用；

步骤二：参照常规机组的一次调频特性，确定光伏电站一次调频参与方式；

步骤三：建立主站协调控制层，将多种输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量；

步骤四：选用等可调容量比例的模式，设计有功调节量分配算法；

步骤五：从属本地控制层负责将光伏逆变器中给定的有功调节量平稳地在每一个光伏组件中消纳。

优选地，所述功率差值控制模式中，控制器根据光伏阵列的实时有功功率和功率指令输出Boost电路的驱动信号，通过改变Boost电路的占空比对光伏阵列出口电压的调节以达到所需的控制效果。

优选地，所述功率差值控制模式运行时，光伏电站有功出力与最大可发功率P_max之间保持一个固定比例的差值，即留出固定比例k₀的有功备用，该比例由光伏电站的减载运行水平确定。

优选地，所述减载运行的光伏电站的功率控制信号由下式表示：

P_ref＝k₀P_for

式中，P_ref表示系统给出的参考功率值，即功率信号值；k₀表示光伏电站预留的功率差值比例；P_for表示根据当前环境条件，光伏电站的最大发电功率预测值。

优选地，在光伏组件的一次调频功频响应曲线中，当系统频率为f₀时，光伏组件的输出功率为P₀，系统负荷增加后频率下降到f₁，由于给光伏组件的调频控制作用，此时其输出功率为P₁；

光伏电站的调节系数表达式为：

式中，K_p表示系统频率与光伏组件输出的调节系数，当电力系统的频率降低，光伏组件通过降低自身有功出力实现调节系统频率效果。

优选地，所述主站协调控制层通过收集电网计划与调度情况，分析当前光照、温度下的光伏电站可用功率，得出总的有功功率调节量。

优选地，所述有功调节量分配算法的设计方法具体为：

定义光伏组件i的可调容量比例P_i为：

式中，P_maxi表示光伏组件i的最大出力，P_mini表示光伏组件i的最小出力，P_Bi是光伏组件i的基本功率，该模式下，各光伏组件拥有相同的可调容量比例P_i，且其合理的范围是：

0≤P_i≤1

则根据等可调容量比例的模式，该光伏电站中共有n个独立的光伏组件，则各光伏组件之间的可调容量比例满足如下关系：

在光伏组件i(i＝1,2,...,n)的最小出力P_mini＝0时，则上式简化为：

假设该光伏电站在扰动发生之前总的有功出力是P_olds，光伏组件i的有功出力是P_oldi，各光伏组件最大有功出力之和是P_maxs，令光伏组件i承担的功率变化量为ΔP_i，即协调控制层下发给光伏组件的功率调节指令，则该光伏电站承担的总功率变化量为ΔP_s，并得到如下约束：

由此求解出：

按照此方法，依次求出该光伏电站中的其他光伏组件所承担的功率变化量与ΔP₁的关系，求解出ΔP_s与ΔP₁的关系：

那么，协调控制层下发给1号光伏组件的功率调节指令为：

同理，得出光伏组件i接收到的功率调节指令为：

本发明的有益效果在于：为光伏电站提供了一种光伏电站参与一次调频实现方法，建立主从协调控制策略，基于光伏电站运行状态，将多种输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量，从主站协调控制层进行分配，从属本地控制层实现平稳控制，从而实现光伏电站平稳实现参与一次调频。

附图说明

图1为实施例中定功率差值控制结构框图；

图2为实施例中光伏组件一次调频；

图3为实施例中光伏电站参加系统一次调频的控制策略原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明还有其它不同的实施方式，各种实施方式中的细节可以在不偏离本发明的情况下进行各种明显的改进。因此，附图和说明书是要阐释实质问题而非限制性的。

如图1-图3所示，本发明公开了一种光伏电站参与一次调频的实现方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：光伏电站若要参与系统一次调频，首先应该运行在功率差值控制模式，如图1所示，为调频留出一定的有功备用。功率差值控制模式运行时，光伏电站有功出力与最大可发功率P_max之间保持固定比例的差值，即留出固定比例k₀的有功备用，该比例由光伏电站运行的减载水平确定。

步骤二：确定一次调频参与方式，可以参照常规机组的一次调频特性开发出光伏发电系统的一次调频能力。当给光伏组件设计一次调频控制时，光伏组件功率随系统频率的变化而变化，其变化曲线参照图2，从而发挥光伏组件的一次调频能力。

减载运行的光伏电站的功率控制信号，可由下式表示：

P_ref＝k₀P_for (1)

式中，P_ref表示系统给出的参考功率值，即功率信号值；k₀表示光伏电站预留的功率差值比例；P_for表示根据当前环境条件，光伏电站的最大发电功率预测值。

图2表示光伏组件的一次调频功频响应曲线，当系统频率为f₀时，光伏组件的输出功率为P₀，位于运行点a；系统负荷增加后频率下降到f₁，由于给光伏组件的调频控制作用，此时其输出功率为P₁，位于运行点b；

图2中直线的斜率为光伏电站的调节系数，其表达式为：

式中，K_p表示系统频率与光伏组件输出的调节系数。从图2中可以看出，电力系统的频率降低，光伏组件通过降低自身有功出力实现调节系统频率效果。

步骤三：建立主站协调控制层，将多种输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量。主站协调控制层通过收集电网计划与调度情况，分析当前光照、温度下的光伏电站可用功率，得出总的有功功率调节量。

步骤四：选用等可调容量比例的模式(PROP)，设计有功调节量分配算法。

定义光伏组件i的可调容量比例P_i为：

式中，P_maxi表示光伏组件i的最大出力，P_mini表示光伏组件i的最小出力，P_Bi是光伏组件i的基本功率，本节以实际有功出力代替。该模式下，各光伏组件拥有相同的可调容量比例P_i，且其合理的范围是：

0≤P_i≤1 (4)

那么，根据等可调容量比例的模式，假设该光伏电站中共有n个独立的光伏组件，则各光伏组件之间的可调容量比例满足如下关系：

取光伏组件i(i＝1,2,...,n)的最小出力P_mini＝0，则上式可以转化为：

简化，可得：

假设该光伏电站在扰动发生之前总的有功出力是P_olds，光伏组件i的有功出力是P_oldi，各光伏组件最大有功出力之和是P_maxs，令光伏组件i承担的功率变化量为ΔP_i，也即是协调控制层下发给光伏组件的功率调节指令，则该光伏电站承担的总功率变化量为ΔP_s，则可得到如下约束：

又因为式(8)可以表示为：

所以，由式(9)可求解出：

按照此方法，可以依次求出该光伏电站中的其他光伏组件所承担的功率变化量与ΔP₁的关系，然后再联立式(8)和式(10)，可以求解出ΔP_s与ΔP₁的关系：

那么，协调控制层下发给1号光伏组件的功率调节指令为：

同理，可以得出光伏组件i接收到的功率调节指令为：

步骤五：通过步骤四将总有功功率调节量合理地分配到每一个独立的光伏逆变器中；从属本地控制层负责将光伏逆变器中给定的有功调节量安稳地在每一个光伏组件中消纳。

Claims (8)

1.一种基于主从协调控制的光伏电站参与一次调频的实现方法，其特征在于：所述方法首先建立协调控制层，将输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量；然后设计有功调节量分配算法，使得总有功功率调节量合理地分配到每一个独立的光伏逆变器中；最后，本地控制层负责将光伏逆变器中给定的有功调节量平稳地在每一个光伏组件中消纳。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：光伏电站运行在功率控制差值模式，为调频留出有功备用；

步骤二：参照常规机组的一次调频特性，确定光伏电站一次调频参与方式；

步骤三：建立主站协调控制层，将多种输入信号通过综合分析计算出总有功功率调节量；

步骤四：选用等可调容量比例的模式，设计有功调节量分配算法。

步骤五：从属本地控制层负责将光伏逆变器中给定的有功调节量平稳地在每一个光伏组件中消纳。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述功率差值控制模式中，控制器根据光伏阵列的实时有功功率和功率指令输出Boost电路的驱动信号，通过改变Boost电路的占空比对光伏阵列出口电压的调节以达到所需的控制效果。

4.根据权利要求或2所述的方法，其特征在于：所述功率差值控制模式运行时，光伏电站有功出力与最大可发功率P_max之间保持一个固定比例的差值，即留出固定比例k₀的有功备用，该比例由光伏电站的减载运行水平确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述减载运行的光伏电站的功率控制信号由下式表示：

P_ref＝k₀P_for

式中，P_ref表示系统给出的参考功率值，即功率信号值；k₀表示光伏电站预留的功率差值比例；P_for表示根据当前环境条件，光伏电站的最大发电功率预测值。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在光伏组件的一次调频功频响应曲线中，当系统频率为f₀时，光伏组件的输出功率为P₀，系统负荷增加后频率下降到f₁，由于给光伏组件的调频控制作用，此时其输出功率为P₁；

光伏电站的调节系数表达式为：

式中，K_p表示系统频率与光伏组件输出的调节系数，当电力系统的频率降低，光伏组件通过降低自身有功出力实现调节系统频率效果。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述主站协调控制层通过收集电网计划与调度情况，分析当前光照、温度下的光伏电站可用功率，得出总的有功功率调节量。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述有功调节量分配算法的设计方法具体为：

定义光伏组件i的可调容量比例P_i为：

式中，P_maxi表示光伏组件i的最大出力，P_mini表示光伏组件i的最小出力，P_Bi是光伏组件i的基本功率，该模式下，各光伏组件拥有相同的可调容量比例P_i，且其范围是：

0≤P_i≤1

则根据等可调容量比例的模式，该光伏电站中共有n个独立的光伏组件，则各光伏组件之间的可调容量比例满足如下关系：

在光伏组件i(i＝1,2,...,n)的最小出力P_mini＝0时，则上式简化为：

假设该光伏电站在扰动发生之前总的有功出力是P_olds，光伏组件i的有功出力是P_oldi，各光伏组件最大有功出力之和是P_maxs，令光伏组件i承担的功率变化量为ΔP_i，即协调控制层下发给光伏组件的功率调节指令，则该光伏电站承担的总功率变化量为ΔP_s，并得到如下约束：

由此求解出：

按照此方法，依次求出该光伏电站中的其他光伏组件所承担的功率变化量与ΔP₁的关系，求解出ΔP_s与ΔP₁的关系：

那么，协调控制层下发给1号光伏组件的功率调节指令为：

同理，得出光伏组件i接收到的功率调节指令为：