CN112003333A - 一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，包括步骤：1)建立模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性的光伏并网逆变器下垂控制方程；2)设置光伏发电场站一次调频响应动作门槛值；3)结合步骤1)和2)，得到带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制表达式；4)将下垂控制系数m与输出有功功率与目标频率建立自适应函数，得到自适应下垂系数表达式；5)结合步骤4)和2)，得到光伏发电场站并网逆变器一次调频自适应下垂控制表达式，通过实时调节下垂系数达到提高光伏一次调频下垂控制性能的目的。本发明采用自适应下垂控制在光伏一次调频下垂控制中，可以实现下垂系数根据目标频率实时调节。

Description

一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，该方法减少一次调频过程中功率分配误差，避免调节过程中的功率震荡。

背景技术

随着电网容量不断增加，区域电网结构变的复杂，为了提升电网频率的安全水平，发电机组需参与到电网系统频率调节工作中。传统火电、水电机组由具有旋转惯性的机械器件组成，并且将一次能源转换为电能需要经历一系列复杂过程，所以对频率响应速度较慢。相较于传统火电、水电机组，光伏发电场站因为可以快速调节有功出力进而改变上网频率，从而实现在并网点具备参与电网频率快速调整能力，近年来受到业内的广泛关注。

为了使光伏发电场站具备频率调节能力，在光伏发电场站利用相应的功率控制系统、单机或加装独立控制装置完成下垂特性控制。但是由于线路阻抗和电网频率波动的影响，传统下垂控制在一次调频过程中会存在较大的功率分配误差和功率震荡问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，该方法减少一次调频过程中功率分配误差，避免调节过程中的功率震荡。该方法是对下垂系数进行改进，根据输出功率自动调节有功功率下垂系数，实现提高光伏发电场站一次调频性能的目的。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，包括以下步骤：

1)建立模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性的光伏并网逆变器下垂控制方程；

2)设置光伏发电场站一次调频响应动作门槛值；

3)将步骤2)在设置的光伏发电场站一次调频响应动作门槛值带入步骤1)光伏并网逆变器下垂控制方程中，得到带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制表达式；

4)将下垂控制系数m与输出有功功率与目标频率建立自适应函数，得到自适应下垂系数表达式；

5)将步骤4)得到的自适应下垂系数应用于步骤2)中带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制中，得到光伏发电场站并网逆变器一次调频自适应下垂控制表达式，通过实时调节下垂系数达到提高光伏一次调频下垂控制性能的目的。

本发明进一步的改进在于，步骤1)建立模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性的光伏并网逆变器下垂控制方程为：

其中：f是下垂控制输出频率；U下垂控制输出电压；f₀是被控系统额定频率；U₀是被控系统额定电压；m是有功功率对应下垂控制系数；n是无功功率对应下垂系数；P是被控系统输出有功功率；Q是被控系统输出无功功率；P₀是被控系统额定有功功率；Q₀是被控系统额定无功功率。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：设置光伏发电场站一次调频响应动作门槛值，在光伏发电场站一次调频过程中因为逆变装置器死区的存在，设置频率响应动作门槛值f_d1、f_d2，通常f_d1＝49.94Hz、f_d2＝50.06Hz，当下垂控制输出频率49.94Hz≤f≤50.06Hz时，下垂控制系统不动作。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)在设置的光伏发电场站一次调频响应动作门槛值带入步骤1)光伏并网逆变器下垂控制方程中，得到带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制表达式为：

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：将下垂控制系数m与输出有功功率与目标频率建立自适应函数，得到自适应下垂系数表达式为：

当网侧要求频率49.8≤f＜49.94，光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制系数m用m_i1代替；当网侧要求频率50.06≤f＜50.2，光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制系数下垂控制系数m用m_i2代替。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤4)得到的自适应下垂系数应用于步骤2)中带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制中，得到光伏发电场站并网逆变器一次调频自适应下垂控制表达式为：

通过实时调节下垂系数达到提高光伏一次调频下垂控制性能的目的。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明采用自适应下垂控制在光伏一次调频下垂控制中，可以实现下垂系数根据目标频率实时调节。

2.本发明建立自适应一次调频下垂控制曲线，减少一次调频过程中的功率分配误差，避免调节过程中的功率震荡。

附图说明

图1为光伏发电场站并网逆变器有功功率-频率下垂特性曲线图；

图2为光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制曲线图；

图3为本发明所提光伏发电场站并网逆变器自适应一次调频下垂控制曲线图；

图4为光伏发电场站并网逆变器自适应一次调频下垂控制系统结构图；

图5为采用传统下垂控制的光伏发电场站一次调频功率动态仿真波形；

图6为采用本发明所提自适应下垂控制的光伏发电场站一次调频功率动态仿真波形。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示在光伏发电场站中，通过模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性来对逆变器进行控制的方式就是下垂控制。其下垂公式为：

式(1)中：f是下垂控制输出频率；U下垂控制输出电压；f₀是被控系统额定频率；U₀是被控系统额定电压；m是有功功率对应下垂控制系数；n是无功功率对应下垂系数；P是被控系统输出有功功率；Q是被控系统输出无功功率；P₀是被控系统额定有功功率；Q₀是被控系统额定无功功率。

光伏发电场站输出有功功率与系统输出频率成反比，随着有功功率不断增大以至于高出额定有功功率时，输出频率将不断下降直至低于额定频率，因此当系统重新进入平稳状态时，系统的频率将比正常值低；相反，光伏发电场站输出有功功率下降时，系统的频率将比额定值高。这种通过增加或减少有功输出达到控制输出频率的过程就是常规意义上的“一次调频”。

如图2所示，在光伏发电场站一次调频过程中因为逆变装置器死区的存在，需要设置频率响应动作门槛值f_d1、f_d2，通常f_d1＝49.94Hz、f_d2＝50.06Hz，当下垂控制输出频率49.94Hz≤f≤50.06Hz时，下垂控制系统不动作。根据逆变器的输出特性，在调频过程中光伏发电场站输出有功功率调节范围为：(1±10％)P₀，对应输出频率范围为49.8Hz-50.2Hz。

依据图2和公式(1)可以得到带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制表达式为：

如图3所示，在采用传统下垂控制的光伏发电场站一次调频过程中，网侧要求调节频率非固定值，且常常处于频繁调节状态下，但是由于传统下垂控制中下垂系数为恒定值，当输出频率发生波动时，难以实现较好的功率分配，常存在功率分配误差，所以需要采用自适应调节下垂系数来减少功率匹配不准的问题。

基于此，本发明提出一种新型自适应下垂控制方案，通过自适应调节下垂系数来响应光伏发电场站一次调频，其中下垂控制系数m与输出有功功率与目标频率建立自适应函数，自适应下垂系数可以表示为：

当网侧要求频率49.8≤f＜49.94，光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制系数m用m_i1代替；当网侧要求频率50.06≤f＜50.2，光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制系数下垂控制系数m用m_i2代替。

将式(3)计算得到的自适应系数带入式(2)中，可以得到光伏发电场站并网逆变器一次调频自适应下垂控制表达式为：

如图4所示，在Matlab/Simulink下搭建光伏发电场站并网逆变器自适应一次调频下垂控制系统仿真模型，控制系统采用功率、电流双闭环控制。控制系统外环为功率PI闭环，内环为电流PI闭环。加入PI控制的作用是将参考和测量功率之间的稳态误差等于零。功率PI控制输出为参考电流，此电流是电流PI控制的输入。内部控制器通过PI控制调节光伏逆变器的输出电流，确保电力电子开关的安全运行。光伏逆变器仿真参数为：额定功率为15kW、直流母线电压为380V、开关频率等于采样频率为10kHz、逆变器滤波电感4.7mH、串联等效电阻20Ω、直流侧电容3.3mF，下垂控制参数为：m为1.5×10^-5，n为1.2×10^-5

如图5所示，模仿光伏发电场站响应频率调节指令过程，设定逆变器输出初始频率为50HZ，在4s时调整目标频率为49.9HZ，在10s时调整目标频率为50.1HZ。采用传统下垂控制的光伏逆变器输出功率在4s时，由于频率调节至49.9HZ，输出有功功率增加至11.9kW；在14s时，由于频率调剂至50.1HZ，输出有功功率减少至10.2kW。采用传统下垂控制的光伏逆变器输出功率波形存在较多毛刺，这是由于模仿同步发电机特性，在起动阶段功率变化较大，传统控制系统无法对功率震荡进行抑制。

如图6所示，模仿光伏发电场站响应频率调节指令过程，设定逆变器输出初始频率为50HZ，在4s时调整目标频率为49.9HZ，在10s时调整目标频率为50.1HZ。采用本发明所提自适应下垂控制的光伏逆变器输出功率在4s时，由于频率调节至49.9HZ，输出有功功率增加至11.5kW；在10s时，由于频率调节至50.1HZ，输出有功功率减少至10.6kW。对比传统下垂控制输出功率波形，采用自适应下垂控制的光伏逆变器输出功率波形平滑许多，在动态调节后可以保持稳定。面对相同频率响应工况，自适应下垂控制的输出功率比传统下垂控制的输出功率调节量减少许多，功率分配误差得到控制，更适合于光伏发电场站一次调频工况中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性的光伏并网逆变器下垂控制方程；

2)设置光伏发电场站一次调频响应动作门槛值；

3)将步骤2)在设置的光伏发电场站一次调频响应动作门槛值带入步骤1)光伏并网逆变器下垂控制方程中，得到带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制表达式；

4)将下垂控制系数m与输出有功功率与目标频率建立自适应函数，得到自适应下垂系数表达式；

5)将步骤4)得到的自适应下垂系数应用于步骤2)中带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制中，得到光伏发电场站并网逆变器一次调频自适应下垂控制表达式，通过实时调节下垂系数达到提高光伏一次调频下垂控制性能的目的。

2.根据权利要求1所述的一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，其特征在于，步骤1)建立模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性的光伏并网逆变器下垂控制方程为：

其中：f是下垂控制输出频率；U下垂控制输出电压；f₀是被控系统额定频率；U₀是被控系统额定电压；m是有功功率对应下垂控制系数；n是无功功率对应下垂系数；P是被控系统输出有功功率；Q是被控系统输出无功功率；P₀是被控系统额定有功功率；Q₀是被控系统额定无功功率。

3.根据权利要求2所述的一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：设置光伏发电场站一次调频响应动作门槛值，在光伏发电场站一次调频过程中因为逆变装置器死区的存在，设置频率响应动作门槛值f_d1、f_d2，通常f_d1＝49.94Hz、f_d2＝50.06Hz，当下垂控制输出频率49.94Hz≤f≤50.06Hz时，下垂控制系统不动作。

4.根据权利要求3所述的一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)在设置的光伏发电场站一次调频响应动作门槛值带入步骤1)光伏并网逆变器下垂控制方程中，得到带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制表达式为：

5.根据权利要求4所述的一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：将下垂控制系数m与输出有功功率与目标频率建立自适应函数，得到自适应下垂系数表达式为：

当网侧要求频率49.8≤f＜49.94，光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制系数m用m_i1代替；当网侧要求频率50.06≤f＜50.2，光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制系数下垂控制系数m用m_i2代替。

6.根据权利要求5所述的一种提高光伏一次调频下垂控制性能的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤4)得到的自适应下垂系数应用于步骤2)中带死区的光伏发电场站并网逆变器一次调频下垂控制中，得到光伏发电场站并网逆变器一次调频自适应下垂控制表达式为：

通过实时调节下垂系数达到提高光伏一次调频下垂控制性能的目的。

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