CN112531740B - 一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，涉及电力技术领域，本发明从电压型新能源场站的动态调节有功控制速度出发，在并网和离网两种情况下进行测试，在离网情况下通过改变所带负荷的大小来获得暂态波形，分析了下垂控制存在很小惯性时间常数的原因，确立此时间常数的范围，以所确立的时间范围为标准通过分析波形来判断控制策略，在并网情况下，采用电网模拟电网对频率进行调整来实现暂态过程，根据暂态频率的输出特性分析其所采用的控制策略的响应速度，对比分析VSG控制策略在新能源动态场站的有功控制速度方面具有很好的效果等。

Description

一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法。

背景技术

已知的，分布式发电是新能源使用的一种重要形式，可以缓解能源紧缺和环境恶化的压力，但是随着分布式电源渗透率的提高，其随机性和波动性的缺点将更为明显，严重威胁着电网的安全运行。

近年来，随着风力发电以及光伏发电等新能源发电方式的不断并网，对于原有的电网系统稳定性造成了一定的威胁和影响，主要体现在系统的调峰和调频这两个方面。在冬季风电大规模供电时期，同时常规电厂机组处于工业供热或者供暖供热，电网的调频能力逐渐下降，风电弃风现象严重，并且对于风力的耗损等都比较严重。随着电网中风电装机容量不断增加，如不能满足电网对调频辅助服务的需求，将对风电等新能源的开发利用形成严重制约。

由于新能源场站的调频效果远好于任何常规发电(包括煤电和联合循环)技术，引入相对少量的新能源场站系统，就能够迅速有效提高区域电网对新能源接入的应对能力。因此，如何应用新能源场站来改善常规发电厂的调频性能是应用的关键。

基于常规发电厂的调频性能提升是急切的市场需求，为了提高电网运行安全性，各区域电网监管机构相继出台了《并网发电厂运行管理实施细则》和《并网发电厂辅助服务管理实施细则》(简称“两个细则”)来规范发电机组的调频响应性能。

综上所述，从未来电网环境和鼓励政策等方面的分析，所有发电机组均积极主动参与补偿调频辅助服务，配置电池新能源场站系统协助联合调频是必然趋势。

随着经济社会的发展，人们对电能的需求和供电可靠性的要求越来越高。一方面，电网面临负荷增长，峰谷差增大和长距离输电成本增加等挑战，另一方面，可再生能源的间歇性和波动性给电网的安全稳定运行也带来了严重的影响。新能源场站是解决这些问题的有效方法和终极手段。而在整个新能源场站中动态调节有功速度的测试方法是其中的关键，因此，如何提供一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。

发明内容

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，本发明采用不同的控制策略来验证新能源场站的有功控制速度调节，该控制策略不仅可以提供系统的虚拟阻抗以此提高系统稳定性，同时在暂态过程中具有较快的频率恢复的响应速度，保证了系统的稳定运行的同时提高了新能源场站有功-频率的恢复速度。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，所述测试方法具体包括如下步骤：

第一步、首先对国内外已投运的新能源场站运行、并网相关的实验数据、SOC数据进行调研与收集；

第二步、分析新能源场站与传统机组的有功调节的异同，并在相关调研收集的相关数据统计与分析的基础上，结合新能源场站的SOC的变化特点和功率大小，建立适用于待测试地区电网功率动态特性变化的电网模型和适用于储能场站变化的物理模型；

第三步、通过能量管理系统下发指令控制实时控制器和含有通讯功能的可控负载以及控制能量管理系统(MGCC)实现并网或脱网实验，观察新能源系统的电压和频率变化，然后在能量管理系统中进行分层优化处理，通过光纤经由MGCC传输指令给控制器、无功补偿装置以及储能模拟器和光伏模拟器，控制器控制开源变流器、无功补偿设备以及储能模拟器协同作用实现设备间协调控制，完成系统电压和频率的稳定，最后通过实验结果，验证策略的可行性和有效性；

第四步、采用电压型逆变器，在离网和并网两种情形分别进行测试，在虚拟同步机控制策略和下垂控制之间实现并、离网两种模式，将虚拟同步机控制与下垂控制进行区别并根据输出波形测试有功控制的速度。

所述的基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，所述新能源场站内直流电源的V_dc＝750V，P_n＝5kW，f_n＝50Hz，交流电源的U_o＝400V，滤波器的R_f＝0.01Ω,L_f＝0.6×10^-3H,C_f＝1500×10^-6F，负载功率为6kW。

所述的基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，所述第四步中虚拟同步机控制策略和下垂控制之间实现并网模式时，具体测试流程如下：

第一步、首先设置电网模拟电源频率变化的最小步长，在测试中，先将频率调整为额定频率值，使VSG能够稳定运行；

第二步、在某一时刻，将电网模拟电源的频率调整到低于额定频率值一个步长值，使VSG运行一段时间至完全稳定运行；

第三步、再使频率阶跃至高于额定频率值一个步长值，至VSG运行至稳定状态；

第四步、用示波器记录下频率输出波形，并计算出每次阶跃波形的调节时间和超调量，如果调节时间大于200毫秒，且系统存在超调，则可认为系统采用了VSG控制，计算转动惯量、阻尼、阻抗；

第五步、重复上述过程若干次，计算出平均值，将计算出的平均值与实际值相比较，确定参数误差并计算试验过程的有功控制的速度。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明从电压型新能源场站的动态调节有功控制速度出发，在并网和离网两种情况下进行测试，鉴于PQ,VF等控制不能在两种模式下运行，所以在区分是否采用VSG控制时，仅将VSG与下垂控制进行对比，在离网情况下通过改变所带负荷的大小来获得暂态波形，分析了下垂控制存在很小惯性时间常数的原因，确立此时间常数的范围，以所确立的时间范围为标准通过分析波形来判断控制策略，在并网情况下，采用电网模拟电网对频率进行调整来实现暂态过程，根据暂态频率的输出特性分析其所采用的控制策略的响应速度，对比分析VSG控制策略在新能源动态场站的有功控制速度方面具有很好的效果等，适合大范围的推广和应用。

附图说明

图1为本发明实施例测试时负载变化图；

图2为本发明实施例测试时电压变化图；

图3为本发明实施例测试时电流变化图；

图4为本发明实施例测试时负载变化图；

图5为本发明实施例测试时有功频率测试图。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

本发明所述的一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，所述测试方法具体包括如下步骤：

第一步、首先对国内外已投运的新能源场站运行、并网相关的实验数据、SOC数据进行调研与收集；所述新能源场站内直流电源的V_dc＝750V，P_n＝5kW，f_n＝50Hz，交流电源的U_o＝400V，滤波器的R_f＝0.01Ω,L_f＝0.6×10^-3H,C_f＝1500×10^-6F，负载功率为6kW；

第二步、分析新能源场站与传统机组的有功调节的异同，并在相关调研收集的相关数据统计与分析的基础上，结合新能源场站的SOC的变化特点和功率大小，建立适用于待测试地区电网功率动态特性变化的电网模型和适用于储能场站变化的物理模型；

第三步、通过能量管理系统下发指令控制实时控制器和含有通讯功能的可控负载以及控制能量管理系统(MGCC)实现并网或脱网实验，观察新能源系统的电压和频率变化，然后在能量管理系统中进行分层优化处理，通过光纤经由MGCC传输指令给控制器、无功补偿装置以及储能模拟器和光伏模拟器，控制器控制开源变流器、无功补偿设备以及储能模拟器协同作用实现设备间协调控制，完成系统电压和频率的稳定，最后通过实验结果，验证策略的可行性和有效性；

第四步、采用电压型逆变器，在离网和并网两种情形分别进行测试，在虚拟同步机控制策略和下垂控制之间实现并、离网两种模式，将虚拟同步机控制与下垂控制进行区别并根据输出波形测试有功控制的速度；所述虚拟同步机控制策略和下垂控制之间实现并网模式时，具体测试流程如下：

第一步、首先设置电网模拟电源频率变化的最小步长，在测试中，先将频率调整为额定频率值，使VSG能够稳定运行；

第二步、在某一时刻，将电网模拟电源的频率调整到低于额定频率值一个步长值，使VSG运行一段时间至完全稳定运行；

第三步、再使频率阶跃至高于额定频率值一个步长值，至VSG运行至稳定状态；

第四步、用示波器记录下频率输出波形，并计算出每次阶跃波形的调节时间和超调量，如果调节时间大于200毫秒，且系统存在超调，则可认为系统采用了VSG控制，计算转动惯量、阻尼、阻抗；

第五步、重复上述过程若干次，计算出平均值，将计算出的平均值与实际值相比较，确定参数误差并计算试验过程的有功控制的速度。

本发明实施时采用恒压恒频控制策略和虚拟同步机控制策略相结合的思想。当电网功率突然出现波动时，需要尽快维持弱电网功率平衡则采用恒功率控制策略该控制策略具有较快的响应速度对通信要求低但主频率由电网支撑，当电网频率出现较为剧烈的振荡时需要维持系统的频率稳定则采用虚拟同步机的控制技术，在保证控制速度的同时更好的维持了系统的稳定。主要控制策略为：

(1)恒功率控制(PQ控制)，恒功率控制指直接控制逆变器输出的有功功率和无功功率，由于这种控制方式不直接控制电压幅值和频率，这个特性决定了其一般只用于并网逆变器和主从控制中的从逆变器控制中，其电压幅值和频率支撑由电网提供。

(2)虚拟同步电机控制(VSG控制)，虚拟同步电机控制是在下垂控制的基础上做出进一步的改进，主要体现在为了抑制系统频率的快速波动，增加系统稳定性，在控制环节中加入了虚拟惯量环节。

本发明在并网动态运行下电压、电流测试如下：

在并网运行模式下，在2秒时刻新能源场站内负载突增为6kW，观察场站内的电压和电流变化。以虚拟同步机控制策略为例测试新能源场站的电压和电流变化。测试结果如附图1、2和3所示。

从图2和3中可以看出，在并网运行方式下当2s时加入负荷，测得新能源场站流出电流随着负荷的增大而增大。并且电压变化不明显，1.2处电流在突增以后趋于稳定后恢复到一定值，说明该控制策略的有效性。

本发明在并网动态运行下有功控制速度测试时，在并网运行模式下，通过对比PQ控制、下垂控制和虚拟同步机控制对电网系统有功频率的响应速度。对比控制策略的不同，对系统频率的影响。其速度测试效果如附图4、5所示，在并网运行模式下，新能源场站侧6kW负载在2秒时刻投入运行，对比三种控制策略对频率影响。由图可知，在并网运行状态下采用PQ控制策略对频率变化响应最快，频率很快由波动状态趋于平稳。采用下垂控制策略的状态下，频率在负载变化的时候频率下跌相比较最大，在一定的时间内趋于平稳。采用虚拟同步机控制策略的状态下，频率在负载变化的时刻，频率也存在下跌，且由于虚拟同步机策略的自身阻尼特性，波动范围相较于下垂控制下也较小。但响应速度比PQ控制策略下较慢，这是由于虚拟同步机的控制有一定的惯性。

综上所述，在并网动态运行的模式下采用PQ控制策略对频率快速恢复具有较好的效果。而下垂控制策略和虚拟同步机控制策略由于控制策略的复杂性和方法特性具有一定的延迟性。在动态运行的模式下由于电网的阻尼特性和自我协调性，频率总体来说波动范围较小，满足标准要求50±0.2Hz。

本发明在具体实施时，对于逆变器而言，可以通过供应商提供的产品手册确定其拓扑和部分参数，但相关控制算法则无法获得，因此可以认为逆变器是一个灰箱系统。对于此灰箱系统，只能通过输入输出的特性及相互关系来进行确定，因此需要采用实验的方法对逆变器系统进行测试。

逆变器的测试包括安全性能测试、转换效率测试、防孤岛效应测试和功能保护测试等，但这些测试类别不能够判断有功控制速度。有功控制速度测试与常规控制不同之处在于控制算法中引入惯性、阻尼和虚拟同步阻抗等参数，但是对于这些参数缺乏定量的评估，难以评价控制的效果。因此，需要采取措施对反映有功控制特性的中的惯性、阻尼和阻抗进行定量识别。

有功控制速度测试与其他控制策略的主要区别在于动态特性，因此在对控制策略进行测试时需要人为设置出一个动态过程。对于离网的控制，动态过程可以通过切换控制策略对应的负载变化来实现，但对于并网的控制策略而言，如果直接接入电网进行测量，一方面很难让电网电压和频率按照需求进行变化，另一方面也十分危险。因此，需要采用电网模拟电源来代替电网参与测量。除了电网模拟电源，还需要测量仪器对波形进行采集和存储，如电压电流表、示波器等。

①电网模拟电源

测试有功速度的特性，要从暂态特性进行考量，电网模拟电源可以改变电网电压和频率，模拟电网的暂态特性，电网模拟电源由两个变换器和滤波器组成，模拟电源可以实现能量的双向流动，既可以从被测逆变器吸收电能回馈给电网，也可以从电网吸收能量维持被测逆变器的稳定。

②测量设备

对VSG进行测试，离不开测量设备，如电压电流传感器、示波器等。按照《光伏发电站逆变器电压与频率响应检测技术规程》的要求，测试设备的准确度要满足一定的等级，准确度是指测试设备的准确度测量值与真实值接近的程度，准确度等级分类可分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0等七级，数字越小，等级越高，传感器的准确度等级为0.5，数据采集设备的准确度等级为0.2。

③硬件变流器设备

换流器是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。换流器可以分为两类：整流器和逆变器。整流器是将交流电转换为直流电，而逆变器是将直流电转换为交流电。

电能转换最重要的部分是三相并网逆变器，它将分布式发电设备与电网相互连接起来，作为它们之间的桥梁，也体现了电力电子技术与电力系统技术之间紧密相互关系。根据直流侧电源的性质可将其划分为电压型逆变器和电流型逆变器。储能元件的作用是稳定逆变器直流侧的电压和电流，因此在直流侧要装设储能元件，使系统的电压和电流达到相对稳定的状态。在电压源型逆变器中为了保证电压在直流侧的稳定性，需要在储能侧使用大电容作为储能元件。在电流源型逆变器中为了保证电流在直流侧的稳定性，需要在储能侧使用大电感作为储能元件。

本发明要求有功控制速度测试满足工作在离网和并网两种模式下，而且还应该充分控制策略的优点，因此本项目测试主要针对采用电压型逆变器，在离网和并网两种情形分别进行测试。在虚拟同步机(VSG)控制策略和下垂控制之间实现并、离网两种模式，所以将VSG控制与下垂控制进行区别并根据输出波形研究有功控制速度测试的工作。本测试方案主要从有功功率和频率的输出特性入手，在测试过程中均假定新能源场站的端电压固定不变。

本发明的优势和优点如下：

采用不同的控制策略来验证新能源场站的有功控制速度调节，该控制策略不仅可以提供系统的虚拟阻抗以此提高系统稳定性，同时在暂态过程中具有较快的频率恢复的响应速度。保证了系统的稳定运行的同时提高了新能源场站有功-频率的恢复速度。

本发明中VSG测试所需要的测量设备和测试方案，从电压型新能源场站的动态调节有功控制速度出发，在并网和离网两种情况下进行测试。鉴于PQ,VF等控制不能在两种模式下运行，所以在区分是否采用VSG控制时，仅将VSG与下垂控制进行对比，在离网情况下通过改变所带负荷的大小来获得暂态波形，分析了下垂控制存在很小惯性时间常数的原因，确立此时间常数的范围，以所确立的时间范围为标准通过分析波形来判断控制策略。在并网情况下，采用电网模拟电网对频率进行调整来实现暂态过程，根据暂态频率的输出特性分析其所采用的控制策略的响应速度。对比分析VSG控制策略在新能源动态场站的有功控制速度方面具有很好的效果等。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (3)

1.一种基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，其特征是：所述测试方法具体包括如下步骤：

第一步、首先对国内外已投运的新能源场站运行、并网相关的实验数据、SOC数据进行调研与收集；

第二步、分析新能源场站与传统机组的有功调节的异同，并在相关调研收集的相关数据统计与分析的基础上，结合新能源场站的SOC的变化特点和功率大小，建立适用于待测试地区电网功率动态特性变化的电网模型和适用于储能场站变化的物理模型；

第三步、通过能量管理系统下发指令控制实时控制器和含有通讯功能的可控负载以及控制微电网中央控制器(MGCC)实现并网或脱网实验，观察新能源系统的电压和频率变化，然后在能量管理系统中进行分层优化处理，通过光纤经由MGCC传输指令给控制器、无功补偿装置以及储能模拟器和光伏模拟器，控制器控制开源变流器、无功补偿设备以及储能模拟器协同作用实现设备间协调控制，完成系统电压和频率的稳定，最后通过实验结果，验证策略的可行性和有效性；

第四步、采用电压型逆变器，在离网和并网两种情形分别进行测试，在虚拟同步机控制策略和下垂控制之间实现并、离网两种模式，将虚拟同步机控制与下垂控制进行区别并根据输出波形测试有功控制的速度。

2.根据权利要求1所述的基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，其特征是：所述新能源场站内直流电源的V_dc＝750V，P_n＝5kW，f_n＝50Hz，交流电源的U_o＝400V，滤波器的R_f＝0.01Ω,L_f＝0.6×10^-3H,C_f＝1500×10^-6F，负载功率为6kW。

3.根据权利要求1所述的基于新能源场站的动态调节有功速度的测试方法，其特征是：所述第四步中虚拟同步机控制策略和下垂控制之间实现并网模式时，具体测试流程如下：

第一步、首先设置电网模拟电源频率变化的最小步长，在测试中，先将频率调整为额定频率值，使VSG能够稳定运行；

第二步、在某一时刻，将电网模拟电源的频率调整到低于额定频率值一个步长值，使VSG运行一段时间至完全稳定运行；

第三步、再使频率阶跃至高于额定频率值一个步长值，至VSG运行至稳定状态；

第四步、用示波器记录下频率输出波形，并计算出每次阶跃波形的调节时间和超调量，如果调节时间大于200毫秒，且系统存在超调，则可认为系统采用了VSG控制，计算转动惯量、阻尼、阻抗；

第五步、重复上述过程若干次，计算出平均值，将计算出的平均值与实际值相比较，确定参数误差并计算试验过程的有功控制的速度。

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