CN112838614B - 一种光伏电站调频-调压协同控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光伏电站调频‑调压协同控制方法及系统，包括：以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数，以上级电网有功调频指令和站内各节点电压为约束条件，构建调频‑调压协同控制优化模型；以当前时刻下光伏电站并网点的有功功率、光伏单元的有功功率以及站内各节点的电压幅值为调频‑调压协同控制优化模型的输入，输出光伏单元下一时刻的输出功率，以此控制光伏电站运行。在光伏电站减载运行存在可调空间的前提下，使光伏电站内各光伏单元输出功率实时追踪上级电网的调频指令，并且同时满足光伏电站并网点及站内各节点电压约束，实现调频‑调压协同控制的目的。

Description

一种光伏电站调频-调压协同控制方法及系统

技术领域

本发明涉及光伏电站调控技术领域，特别是涉及一种光伏电站调频-调压协同控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

当前，风、光等可再生能源发电并网逐年增加，必然会压低传统电源(例如化石燃料电源)的占比，使电力系统运行调控面临主动调节资源不足的困境。而对于可再生能源发电，例如光伏电站，虽然其最大有功输出功率由自然因素决定，但其普遍采用的电力电子变换技术使其也具备一定的主动调节能力。一方面，光伏电站可以通过减载运行的方式参与二次调频，从而牺牲部分电能来增加系统的快速调节资源；另一方面，光伏电站可通过逆变器控制改变其功率因数，从而实现电压控制。此时，有必要在调控中挖掘光伏电站自身的主动调节能力，以缓解传统主动调节资源不足的问题。

已有相关学者针对光伏电站的调控方法展开研究。

现有技术提出一种基于主从协调策略的光伏电站一次调频方法。协调层根据频率偏差计算总有功功率调节量，并根据分配算法，将总有功功率调节量分配至各光伏逆变器。进一步，各光伏逆变器继续将分配所得功率调整量平稳消纳在各光伏组件中，从而实现光伏电站平稳实现参与一次调频的控制。

现有技术提出一种综合考虑光伏电站多点频率的调频策略。其根据各光伏发电单元变压器高压侧频率和光伏电站整体并网点频率综合确定调频功率指令，可有效提高光伏电站参与电网调频的调节速度和精度。

现有技术提出了一种同时考虑频率变化率和变化量的光伏电站调频方法。其方法同时具备基于变化率调频和变化量调频的功能，对频率变化的响应速度更快，可对异步电网提供有效的快速频率支撑。

现有技术提出了一种基于延迟时间补偿算法的电压控制方法。其能够计算电压控制系统的延迟时间，并结合区域电缆的参数得到无功补偿参数。由此，可有效减少光伏逆变器和光伏电站并网点电压相位的匹配误差，以减少电网谐波，保证相位平衡。

现有技术提出了一种协调控制的光伏电站电压控制方法。其根据并网点、逆变器电压和工作阈值区间比较，当电压在正常区间内发生突然变化时，可进行最优调节协调静止无功补偿器(SVG)和光伏逆变器的无功分配。当电压超过正常区间时，SVG和站内逆变器进入本地控制模式，以最快的速度响应电压变化。

上述研究针对光伏电站的调频、调压策略展开了研究。但是，当前光伏电站调频、调压控制却是分离的，未考虑在控制过程中调频、调压之间的耦合性。实际上，调频的有功指令有可能受电压约束无法得到执行，而调压的指令也会对调频效果产生不良影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种光伏电站调频-调压协同控制方法及系统，在光伏电站减载运行存在可调空间的前提下，使光伏电站内各光伏单元输出功率实时追踪上级电网的调频指令，并且同时满足光伏电站并网点及站内各节点电压约束，根据光伏电站并网点有功功率的实时量测值、光伏单元的有功功率的实时量测值和站内各节点电压幅值的实时量测值，在线调整站内各个光伏逆变器的运行设定点，实现调频-调压协同控制的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种光伏电站调频-调压协同控制方法，包括：

以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数，以上级电网有功调频指令和站内各节点电压为约束条件，构建调频-调压协同控制优化模型；

以当前时刻下光伏电站并网点的有功功率、光伏单元的有功功率以及站内各节点的电压幅值为调频-调压协同控制优化模型的输入，输出光伏单元下一时刻的输出功率，以此控制光伏电站运行。

第二方面，本发明提供一种光伏电站调频-调压协同控制系统，包括：

优化模型构建模块，被配置为以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数，以上级电网有功调频指令和站内各节点电压为约束条件，构建调频-调压协同控制优化模型；

模型求解模块，被配置为以当前时刻下光伏电站并网点的有功功率、光伏单元的有功功率以及站内各节点的电压幅值为调频-调压协同控制优化模型的输入，输出光伏单元下一时刻的输出功率，以此控制光伏电站运行。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的一种基于在线优化的光伏电站调频-调压协同控制策略，考虑上级电网对光伏电站的实时有功指令约束、光伏电站电压并网点及站内各节点电压的约束，以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数建立光伏电站的调频-调压协同控制优化模型；进一步设计一种实时求解光伏电站调频-调压协同控制优化模型的在线算法，并据此设计光伏电站调频-调压协同控制器，其根据光伏电站并网点有功功率的实时量测值、光伏电站并网点和站内各节点电压幅值的实时量测值，在线调整站内各个光伏逆变器的运行设定点，实现调频-调压协同控制的目的。本发明可使光伏电站并网注入功率有效追踪上级电网的调频指令，并实时满足光伏电站并网点和站内各节点电压约束。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的光伏电站调频-调压协同控制方法流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种光伏电站调频-调压协同控制方法，包括：

S1：以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数，以上级电网有功调频指令和站内各节点电压为约束条件，构建调频-调压协同控制优化模型；

S2：以当前时刻下光伏电站并网点的有功功率、光伏单元的有功功率以及站内各节点的电压幅值为调频-调压协同控制优化模型的输入，输出光伏单元下一时刻的输出功率，以此控制光伏电站运行。

本实施例目的是在光伏电站减载运行存在可调空间的前提下，使光伏电站站内各光伏单元输出的有功功率实时追踪上级电网的调频指令，同时满足光伏电站并网点及站内各节点的电压约束，故本实施例将该问题建模为在线最优潮流问题，建立调频-调压协同控制优化模型；具体如下：

以光伏电站内光伏单元的所有光伏逆变器的无功调节容量之和最大为目标函数，即：

式中：f^t为t时刻光伏电站优化的目标函数；f_i ^t为t时刻第i个光伏单元优化的目标函数；N为光伏电站内部光伏逆变器的集合；

为t时刻第i个光伏逆变器容量；

为t时刻第i个光伏逆变器输出的有功功率。

光伏电站内部的潮流约束：

式中：

分别表示t时刻光伏电站节点i、节点j的电压；

表示光伏电站节点j的注入复功率，

分别表示光伏电站节点j的注入有功功率、无功功率；

分别表示t时刻光伏电站线路ij的电流、线路ij的复功率、线路jh的复功率；

分别表示t时刻光伏电站线路ij的有功功率、无功功率；

分别表示t时刻光伏电站线路jh的有功功率、无功功率；z_ij表示线路ij的阻抗，z_ij＝r_ij+jx_ij，r_ij、x_ij分别表示线路ij的电阻、电抗；

分别表示

的共轭；M表示光伏电站线路的集合；H_j表示光伏电站位于节点j下游且与节点j相邻的节点集合。

光伏电站并网点输出的有功功率约束：

式中：

表示t时刻光伏电站并网点输出功率；

表示与光伏电站节点0关联的线路0i的有功功率，节点0表示光伏电站的并网点；N₀表示与光伏电站节点0关联的节点集合；

表示t时刻光伏电站并网点输出功率的指令。

光伏电站各节点电压约束：

式中：

表示t时刻节点i的电压幅值；

V分别表示节点电压的上限、下限。

光伏电站各光伏单元输出的有功功率、无功功率约束：

式中：

表示在t时刻第i个光伏单元允许的输出功率集合；

表示t时刻第i个光伏单元的最大有功输出功率。

在本实施例中，将光伏电站并网点输出功率约束和光伏电站各节点电压约束转移到目标函数中，得到增广目标函数：

式中：J^t表示增广目标函数；

表示t时刻光伏电站节点i的电压幅值；

γ^t表示t时刻光伏电站并网点输出功率约束的罚系数；

μ _i分别表示光伏电站节点i的电压上限约束的罚系数、下限约束的罚系数。

根据增广目标函数构建调频-调压协同控制优化模型：

Min J^t (7)

s.t.式(2)、式(5)

在本实施例中，对该模型采用如下的迭代过程进行求解包括：

式中：

α为迭代步长。

将式(8)展开为：

式中：

表示投影函数；

表示在t+1时刻第i个光伏单元允许的输出功率集合；

为t+1时刻第i个光伏单元输出的有功功率和无功功率构成的向量；

为t时刻第i个光伏单元输出的有功功率和无功功率构成的向量；

表示t时刻光伏电站第k个节点电压幅值的量测值平方；

表示t时刻第i个光伏单元输出的有功功率量测值；

表示t时刻光伏电站并网点输出功率的量测值。

针对灵敏度

的计算，将潮流约束式(2)线性化处理，可得：

根据式(10)，将灵敏度

分别展开为：

式中：

表示位于光伏电站节点i和节点k上游节点的集合；r_mn、x_mn分别表示光伏电站线路mn的电阻、电抗。

在本实施例中，根据式(9)更新第i个光伏单元输出功率

的过程中，将计算过程分为三部分：

其中，

在各光伏单元本地获取，根据各光伏单元的有功功率量测值

计算

根据光伏电站整体的量测值计算得到，根据光伏电站并网点输出的有功功率量测值

和站内各节点电压幅值量测值

计算得到

并将其发送至各光伏单元；最后将

组合计算得到光伏单元输出功率

并将其下发至光伏单元加以执行。

由此，本实施例设计双层控制器，如图1所示，控制0、控制

分别为与光伏电站整体、各光伏单元对应的控制；控制器0实时获取光伏电站并网点输出功率的量测值

和站内各节点电压幅值的量测值

计算得到

并将其发送至各光伏单元；各光伏单元控制器i根据本地光伏单元的有功出力量测值

计算得到

将

组合计算得到光伏单元输出功率

随着上述量测、计算和控制执行过程的不断进行，最终可使光伏单元输出功率不断趋于所构建优化问题的最优解。

实施例2

本实施例提供一种光伏电站调频-调压协同控制系统，包括：

优化模型构建模块，被配置为以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数，以上级电网有功调频指令和站内各节点电压为约束条件，构建调频-调压协同控制优化模型；

模型求解模块，被配置为以当前时刻下光伏电站并网点的有功功率、光伏单元的有功功率以及站内各节点的电压幅值为调频-调压协同控制优化模型的输入，输出光伏单元下一时刻的输出功率，以此控制光伏电站运行。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种光伏电站调频-调压协同控制方法，其特征在于，包括：

以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数，以上级电网有功调频指令和站内各节点电压为约束条件，构建调频-调压协同控制优化模型；

以当前时刻下光伏电站并网点的有功功率、光伏单元的有功功率以及站内各节点的电压幅值为调频-调压协同控制优化模型的输入，输出光伏单元下一时刻的输出功率，以此控制光伏电站运行；

所述目标函数为：

其中：f^t为t时刻光伏电站优化的目标函数；f_i ^t为t时刻第i个光伏单元优化的目标函数；N为光伏电站内部光伏逆变器的集合；

为t时刻第i个光伏逆变器容量；P_i ^t为t时刻第i个光伏逆变器输出的有功功率；

将光伏电站并网点输出功率约束和光伏电站各节点电压约束转移到目标函数中，得到增广目标函数：

式中：J^t表示增广目标函数；

表示t时刻光伏电站并网点输出功率；

表示t时刻光伏电站并网点输出功率的指令；

V_i ^t表示t时刻光伏电站节点i的电压幅值；

分别为光伏电站节点电压幅值上限与下限的平方值；γ^t表示t时刻光伏电站并网点输出功率约束的罚系数；

μ _i分别表示光伏电站节点i的电压上限约束的罚系数、下限约束的罚系数。

2.如权利要求1所述的一种光伏电站调频-调压协同控制方法，其特征在于，所述上级电网有功调频指令约束包括：t时刻光伏电站并网点输出的有功功率小于或等于t时刻光伏电站并网点输出有功功率的调频指令。

3.如权利要求2所述的一种光伏电站调频-调压协同控制方法，其特征在于，所述t时刻光伏电站并网点输出的有功功率为：与光伏电站并网点关联的节点所在线路的有功功率之和。

4.如权利要求1所述的一种光伏电站调频-调压协同控制方法，其特征在于，所述调频-调压协同控制优化模型还包括光伏电站内部的潮流约束、光伏电站内各光伏单元输出的有功功率约束和无功功率约束。

5.如权利要求1所述的一种光伏电站调频-调压协同控制方法，其特征在于，所述调频-调压协同控制优化模型为：

其中：

为投影函数；

表示在t+1时刻第i个光伏单元允许的输出功率集合；

为t+1时刻第i个光伏单元输出的有功功率和无功功率构成的向量；

为t时刻第i个光伏单元输出的有功功率和无功功率构成的向量；J^t为增广目标函数；α为迭代步长。

6.一种光伏电站调频-调压协同控制系统，其特征在于，包括：

优化模型构建模块，被配置为以光伏电站内光伏单元的无功调节容量之和最大为目标函数，以上级电网有功调频指令和站内各节点电压为约束条件，构建调频-调压协同控制优化模型；

模型求解模块，被配置为以当前时刻下光伏电站并网点的有功功率、光伏单元的有功功率以及站内各节点的电压幅值为调频-调压协同控制优化模型的输入，输出光伏单元下一时刻的输出功率，以此控制光伏电站运行；

所述目标函数为：

其中：f^t为t时刻光伏电站优化的目标函数；f_i ^t为t时刻第i个光伏单元优化的目标函数；N为光伏电站内部光伏逆变器的集合；

为t时刻第i个光伏逆变器容量；P_i ^t为t时刻第i个光伏逆变器输出的有功功率；

将光伏电站并网点输出功率约束和光伏电站各节点电压约束转移到目标函数中，得到增广目标函数：

式中：J^t表示增广目标函数；

表示t时刻光伏电站并网点输出功率；

表示t时刻光伏电站并网点输出功率的指令；

V_i ^t表示t时刻光伏电站节点i的电压幅值；

U＝(V)²，分别为光伏电站节点电压幅值上限与下限的平方值；γ^t表示t时刻光伏电站并网点输出功率约束的罚系数；

μ _i分别表示光伏电站节点i的电压上限约束的罚系数、下限约束的罚系数。

7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-5任一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-5任一项所述的方法。

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