CN112994038A - 一种新能源一次调频控制方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源一次调频控制方法、系统和装置，所述方法首先采集新能源场站并网点电压，利用并网点电压计算并网点频率f；再根据并网点频率f的大小，确定功率目标值，并将功率目标值下发到下级执行单元进行功率调节，在并网情况下，系统频率跌落相同的条件下，优化后的控制方法能够更加快速的提供有功功率支撑，以弥补系统有功功率不足，且优化后的控制方法增强了系统的抗干扰能力；系统有功出力相同的条件下，最大的减小了系统频率跌落，有效抑制了频率波动，提高了电网频率的稳定性和一次调频的快速性。

Description

一种新能源一次调频控制方法、系统和装置

技术领域

本发明属于新能源一次调频技术领域，具体涉及一种新能源一次调频控制方法、系统和装置。

背景技术

随着大容量高比例的新能源集中接入电网，电源结构发生较大变化，电网可用的快速频率响应资源的占比逐步减少，电网的调频压力及安全运行风险不断增大，亟需新能源参与电网快速频率响应，提升大电网频率风险防控水平。

新能源场站配置快速一次调频装置，大电网的频率调节速度和精度都将得到大幅改善，电站整体发电控制效果将进一步提升，能更加快速、准确的响应电网调度指令，对电网安全稳定运行具有重要意义。

目前新能源(风电场、光伏发电站)场站利用相应的有功控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功-频率下垂特性控制，使其在并网点具备参与电网频率快速调整能力。

新能源场站一次调频功能通过设定频率与有功功率函数实现，即

式中：f_d为一调频死区边界值，Hz；f_e为系统额定频率，Hz；P_e为额定功率，MW；δ％为新能源一次调频调差率；P₀为有功功率初值，MW，f_max，f_min分别为一次调频动作区上限频率和下限频率，单位为Hz，图1为新能源参与电网一次调频的下垂曲线。

根据上述一次调频下垂曲线可以看出，新能源场站有功功率与频率的关系曲线可以近似看成具有不变关系的直线，其直线斜率为

近年来，越来越多的新能源(风电场、光伏发电站)场站接入电网，这类电源自身出力的不确定相和随机性系统功率平衡带来一定的冲击，进而影响系统频率稳定。在一些网架结构薄弱的电网，当负荷短时间内出现较大的变化时，系统频率波动也会较大；同时，在一些微电网，由于这一类系统的电源结构含有大量不具有调频功能的清洁能源，负荷中存在大量频率特性较差的电力电子设备，整个系统的频率特性较差，在故障时频率往往会发生剧烈波动。按照常规一次调频控制方法，在进行一次调频过程中，频率会发生较大波动，不利于电网频率稳定性。且现有的控制方法未说明AGC调度指令值与一次调频之间的协调配合关系，不利于新能源场站一次调频工程应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的新能源占比高情况下，新能源场站采用的一次调频控制系统方法导致频率波动大、抗频率扰动能力差的问题，提供一种新能源一次调频控制方法、系统和装置。

为达到上述目的，本发明所述一种新能源一次调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集新能源场站并网点电压，利用并网点电压计算并网点频率f；

步骤2、根据并网点频率f的大小，确定一次调频功率目标值，并将一次调频功率目标值下发到下级执行单元进行功率调节：

1)当f≤f_min时，新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀+△P₁；△P₁为新能源场站上调有功功率调节量限幅值；

2)当f_max≤f时，新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀-△P₂；△P₂为新能源场站下调有功功率调节量限幅值；

3)当f_l≤f≤f_h时，接收AGC系统调度指令值P₀，并将AGC系统调度指令值作P₀为功率目标值转发给下级执行单元；

4)当f_min＜f＜f_l时，计算新能源场站当前功率调节量ΔP，若ΔP≥ΔP_1max，则将新能源场站当前功率调节量ΔP赋值给新能源场站上调功率最大调节量ΔP_1max；否则，ΔP_1max保持不变；

5)当f_h＜f＜f_max时，计算新能源场站当前功率调节量ΔP，若ΔP≥ΔP_2max，则将新能源场站当前功率调节量ΔP赋值给新能源场站下调功率最大调节量ΔP_2max；否则，ΔP_2max保持不变：新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀-ΔP_2max；

其中，f_max、f_min分别为一次调频动作区上限频率和一次调频动作区下限频率；f_l为一次调频死区下限定值，f_h为一次调频死区上限定值，

计算新能源场站一次调频功率目标值P_ref，将一次调频功率目标值P_ref作为功率目标值下发到变流器或逆变器进行一次调频：

若此时AGC系统下发调度指令值P₀ ^*，则判断下发的调度指令值P₀ ^*与当前执行的调度指令值P₀相比，是否满足调度AGC指令闭锁要求：

若是，则新能源场站一次调频功率目标值为：P_ref＝P₀+ΔP_1max或P_ref＝P₀-ΔP_2max；

否则，新能源场站一次调频功率目标值为：P_ref＝P₀ ^*+ΔP_1max或P_ref＝P₀ ^*-ΔP_2max。

进一步的，步骤2之4)中，在调频动作区，新能源场站一次调频功率调节量ΔP利用曲线或折线计算，在小频差一次调频动作区，当利用所述曲线或折线所进行新能源一次调频时，一次调频的功率调节量ΔP大于有功-频率下垂特性直线关系所确定的功率调节量。

进一步的，步骤2中之4)中，ΔP的计算公式为：

所述步骤2中之5)中，ΔP的计算公式为：

其中，P_e为新能源场站总有功功率，fe为电网的额定频率，a₀、a₁、a₂、a₃、…、a_n分别表示有给出的功功率与系统频率成零次方、一次方、二次方、三次方…、n次方的权重系数，δ％新能源场站调差率。

进一步的，步骤2中，当并网点频率f由调频动作区进入调频死区f_l≤f≤f_h内仍然按照低频调频动作区功率目标值P_ref＝P₀+ΔP_1max或高频动作调频动作区目标值P_ref＝P₀-ΔP_2max进行功率调节，持续t秒后，再将AGC调度指令值P₀作为功率目标值下发到变流器或逆变器进行功率调节，直到再次进入调频动作区；

所述调频动作区是指：f_min＜f＜f_l或f_h＜f＜f_max。

进一步的，0≤t≤60s。

进一步的，步骤2中，当f_min＜f＜f_l时，将f_min-m_o＜f＜f_l+m_o作为判据退出一次调频动作区；当f_h＜f＜f_max时，将f_h-m_o＜f＜f_max+m_o作为判据退出一次调频动作区，其中，m_o为频率回差系数。

进一步的，步骤2中，0Hz≤m_o≤0.005Hz。

一种新能源一次调频控制系统，包括：

数据采集模块，输出端和优化控制模块的输入端电连接，用于采集新能源场站并网点电压并传递至优化控制模块；

优化控制模块，用于根据新能源场站并网点电压计算并网点频率，并根据并网点频率计算功率目标值，并控制新能源场站进行功率调节。

一种新能源一次调频控制装置，包括电源插件和CPU插件，所述电源插件为整个装置提供工作电源，所述CPU插件用于执行上述的方法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明相比采用常规下垂控制参与电网一次调频控制方法，在并网情况下，系统频率跌落相同的条件下，本发明的新能源参与电网一次调频控制方法表达式为非线性曲线或折线控制，相比常规有功-频率下垂特性方法为直线控制，当f_min＜f＜f_l时，能够更快的提供有功功率支撑，当f_h＜f＜f_max时，能够更快的少发有功功率。所以本发明控制方法能够更加快速的提供有功功率支撑，以弥补系统有功功率不足，且本发明的控制方法增强了系统的抗干扰能力；系统有功出力相同的条件下，最大程度的减小了系统频率跌落，有效抑制了频率波动，提高了电网频率的稳定性和一次调频的快速性。

进一步的，为了防止装置在频率正常范围与调频动作范围交叉点处频繁的进行一次调频抖动，保证装置一次调频动作可靠性，在频率交叉点处设置频率回差系数m_o。

进一步的，当并网点频率f由调频动作区进入频率正常范围f_l≤f≤f_h内t秒后，再将AGC系统调度指令值P₀作为功率目标值进行功率调节，使系统稳定的回到死区，提高功率调节的稳定性。

附图说明

图1是现有的新能源参与电网一次调频下垂控制直线；

图2是本发明的新能源场站参与电网一次调频曲线控制方法；

图3是本发明的新能源场站参与电网一次调频折线控制方法；

图4是本发明的新能源参与电网一次调频控制系统流程图；

图5是现有一次调频和本发明的一次调频控制对频率影响仿真效果对比图；

图6是现有一次调频和本发明的一次调频控制方法功率调节量仿真对比图；

图5和图6中，实线为采用常规一次调频P-f下垂控制方法，虚线为改进后的一次调频优化控制方法仿真结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图3，本发明所述一种新能源一次调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1：分别给出的有功功率与频率成零次方、一次方、二次方、三次方…、n次方权重系数，用a₀、a₁、a₂、a₃、…、a_n表示。

步骤2：采集新能源场站并网点电压，利用并网点电压计算并网点频率f，判断并网点频率f是否在设定的正常范围f_l≤f≤f_h内，f_l、f_h分别为正常下限频率和正常上限频率，如果在设定正常范围f_l≤f≤f_h内，则接收自动发电控制系统(Automatic GenerationControl系统，AGC系统)调度指令值P₀，并将AGC系统调度指令值作P₀为功率目标值转发给下级执行单元；

步骤3：判断并网点频率f是否在设定一次调频动作区f_min<f<f_l或f_h<f<f_max内，f_max、f_min分别为一次调频动作区上限频率和一次调频动作区下限频率，实时计算新能源场站当前功率调节量ΔP，若ΔP≥ΔP_max，则将当前功率调节量ΔP赋值给新能源场站功率最大调节量ΔP_max：

1)当并网点频率f_min<f<f_l，新能源场站一次调频功率目标值

若f≤f_min时，新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀+ΔP_1max，△P₁为新能源场站当前上调功率调节量。

2)当并网点频率f_h<f<f_max，新能源场站一次调频功率目标值

若f_max≤f，新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀-ΔP_2max；△P₂为新能源场站当前下调功率调节量。

f_e为电网的额定频率，Hz；P_e为新能源场站总有功功率，MW；f_max，f_min分别为一次调频动作区上限频率和下限频率，Hz；f_l，f_h分别为正常下限频率和正常上限频率，Hz。如图2为本发明的新能源参与电网一次调频控制方法。

步骤4：并网点频率f处于一次调频动作范围f_min<f<f_l或f_h<f<f_max内时，装置进行一次调频动作，若此时AGC系统下发调度指令值P₀ ^*，则系统判断下发的调度指令值P₀ ^*与当前执行的调度指令值P₀相比，是否满足调度AGC指令闭锁要求：

若是，则新能源场站一次调频功率目标值为：P_ref＝P₀+ΔP_1max或P_ref＝P₀-ΔP_2max；

否则，新能源场站一次调频功率目标值为：P_ref＝P₀ ^*+ΔP_1max或P_ref＝P₀ ^*-ΔP_2max。

步骤5：并网点频率f在退出调频动作区进入频率正常范围f_l≤f≤f_h内时，仍然按照在调频动作区计算的新能源场站一次调频功率目标值作为功率目标值下发到变流器或逆变器进行功率调节，并延时t秒，延时时间t可整定；0≤t≤60s；

步骤6：延时t秒结束后，继续跟随AGC调度指令值P₀，并将ΔP_max赋值为0，即将AGC调度指令值P₀作为功率目标值下发到变流器或逆变器进行功率调节，直到再次进入调频动作区。

进一步的，为了防止装置在频率正常范围与调频动作范围交叉点处频繁的进行一次调频抖动，保证装置一次调频动作可靠性，在频率交叉点处设置频率回差系数m_o，该系数值可整定；具体方法如下：当系统频率f处于f_min<f<f_l调频动作区时，f_min-m_o<f<f_l+m_o作为判据退出一次调频动作区；当系统频率f处于f_h<f<f_max调频动作区时，f_h-m_o<f<f_max+m_o作为判据退出一次调频动作区，其中，m_o可整定。

进一步的，所述步骤4中，新能源场站当前功率调节量△P的计算方法是用曲线或折线进行新能源场站一次调频的特例，所有类似曲线或折线进行新能源一次调频方法，且在小频差调频动作区时，频率响应调差率大于常规有功-频率下垂特性一次调频调差率的，都在本发明范围之内。

一种新能源一次调频控制系统包括：

据采集模块，输出端和优化控制模块的输入端电连接，用于采集新能源场站并网点电压并传递至优化控制模块；

优化控制模块，用于根据新能源场站并网点电压计算并网点频率，并根据并网点频率计算功率目标值，并控制新能源场站进行功率调节。

一种新能源一次调频控制装置，采用插件后插装型式，包括电源插件、CPU插件、光纤及以太网通信插件、模拟量采集插件、开入开出插件等。电源插件为整个装置提供工作电源，CPU插件用于实现系统程序存储及运算,所述程序为执行上述步骤1至步骤6的程序，光纤及以太网通信插件用于为系统提供通信接口；模拟量采集插件用于采集并网点电压和电流；开入开出插件用于系统控制程序提供常开、常闭触点。

图5和图6中，实线为采用现有一次调频P-f下垂控制方法，虚线为本发明的一次调频控制方法仿真结果，在Matlab中仿真模拟对比了现有的一次调频控制方法和本发明的一次调频控制方法对频率调节效果、功率调节量。在t＝0～4s时间段，负载P1＝15kW(电动机负荷与频率的三次方成正比)接入，在t＝1.5～3s时间段，负载增大至P1＝30kW接入，在t＝0～2.5s时间段，电网处于并网模式，此时电网频率为f＝49.97Hz，在t＝2.5～4s时间段，系统处于离网模式。结果显示采用本发明的一次调频控制方法相比现有的一次调频控制方法，在相同负荷扰动情况下，系统频率波动小，频率抗扰动能力强。

新能源参与电网一次调频的常规下垂控制方法，并网点功率目标值P如下：

式中，P₀＝5kW，P_e＝100kW，f_l＝49.98Hz，f_e＝50Hz，δ％＝2％。

本发明的新能源参与电网一次调频控制方法，并网点功率目标值P如下：

式中，P₀＝5kW，P_e＝100kW，f_l＝49.98Hz，f_e＝50Hz，

δ％＝2％，a₃＝1。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新能源一次调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集新能源场站并网点电压，利用并网点电压计算并网点频率f；

步骤2、根据并网点频率f的大小，确定一次调频功率目标值，并将一次调频功率目标值下发到下级执行单元进行功率调节：

1)当f≤f_min时，新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀+△P₁；△P₁为新能源场站上调有功功率调节量限幅值；

2)当f_max≤f时，新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀-△P₂；△P₂为新能源场站下调有功功率调节量限幅值；

3)当f_l≤f≤f_h时，接收AGC系统调度指令值P₀，并将AGC系统调度指令值作P₀为功率目标值转发给下级执行单元；

4)当f_min＜f＜f_l时，计算新能源场站当前功率调节量ΔP，若ΔP≥ΔP_1max，则将新能源场站当前功率调节量ΔP赋值给新能源场站上调功率最大调节量ΔP_1max；否则，ΔP_1max保持不变；

5)当f_h＜f＜f_max时，计算新能源场站当前功率调节量ΔP，若ΔP≥ΔP_2max，则将新能源场站当前功率调节量ΔP赋值给新能源场站下调功率最大调节量ΔP_2max；否则，ΔP_2max保持不变：新能源场站一次调频功率目标值P_ref＝P₀-ΔP_2max；

其中，f_max、f_min分别为一次调频动作区上限频率和一次调频动作区下限频率；f_l为一次调频死区下限定值，f_h为一次调频死区上限定值，

计算新能源场站一次调频功率目标值P_ref，将一次调频功率目标值P_ref作为功率目标值下发到变流器或逆变器进行一次调频：

若此时AGC系统下发调度指令值P₀ ^*，则判断下发的调度指令值P₀ ^*与当前执行的调度指令值P₀相比，是否满足调度AGC指令闭锁要求：

若是，则新能源场站一次调频功率目标值为：P_ref＝P₀+ΔP_1max或P_ref＝P₀-ΔP_2max；

否则，新能源场站一次调频功率目标值为：P_ref＝P₀ ^*+ΔP_1max或P_ref＝P₀ ^*-ΔP_2max。

2.根据权利要求1所述的一种新能源一次调频控制方法，其特征在于，所述步骤2之4)中，在调频动作区，新能源场站一次调频功率调节量ΔP利用曲线或折线计算，在小频差一次调频动作区，当利用所述曲线或折线所进行新能源一次调频时，一次调频的功率调节量ΔP大于有功-频率下垂特性直线关系所确定的功率调节量。

3.根据权利要求1或2所述的一种新能源一次调频控制方法，其特征在于，所述步骤2中之4)中，ΔP的计算公式为：

所述步骤2中之5)中，ΔP的计算公式为：

其中，P_e为新能源场站总有功功率，fe为电网的额定频率，a₀、a₁、a₂、a₃、…、a_n分别表示给出的有功功率与系统频率成零次方、一次方、二次方、三次方…、n次方的权重系数，δ％为新能源场站调差率。

4.根据权利要求1所述的一种新能源一次调频控制方法，其特征在于，所述步骤2中，当并网点频率f由调频动作区进入调频死区f_l≤f≤f_h内仍然按照低频调频动作区功率目标值P_ref＝P₀+ΔP_1max或高频动作调频动作区目标值P_ref＝P₀-ΔP_2max进行功率调节，持续t秒后，再将AGC调度指令值P₀作为功率目标值下发到变流器或逆变器进行功率调节，直到再次进入调频动作区；

所述调频动作区是指：f_min＜f＜f_l或f_h＜f＜f_max。

5.根据权利要求2所述的一种新能源一次调频控制方法，其特征在于，0≤t≤60s。

6.根据权利要求1所述的一种新能源一次调频控制方法，其特征在于，所述步骤2中，当f_min＜f＜f_l时，将f_min-m_o＜f＜f_l+m_o作为判据退出一次调频动作区；当f_h＜f＜f_max时，将f_h-m_o＜f＜f_max+m_o作为判据退出一次调频动作区，其中，m_o为频率回差系数。

7.根据权利要求4所述的一种新能源一次调频控制方法，其特征在于，所述步骤2中，0Hz≤m_o≤0.005Hz。

8.一种新能源一次调频控制系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，输出端和优化控制模块的输入端电连接，用于采集新能源场站并网点电压并传递至优化控制模块；

优化控制模块，用于根据新能源场站并网点电压计算并网点频率，并根据并网点频率计算功率目标值，并控制新能源场站进行功率调节。

9.一种新能源一次调频控制装置，其特征在于，包括电源插件和CPU插件，所述电源插件为整个装置提供工作电源，所述CPU插件用于执行权利要求1-7任意一项所述的方法。

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