CN113078660A - 虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法及系统，本发明包括根据当前环境条件下的温度T、光照强度的值E确定环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U，并在此的基础上，基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP，以及光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂。本发明采用光伏发电系统调频模型可计算出光伏发电系统调频性能及对电力系统的影响，能够实现对光伏发电系统参与一次调频的情况进行仿真，验证光伏发电系统建模及调频策略的有效性，提高对光伏能源的消纳能力及电力系统的安全稳定性。

Description

虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法及系统

技术领域

本发明涉及光伏发电系统调频及建模技术，具体涉及一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法及系统。

背景技术

随着国家节能减排政策的推动和新能源研究的不断深入，光伏发电系统得到了快速发展并获得了广泛应用。光伏发电系统由于其不受能源资源、原材料和应用环境限制，被认为是应用前景最广泛的能源之一。但随着光伏发电在电力系统中的占比增加，电力系统惯性将降低，调频能力下降，从而威胁电网的安全稳定运行。基于以上问题，如何最大程度地利用光伏能源并改善含光伏能源电力系统的调频能力，已成为保障电力系统稳定、促进电力系统健康发展的重要课题。针对考虑含光伏能源的电力系统稳定性问题，国内外学者已进行大量研究，主要有以下几个方面：对并网光伏发电系统的控制方式、并网光伏对电力系统频率的影响、光伏发电系统参与一次调频的原理、建立分布式光伏发电系统模型、光伏发电系统接入位置及容量配置对配电网线路保护和短路电流的影响等。但是，上述研究内容均未考虑或未充分考虑光伏发电系统参与一次调频及其对电力系统的影响，也没有对光伏发电系统调频进行建模并辅以仿真算例分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法及系统，本发明采用光伏发电系统调频模型可计算出光伏发电系统调频性能及对电力系统的影响，能够实现对光伏发电系统参与一次调频的情况进行仿真，验证光伏发电系统建模及调频策略的有效性，提高对光伏能源的消纳能力及电力系统的安全稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，包括：

1)根据当前环境条件下的温度T、光照强度的值E确定环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U；

2)在得到环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U的基础上，基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP。

可选地，步骤2)中基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP的函数表达式如下式所示：

ΔP＝n·f₁(U/m)·U-n·f₁(V′_m·R/m)·(V′_m·R/m)

上式中，n为光伏发电系统中电池组件的并联数量，f₁为光伏输出电流函数，U为光伏阵列端口电压，m为光伏发电系统中电池组件的串联数量，Vˊ_m为环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压，R为光伏发电系统初始减载水平。

可选地，光伏输出电流函数f₁的计算函数表达式为：

上式中，I_sc为标准条件下电池组件的短路电流，V^Ba为当前条件下电池组件端口电压，V_oc为标准条件下电池组件的开路电压，C₁和C₂为中间变量，I_m ^Ba和V_m ^Ba分别为标准环境条件下电池组件的最大功率点电流和最大功率点电压。

可选地，步骤1)中环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m的计算函数表达式为：

上式中，V_m ^Ba为标准环境条件下电池组件的最大功率点电压，γ和β分别为不同的补偿系数，T为当前环境条件下的温度，T_ref为标准条件下的温度，E为当前环境条件下光照强度的值，E_ref为标准条件下光照强度的值，m为光伏发电系统中电池组件的串联数量。

可选地，步骤1)中光伏阵列端口电压U的计算函数表达式为：

上式中，Vˊ_m为环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压，R为光伏发电系统初始减载水平，K_p为PI控制器比例环节参数，K_i为PI控制器积分环节参数，K为惯性环节参数，ΔF₁(t)为t时刻光伏未参与调频时电网频率改变量，ΔF₁(t)＝F₀-F，其中F₀为电网额定频率，F为t时刻光伏未参与调频时电网频率，t为时间。

可选地，步骤2)中还包括基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂的步骤，且预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂的函数表达式如下式所示：

ΔF₂＝(ΔP_EN+ΔP-ΔP_D)/K_G

上式中，ΔP_EN为环境参数变化时光伏发电系统的出力变化，ΔP为光伏发电系统参与调频后的调频功率，ΔP_D为负荷变化量，K_G为常规发电机组功频静特性系数。

可选地，步骤2)之后还包括在光伏出力变化量ΔP_PV、负荷变化量ΔP_D两者之差发生阶跃变化的情况下，根据预设的光伏发电系统调频模型得到的光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂生成含光伏发电系统频率特性曲线的步骤。

可选地，步骤2)之后还包括控制光照强度变化下使得当前环境条件下光照强度的值E发生变化的情况下，根据预设的光伏发电系统调频模型得到的光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂生成含光伏发电系统频率特性曲线的步骤。

此外，本发明还提供一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法的步骤。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明包括根据当前环境条件下的温度T、光照强度的值E确定环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U，并在此的基础上，基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP，以及光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂。本发明采用光伏发电系统调频模型可计算出光伏发电系统调频性能及对电力系统的影响，能够实现对光伏发电系统参与一次调频的情况进行仿真，验证光伏发电系统建模及调频策略的有效性，提高对光伏能源的消纳能力及电力系统的安全稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中含虚拟同步机控制光伏发电系统的电力系统示意图。

图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图3为本发明实施例中负荷阶跃变化时生成的含光伏发电系统频率特性曲线。

图4为本发明实施例中光照强度变化时生成的含光伏发电系统频率特性曲线。

图5为虚拟同步机控制的光伏发电系统调频及建模流程图。

具体实施方式

图1为本发明实施例中含虚拟同步机控制光伏发电系统的电力系统的结构示意图，参见图1，其中光伏发电系统通过变压器与同步发电机共同连接于母线Bus 2的一侧，通过母线Bus 2另一侧通过另一变压器为母线Bus 3上的单一负荷Load A供电；其中光伏发电系统包括电池组件、逆变器以及用于控制逆变器的直流电压控制器。

如图2所示，本实施例虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法包括：

1)根据当前环境条件下的温度T、光照强度的值E确定环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U；

2)在得到环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U的基础上，基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP。

本实施例中，步骤2)中基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP的函数表达式如下式所示：

ΔP＝n·f₁(U/m)·U-n·f₁(V′_m·R/m)·(V′_m·R/m)

上式中，n为光伏发电系统中电池组件的并联数量，f₁为光伏输出电流函数，U为光伏阵列端口电压，m为光伏发电系统中电池组件的串联数量，Vˊ_m为环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压，R为光伏发电系统初始减载水平。

本实施例中，光伏输出电流函数f₁的计算函数表达式为：

上式中，I_sc为标准条件下电池组件的短路电流，V^Ba为当前条件下电池组件端口电压，V_oc为标准条件下电池组件的开路电压，C₁和C₂为中间变量，I_m ^Ba和V_m ^Ba分别为标准环境条件下电池组件的最大功率点电流和最大功率点电压。

本实施例中，步骤1)中环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m的计算函数表达式为：

上式中，V_m ^Ba为标准环境条件下电池组件的最大功率点电压，γ和β分别为不同的补偿系数，T为当前环境条件下的温度，T_ref为标准条件下的温度，E为当前环境条件下光照强度的值，E_ref为标准条件下光照强度的值，m为光伏发电系统中电池组件的串联数量。

本实施例中，步骤1)中光伏阵列端口电压U的计算函数表达式为：

上式中，Vˊ_m为环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压，R为光伏发电系统初始减载水平，K_p为PI控制器比例环节参数，K_i为PI控制器积分环节参数，K为惯性环节参数，ΔF₁(t)为t时刻光伏未参与调频时电网频率改变量，ΔF₁(t)＝F₀-F，其中F₀为电网额定频率，F为t时刻光伏未参与调频时电网频率，t为时间。

本实施例中，步骤2)中还包括基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂的步骤，且预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂的函数表达式如下式所示：

ΔF₂＝(ΔP_EN+ΔP-ΔP_D)/K_G

上式中，ΔP_EN为环境参数变化时光伏发电系统的出力变化，ΔP为光伏发电系统参与调频后的调频功率，ΔP_D为负荷变化量，K_G为常规发电机组功频静特性系数。

作为一种可选的实施方式，本实施例中步骤2)之后还包括在光伏出力变化量ΔP_PV、负荷变化量ΔP_D两者之差发生阶跃变化的情况下，根据预设的光伏发电系统调频模型得到的光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂生成含光伏发电系统频率特性曲线的步骤。具体地，本实施例中设置仿真事件为第100秒负荷有功功率上升9.5％，无功功率不变，设置总仿真时间200秒，光伏发电系统参与调频前、后的电力系统频率变化趋势如图3所示。

作为一种可选的实施方式，本实施例中步骤2)之后还包括控制光照强度变化下使得当前环境条件下光照强度的值E发生变化的情况下，根据预设的光伏发电系统调频模型得到的光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂生成含光伏发电系统频率特性曲线的步骤。具体地，本实施例中设置光照强度为1000W/m²，第30秒开始每秒光照强度上升10W/m²，最大光照强度为1600W/m²，总仿真时间为200秒，光伏发电系统参与调频前、后的电力系统频率变化趋势如图4所示。

如图5所示，本实施例中步骤1)之前还包括建立光伏发电系统调频模型的步骤：

S1、建立光伏阵列模型。

S1.1、根据光伏电池组件的电气特性，建立光伏电池组件模型，模型输入为当前环境条件下的电池组件温度T和光照强度E，输出为当前环境条件下光伏电池组件的最大功率点电流和最大功率点电压：

上式中，

和

分别为当前环境条件和标准环境条件下光伏电池组件的最大功率点电流和最大功率点电压，

可由电池组件参数获取；T_ref、E_ref分别为标准环境条件下光伏电池组件温度和光照强度的值，其中T_ref＝25℃，E_ref＝1000W/m²；α、β、γ为补偿系数，通常分别取0.0025℃^-1，0.0005m²/W，0.00288℃^-1。

S1.2、建立光伏电池I-V特性模型，模型输入为当前条件下光伏电池端口电压V^Ba，输出为光伏电池输出电流I^Ba：

上式中，I_sc为标准条件下光伏电池的短路电流；V_oc为标准条件下光伏电池的开路电压，C₁和C₂为中间变量。

S1.3、在光伏电池组件模型的基础上搭建光伏阵列模型。

将光伏电池组件进行串、并联构成光伏阵列，当电池组件串联个数为m、并联个数为n时，获得的光伏阵列的最大功率点电流I′_m、最大功率点电压V′_m分别为：

据此计算当前环境条件下的光伏阵列的最大输出功率P′_m：

上式中，P_m为标准条件下光伏阵列最大输出功率。

S2、建立光伏发电系统减载运行方式下端口电压控制模型。

采用虚拟同步机控制方式实现光伏发电系统减载运行方式下的调频功率控制，模型输入量为光伏未参与调频时电网频率改变量ΔF₁，环境参数变化时光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压V′_m，光伏发电系统初始减载水平R，输出为光伏阵列端口电压U：

U＝V′_m(R+r(t)) (10)

上式中，ΔF₁＝F₀-F，F₀为电网额定频率50Hz；r为光伏发电系统浮动减载水平，根据虚拟同步机控制函数确定；K_p为PI控制器比例环节参数；K_i为PI控制器积分环节参数；K为惯性环节参数。

S3、建立光伏发电系统调频特性模型

在S2的基础上建立含光伏发电系统的简易电力系统模型；设置光伏发电系统参数，包括光伏电池组件的最大功率点的电压电流、光伏阵列的串并联数目、光照强度和环境温度等；以及电力系统元件参数，包括发电机和负荷的功率、变压器的变比和连接方式、母线和光伏阵列端点的标称电压等。进行负荷阶跃和光照强度变化等场景下的光伏发电系统调频性能验证。本实施例中，光伏发电系统调频模型输入量为光伏发电系统初始出力P₀，环境参数变化时光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压V′_m，当前环境条件下光伏阵列端口电压U，负荷改变量ΔP_D，输出量为调频功率ΔP和光伏参与调频后电网频率变化量ΔF₂：

ΔP_PV＝ΔP_EN+ΔP (13)

ΔP_D＝ΔP_PV+ΔP_G (14)

其中ΔP_G为常规发电机组输出功率变化量；P_EN为环境参数变化时光伏发电系统未参与调频的出力；ΔP_EN为环境参数变化时光伏发电系统出力变化，I_EN和U_EN分别环境参数变化时光伏发电系统未参与调频的输出电流和端口电压，由光伏输出电流函数f₁确定，参考公式(3)；ΔP_PV为光伏出力变化量，光伏功率P_PV由U_EN为环境参数变化时光伏发电系统未参与调频的输出电压；K_G为常规发电机组功频静特性系数。

综上所述，本实施例中光伏发电系统调频模型的建立过程包括建立光伏阵列模型；建立光伏发电系统模型；建立光伏发电系统减载运行方式下端口电压控制模型；建立光伏发电系统调频特性模型，进行负荷阶跃和光照强度变化场景下的调频特性验证，通过上述过程，使得光伏发电系统调频模型建立了光伏发电系统调频性能及对电力系统的影响，能实现对光伏发电系统的正确建模并验证光伏发电系统采用相关调频策略的有效性，能够实现对光伏发电系统参与一次调频的情况进行仿真，从而验证光伏发电系统建模及调频策略的有效性，提高对光伏能源的消纳能力及电力系统的安全稳定性。可用于定量地研究环境温度、光照强度等参数影响下的光伏发电系统特性曲线，提高了光伏发电系统建模的准确性，能快速响应各类仿真事件并参与系统调频，对进一步研究光伏发电系统参与调频具有实际意义，能够将系统频率变化定量地分为环境参数影响和调频功率影响两部分，有利于进一步评估各种因素影响的光伏调频实际效益。

此外，本实施例还提供一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法的步骤。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，包括：

1)根据当前环境条件下的温度T、光照强度的值E确定环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U；

2)在得到环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m、光伏阵列端口电压U的基础上，基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，步骤2)中基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的调频功率ΔP的函数表达式如下式所示：

ΔP＝n·f₁(U/m)·U-n·f₁(V′_m·R/m)·(V′_m·R/m)

上式中，n为光伏发电系统中电池组件的并联数量，f₁为光伏输出电流函数，U为光伏阵列端口电压，m为光伏发电系统中电池组件的串联数量，Vˊ_m为环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压，R为光伏发电系统初始减载水平。

3.根据权利要求2所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，光伏输出电流函数f₁的计算函数表达式为：

上式中，I_sc为标准条件下电池组件的短路电流，V^Ba为当前条件下电池组件端口电压，V_oc为标准条件下电池组件的开路电压，C₁和C₂为中间变量，I_m ^Ba和V_m ^Ba分别为标准环境条件下电池组件的最大功率点电流和最大功率点电压。

4.根据权利要求1所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，步骤1)中环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压Vˊ_m的计算函数表达式为：

上式中，V_m ^Ba为标准环境条件下电池组件的最大功率点电压，γ和β分别为不同的补偿系数，T为当前环境条件下的温度，T_ref为标准条件下的温度，E为当前环境条件下光照强度的值，E_ref为标准条件下光照强度的值，m为光伏发电系统中电池组件的串联数量。

5.根据权利要求4所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，步骤1)中光伏阵列端口电压U的计算函数表达式为：

上式中，Vˊ_m为环境参数变化且光伏发电系统未参与调频时的最大功率点电压，R为光伏发电系统初始减载水平，K_p为PI控制器比例环节参数，K_i为PI控制器积分环节参数，K为惯性环节参数，ΔF₁(t)为t时刻光伏未参与调频时电网频率改变量，ΔF₁(t)＝F₀-F，其中F₀为电网额定频率，F为t时刻光伏未参与调频时电网频率，t为时间。

6.根据权利要求1所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，步骤2)中还包括基于预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂的步骤，且预设的光伏发电系统调频模型计算光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂的函数表达式如下式所示：

ΔF₂＝(ΔP_EN+ΔP-ΔP_D)/K_G

上式中，ΔP_EN为环境参数变化时光伏发电系统的出力变化，ΔP为光伏发电系统参与调频后的调频功率，ΔP_D为负荷变化量，K_G为常规发电机组功频静特性系数。

7.根据权利要求6所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，步骤2)之后还包括在光伏出力变化量ΔP_PV、负荷功率变化量ΔP_D两者之差发生阶跃变化的情况下，根据预设的光伏发电系统调频模型得到的光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂生成含光伏发电系统频率特性曲线的步骤。

8.根据权利要求6所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法，其特征在于，步骤2)之后还包括控制光照强度变化下使得当前环境条件下光照强度的值E发生变化的情况下，根据预设的光伏发电系统调频模型得到的光伏发电系统参与调频后的电力系统频率变化量ΔF₂生成含光伏发电系统频率特性曲线的步骤。

9.一种虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，该微处理器被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述的虚拟同步机控制的光伏发电系统调频模型的应用方法的计算机程序。

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