CN113890085B - 一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法及系统，用于为交流系统提供主动频率支撑。本发明基于虚拟惯量策略实现，具体为：于并网逆变器的控制系统中部署基于频率偏差的直流母线电压外环控制，利用直流母线电容储存的电能产生附加的惯性响应，增加系统惯量，同时将电网频率偏差信息转换为直流母线电压的变化，实现无通讯的频率控制；另外，部署基于直流优化器的分散式虚拟惯量控制，实现光伏组件备用功率更充分且自适应地利用，从而根据由频率偏差引起的电压变化动态地调整各光伏发电单元的有功出力，模拟与同步发电机相似的惯性响应，进一步提高系统惯量。本发明可以提高大规模光伏电站调频备用功率的利用效率，改善交流系统频率指标。
Description
技术领域
本发明属于新能源并网发电技术领域，更具体地，涉及一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法及系统。
背景技术
近年来，随着电力系统中光伏发电比例的不断升高，基于直流优化器(DCoptimizer,DCO)的分散式最大功率点跟踪技术受到广泛关注，该技术可以有效地减少大规模光伏阵列在局部阴影遮挡情况下的能量损失，提高光伏系统发电效率。面对新能源发电逐渐占据主导的电力系统发展趋势，基于DCO的大规模分布式光伏电站将有望成为未来大规模光伏并网发电的主要手段。然而，将大规模的光伏发电容量并入电力系统将导致系统惯量大幅度下降，加之光伏出力的波动性，仅依靠同步发电机的频率调节方式难以应对电力系统低频/过频率事件，加剧动态频率响应的恶化，造成同步机脱网甚至电网解列等严重故障。因此，未来以新能源为主导的新型电力系统要求光伏电站在频率发生波动时能够提供主动地频率支撑，以增强电力系统的频率调节能力。
目前有关大规模光伏场站参与电力系统频率调节的控制方法多适用于集中式并网的单级或双级光伏电站，此类集中式光伏电站采用全局最大功率点跟踪技术，在多发的局部阴影遮挡情况下发电效率较低，使得用于频率调节的备用光伏容量减少，调频能力受限。因此，针对基于DCO的大规模分布式光伏电站需要提出相应的分散式调频控制方法及系统以有效地提高大规模光伏电站并网的频率调节能力。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法及系统，用以解决现有大规模集中式光伏电站调频能力受限的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法；
其中，光伏电站包括光伏阵列；光伏阵列包括多个并联的光伏串；光伏串包括多个串联的光伏发电单元；光伏发电单元包括相互连接的光伏组件和直流优化器；在光伏并网系统正常运行阶段，光伏阵列中的各光伏发电单元由其中的直流优化器控制在减载模式，留有一定的备用功率，以满足并网交流系统的频率调节需求；
上述光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，包括：在光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，执行以下步骤：
S1、通过将交直流公共耦合点频率偏差信息引入并网逆变器的直流母线电压控制环中，使得直流母线电压的参考值发生动态变化，进而使得光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压同步发生变化；
S2、对光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压的变化趋势进行测量，以对光伏并网系统的频率事件类型进行判断；当电容电压升高时，判定光伏并网系统发生过频率事件；当电容电压降低时，判定光伏并网系统发生低频率事件；
S3、分别对各直流优化器，分别将其输出端口电容电压信号依次通过低通滤波器与微分环节，得到各直流优化器输出端口电容电压的变化率；随后各直流优化器控制系统分别根据对应的直流优化器输出端口电容电压的变化率，结合光伏并网系统的频率事件类型，通过基于电压变化的分散式虚拟惯量控制得到各光伏组件所应调整的工作电压变化量，并对应输入至各直流优化器的控制参考点处，最后经定电压控制调节光伏单元工作电压，从而改变各光伏发电单元的有功出力，以增强光伏并网系统的惯量，进而实现光伏电站对于并网交流系统的主动频率支撑功能。
进一步优选地，步骤S1中，上述直流母线电压动态变化的参考值的计算公式如下：
其中，Kfvsc为频率-电压转换系数，f为并网交流系统频率瞬时值，f0为并网交流系统额定频率，VDCref为直流母线电压的初始参考值，Hc为电容虚拟惯量系数，Cinv为直流母线电容值。
进一步优选地，步骤S3包括：
S31、分别对各直流优化器，分别将其输出端口电容电压信号输入低通滤波器中，滤除掉因引入频率偏差信息所间接产生的电压高频分量后，对滤波后的输出端口电容电压信号进行微分求导处理，得到各直流优化器相应的输出电压变化率；
S32、分别对各光伏组件，分别根据其最大输出功率、光伏电站功率备用系数以及对应的直流优化器的输出电压变化率，计算得到各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量；
S33、分别对各光伏组件，分别根据其功率-电压特性曲线和光伏并网系统的频率事件类型，计算得到各光伏组件对应直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数；
S34、分别对各光伏组件，计算其提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量与对应直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数的乘积，得到各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量；
S35、将各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量，分别叠加到对应直流优化器定电压控制参考点处，以调节各光伏组件有功出力，以增强光伏并网系统的惯量。
进一步优选地，光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量的计算公式如下：
其中，(i，j)用于表示光伏组件在光伏阵列中的位置，i和j分别为光伏阵列中并联的光伏串编号及串联的光伏组件编号；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的电压型虚拟惯量系数；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器的输出电压变化率；vdci,j为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器滤波后的输出端口电容电压信号；t表示时间变量；KVi,j为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器输出端口电容电压的放大系数；Kfvsc为频率-电压转换系数；Rpv为光伏电站功率备用系数；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的最大输出功率；为并网交流系统频率变化率阈值；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器输出端口电容电压的初始值；VDCref为直流母线电压的初始参考值。
进一步优选地，记光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数为
当光伏并网系统的频率事件类型为低频率事件时，为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B的连线斜率的倒数，即其中，为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B之间的电压差；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B之间的功率差；
当光伏并网系统的频率事件类型为过频率事件时，为减载运行点B对应的电压相对于功率的导数，即
进一步优选地，光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量的计算公式为：
第二方面，本发明还提供了一种光伏电站无通讯分散式频率支撑系统，其中，光伏电站包括光伏阵列；光伏阵列包括多个并联的光伏串；光伏串包括多个串联的光伏发电单元；光伏发电单元包括相互连接的光伏组件和直流优化器；在光伏并网系统正常运行阶段，光伏阵列中的各光伏发电单元由其中的直流优化器控制在减载模式，留有一定的备用功率，以满足并网交流系统的频率调节需求；
光伏电站无通讯分散式频率支撑系统，包括：频率支撑控制器，用于在光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，执行本发明第一方面所提供的频率支撑方法中的步骤S1-S3。
第三方面，一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现本发明第一方面所提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，在光伏并网系统层面，于并网逆变器的控制系统中部署基于频率偏差的直流母线电压外环控制，利用直流母线电容储存的电能产生附加的惯性响应，增加系统惯量，同时将电网频率偏差信息转换为直流母线电压的变化，实现无通讯的频率控制；在光伏组件层面，部署基于直流优化器的分散式虚拟惯量控制，实现光伏组件备用功率更充分且自适应地利用，从而根据由频率偏差引起的电压变化动态地调整各光伏发电单元的有功出力，模拟与同步发电机相似的惯性响应，进一步提高系统惯量。本发明所提供的分散式频率支撑方法基于虚拟惯量策略实现，可以使大规模分布式光伏电站自主地响应并网交流系统频率变化，调整功率输出，大幅度增强系统惯量，进而在交流系统发生低频或过频事件时有效地改善系统频率变化率、动态频率最低点等频率指标，相比于现有的大规模集中式光伏电站大大提高了光伏电站的发电效率，频率调节能力较强。
2、本发明所提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，将交流系统的频率偏差信息转换为直流母线电压的变化，进一步影响光伏阵列中各串并联直流优化器的输出电压，使得各光伏发电单元无需任何通讯设备对并网交流系统主动地提供分散式的频率支撑，避免了各光伏组件的直流优化器与交直流系统公共耦合点之间的繁杂通讯，从而降低了该频率支撑方法的部署成本。
3、本发明所提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，对光伏阵列中各光伏发电单元部署定电压控制，通过对光伏功率-电压特性曲线进行分析，将光伏并网系统发生低频率事件和过频率事件的场景分别进行处理，对低频率事件场景采用以横截线代替光伏功率-电压特性曲线的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数的计算方法，对过频率事件场景采用以切线代替光伏功率-电压特性曲线的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数的计算方法；通过以直线代替曲线的光伏组件功率-电压转换计算方法，使得在相同的调频功率指令值(用于提供虚拟惯性响应)情况下对应的光伏组件工作电压参考值的调整量更大，这样反馈给直流优化器定电压控制的调节范围更大，从而光伏发电单元的输出功率能够根据并网交流系统的频率波动作出更大程度的调整，最终大幅度提高了光伏电站调频备用功率的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的光伏组件减载模式运行示意图；
图2为本发明实施例1提供的在光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时光伏电站无通讯分散式频率支撑方法流程示意图；
图3为本发明实施例1提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法所对应的控制原理图；
图4为本发明实施例提供的基于电压变化的虚拟惯量控制所需功率-电压转换系数的计算示意图；
图5为本发明实施例1提供的用于仿真测试的含大规模直流优化器的分布式光伏电站并入两区域交流系统的拓扑结构图；
图6为本发明实施例1提供的光伏并网系统发生低频率事件后测量得到的系统频率、频率变化率和光伏电站输出功率的仿真曲线示意图；
图7为本发明实施例1提供的光伏并网系统发生过频率事件后测量得到的系统频率、频率变化率和光伏电站输出功率的仿真曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法及系统，其目的在于通过部署光伏组件级别的直流优化器及其分散式虚拟惯量控制，并结合并网逆变器直流母线电容的虚拟惯量模拟，实现光伏阵列各发电单元无通讯地主动提供频率支撑，提高大规模光伏电站调频能力，同时减少控制部署成本。下面结合实施例进行详述：
实施例1、
一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，用于为并网交流系统提供主动频率支撑；
其中，光伏电站包括光伏阵列；光伏阵列包括多个并联的光伏串；光伏串包括多个串联的光伏发电单元；光伏发电单元包括相互连接的光伏组件和直流优化器；在光伏并网系统正常运行阶段，光伏阵列中的各光伏发电单元由其中的直流优化器控制在减载模式，留有一定的备用功率，以满足并网交流系统的频率调节需求；
需要说明的是，本发明所针对的光伏电站为包含大规模直流优化器(也称微型直流/直流变换器)的分布式光伏电站，其特点为：将一定数量的光伏组件串联后得到光伏串，再将一定数量的光伏串并联后形成光伏阵列，其中，各光伏组件均连接一个直流优化器，从而实现光伏发电单元的分散式控制策略部署；这里的光伏阵列又称“光伏-直流优化器”阵列；上述光伏电站经直流母线接入并网逆变器，并网逆变器的输出端口与交流母线节点(又称交直流公共耦合点)相连，形成光伏并网系统，最终将功率注入交流电网；具体地，光伏并网系统包括光伏电站、逆变器和并网交流系统。
为了满足光伏电站提供主动频率支撑的需求，在光伏并网系统正常运行阶段，光伏阵列中各光伏组件均工作在最大功率点之下，留有一定的备用功率，即减载运行模式，可通过直流优化器配置定电压型有功功率备用控制(Active power reserve control,APRC)实现。实施方式为：根据光伏阵列中各组件所处工作环境的光照强度及温度，结合光伏电池的通用性工程计算模型可得出各光伏组件的最大功率点对应的输出功率，随后按照一定的功率备用系数计算各光伏组件减载运行点的输出功率和工作电压，将减载工作电压作为参考值输入光伏组件所连接的直流优化器的定电压控制系统，从而控制光伏组件运行在减载模式，留有一定备用功率。
值得注意的是，由光伏功率-电压特性曲线可知同一减载功率对应的光伏组件工作电压值有两个，如图1所示，本发明实施例中定义最大功率点右半平面作为光伏单元的工作区域，故选取电压较大者作为定电压控制的参考值，阵列中各光伏组件的功率备用率选为相同值。
具体地，上述光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，包括：如图2所示，在光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，执行以下步骤：
S1、通过将交直流公共耦合点频率偏差信息引入并网逆变器的直流母线电压控制环中，使得直流母线电压的参考值发生动态变化，进而使得光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压同步发生变化；
具体地，如图3所示为本实施例所提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法所对应的控制原理图；在光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，通过将交直流公共耦合点频率偏差信息引入并网逆变器的直流母线电压控制环，使得直流母线电压的参考值发生动态变化，以实现光伏电站的无通讯调频控制，降低控制方法的部署成本；同时直流母线电压跟随其动态变化的电压参考值发生变化，直流母线电容储存的能量会根据直流母线电压变化吸收或释放电能，提供惯性响应，此时，光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压随即发生同步地变化。
其中，直流母线电压动态变化的参考值的计算公式如下：
其中，Kfvsc为频率-电压转换系数，f为并网交流系统频率瞬时值，f0为并网交流系统额定频率，VDCref为直流母线电压的初始参考值，Hc为电容虚拟惯量系数，Cinv为直流母线电容值。
当直流母线电压发生变化后，母线电容会产生相应的动态功率。由于直流母线电容储能的能量与直流母线电压的平方成正比，推导得出电容功率与直流母线电压的导数成正比。因此依据系统频率偏差计算动态电压参考值，等效于依据系统频率的变化率确定电容功率的大小，从而决定母线电容释放或吸收能量，为系统增加虚拟惯量，同时系统频率偏差信息转换为直流母线电压信息，实现无通讯的调频控制。
S2、对光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压的变化趋势进行测量，对于负荷扰动或线路故障发生后光伏并网系统的的频率事件类型进行判断，用于后续分别针对低频率或过频率事件实施相应的控制手段；其中，当电容电压升高时，判定光伏并网系统发生过频率事件；当电容电压降低时，判定光伏并网系统发生低频率事件；
本实施例中，采用电压表测量光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压，并对电容电压的变化趋势进行判断，得到光伏并网系统的频率事件类型，并将频率事件类型告知给对应的直流优化器。
S3、分别对各直流优化器，分别将其输出端口电容电压信号依次通过低通滤波器与微分环节，得到各直流优化器输出端口电容电压的变化率；随后各直流优化器控制系统分别根据对应的直流优化器输出端口电容电压的变化率，结合光伏并网系统的频率事件类型，通过基于电压变化的分散式虚拟惯量控制得到各光伏组件所应调整的工作电压变化量，并对应输入至各直流优化器的控制参考点处，最后经定电压控制调节光伏单元工作电压，从而改变各光伏发电单元的有功出力，以增强光伏并网系统的惯量，进而实现光伏电站对于并网交流系统的主动频率支撑功能。
具体地，步骤S3包括：
S31、分别对各直流优化器，分别将其输出端口电容电压信号输入低通滤波器中，滤除掉步骤S1中因引入频率偏差信息所间接产生的电压高频分量后，对滤波后的输出端口电容电压信号进行微分求导处理，得到各直流优化器相应的输出电压变化率；
本发明将交流系统频率的变化率经由直流母线电压的变化进一步转化为各直流优化器输出端口电压的变化率，二者满足线性关系，为实施后续的基于电压变化的虚拟惯量控制作准备。
S32、分别对各光伏组件，分别根据其最大输出功率、光伏电站功率备用系数以及对应的直流优化器的输出电压变化率，计算得到各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量；
在得知光伏并网系统的频率事件类型后，各光伏组件所需提供的惯量响应量化值，即各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量需进一步计算；该功率变化量与并网交流系统频率变化率满足线性关系，可满足不同程度的频率波动。
具体地，光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量的计算公式如下：
其中，(i，j)用于表示光伏组件在光伏阵列中的位置，i和j分别为光伏阵列中并联的光伏串编号及串联的光伏组件编号；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的电压型虚拟惯量系数；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器的输出电压变化率；vdci,j为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器滤波后的输出端口电容电压信号；t表示时间变量；KVi,j为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器输出端口电容电压的放大系数；Kfvsc为频率-电压转换系数；Rpv为光伏电站功率备用系数；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的最大输出功率；为并网交流系统频率变化率阈值；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器输出端口电容电压的初始值；VDCref为直流母线电压的初始参考值。
S33、分别对各光伏组件，分别根据其功率-电压特性曲线和光伏并网系统的频率事件类型，计算得到各光伏组件对应直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数；
具体地，记光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数为其计算原理示意图如图4所示：
当光伏并网系统的频率事件类型为低频率事件时，为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线(Ppvi,j-Vpvi,j)中最大功率点A与减载运行点B的连线斜率的倒数，即其中，为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B之间的电压差；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B之间的功率差；
当光伏并网系统的频率事件类型为过频率事件时，为减载运行点B对应的电压相对于功率的导数，即
S34、分别对各光伏组件，计算其提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量与对应直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数的乘积，得到各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量；
具体地，光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量的计算公式为：
S35、将各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量，分别叠加到对应直流优化器定电压控制参考点处，以调节各光伏组件有功出力，以增强光伏并网系统的惯量。
本实施例中，将各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量转化为对应的组件工作电压变化量，并形成各直流优化器有功功率备用控制的动态电压参考值，经单环PI环节的定电压控制后可实现阵列中各光伏组件分散式地调整功率输出，分别为光伏并网系统提供虚拟惯量。
综上所述，本发明所提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，通过协同并网逆变器直流母线电容的惯量模拟及光伏发电单元的基于电压变化的分散式虚拟惯量控制，一方面，使得直流母线电容能够根据交流系统频率的变化适当地吸收或释放所储存的能量，模拟电容的惯性响应，系统整体惯量增强，发生低频率/过频率事件后系统的频率变化率和动态频率最低点两项指标得以改善；另一方面，通过在光伏组件所连接的直流优化器控制系统中部署基于电压变化的虚拟惯量控制，使得大规模光伏阵列中各光伏组件能够根据系统频率的变化更为充分地利用其备用功率，自适应地调整功率输出，为交流系统提供光伏组件级别的惯性响应，系统惯量大幅度增强，发生低频率/过频率事件后系统的频率变化率和动态频率最低点两项指标得到进一步改善。
为了进一步说明本发明所提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法的有效性，下面结合具体应用场景进行详述：
本实施例中应用场景下的仿真测试系统拓扑结构如图5所示，其整体结构为一个四机两区域交流系统，并于母线5处接入一个含大规模直流优化器的分布式光伏电站，用于仿真测试本发明所设计的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法的有效性。整个系统包含4个同步发电机，5个变压器，11个母线节点，一回交流输电线路，母线7和母线9处接入负荷。1号同步发电机为平衡机组，其余3台同步发电机额定功率均为420MW，光伏电站的初始减载运行功率为161MW，减载备用系数为0.4，母线7和母线9接入的有功负荷分别为900MW、800MW，无功负荷均为100MVar。光伏阵列中光伏串的并联数M设置为20，光伏组件串联数N设置为20，各光伏组件的温度参数均设置为30℃。为了模拟实际光伏电站运行多发的局部阴影情况，将各光伏串中的20个串联光伏组件每4个取为1组，各组的光照强度分别设置为1000W/m2,900W/m2,800W/m2,700W/m2,600W/m2。整个光伏阵列经直流母线接入并网逆变器，经滤波后连接至交直流公共耦合点，最终将光伏功率注入交流电网。
t＝2.0s时刻，母线7处设置150MW的负荷突增扰动，系统低频率事件触发，测量公共耦合点处的系统频率偏差信息并传输到并网逆变器控制系统，进行本发明所述的频率支撑控制，同时以不采用频率调节控制为对照组，测得光伏并网系统发生低频率事件后的系统频率、频率变化率、光伏电站输出总功率的仿真曲线如图6所示。从图6可以看出，在负荷突增后，系统频率随即跌落，当不采用本发明提供的频率支撑方法时，频率下降速度明显比采用相应的频率支撑控制时更快，频率变化率更大，动态频率最低点更低。部署本发明提供的频率调节控制后，动态频率最低点由49.64Hz提高到49.72Hz，t＝2s时的最大频率变化率由0.19Hz/s降至0.17Hz/s，同时光伏电站输出功率在调频过程中根据频率偏差大小进行了相应程度地调整，验证了本发明提供的频率支撑方法在系统发生低频率事件时的有效性。
t＝2.0s时刻，母线7处设置150MW的负荷突减扰动，同样以不采用频率支撑控制为对照组，测得光伏并网系统发生过频率事件后的系统频率、频率变化率、光伏电站输出总功率的仿真曲线如图7所示。由图7可见，在负荷突减后，系统频率升高，采用本发明提供的频率支撑方法可以明显减小系统频率变化率，其最大值由0.19Hz/s下降至0.18Hz/s，且峰值频率由50.37Hz下降到50.29Hz，光伏电站输出功率在频率动态响应过程中作出了相应程度地调整，验证了本发明提供的频率支撑方法在系统发生过频率事件时的有效性。
本发明的分散式频率支撑方法适用于含大规模直流优化器的分布式光伏电站参与交流系统频率调节，但本发明的控制方法应用不限于此，例如同样适用于两级集中并网式的大规模光伏电站。
实施例2、
一种光伏电站无通讯分散式频率支撑系统，其中，光伏电站包括光伏阵列；光伏阵列包括多个并联的光伏串；光伏串包括多个串联的光伏发电单元；光伏发电单元包括相互连接的光伏组件和直流优化器；在光伏并网系统正常运行阶段，光伏阵列中的各光伏发电单元由其中的直流优化器控制在减载模式，留有一定的备用功率，以满足并网交流系统的频率调节需求；
光伏电站无通讯分散式频率支撑系统，包括：频率支撑控制器，用于在光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，执行本发明实施例1所提供的频率支撑方法中的步骤S1-S3。
此时，如图3所示，光伏并网系统的控制部分包括：
1)并网逆变器控制系统，其功能包括三个方面：1)用于将光伏电站的直流功率转换为交流功率注入电网；2)将交直流公共耦合点频率偏差信息转换为直流母线电压的变化，实现无通讯频率支撑；3)通过动态调整直流母线电容储存的能量，提供附加的电容虚拟惯量响应。
具体地，在控制结构方面，并网逆变器控制系统包括：外环电压控制、内环电流控制、阀控制器和锁相环。具体地，该并网逆变器控制系统以基于电网电压的定向矢量控制原理实现P/Q解耦控制，分为外环电压控制和内环电流控制；其中，将交流系统侧频率偏差信息叠加到外环直流电压控制的参考值处，实现基于母线电容的虚拟惯量模拟；锁相环用于跟踪交直流耦合点的电压相角，实现交流耦合点电压和电流值由abc坐标系到dq坐标系的等量转换；
2)光伏发电单元控制系统(即直流优化器控制系统)，用于实现低频率或过频率事件发生前光伏系统的减载运行模式，储备上/下备用功率，同时部署基于电压变化的分散式虚拟惯量控制，根据交流系统频率变化动态调整各光伏组件输出功率，用来增强系统惯量，改善扰动发生后的动态频率响应。
具体地，如图3所示的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法所对应的控制原理图中，所涉及的各主要变量的含义列于下表1中。
表1
该系统的具体控制过程如下：
①在正常运行阶段，各光伏组件由其连接的直流优化器所部署的有功功率备用控制进行减载运行，此时分散式虚拟惯量控制不动作，其输出的光伏组件工作电压参考值修正量为0；
②在光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，即低频率或过频率事件发生后，并网逆变器外环直流电压控制响应交流系统频率变化，引入系统频率偏差信息修改直流母线电压参考值，实现直流母线电容的虚拟惯量模拟；
③当直流母线电压跟踪其参考值发生变化后，各串联直流优化器输出电压值也同步变化，作为分散式虚拟惯量控制的输入信息，首先计算各组件提供惯性响应所需调整的输出功率变化量，进而通过光伏功率-电压特性曲线信息并结合频率事件类型检测结果计算各光伏组件工作电压参考值的变化量，叠加到直流优化器电压参考值处，通过其定电压控制动态调整各光伏组件功率输出。
需要说明的是，图3中涉及到的“PWM调制器”、“PI控制器”均为公知技术，其技术细节不赘述。
相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
实施例3、
一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现本发明实施例1所提供的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法。
相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，其特征在于，所述光伏电站包括光伏阵列；所述光伏阵列包括多个并联的光伏串；所述光伏串包括多个串联的光伏发电单元；所述光伏发电单元包括相互连接的光伏组件和直流优化器；在光伏并网系统正常运行阶段，所述光伏阵列中的各光伏发电单元由其中的直流优化器控制在减载模式，留有一定的备用功率，以满足并网交流系统的频率调节需求；
所述光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，包括：在所述光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，执行以下步骤：
S1、通过将交直流公共耦合点频率偏差信息引入并网逆变器的直流母线电压控制环中，使得直流母线电压的参考值发生动态变化，进而使得光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压同步发生变化；
S2、对所述光伏阵列中各直流优化器输出端口电容电压的变化趋势进行测量，以对所述光伏并网系统的频率事件类型进行判断；其中，当所述电容电压升高时，判定所述光伏并网系统发生过频率事件；当所述电容电压降低时，判定所述光伏并网系统发生低频率事件；
S3、分别对各直流优化器，分别将其输出端口电容电压信号依次通过低通滤波器与微分环节，得到各直流优化器输出端口电容电压的变化率；随后各直流优化器控制系统分别根据对应的直流优化器输出端口电容电压的变化率，结合所述光伏并网系统的频率事件类型，通过基于电压变化的分散式虚拟惯量控制得到各光伏组件所应调整的工作电压变化量，并对应输入至各直流优化器的控制参考点处，最后经定电压控制调节光伏单元工作电压，从而改变各光伏发电单元的有功出力，以增强所述光伏并网系统的惯量，进而实现光伏电站对于所述并网交流系统的主动频率支撑。
2.根据权利要求1所述的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，其特征在于，步骤S1中，所述直流母线电压动态变化的参考值的计算公式如下：
其中，Kfvsc为频率-电压转换系数，f为所述并网交流系统频率瞬时值，f0为所述并网交流系统额定频率，VDCref为所述直流母线电压的初始参考值，Hc为电容虚拟惯量系数，Cinv为直流母线电容值。
3.根据权利要求1或2所述的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31、分别对各直流优化器，分别将其输出端口电容电压信号输入低通滤波器中，滤除掉因引入频率偏差信息所间接产生的电压高频分量后，对滤波后的输出端口电容电压信号进行微分求导处理，得到各直流优化器相应的输出电压变化率；
S32、分别对各光伏组件，分别根据其最大输出功率、光伏电站功率备用系数以及对应的直流优化器的输出电压变化率，计算得到各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量；
S33、分别对各光伏组件，分别根据其功率-电压特性曲线和所述光伏并网系统的频率事件类型，计算得到各光伏组件对应直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数；
S34、分别对各光伏组件，计算其提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量与对应直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数的乘积，得到各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量；
S35、将所述各光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量，分别叠加到对应直流优化器定电压控制参考点处，以调节各光伏组件有功出力，以增强所述光伏并网系统的惯量。
4.根据权利要求3所述的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，其特征在于，光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量的计算公式如下：
其中，(i，j)用于表示光伏组件在光伏阵列中的位置，i和j分别为光伏阵列中并联的光伏串编号及串联的光伏组件编号；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的电压型虚拟惯量系数；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器的输出电压变化率；vdci,j为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器滤波后的输出端口电容电压信号；t表示时间变量；KVi,j为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器输出端口电容电压的放大系数；Kfvsc为频率-电压转换系数；Rpv为光伏电站功率备用系数；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的最大输出功率；为并网交流系统频率变化率阈值；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器输出端口电容电压的初始值；VDCref为直流母线电压的初始参考值。
5.根据权利要求3所述的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，其特征在于，记光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件所对应的直流优化器的分散式虚拟惯量控制所需的功率-电压转换系数为
当所述光伏并网系统的频率事件类型为低频率事件时，为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B的连线斜率的倒数，即其中，为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B之间的电压差；为光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件的功率-电压特性曲线中最大功率点A与减载运行点B之间的功率差；
当所述光伏并网系统的频率事件类型为过频率事件时，为减载运行点B对应的电压相对于功率的导数，即
6.根据权利要求5所述的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法，其特征在于，光伏阵列中(i，j)位置处的光伏组件提供虚拟惯量响应所需调整的输出功率变化量所对应的组件工作电压变化量的计算公式为：
7.一种光伏电站无通讯分散式频率支撑系统，其特征在于，所述光伏电站包括光伏阵列；所述光伏阵列包括多个并联的光伏串；所述光伏串包括多个串联的光伏发电单元；所述光伏发电单元包括相互连接的光伏组件和直流优化器；在光伏并网系统正常运行阶段，所述光伏阵列中的各光伏发电单元由其中的直流优化器控制在减载模式，留有一定的备用功率，以满足并网交流系统的频率调节需求；
所述光伏电站无通讯分散式频率支撑系统包括：频率支撑控制器，用于在所述光伏并网系统因负荷扰动或故障产生频率波动时，执行权利要求1-6任意一项所述光伏电站无通讯分散式频率支撑方法中的步骤S1-S3。
8.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现权利要求1-6任意一项所述的光伏电站无通讯分散式频率支撑方法。
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