CN115833268A - 高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法 - Google Patents

高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，通过将所有发电单元进行集群调控，采用虚拟同步控制的新型构网型控制方法，借此来模拟发电机功率输出。通过等效的功率曲线，各发电单元可以依据本地可调度型控制实时调整输出功率，同时减少频率偏差。

Description

高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法
技术领域
本发明属于电力领域，具体涉及一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法。
背景技术
为了减少全球能源危机以及不可逆转的气候变化，光伏发电等高比例的新能源发电技术在过去的十年中得到迅速发展，但随着大规模光伏等新能源发电设备接入电网，使得系统的惯性及阻尼大幅下降，在负荷变化情况下会导致较大的电压以及频率变化，保护极易动作，降低了系统运行的可靠性和稳定性。构网型控制没有锁相环，受电网影响小，其对并网电压及频率进行控制，在电网惯性水平时，比跟网型控制具备更好的电网支撑能力。
在分布式能源系统的典型结构中，交流母线上分布若干负载，同步发电机接入交流母线；发电单元与储能单元并联，通过构网型控制方式接入交流系统。当系统负荷发生波动时，通常同步发电机可根据其波动来调整功率输出，来维持系统的稳定运行。在交流系统较弱的情况下，该分布式能源系统可以利用构网型集群控制，来保证系统的稳定运行。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法。该方法通过将所有发电单元进行集群调控，采用虚拟同步控制的新型构网型控制方法，借此来模拟发电机功率输出。通过等效的功率曲线，各发电单元可以依据本地可调度型控制实时调整输出功率，同时减少频率偏差。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，包括如下步骤：
步骤1、建立双机模型，用等值阻抗的形式表示负荷模型，求得换流器集群输出的功率响应曲线
Figure SMS_1
；
步骤2、进行功率曲线分配，从而获得各个换流器功率指令；
步骤3、下发功率指令后进行本地控制。
进一步地，所述步骤1包括：
将弱交流系统等效为一个同步发电机
Figure SMS_2
，所有的换流器集群等效为一个同步发电机
Figure SMS_3
，两台同步发电机接入同一交流母线，同时对母线处负载做出响应，为系统提供惯量支撑。
对于换流器集群的功率指令输出过程如下：测量输出母线处输出有功功率P、无功功率Q，对接入系统的负荷进行实时计算，所得到的负荷模型用等值阻抗的形式进行表示，计算求得各节点间导纳
Figure SMS_4
,
Figure SMS_5
,
Figure SMS_6
；实际弱电网系统输出功率为
Figure SMS_7
,等效的换流器集群输出的功率为
Figure SMS_8
，在双同步机系统下，扰动发生时，功率分配情况如下公式所示：
Figure SMS_9
Figure SMS_10
；
Figure SMS_11
Figure SMS_12
；
其中，
Figure SMS_15
、
Figure SMS_18
为发电机
Figure SMS_22
、
Figure SMS_14
的内电势，
Figure SMS_17
、
Figure SMS_20
为等值三角形阻抗模型节点的自电导，
Figure SMS_21
为互电导，
Figure SMS_13
为互电纳，
Figure SMS_16
为互导纳，
Figure SMS_19
为节点间导纳角；
通过实际测量得到的实际弱电网系统输出功率
Figure SMS_23
计算出虚拟的功角差
Figure SMS_24
，从而求出等效的换流器集群输出的功率
Figure SMS_25
，求得的功率响应曲线记为
Figure SMS_26
。
进一步地，所述步骤2包括：
假定S1、S2、…Sn为各分布式发电单元的容量，则将虚拟的同步发电机模型
Figure SMS_27
的功率响应曲线
Figure SMS_28
分解成为各时段功率指令：
Figure SMS_29
、
Figure SMS_30
……
Figure SMS_31
；
其中，
Figure SMS_32
、
Figure SMS_33
、…
Figure SMS_34
为第1、2、…n个分布式发电单元的功率指令，得到功率指令后通过同步相量测量单元将其下发至第1、2、…n个分布式发电单元；
如果有p个分布式发电单元为不可接受功率指令变化的机组，其各自容量和为
Figure SMS_35
，
Figure SMS_36
，则其他的分布式发电单元根据各自容量进行重新分配，即依照
Figure SMS_37
进行重新分配，
Figure SMS_38
为第m个接受功率指令的机组，由此计算后，通过同步相量测量单元(phasor measurement unit, PMU)下发至各分布式发电单元。
进一步地，所述步骤3包括：
各个分布式发电单元的功率指令下发至各个发电单元后，依据本地附加一次调频、一次调压与虚拟同步发电机模型相结合的方式进行控制，通过将下垂控制加入到有功控制与无功控制回路，实现与同步发电机相似的一次调频与一次调压功能。其控制框图如图3所示，其中虚线内回路为下垂控制回路，以有效地支撑端电压频率与幅值，虚线外为虚拟同步控制，模拟实际同步发电机的摇摆方程，为系统提供惯量支撑。具体地可由如下公式来表达：
Figure SMS_39
Figure SMS_40
Figure SMS_58
及
Figure SMS_45
为变流器有功功率参考值及实际输出值；
Figure SMS_52
及
Figure SMS_48
为变流器无功功率参考值及实际输出值，
Figure SMS_56
为电压幅值参考值。
Figure SMS_59
、
Figure SMS_61
作为下垂因子,
Figure SMS_47
、
Figure SMS_54
为下垂调整的功率值，
Figure SMS_41
和
Figure SMS_55
是交流母线电压的频率与幅值，
Figure SMS_46
是额定电压的幅值。
Figure SMS_49
是虚拟同步发电机输出的转子角速度，
Figure SMS_57
为其所对应的虚拟转子位置角；
Figure SMS_60
是虚拟同步机无功功率控制输出的电压幅值；
Figure SMS_44
和
Figure SMS_50
分别为虚拟同步机转子惯量系数和阻尼系数；
Figure SMS_43
及
Figure SMS_53
为虚拟同步机转矩给定值以及实际输出值，可由功率计算得到。
Figure SMS_42
将作为内环控制所使用的的坐标变换角，
Figure SMS_51
是电压控制的给定量，输出电压相量。
进一步地，在下垂控制的回路中，通过改变功率-频率下垂系数来实现功率的调度，当下达的功率指令为Pc时，通过改变其下垂功率曲线来实现功率的调度以及减少频率偏差；调整过后的下垂系数为：
Figure SMS_62
；
其中，
Figure SMS_63
为额定功率，
Figure SMS_64
为未调整的下垂系数，
Figure SMS_65
为调整过后的下垂系数。
有益效果：
本发明提出的高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，可通过将所有发电单元进行集群调控，并采用新型的虚拟同步机控制技术，借此来模拟发电机功率输出。通过等效的功率曲线，各发电单元可以依据本地可调度型控制实时调整输出功率，同时减少频率偏差。各发电单元可以实时调整输出功率来减少同步机组负担，有助于系统的稳定运行，可以为分布式能源并网系统的发展提供重要支撑，市场前景广阔。
附图说明
图1为等效过程示意图；
图2为等值导纳模型示意图；
图3为附加一次调频、一次调压功能的虚拟同步机示意图；
图4为变下垂控制示意图。
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。
本发明的高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法具体包括如下步骤：
步骤1、建立双机模型，用等值阻抗的形式表示负荷模型，求得换流器集群输出的功率响应曲线
Figure SMS_66
：
将弱交流系统等效为一个同步发电机
Figure SMS_67
，所有的换流器集群等效为一个同步发电机
Figure SMS_68
，两台同步发电机接入同一交流母线，同时对母线处负载做出响应，为系统提供惯量支撑。
如图2所示，对于换流器集群的功率指令输出过程如下：测量输出母线处输出有功功率P、无功功率Q，对接入系统的负荷进行实时计算，所得到的负荷模型用等值阻抗的形式进行表示，计算求得各节点间导纳
Figure SMS_69
,
Figure SMS_70
,
Figure SMS_71
。实际弱电网系统输出功率为
Figure SMS_72
,等效的换流器集群输出的功率为
Figure SMS_73
，在双同步机系统下，扰动发生时，系统功率分配情况如下公式所示：
Figure SMS_74
Figure SMS_75
；
Figure SMS_76
Figure SMS_77
；
其中，
Figure SMS_80
、
Figure SMS_83
为同步发电机
Figure SMS_85
、
Figure SMS_79
的内电势，
Figure SMS_81
、
Figure SMS_84
为等值三角形阻抗模型节点的自电导，
Figure SMS_87
为互电导，
Figure SMS_78
为互电纳，
Figure SMS_82
为互导纳，
Figure SMS_86
为节点间导纳角。
通过实际测量得到的实际弱电网系统输出功率
Figure SMS_88
计算出虚拟的功角差
Figure SMS_89
，从而求出等效的换流器集群输出的功率
Figure SMS_90
，求得的功率响应曲线记为
Figure SMS_91
，等效过程如图1所示。
步骤2、进行功率曲线分配，从而获得各个换流器功率指令值：
假定S1、S2、…Sn为各分布式发电单元的容量，则将虚拟的同步发电机模型
Figure SMS_92
的功率响应曲线
Figure SMS_93
分解成为各时段功率指令：
Figure SMS_94
、
Figure SMS_95
……
Figure SMS_96
；
其中，
Figure SMS_97
、
Figure SMS_98
、…
Figure SMS_99
为第1、2、…n个分布式发电单元的功率指令，得到功率指令后通过PMU将其下发至第1、2、…n个分布式发电单元。
如果有p个分布式发电单元为不可接受功率指令变化的机组，其各自容量和为
Figure SMS_100
，
Figure SMS_101
，则其他的分布式发电单元根据各自容量进行重新分配，即依照
Figure SMS_102
进行重新分配，
Figure SMS_103
为第m个接受功率指令的机组，由此计算后，通过PMU下发至各分布式发电单元。
步骤3、下发功率指令后进行本地控制：
各个分布式发电单元的功率指令下发至各个发电单元后，依据本地附加一次调频、一次调压与虚拟同步发电机模型相结合的方式进行控制，通过将下垂控制加入到有功控制与无功控制回路，实现与同步发电机相似的一次调频与一次调压功能。其控制框图如图3所示，其中虚线内回路为下垂控制回路，以有效地支撑端电压频率与幅值，虚线外为虚拟同步控制，模拟实际同步发电机的摇摆方程，为系统提供惯量支撑。具体地可由式（3）（4）来表达：
Figure SMS_104
（3）
Figure SMS_105
（4）
其中，
Figure SMS_124
及
Figure SMS_108
为变流器有功功率参考值及实际输出值；
Figure SMS_121
及
Figure SMS_113
为变流器无功功率参考值及实际输出值，
Figure SMS_119
为电压幅值参考值。
Figure SMS_111
、
Figure SMS_118
作为下垂因子,
Figure SMS_110
、
Figure SMS_116
为下垂调整的功率值，
Figure SMS_106
和
Figure SMS_115
是交流母线电压的频率与幅值，
Figure SMS_109
是额定电压的幅值，
Figure SMS_127
为额定频率。
Figure SMS_123
是虚拟同步发电机输出的转子角速度，
Figure SMS_126
为其所对应的虚拟转子位置角；
Figure SMS_112
是虚拟同步机无功功率控制输出的电压幅值；
Figure SMS_117
和
Figure SMS_122
分别为虚拟同步机转子惯量系数和阻尼系数；
Figure SMS_125
及
Figure SMS_107
为虚拟同步机转矩给定值以及实际输出值，可由功率计算得到。
Figure SMS_114
将作为内环控制所使用的的坐标变换角，
Figure SMS_120
是电压控制的给定量，输出电压相量。
在下垂控制回路中，通过改变功率-频率下垂系数来实现功率的调度，如图4所示。
Figure SMS_128
与
Figure SMS_129
为其中某一台机组的额定功率和额定频率，当下达的功率指令为
Figure SMS_130
时，通过改变其下垂功率曲线来实现功率的调度以及减少频率偏差，
Figure SMS_131
为未调整的下垂系数，
Figure SMS_132
为调整过后的下垂系数。此时，调整过后的下垂系数为：
Figure SMS_133
。
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 (5)

1.一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、建立双机模型，用等值阻抗的形式表示负荷模型，求得换流器集群输出的功率响应曲线
Figure QLYQS_1
；
步骤2、进行功率曲线分配，从而获得各个换流器功率指令；
步骤3、下发功率指令后进行本地控制。
2.根据权利要求1所述的一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，其特征在于，所述步骤1包括：
将弱交流系统等效为一个同步发电机
Figure QLYQS_2
，所有的换流器集群等效为一个同步发电机
Figure QLYQS_3
，同步发电机
Figure QLYQS_4
和同步发电机
Figure QLYQS_5
接入同一交流母线，同时对母线处负载做出响应；
测量输出母线处输出有功功率P、无功功率Q，对接入系统的负荷进行实时计算，所得到的负荷模型用等值阻抗的形式进行表示；实际的弱交流系统输出功率为
Figure QLYQS_6
,等效的换流器集群输出的功率为
Figure QLYQS_7
，在双同步发电机系统下，扰动发生时，功率分配情况如下公式所示：
Figure QLYQS_8
Figure QLYQS_9
；
Figure QLYQS_10
Figure QLYQS_11
；
其中，
Figure QLYQS_13
、
Figure QLYQS_17
为同步发电机
Figure QLYQS_20
、
Figure QLYQS_14
的内电势，
Figure QLYQS_16
、
Figure QLYQS_19
为等值三角形阻抗模型节点的自电导，
Figure QLYQS_21
为互电导，
Figure QLYQS_12
为互电纳，
Figure QLYQS_15
为互导纳，
Figure QLYQS_18
为节点间导纳角；
通过实际测量得到的实际弱交流系统输出功率
Figure QLYQS_22
计算出虚拟的功角差
Figure QLYQS_23
，从而求出等效的换流器集群输出的功率
Figure QLYQS_24
，求得的功率响应曲线记为
Figure QLYQS_25
。
3.根据权利要求2所述的一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，其特征在于，所述步骤2包括：
假定S1、S2、…Sn为各分布式发电单元的容量，则将虚拟的同步发电机模型
Figure QLYQS_26
的功率响应曲线
Figure QLYQS_27
分解成为各时段功率指令：
Figure QLYQS_28
、
Figure QLYQS_29
……
Figure QLYQS_30
；
其中，
Figure QLYQS_31
、
Figure QLYQS_32
、…
Figure QLYQS_33
为第1、2、…n个分布式发电单元的功率指令，得到功率指令后通过同步相量测量单元将其下发至第1、2、…n个分布式发电单元；
如果有p个分布式发电单元为不可接受功率指令变化的机组，其各自容量和为
Figure QLYQS_34
，
Figure QLYQS_35
，则其他的分布式发电单元根据各自容量进行重新分配，即依照
Figure QLYQS_36
进行重新分配，
Figure QLYQS_37
为第m个接受功率指令的机组，由此计算后，通过同步相量测量单元下发至各分布式发电单元。
4.根据权利要求3所述的一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，其特征在于，所述步骤3包括：
各个分布式发电单元的功率指令下发至各个发电单元后，依据本地附加一次调频、一次调压与虚拟同步发电机模型相结合的方式进行控制，通过将下垂控制加入到有功控制与无功控制回路，实现与同步发电机相似的一次调频与一次调压功能。
5.根据权利要求4所述的一种高比例新能源接入电网的无锁相环构网集群聚合调控方法，其特征在于，在下垂控制的回路中，通过改变功率-频率下垂系数来实现功率的调度，当下达的功率指令为Pc时，通过改变其下垂功率曲线来实现功率的调度以及减少频率偏差；调整过后的下垂系数为：
Figure QLYQS_38
；
其中，
Figure QLYQS_39
为额定功率，
Figure QLYQS_40
为未调整的下垂系数，
Figure QLYQS_41
为调整过后的下垂系数。
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