CN115967113A - 一种适用于构网型设备的快速功率控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于构网型设备的快速功率控制方法与系统，包括：EMS系统、稳控装置、功率协调控制器、VSC变流器，所述EMS系统、稳控装置通过通信网络与功率协调控制器相连接，功率协调控制器通过通信网络分别向每台VSC变流器对应功率控制器发送分解后的快速功率控制指令，每台VSC变流器与构网型设备相连接，并向构网型设备发送功率响应控制信号。本发明提供的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法与系统，在不影响其相关构网控制特性的基础上，实现整站ms级的功率响应速度，满足快速二次调频需求，并可融入电网三道防线，响应稳控指令实现以调代切。

Description

一种适用于构网型设备的快速功率控制方法与系统

技术领域

本发明涉及一种适用于构网型设备的快速功率控制方法与系统，属于构网型设备调控技术领域。

背景技术

随着电力系统新能源装机占比不断提升，电网安全稳定形态日益复杂化，主要体现在系统调峰能力不足、转动惯量下降、短路容量不足等方面。

为了进一步解决转动惯量、短路容量等问题，在新能源汇集站部署调相机成为一种可行方案并得到应用。然而，现有方案仍面临降成本、减轻维护工作量等压力。而构网型设备具备类似常规同步发电机组控制特性(部分性能优于同步发电机，如短路电流可控、转动惯量可整定等)，近年来在国际上逐步获得关注和认可。然而，由于构网型设备模拟常规发电机组的短路电流支撑能力、转动惯量等特性，其在响应电网功率调节指令过程中的调节特性也与常规发电机组类似，响应速度较慢，更无法满足实现类似常规跟网型控制设备的ms级快速功率控制功能实现以调代切。

因此，如何在保留构网型设备具备类似常规发电机的短路电流、转动惯量支撑能力的基础上，研究其快速功率控制实现方法，是进一步提升构网型设备对电网三道防线适应性的关键。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在构网型设备功率调节速度偏慢的不足，本发明提供一种适用于构网型设备的快速功率控制方法与系统，在不影响其相关构网控制特性的基础上，实现整站ms级的功率响应速度，满足快速二次调频需求，并可融入电网三道防线，响应稳控指令实现以调代切。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

第一方面，一种适用于构网型设备的快速功率控制系统，包括：EMS系统、稳控装置、功率协调控制器、VSC变流器，所述EMS系统、稳控装置通过通信网络与功率协调控制器相连接，功率协调控制器通过通信网络分别向每台VSC变流器对应功率控制器发送分解后的快速功率控制指令，每台VSC变流器与构网型设备相连接，并向构网型设备发送功率响应控制信号。

所述功率控制器包括：比较单元，比较单元第一输入端与功率协调控制器输出端相连接，第二输入端与VSC变流器的反馈端相连接，比较单元输出端与快速功率控制单元输入端相连接。将虚拟机机械功率P_m、虚拟机电磁功率P_e、虚拟机机端实测电压V和虚拟机无功功率实测值Q_e分别与构网型控制单元的输入端相连接，构网型控制单元第一输出端与双环控制的第一输入端相连接，构网型控制单元第二输出端与叠加单元的第一输入端相连接，快速功率控制单元的输出端与叠加单元的第二输入端相连接，叠加单元的输出端与双环控制的第二输入端相连接，双环控制的输出端与VSC变流器输入端相连接，VSC变流器输出端与构网型设备相连接。

作为优选方案，所述构网型设备包括：储能系统、光伏系统、风机系统或柔直系统。

第二方面，一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：EMS系统或稳控装置下发构网型设备的功率控制指令P_set，功率协调控制器接收构网型设备的功率控制指令P_set。

步骤2：功率协调控制器根据构网型设备的功率控制指令P_set，输出分解后的快速功率控制指令P_ordi，并下发至每个构网型设备对应的功率控制器。

步骤3：分解后的快速功率控制指令P_ordi与构网型设备的实测输出功率P_meai输入第一比较单元，比较单元输出功率差值dP。

步骤4：将虚拟机机械功率P_m、虚拟机电磁功率P_e、虚拟机机端实测电压V和虚拟机无功功率实测值Q_e输入构网型控制单元，生成控制信号θ_ref，电压参考值信号U_set。

步骤5：功率差值dP输入快速功率控制单元，生成附加控制信号dθ_ref。

步骤6：控制信号θ_ref与附加控制信号dθ_ref分别输入叠加单元，输出虚拟转子角控制信号θ。

步骤7：电压参考值信号U_set与虚拟转子角控制信号θ分别输入双环控制单元，输出PWM调制信号。

步骤8：PWM调制信号输入VSC变流器的功率器件进行控制，输出构网型设备的功率响应控制信号。

作为优选方案，还包括步骤9，步骤9：当VSC变流器N个实测输出功率P_meai的采样点与分解后的快速功率控制指令P_ordi的差值均小于设置功率阈值P_error时，VSC变流器进入调节死区，完成本次快速功率调节过程。

作为优选方案，所述分解后的快速功率控制指令获取方式如下：

对于构网型设备由多个储能系统组成的场景，按照第一平均分配原则或者考虑充放电系数的原则进行分配。

所述第一平均分配原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_ordi为下发给第i个储能系统的快速功率控制指令，P_Ni为第i个储能系统额定功率，P_Nj为第j个储能系统额定功率，M为储能系统的数量。

所述考虑充放电系数的原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，S_ci、S_di分别为第i个储能系统充电、放电系数，S_cj、S_dj分别为第j个储能系统充电、放电系数。

其中，SOC_min、SOC_max分别为允许的SOC下限、上限，SOC_i为第i个储能系统的剩余电量，SOC_j为第j个储能系统的剩余电量。

作为优选方案，所述分解后的快速功率控制指令获取方式如下：

对于构网型设备由多个非储能构网型设备组成的场景，按照第二平均分配原则或考虑功率调节裕度的原则进行分配。所述非储能构网型设备包括：光伏系统、风机系统或者柔直系统。

所述第二平均分配原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_Ni为第i个非储能构网型设备额定功率，P_Nj为第j个非储能构网型设备额定功率，M为非储能构网型设备的数量。所述考虑功率调节裕度的原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_Ni为第i个非储能构网型设备额定功率，P_Nj为第j个非储能构网型设备额定功率，P_mi为第i个非储能构网型设备的功率调节裕度，P_mj为第j个非储能构网型设备的功率调节裕度，M为非储能构网型设备的数量。

其中，|I_i|、I_Ni、I_maxi分别为第i个非储能构网型设备当前工作电流、额定电流、最大工作电流，|I_j|、I_Nj、I_maxj分别为第j个非储能构网型设备当前工作电流、额定电流、最大工作电流，K为折算系数。

作为优选方案，所述dP＝P_ordi-P_meai。

作为优选方案，所述附加控制信号dθ_ref，计算公式如下：

其中，dP为功率差值，θ_ini为本次快速功率控制单元的初始值，θ_last为上次执行完功率快速控制指令后的角度值、T为快速功率控制的积分时间常数，s为拉普拉斯算子。

作为优选方案，所述控制信号θ_ref，计算公式如下：

式中，T_J为虚拟惯性时间常数，D为阻尼系数，P_m为虚拟机机械功率、P_e为虚拟机电磁功率，ω₀为额定频率，Δω为频率偏差，t为时间常数。

作为优选方案，所述电压参考值信号U_set，计算公式如下：

V_ref＝V_set+K_q(Q_ref-Q_e)

式中，K_a为调压比例系数，T_a为时间常数，E_set为虚拟机内电势基准值，V_ref为虚拟机机端目标控制电压，V为虚拟机机端实测电压，s为拉普拉斯算子；V_set为虚拟机机端电压基准值，Q_ref为虚拟机无功功率参考值、Q_e为虚拟机无功功率实测值，K_q为功率比例系数。

有益效果：本发明提供的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法与系统，其优点如下：

1、实现整站功率ms级控制，显著提升电网功率调节响应速度，丰富了构网型设备的控制功能和应用场景。

2、保留了构网型设备的外特性，并且还可实现快速功率控制功能的灵活投退。

3、提升功率控制过程中系统稳定性，响应速度灵活可调，可根据不同应用场景进行自适应切换控制参数。

附图说明

图1为本发明的快速功率控制方法与系统原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种适用于构网型设备的快速功率控制系统，包括：EMS系统1(能量管理系统)、稳控装置2、功率协调控制器3、VSC变流器4，所述EMS系统1(能量管理系统)、稳控装置2通过专用通信网络与功率协调控制器相连接，功率协调控制器通过专用通信网络分别向每台VSC变流器4对应功率控制器发送分解后的快速功率控制指令，每台VSC变流器与构网型设备10相连接，并向构网型设备发送功率响应控制信号。

功率控制器包括：比较单元5，比较单元第一输入端与功率协调控制器输出端相连接，第二输入端与VSC变流器的反馈端相连接，比较单元输出端与快速功率控制单元7输入端相连接。将虚拟机机械功率P_m、虚拟机电磁功率P_e、虚拟机机端实测电压V和虚拟机无功功率实测值Q_e分别与构网型控制单元的输入端相连接，构网型控制单元第一输出端与双环控制9的第一输入端相连接，构网型控制单元第二输出端与叠加单元8的第一输入端相连接，快速功率控制单元的输出端与叠加单元的第二输入端相连接，叠加单元的输出端与双环控制的第二输入端相连接，双环控制的输出端与VSC变流器输入端相连接，VSC变流器输出端与构网型设备相连接。

所述构网型设备包括：储能系统、光伏系统、风机系统或柔直系统。所述专用通信网络内通过快速通信规约包括但不限于IEC61850、IEC104等进行通讯。一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：EMS系统(能量管理系统)或稳控装置下发构网型设备的功率控制指令P_set，功率协调控制器接收构网型设备的功率控制指令P_set。

步骤2：功率协调控制器根据构网型设备的功率控制指令P_set，输出分解后的快速功率控制指令P_ordi，并下发至每个构网型设备对应的功率控制器。

所述分解后的快速功率控制指令获取方式如下：

步骤2.1：对于构网型设备由多个储能系统组成的场景，按照第一平均分配原则或者考虑充放电系数的原则进行分配。

所述第一平均分配原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_ordi为下发给第i个储能系统的快速功率控制指令，P_Ni为第i个储能系统额定功率，P_Nj为第j个储能系统额定功率，M为储能系统的数量。

所述考虑充放电系数的原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，S_ci、S_di分别为第i个储能系统充电、放电系数，S_cj、S_dj分别为第j个储能系统充电、放电系数。

其中，SOC_min、SOC_max分别为允许的SOC下限、上限，SOC_i为第i个储能系统的剩余电量。

步骤2.2：对于构网型设备由多个非储能构网型设备组成的场景，按照第二平均分配原则或考虑功率调节裕度的原则进行分配。所述非储能构网型设备包括：光伏系统、风机系统或者柔直系统。

所述第二平均分配原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_Ni为第i个非储能构网型设备额定功率，P_Nj为第j个非储能构网型设备额定功率，M为非储能构网型设备的数量。所述考虑功率调节裕度的原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_Ni为第i个非储能构网型设备额定功率，P_Nj为第j个非储能构网型设备额定功率，P_mi为第i个非储能构网型设备的功率调节裕度，P_mj为第j个非储能构网型设备的功率调节裕度，M为非储能构网型设备的数量。

其中，|I_i|、I_Ni、I_maxi分别为第i个非储能构网型设备当前工作电流、额定电流、最大工作电流，K为折算系数。

步骤3：分解后的快速功率控制指令P_ordi与构网型设备的实测输出功率P_meai输入第一比较单元，比较单元输出功率差值dP。

步骤4：将虚拟机机械功率P_m、虚拟机电磁功率P_e、虚拟机机端实测电压V和虚拟机无功功率实测值Q_e输入构网型控制单元，生成控制信号θ_ref，电压参考值信号U_set。

步骤5：功率差值dP输入快速功率控制单元，生成附加控制信号dθ_ref。

步骤6：控制信号θ_ref与附加控制信号dθ_ref分别输入叠加单元，输出虚拟转子角控制信号θ。

步骤7：电压参考值信号U_set与虚拟转子角控制信号θ分别输入双环控制单元，输出PWM调制信号。

步骤8：PWM调制信号输入VSC变流器的功率器件进行控制，输出构网型设备的功率响应控制信号。

进一步的，所述构网型设备的功率控制指令P_set可以由调度系统通过远动通道下发至场站EMS系统，也可以是稳控主站、子站下发的切机指令或快调功率指令。若为切机指令，将P_set的目标值置为0。

进一步的，所述双环控制单元可选择投入或退出，不影响VSC变流器控制功能的实现。

进一步的，所述功率协调控制器配置于VSC变流器控制器的上层，针对多台VSC变流器进行快速协调控制。功率协调控制器与VSC变流器控制器通过分层组网的形式连接，采用光纤介质进行通讯，通讯毫秒级延时，具备各种应用场景下的系统级控制功能。

进一步的，所述dP＝P_ordi-P_meai。

进一步的，所述附加控制信号dθ_ref，计算公式如下：

其中，dP为功率差值，θ_ini为本次快速功率控制单元的初始值，θ_last为上次执行完功率快速控制指令后的角度值、T为快速功率控制的积分时间常数，s为拉普拉斯算子。

进一步的，所述控制信号θ_ref，计算公式如下：

式中，T_J为虚拟惯性时间常数，D为阻尼系数，P_m为虚拟机机械功率、P_e为虚拟机电磁功率，ω₀为额定频率，Δω为频率偏差，t为时间常数。

进一步的，所述电压参考值信号U_set，计算公式如下：

V_ref＝V_set+K_q(Q_ref-Q_e)

式中，K_a为调压比例系数，T_a为时间常数，E_set为虚拟机内电势基准值，V_ref为虚拟机机端目标控制电压，V为虚拟机机端实测电压，s为拉普拉斯算子；V_set为虚拟机机端电压基准值，Q_ref为虚拟机无功功率参考值、Q_e为虚拟机无功功率实测值，K_q为功率比例系数。

进一步的，所述功率器件为IGBT、IGET等电力电子开关器件。

进一步的，还包括步骤9，步骤9：当VSC变流器N个实测输出功率P_meai的采样点与分解后的快速功率控制指令P_ordi的差值均小于设置功率阈值P_error时，VSC变流器进入调节死区，完成本次快速功率调节过程。

abs(P_meai-P_ordi)＜P_error n＜i＜n+N

n为首次进入功率调节死区的时刻。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于构网型设备的快速功率控制系统，包括：EMS系统、稳控装置、功率协调控制器、VSC变流器，其特征在于：所述EMS系统、稳控装置通过通信网络与功率协调控制器相连接，功率协调控制器通过通信网络分别向每台VSC变流器对应功率控制器发送分解后的快速功率控制指令，每台VSC变流器与构网型设备相连接，并向构网型设备发送功率响应控制信号；

所述功率控制器包括：比较单元，比较单元第一输入端与功率协调控制器输出端相连接，第二输入端与VSC变流器的反馈端相连接，比较单元输出端与快速功率控制单元输入端相连接；将虚拟机机械功率P_m、虚拟机电磁功率P_e、虚拟机机端实测电压V和虚拟机无功功率实测值Q_e分别与构网型控制单元的输入端相连接，构网型控制单元第一输出端与双环控制的第一输入端相连接，构网型控制单元第二输出端与叠加单元的第一输入端相连接，快速功率控制单元的输出端与叠加单元的第二输入端相连接，叠加单元的输出端与双环控制的第二输入端相连接，双环控制的输出端与VSC变流器输入端相连接，VSC变流器输出端与构网型设备相连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制系统，其特征在于：所述构网型设备包括：储能系统、光伏系统、风机系统或柔直系统。

3.一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：EMS系统或稳控装置下发构网型设备的功率控制指令P_set，功率协调控制器接收构网型设备的功率控制指令P_set；

步骤2：功率协调控制器根据构网型设备的功率控制指令P_set，输出分解后的快速功率控制指令P_ordi，并下发至每个构网型设备对应的功率控制器；

步骤3：分解后的快速功率控制指令P_ordi与构网型设备的实测输出功率P_meai输入第一比较单元，比较单元输出功率差值dP；

步骤4：将虚拟机机械功率P_m、虚拟机电磁功率P_e、虚拟机机端实测电压V和虚拟机无功功率实测值Q_e输入构网型控制单元，生成控制信号θ_ref，电压参考值信号U_set；

步骤5：功率差值dP输入快速功率控制单元，生成附加控制信号dθ_ref；

步骤6：控制信号θ_ref与附加控制信号dθ_ref分别输入叠加单元，输出虚拟转子角控制信号θ；

步骤7：电压参考值信号U_set与虚拟转子角控制信号θ分别输入双环控制单元，输出PWM调制信号；

步骤8：PWM调制信号输入VSC变流器的功率器件进行控制，输出构网型设备的功率响应控制信号。

4.根据权利要求3所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：还包括步骤9，步骤9：当VSC变流器N个实测输出功率P_meai的采样点与分解后的快速功率控制指令P_ordi的差值均小于设置功率阈值P_error时，VSC变流器进入调节死区，完成本次快速功率调节过程。

5.根据权利要求3或4所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：所述分解后的快速功率控制指令获取方式如下：

对于构网型设备由多个储能系统组成的场景，按照第一平均分配原则或者考虑充放电系数的原则进行分配；

所述第一平均分配原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_ordi为下发给第i个储能系统的快速功率控制指令，P_Ni为第i个储能系统额定功率，P_Nj为第j个储能系统额定功率，M为储能系统的数量；

所述考虑充放电系数的原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，S_ci、S_di分别为第i个储能系统充电、放电系数，S_cj、S_dj分别为第j个储能系统充电、放电系数；

其中，SOC_min、SOC_max分别为允许的SOC下限、上限，SOC_i为第i个储能系统的剩余电量，SOC_j为第j个储能系统的剩余电量。

6.根据权利要求3或4所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：所述分解后的快速功率控制指令获取方式如下：

对于构网型设备由多个非储能构网型设备组成的场景，按照第二平均分配原则或考虑功率调节裕度的原则进行分配；所述非储能构网型设备包括：光伏系统、风机系统或者柔直系统；

所述第二平均分配原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_Ni为第i个非储能构网型设备额定功率，P_Nj为第j个非储能构网型设备额定功率，M为非储能构网型设备的数量；

所述考虑功率调节裕度的原则，各储能系统分解后的快速功率控制指令P_ordi，计算公式如下：

其中，P_set为构网型设备的功率控制指令，P_Ni为第i个非储能构网型设备额定功率，P_Nj为第j个非储能构网型设备额定功率，P_mi为第i个非储能构网型设备的功率调节裕度，P_mj为第j个非储能构网型设备的功率调节裕度，M为非储能构网型设备的数量；

其中，|I_i|、I_Ni、I_maxi分别为第i个非储能构网型设备当前工作电流、额定电流、最大工作电流，|I_j|、I_Nj、I_maxj分别为第j个非储能构网型设备当前工作电流、额定电流、最大工作电流，K为折算系数。

7.根据权利要求3或4所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：所述dP＝P_ordi-P_meai。

8.根据权利要求7所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：所述附加控制信号dθ_ref，计算公式如下：

其中，dP为功率差值，θ_ini为本次快速功率控制单元的初始值，θ_last为上次执行完功率快速控制指令后的角度值、T为快速功率控制的积分时间常数，s为拉普拉斯算子。

9.根据权利要求3或4所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：所述控制信号θ_ref，计算公式如下：

式中，T_J为虚拟惯性时间常数，D为阻尼系数，P_m为虚拟机机械功率、P_e为虚拟机电磁功率，ω₀为额定频率，Δω为频率偏差，t为时间常数。

10.根据权利要求3或4所述的一种适用于构网型设备的快速功率控制方法，其特征在于：所述电压参考值信号U_set，计算公式如下：

V_ref＝V_set+K_q(Q_ref-Q_e)

式中，K_a为调压比例系数，T_a为时间常数，E_set为虚拟机内电势基准值，V_ref为虚拟机机端目标控制电压，V为虚拟机机端实测电压，s为拉普拉斯算子；V_set为虚拟机机端电压基准值，Q_ref为虚拟机无功功率参考值、Q_e为虚拟机无功功率实测值，K_q为功率比例系数。

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