CN116316819A - 一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法 - Google Patents

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CN116316819A CN202310120398.1A CN202310120398A CN116316819A CN 116316819 A CN116316819 A CN 116316819A CN 202310120398 A CN202310120398 A CN 202310120398A CN 116316819 A CN116316819 A CN 116316819A
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Abstract

本发明公开一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，包括获取外部系统等值参数，建立含光伏发电的电网频率响应模型；根据电网频率响应模型中的不同控制模式调频特性确定各控制模式调频死区、调差率取值范围；以电网最大频差最小、稳态频差最小、各控制模式下光伏有功调节量最小为目标建立多目标优化模型；在不同功率扰动下，基于电网频率响应模型获取系统最大频差、稳态频差、各控制下光伏有功出力代入多目标优化模型，得到最优调频死区和调差率。本发明整定方法通过对光伏发电集中式和分散式调频控制模式下的调频死区与调差率进行整定，实现对不同控制模式下光伏发电单元参与和退出调频的时序、容量合理安排，提高电网的频率稳定性。

Description

一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法
技术领域
本发明涉及电力系统频率控制技术领域，具体是一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法。
背景技术
分布式光伏发电是新能源利用的主要方式之一，我国大力支持在中东部地区发展分布式光伏发电。截至2021年底，我国分布式光伏发电装机容量达1.075亿千瓦，约占全部光伏发电并网装机容量的三分之一。同时，中东部地区作为我国主要的负荷中心，有多条特高压直流馈入，使得我国中东部地区电网呈现了高比例分布式新能源与多直流馈入的新形态。
大规模新能源和多直流馈入，削弱了电网有功调节能力，在特高压直流发生换相失败甚至直流闭锁期间，可能会导致新能源大规模脱网，进一步加剧对系统稳定性的不利影响。因此，有必要开展分布式光伏发电主动支撑电网频率稳定方面的研究。目前关于分布式光伏调频研究多集中于逆变器自身控制策略或技术可行性方进行面，缺乏对不同电压低等级分布式光伏发电如何协调控制参与系统调频的研究，针对大规模分布式光伏并网后，显著影响电网频率特性，当系统发生功率扰动时，导致电网频率出现偏差，可能触发系统保护装置动作，使系统面临大面积切机、切负荷风险。因此，现提出一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，通过以系统最大频差、稳态频差、光伏有功调节量为优化目标，对集中式和分散式调频控制模式的光伏发电的调频死区与调差率进行整定，有利于充分发挥不同调频控制模式下分布式光伏发电对电网的主动支撑性能，对不同控制模式下分布式光伏发电单元参与和退出调频的时序、容量进行合理地安排，提高电网的频率稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，所述关键参数整定方法具体包括以下步骤：
获取外部系统等值参数，建立含光伏发电的电网频率响应模型。
根据电网频率响应模型中的不同控制模式调频特性，确定各控制模式调频死区、调差率取值范围。
以电网最大频差最小、稳态频差最小、各控制模式下光伏有功调节量最小为目标，建立多目标优化模型。
在不同功率扰动下，基于电网频率响应模型获取系统最大频差、稳态频差、各控制下光伏有功出力代入多目标优化模型，通过优化算法求解不同控制模式下最优调频死区和调差率。
进一步的，所述电网频率响应模型包括外部等值系统频率响应模型、集中式调频控制模式下光伏发电频率响应模型和分散式调频控制模式下光伏发电频率响应模型。
进一步的，所述外部系统等值频率响应模型包括一次调频死区fD2、等效二阶传递函数Geq(s)和外部系统装机占比Keq，外部等值系统等效二阶传递函数如式(1)所示
Figure BDA0004079755290000021
式中，s为拉普拉斯算子，a0、a1、b0、b1为参数系数，其中a0、a1、b0、b1需根据外部系统频率响应特性通过辨识获取。
当系统发生功率扰动时，外部系统一次调频引起的功率变化ΔPeq如式(2)所示：
Figure BDA0004079755290000031
式中，Δf为系统频率变化量，fD2为外部系统调频死区值。
进一步的，所述集中式调频控制模式下光伏发电频率响应模型包括一次调频死区、调差率RCPV、集中式调频控制模式下光伏发电单元装机占比KCPV和集中式调频控制模式下光伏调频限幅。
当系统发生功率扰动时，集中式调频控制模式下光伏发电一次调频引起的功率变化如式(3)所示：
Figure BDA0004079755290000032
式中，fD1为集中式调频控制模式下光伏发电调频死区值。
进一步的，所述分散式调频控制模式下光伏发电频率响应模型包括一次调频死区、调差率RDPV、分散式调频控制模式下光伏发电单元装机占比KDPV和分散式调频控制模式下光伏调频限幅。
当系统发生功率扰动时，分散式调频控制模式下光伏发电一次调频引起的功率变化如式(4)所示：
Figure BDA0004079755290000033
式中，fD3为分散式调频控制模式下光伏发电调频死区值。
进一步的，所述多目标优化模型对多集中式控制模式、分散式调频控制模式两种模式下的调频死区与调差率进行优化，该优化问题的目标函数可以描述为：
Figure BDA0004079755290000041
式中，自变量θ＝[fD1,fD3,RCPV,RDPV]T，N为扰动集合，λ1～λ4为权重系数，Δfnadir为最大频差，Δf∞为稳态频差，ΔPCPV为集中式控制模式下光伏发电有功调节量、ΔPDPV为分散式控制模式下光伏发电有功调节量，其中权重系数根据控制要求进行设置。
调频死区取值、调差率取值、光伏单元有功输出量的约束条件，表述为：
Figure BDA0004079755290000042
式中fD1min、fD1max分别为集中式控制模式下光伏发电调频死区上、下限，fD3min、fD3max分别为分散式控制模式下光伏发电调频死区上、下限，ΔPCPVmin、ΔPCPVmax分别为集中式控制模式下光伏有功可调节量上、下限，ΔPDPVmin、ΔPDPVmax分别为分散式控制模式下光伏有功可调节量上、下限，RCPVmin、RCPVmax分别为集中式控制模式下调差率上、下限，RDPVmin、RDPVmax分别为分散式控制模式下调差率上、下限。
进一步的，所述集中式调频控制模式下光伏一次调频死区fD1小于分散式调频控制模式下光伏一次调频死区fD3，使集中式控制模式下光伏单元动作先于分散式控制模式下光伏单元动作。
此外，本发明还公开了一种计算机可读取的存储介质，存储有计算机程序来指令相关硬件，所述程序被执行的时候，能够实现上述步骤。
本发明的有益效果：
1、本发明关键参数整定方法以系统最大频差、稳态频差、光伏有功调节量为优化目标，对集中式和分散式调频控制模式的光伏发电的调频死区与调差率进行整定，有利于充分发挥不同调频控制模式下分布式光伏发电对电网的主动支撑性能；
2、本发明关键参数整定方法通过对不同控制模式下分布式光伏发电单元参与和退出调频的时序、容量进行合理地安排，提高电网的频率稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明关键参数整定方法流程图；
图2为本发明中含光伏发电不同调频控制模式的电网等效频率响应模型框图；
图3为本发明中电网发电机组有功-频率静态特性曲线；
图4为本发明实施例1中小扰动下不同控制模式对应频率响应曲线；
图5为本发明实施例1中小扰动下集中式控制模式光伏发电有功变化曲线；
图6为本发明实施例1中小扰动下分散式控制模式光伏发电有功变化曲线；
图7为本发明实施例2中大扰动下不同控制模式对应频率响应曲线；
图8为本发明实施例2中大扰动下集中式控制模式光伏发电有功变化曲线；
图9为本发明实施例2中大扰动下分散式控制模式光伏发电有功变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，如图1所示，关键参数整定方法具体包括以下步骤：
获取外部系统等值参数，建立含光伏发电的电网频率响应模型。
如图2所示，电网频率响应模型包含外部等值系统频率响应模型、集中式调频控制模式下光伏发电频率响应模型和分散式调频控制模式下光伏发电频率响应模型。
外部系统等值频率响应模型包括一次调频死区fD2、等效二阶传递函数Geq(s)和外部系统装机占比Keq，外部等值系统等效二阶传递函数如式(1)所示
Figure BDA0004079755290000061
式中，s为拉普拉斯算子，a0、a1、b0、b1为参数系数，其中a0、a1、b0、b1需根据外部系统频率响应特性通过辨识获取。
当系统发生功率扰动时，外部系统一次调频引起的功率变化ΔPeq如式(2)所示：
Figure BDA0004079755290000062
式中，f为系统频率，Δ为增量，fD2为外部系统调频死区值。
集中式调频控制模式下光伏发电频率响应模型由一次调频死区fD1、调差率RCPV、集中式调频控制模式下光伏发电单元装机占比KCPV和集中式调频控制模式下光伏调频限幅组成。
当系统发生功率扰动时，集中式调频控制模式下光伏发电一次调频引起的功率变化如式(3)所示：
Figure BDA0004079755290000063
式中，fD1为集中式调频控制模式下光伏发电调频死区值。
分散式调频控制模式下光伏发电频率响应模型由一次调频死区fD3、调差率RDPV、分散式调频控制模式下光伏发电单元装机占比KDPV和分散式调频控制模式下光伏调频限幅组成。
当系统发生功率扰动时，分散式调频控制模式下光伏发电一次调频引起的功率变化如式(4)所示：
Figure BDA0004079755290000071
式中，fD3为分散式调频控制模式下光伏发电调频死区值。
根据不同控制模式调频特性，确定各控制模式调频死区、调差率取值范围。
考虑到集中式控制模式下光伏单元输出功率可控性强，能够根据调度系统需要调整功率输出，取集中式调频控制模式下光伏一次调频死区fD1小于分散式调频控制模式下光伏一次调频死区fD3，使集中式控制模式下先于分散式控制模式下光伏单元动作。
建立多目标优化模型，设置各控制模式调频死区、调差率值并进行优化。
多目标优化模型包括最大频差最小、稳态频差最小和光伏有功调节量最小。
综合考虑电网安全性及经济性，以电网最大频差最小、稳态频差最小、各控制模式下光伏有功调节量最小为目标建立光伏发电两种调频控制模式间协调控制的多目标优化模型，对两种调频控制模式(集中式控制模式、分散式调频控制模式)的调频死区与调差率进行优化，该优化问题的目标函数可以描述为：
Figure BDA0004079755290000072
式中，自变量θ＝[fD1,fD3,RCPV,RDPV]T，N为扰动集合，λ1～λ4为权重系数，Δfnadir为最大频差，Δf∞为稳态频差，ΔPCPV为集中式控制模式下光伏发电有功调节量、ΔPDPV为分散式控制模式下光伏发电有功调节量，其中权重系数根据控制要求进行设置。
调频死区取值、调差率取值、光伏单元有功输出量的约束条件，表述为：
Figure BDA0004079755290000081
式中fD1min、fD1max分别为集中式控制模式下光伏发电调频死区上、下限，fD3min、fD3max分别为分散式控制模式下光伏发电调频死区上、下限，ΔPCPVmin、ΔPCPVmax分别为集中式控制模式下光伏有功可调节量上、下限，ΔPDPVmin、ΔPDPVmax分别为分散式控制模式下光伏有功可调节量上、下限，RCPVmin、RCPVmax分别为集中式控制模式下调差率上、下限，RDPVmin、RDPVmax分别为分散式控制模式下调差率上、下限。
基于多目标优化模型，得到最优调频死区和调差率。
在不同功率扰动下，根据频率响应模型获取系统最大频差、稳态频差、各控制下光伏有功出力代入多目标优化模型，通过优化算法求解不同控制模式下最优调频死区和调差率，计算并记录目标函数值。
判断目标函数值，当目标函数值最小，则得到最优调频死区和调差率，若目标函数值不是最小，则重新设置各控制模式调频死区、调差率值，直至得到最优调频死区和调差率。
由于分散式控制模式可控性较集中式模式差，光伏单元存在功率过调、可调节量不足等问题，不利于调度部门管理，在保证系统安全稳定的前提下，通过合理设置两种调频控制模式调频死区及调差率，使得当系统发生小扰动时尽量使分散式控制模式下光伏单元不参与频率调节，而当系统发生大扰动时分散式控制模式下光伏单元快速参与频率调节，电网发电机组有功-频率静态特性曲线如图3所示。
关键参数整定方法基于D I gS I LENT/PowerFactory仿真平台搭建含光伏发电的改进I EEE33节点仿真算例进行试验：
火电机组调速器控制系统采用I EEE-G1型调速系统，光伏模型采用美国西部电力协调委员会及美国电力科学研究院等机构所提的光伏发电通用机电暂态模型，外部系统调频死区设为经验值0.033Hz，通过辨识获得外部系统等值参数如表1所示：
表1外部系统等值参数
Figure BDA0004079755290000091
根据关键参数整定方法具体步骤，各调频控制模式下调频参数优化结果如表2所示：
表2调频关键参数优化结果
Figure BDA0004079755290000092
为了验证以上不同调频控制模式调频参数整定的适应性，在不同扰动下对比三种运行方式在这三种扰动下调频效果:
方式1：集中式调频控制模式下光伏单元参与频率调节，调频死区为±0.05Hz，,调差率为2％，分散式调频控制模式下光伏单元不参与频率调节。
方式2：两种调频控制模式下光伏单元均参与系统频率调节，且调频死区均设置为±0.05Hz，调差率均设置为2％。
方式3：根据表2对两种控制模式下调频参数进行近似区分设置，设置集中式调频控制模式下调频死区为±0.02Hz，调差率为2.8％，分散式调频控制模式下调频死区为±0.08Hz，调差率为2.0％。
实施例1：
结合仿真算例，如图4所示，电网频率变化曲线在2s时刻突增1％装机容量有功扰动，以模拟电网发生小扰动情况，如图5所示的集中式调频控制模式下光伏发电有功变化量，如图6所示的分散式调频控制模式下光伏单元有功变化量。
由以上仿真结果可以看出，当系统发生较小扰动时，三种控制模式下系统频率均高于49.92Hz，此时方式3下分散式调频控制模式未动作，验证了协调控制参数整定的合理性，保证小扰动下分散式调频控制模式下光伏单元不参与电网频率调节。
实施例2：
结合仿真算例，2s时刻突增3％装机容量有功扰动，以模拟电网发生大扰动情况，电网频率变化曲线如图7所示，集中式调频控制模式下光伏单元有功变化量如图8所示，分散式调频控制模式下光伏单元有功变化量如图9所示。
由以上仿真结果可以看出，若分散式控制模式下光伏单元不参与系统频率调节系统频率将跌至49.75Hz，由此可以看出大扰动下分散式调频控制模式下光伏单元应参与系统频率调节，其对系统频率支撑起到不可或缺的作用。而分散式控制模式下光伏单元采用方式3参与系统频率调节式亦可保证最低频率高于49.8Hz，且此时在保证系统频率稳定的前提下，又可以降低分散式控制模式下光伏单元参与电网频率调节功率。
综上所述，本发明提供的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，既能保证电网频率稳定要求，又具备一定经济性与安全性，分布式光伏发电两种调频控制模式的调频参数优化结果仅适用于特定算例或实际系统，参数优化方法具有普适性。
本发明的一些示例中，还涉及一种计算机可读取的存储介质，存储有计算机程序来指令相关硬件，程序被执行时，能够实现上述的光伏发电调频模式间协调控制的关键参数整定。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一种计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-On l y，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，其特征在于，所述关键参数整定方法具体包括以下步骤：
获取外部系统等值参数，建立含光伏发电的电网频率响应模型；
根据电网频率响应模型中的不同控制模式调频特性，确定各控制模式调频死区、调差率取值范围；
以电网最大频差最小、稳态频差最小、各控制模式下光伏有功调节量最小为目标，建立多目标优化模型；
在不同功率扰动下，基于电网频率响应模型获取系统最大频差、稳态频差、各控制下光伏有功出力代入多目标优化模型，通过优化算法求解不同控制模式下最优调频死区和调差率。
2.根据权利要求1所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，其特征在于，所述电网频率响应模型包括外部等值系统频率响应模型、集中式调频控制模式下光伏发电频率响应模型和分散式调频控制模式下光伏发电频率响应模型。
3.根据权利要求2所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，其特征在于，所述外部系统等值频率响应模型包括一次调频死区fD2、等效二阶传递函数Geq(s)和外部系统装机占比Keq，外部等值系统等效二阶传递函数如式(1)所示
Figure FDA0004079755280000011
式中，s为拉普拉斯算子，a0、a1、b0、b1为参数系数，其中a0、a1、b0、b1根据外部系统频率响应特性通过辨识获取。
4.根据权利要求3所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，当系统发生功率扰动时，外部系统一次调频引起的功率变化ΔPeq如式(2)所示：
Figure FDA0004079755280000021
式中，Δf为系统频率变化量，Geq(s)为外部系统等效传递函数，fD2为外部系统调频死区值。
5.根据权利要求2所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，其特征在于，所述集中式调频控制模式下光伏发电频率响应模型包括一次调频死区、调差率RCPV、集中式调频控制模式下光伏发电单元装机占比KCPV和集中式调频控制模式下光伏调频限幅。
6.根据权利要求5所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，当系统发生功率扰动时，集中式调频控制模式下光伏发电一次调频引起的功率变化如式(3)所示：
Figure FDA0004079755280000022
式中，Δf为系统频率变化量，fD1为集中式调频控制模式下光伏发电调频死区值。
7.根据权利要求2所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，其特征在于，所述分散式调频控制模式下光伏发电频率响应模型包括一次调频死区、调差率RDPV、分散式调频控制模式下光伏发电单元装机占比KDPV和分散式调频控制模式下光伏调频限幅。
8.根据权利要求7所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，当系统发生功率扰动时，分散式调频控制模式下光伏发电一次调频引起的功率变化如式(4)所示：
Figure FDA0004079755280000031
式中，Δf为系统频率变化量，fD3为分散式调频控制模式下光伏发电调频死区值。
9.根据权利要求1所述的一种光伏发电调频模式间协同控制的关键参数整定方法，其特征在于，所述多目标优化模型对多集中式控制模式、分散式调频控制模式两种模式下的调频死区与调差率进行优化，优化问题的目标函数为：
Figure FDA0004079755280000032
式中，自变量θ＝[fD1,fD3,RCPV,RDPV]T，fD1为集中式调频控制模式下光伏发电调频死区值，fD3为分散式调频控制模式下光伏发电调频死区值，RCPV为集中式调频控制模式下光伏发电的一次调频调差率，RDPV为分散式调频控制模式下光伏发电的一次调频调差率，N为扰动集合，λ1～λ4为权重系数，Δfnadir为最大频差，Δf∞为稳态频差，ΔPCPV为集中式控制模式下光伏发电有功调节量、ΔPDPV为分散式控制模式下光伏发电有功调节量，其中权重系数根据控制要求进行设置。
调频死区取值、调差率取值、光伏单元有功输出量的约束条件，表述为：
Figure FDA0004079755280000033
式中fD1min、fD1max分别为集中式控制模式下光伏发电调频死区上、下限，fD3min、fD3max分别为分散式控制模式下光伏发电调频死区上、下限，ΔPCPVmin、ΔPCPVmax分别为集中式控制模式下光伏有功可调节量上、下限，ΔPDPVmin、ΔPDPVmax分别为分散式控制模式下光伏有功可调节量上、下限，RCPVmin、RCPVmax分别为集中式控制模式下调差率上、下限，RDPVmin、RDPVmax分别为分散式控制模式下调差率上、下限。
10.一种计算机可读取的存储介质，存储有计算机程序来指令相关硬件，所述程序被执行的时候，能够实现权利要求1～9所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117638990A (zh) * 2023-12-05 2024-03-01 华北电力大学 一种新能源电力系统调频参数可调范围解耦的计算方法
CN117878972A (zh) * 2024-03-12 2024-04-12 南京邮电大学 一种多光伏源参与的配电网快速频率调节方法和装置

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