一种平抑光伏秒级出力波动的光伏电站频率主动支撑控制方法与流程

1.本发明属于光伏发电领域，尤其涉及一种平抑光伏秒级出力波动的光伏电站频率主动支撑控制方法。


背景技术：

2.截至2020年底，我国可再生能源发电装机总规模达9.3亿千瓦，占总装机比重达到42.4％，其中光伏发电装机达2.5亿千瓦。在光伏高渗透率电网运行背景下，光伏出力的随机性与波动性为电力系统的运行控制带来了挑战。如何抑制源侧波动对系统频率性能的影响，如何合理配置备用调节资源成为当前主要问题。
3.目前，针对该问题，在理论上通过提升光伏功率超短期预测精度并提前合理分配各光伏电站承担有功出力值可以在分钟级时间尺度有效减小光伏出力波动程度。在预测方法上，主要分为统计方法与物理方法两种。在统计方法上，可以通过对光伏电站历史数据的探索性分析，对比多种回归预测模型，对影响功率的因素建立神经网络与非线性拟合的组合预测模型。在物理方法上，以地基云图所采集日间天空图像为基础为光伏电站0～4h的超短期功率精确预测提供了方法，有学者则在此基础上提前预测云图变化提高了云图数据的准确性从而为超短期功率预测精度提升奠定了基础。然而，上述功率预测方法通常仅能为15min级周期左右超短期调度提供参考功率基点预测值，对于秒级短时间尺度的未来无规则光照小扰动缺乏可靠的预知能力，难以实现出力在秒级短时间上的平稳性，进而导致光伏渗透率提高时系统频率更易发生波动。
4.进一步对于该问题，现阶段主要通过储能装置补偿光伏出力波动以平滑光伏有功输出曲线，使光伏实际输出有功尽量在短时秒级小扰动下保持对超短期调度值的准确跟随。然而该方法本质上仍基于储能低通滤波被动滤除光伏高频波动分量，必然存在时间上的滞后性，且考虑到储能配置的经济性问题，难以大规模推广。同时，考虑到现已普遍要求新能源场站按额定功率10％风力发电作为一种绿色清洁能源，装机容量快速增长。据行业统计，2018年新增并网风电装机2059万千瓦，累计并网装机容量达到1.84亿千瓦，占全部发电装机容量的9.7％。随着风力发电的快速发展，风力发电已经成为系统中的主力电源，迫切需要风电参与电网一次频率响应，提升电网的频率安全稳定水平。


技术实现要素：

5.发明目的：针对以上问题，本发明提出一种平抑光伏秒级出力波动的光伏电站频率主动支撑控制方法。首先提出了光伏电站频率主动支撑控制系统模型，理论分析了光伏高渗透率电力系统抑制该秒级小扰动的必要性，其次基于前馈控制对扰动的补偿作用与自校正控制对不确定扰动导致控制性能变化的抵御能力，设计了基于前馈补偿的有功自校正控制器，该控制器通过自适应无规则光照扰动动态校正光伏有功给定值，最终实现总实际出力仍能在无规则光照扰动下对超短期调度值的秒级精确跟随。
6.技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种平抑光伏秒级出力波动的光伏电站频率主动支撑控制方法，包括光伏电站有功补偿自校正控制器设计，在光照随机无规则变化下系统实际输出功率最大精度跟随给定值，实现主动补偿，具体如下：
7.1)首先将全系统小信号等效传递函数模型离散化后整理为以下形式：
8.a(z
‑1)y(k)＝z
‑
d
b(z
‑1)u(k)+c(z
‑1)ξ(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
9.式中y(k)为系统实际输出，表示各光伏电站在扰动下的有功实际输出功率；u(k)为系统控制输入，表示校正后各电站承担的有功功率值；ξ(k)为扰动输入，表示受扰光伏电站处的辐射强度随机无规则变化量；z是z变换算子，a,b,c是状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵z变换之后的结果；
10.2)选择控制性能指标函数为：
11.j＝(y(k+d)
‑
y
r
(k+d))2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
12.式中y
r
(k+d)为第k+d步的期望有功输出，y(k+d)为第k+d步的实际有功输出；
13.3)使控制性能指标函数j取得最小值的第k步最优控制u(k)满足：
14.f(z
‑1)u(k)＝c(z
‑1)y
r
(k+d)
‑
g(z
‑1)y(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
15.式中f(z
‑1),g(z
‑1)满足以下关系：
16.f(z
‑1)＝b(z
‑1)e(z
‑1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0017][0018]
式中e(z
‑1)为c(z
‑1)被a(z
‑1)除的商；
[0019]
4)实际系统的小信号等效传递函数模型对应传递函数为：
[0020][0021]
其中δf为系统当前频率和50hz的差值，δp为所有光伏电站并网公共节点处的母线总功率变化量；
[0022]
g(s)离散化后将其转化为式(1)所示标准形式，然后结合式(3)～式(5)，在k时刻计算出使k+d时刻有功跟随误差最小的控制量u(k)，即提前生成k+d时刻的光伏电站有功参考序列并下发，补偿后使得k+d时刻的有功跟踪误差最小。
[0023]
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
[0024]
本发明提出一种平抑光伏秒级出力波动的光伏电站频率主动支撑控制策略略，理论研究和仿真分析表明，通过检测到受扰光伏处光照随机扰动后预测并提前校正其他电站未来需调节出力值可主动补偿受扰光伏出力变化，有效提升系统频率响应性能。
附图说明
[0025]
图1为本发明提供的光伏电站频率主动支撑控制系统模型；
[0026]
图2为本发明实施例中的仿真拓扑；
[0027]
图3为本发明实施例中模拟光照辐射强度变化；
[0028]
图4为本发明实施例中的算例结果1；
[0029]
图5为本发明实施例中的算例结果2；
[0030]
图6为系统对应的等效理论小信号模型。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0032]
本发明还有其它不同的实施方式，各种实施方式中的细节可以在不偏离本发明的情况下进行各种明显的改进。因此，附图和说明书是要阐释实质问题而非限制性的。
[0033]
本发明所述的平抑光伏秒级出力波动的光伏电站频率主动支撑控制方法，包括下述实施内容：
[0034]
第一，自校正控制用于频率主动支撑控制的意义。
[0035]
实施自校正控制的目的在于最大限度地减小干扰对系统的影响，即自适应校正控制量使得系统实际输出能最大精度地跟随期望输出。
[0036]
传统光伏超短期出力预测通常以15min为周期为各电站提供一次功率调度参考基点信息，调度中心再据此制定各电站的有功调度值，该调度值即为各电站的期望输出功率，也是各电站的有功控制给定值。然而，实际上该调度值从产生到电站完成接收再到出力调整完成存在固有延时，在该段延时内诸如随机不可预测的光照波动仍会持续作用于系统，从而导致光伏实际出力对期望值跟随精度下降产生差值δp，因此会进一步影响系统频率性能。
[0037]
因此，基于自校正控制的抗干扰性，同时基于前馈补偿思想对控制量即各电站有功给定值进行校正，重新自适应分配各站有功给定值，校正原有各电站的有功调度值，如可利用减载运行有备用的光伏电站实现对出力突变的光伏电站主动补偿，计算出k时刻各电站的出力校正值以实现k+d时刻的光伏电站出力波动达到能取得的最小值，从而主动提升系统频率性能。
[0038]
本发明提供的光伏电站频率主动支撑控制系统模型如图1所示。图1中核心控制器即为本发明设计的自校正控制器，其旨在通过生成k时刻的有功控制给定值u(k)实现k+d时刻的有功波动δp
(k+d)
最小，进而主动减小该时刻的频率变化量δf
(k+d)
。该控制器输入为k时刻功率预分配值与各光伏电站所受光照强度大小g
1k
～g
nk
，其中功率预分配值为各电站k时刻按照mppt算法跟踪并按要求减载得到的相应工作点a1p
max1k
～a
n
p
maxnk
，a
i
为第i座电站的减载率。其输出u(k)为各光伏电站k时刻承担有功参考值校正结果p
ref1k
～p
refnk
，并将其中相应第i电站的k时刻校正的有功参考值p
refik
下发至相应电站逆变器环节进行执行。如图所示，以抑制pvn处光照波动问题为例，自校正控制器根据pvn处光照g
n
变化情况主动调整当前时刻的各光伏电站有功给定值，利用未受扰的光伏电站减载备用对pvn的出力波动进行主动预补偿。图中虚线框所指为传统下垂控制方式，可以看出，当g
n
变化可能造成出力变化时，传统下垂控制需检测到频率变化才会被动进行出力调节，而自校正控制可实现对光伏出力波动的预补偿，从而更好的提升系统频率响应性能。
[0039]
第二，光伏电站有功补偿自校正控制器设计。
[0040]
首先将全系统小信号等效传递函数模型离散化后整理为以下形式：
[0041]
a(z
‑1)y(k)＝z
‑
d
b(z
‑1)u(k)+c(z
‑1)ξ(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0042]
式中y(k)为系统实际输出，物理意义为各光伏电站在扰动下的有功实际输出功率；u(k)为系统控制输入，物理意义为校正后各电站承担的有功功率值；ξ(k)为扰动输入，
物理意义为受扰光伏电站处的辐射强度随机无规则变化量；z是z变换算子，a,b,c是状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵z变换之后的结果。
[0043]
自校正控制器的设计目的是保证在光照随机无规则变化下系统实际输出功率能最大精度跟随给定值，实现主动补偿，因此选择控制性能指标函数为：
[0044]
j＝(y(k+d)
‑
y
r
(k+d))2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0045]
式中y
r
(k+d)为第k+d步的期望有功输出，y(k+d)为第k+d步的实际有功输出。根据式(2)表示的性能指标函数，该问题可视为一个最小方差控制器问题，其中使j取得最小值的第k步最优控制u(k)满足：
[0046]
f(z
‑1)u(k)＝c(z
‑1)y
r
(k+d)
‑
g(z
‑1)y(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
式中f(z
‑1),g(z
‑1)满足以下关系：
[0048]
f(z
‑1)＝b(z
‑1)e(z
‑1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0049][0050]
式中e(z
‑1)为c(z
‑1)被a(z
‑1)除的商。
[0051]
同时，图1所示实际系统的小信号等效传递函数模型对应传递函数为：
[0052][0053]
其中δf为系统当前频率和50hz的差值，δp为所有光伏电站并网公共节点处的母线总功率变化量。
[0054]
g(s)离散化后将其转化为式(1)所示标准形式，然后结合式(3)～式(5)，即可在k时刻计算出使k+d时刻有功跟随误差最小的控制量u(k)，即提前生成k+d时刻的光伏电站有功参考序列并下发，补偿后使得k+d时刻的有功跟踪误差最小，从而提前主动有效减少源侧功率波动，提升了系统频率性能。
[0055]
如图6所示，自校正控制器通过各电站处的光照强度扰动序列δg1～δg
n
的测量结果，根据当前各电站减载出力值a1p
max1
～a
n
p
maxn
，求出此时需校正的有功给定值δp
ref1
～δp
refn
(δp
ref1
～δp
refn
为控制量u(k)向量中的各个变量)；逆变器执行环节可等效为一阶惯性环节，时间常数为t
pv
，经过逆变器执行后用于主动补偿由δg1～δg
n
引起的出力波动δp
pv1
～δp
pvn
，n(s)为二者间的扰动传递函数。即自校正控制器以前馈补偿的方式主动使所有光伏电站并网公共节点处的母线总功率变化量δp趋近于0，从而减小δf。
[0056]
在本实施例中，采用ieee经典3机9节点系统作为基本仿真拓扑，在图1拓扑的基础上在matlab/simulink中搭建了图2所示的系统用于仿真分析，验证所提频率主动支撑控制策略的有效性。其中g1与g2为常规同步发电机组，装机容量均设为10mw，g3为并网光伏电站集群，包括pv1与pv2共两座光伏电站，对应图1中光伏电站集群n＝2，二者由自身光伏阵列与光伏并网逆变器相连后并联接入公共并网母线，load1、load2与load3为有功负荷。
[0057]
在仿真场景设置上，根据图1所示光伏电站频率主动支撑控制系统模型，首先对g3中pv1施加源侧随机光照扰动，其次引入自校正控制器对pv2有功给定值进行自适应调整以主动补偿平滑pv1的出力波动，使g3总出力维持稳定，以光伏集中并网节点3的频率变化情况为仿真结果展开讨论。基于图2仿真拓扑，本发明主要研究光照小范围变化下有无自校正控制对光照随机扰动下系统频率的影响：对比研究上述自校正控制主动改变pv2有功出力
与使用传统下垂控制被动改变pv2出力的两种情况下频率恢复曲线，以光照小范围随机波动为例证明自校正控制相较下垂控制提升频率性能的有效性。
[0058]
仿真一旨在证明采用主动自校正控制相比被动的下垂控制对提升频率动态性能的优势。根据图1、6自校正控制系统模型与系统小信号等效模型，针对被控对象，即光伏电站pv1与pv2的逆变器执行时间常数统一设置t
pv
为0.5s。同时，设pv1与pv2内部各光伏阵列处的零时刻初始辐射强度为1000w/m2，温度为298k，零时刻有功出力均为5mw，即光伏初始渗透率为33％，并设光伏有功出力可向上调节至10mw，向下调节至1mw。对于扰动模拟，设置pv1内部各光伏阵列从零时刻起受到图5所示的小范围随机辐射强度扰动，即g每隔0.2s变化一次，扰动传函n(s)参考第2节线性化结果选为0.03。
[0059]
按照自校正控制器的设计流程，基于图3扰动情况动态计算扰动下pv2需要自适应调整的出力给定值并控制pv2参与频率主动支撑。取4s～6s内的辐射强度g对应的系统出力与频率为例，分别仿真对比了施加主动自校正控制与仅对减载光伏电站采用下垂控制的功率变化曲线与频率变化曲线如图4、5所示：
[0060]
在图4、5的基础上，为定量分析主动自校正控制相较传统被动下垂控制对频率动态性能的具体改善作用，本发明选取频率最低点与平均频率变化率为主要频率性能特征量化指标，定量计算了4～6s内主动自校正控制与被动下垂控制作用下的二者大小如下：
[0061]
表1仿真一控制指标量化对比(渗透率33％)
[0062][0063]
综上，根据图4、5，在pv1受到随机辐射扰动而发生出力波动的情况下，采用自校正控制在每个采样周期0.2s时刻提前快速校正pv2出力给定值相比于下垂控制被动等待频率出现偏差再滞后调整pv2出力的方式可以更有效抑制pv1出力变化造成的频率波动。根据表1的控制指标量化对比结果，自校正控制相较下垂控制在该扰动下可将频率最低点提高约0.04hz，同时使得平均频率变化率减少约26.06％，证明了自校正控制自适应提前校正光伏电站出力给定值可有效抑制频率跌落深度并减小频率平均变化率。