一种风光柴微网频率协调控制方法与流程

本发明涉及一种光伏发电技术，特别涉及一种基于光伏自适应减载-下垂控制的风光柴微网频率协调控制方法。

背景技术：

截至2015年底，我国光伏发电累计装机容量达4318万千瓦，成为全球光伏发电装机容量最大的国家，2016上半年，我国光伏新增并网装机量更超过2000万千瓦。光伏等分布式发电渗透率不断攀升且将持续升高(在微电网中尤其突出)，再加上光伏等分布式电源又是经过电力电子装置并网，这大大削弱了系统惯性。这就要求光伏等分布式电源也应该具备参与系统频率调节的能力。光伏调频已经受到国内外专家的重视。

现有技术的缺点:

1.忽略了光伏等微源自身潜在的调频能力

目前主流的微网频率调节技术一般都是依靠柴油机或者是储能系统，光伏等分布式电源为了追求效益最大化一般运行在最大功率追踪模式，这就导致了光伏等分布式电源没有有功备用从而与系统频率解耦不能响应系统频率变化。实际上在高分布式渗透率的系统里，光伏等微源自身潜藏着巨大的调频能力，特别是在光照强度较高或者风速较快的时段里。

2.初始投资增加，环境效益低

一方面依靠柴油机与储能系统来承担微网频率调节任务需要额外增加投资成本，特别是大容量储能设备其价格高昂；另一方面柴油机参与调频增发的那部分有功功率会带来环境污染，而且蓄电池寿命短，存在后期处理问题。比起柴油机或者储能系统，光伏实用寿命长，且用的是清洁能源不会产生环境污染问题。

技术实现要素：

本发明是针对现有微网频率控制方法忽略了光伏微源自身频率支撑能力的问题，提出了一种风光柴微网频率协调控制方法，通过调整光伏直流母线电压参考值使其运行在次mppt曲线上获得部分有功备用，然后再引入下垂控制让其响应微网频率变化参与调频，提高了光伏发电机组在微电网中提供频率支撑的能力。

本发明的技术方案为：一种风光柴微网频率协调控制方法，其中光伏实行自适应减载-下垂控制模块式，具体包括如下步骤：

1)系统发生频率偏差超出允许值时，对测量的当前光照强度s与设定的光照强度下限smin进行比较获得光伏是否参与调频信号：

当s≥smin时，光伏参与调频，光伏调频信号为1；

当s＜smin时，考虑到太阳能利用率，光伏不参与调频，光伏调频信号为0；

2)当光伏调频信号为1时，光伏进入减载-下垂控制，

首先，光伏由预先控制制定的光伏直流母线电压参考值的偏离值vdeload曲线,调整光伏直流母线电压参考值实现光伏固定减载10％，进行光伏减载控制，使光伏获得有功备用；

然后、进行下垂控制，对测量的系统频率fmeas与设定的基准值fn进行比较做差获得δf，将δf乘以光伏下垂控制的权重系数kd得到的电压值与原有的光伏直流母线电压参考值求和，来调整光伏直流母线最佳工作电压，从而调整光伏发电机组的出力；

最终、得到的实际参考电压与实际电压作差得到值经过pi控制获得光伏直轴电流参考值进而调整光伏出力响应系统频率变化；

3)光伏发电机组与双馈风电机组、柴油机机组按照各自的下垂系数向系统提供有功功率支撑。

所述步骤2)的具体方法步骤如下：

光伏根据自身控制p-u特性曲线，调整由mppt控制模式下光伏直流母线电压参考值，使其偏离当前工况下最佳工作电压，从而使光伏发电机组运行在次mppt曲线上获得部分有功备用，此时光伏控制对应参考电压为：

vdcref＝vmpp+vdeload

其中vdcref为光伏直流母线电压参考值；vmpp为当前工况下最佳工作电压；vdeload为光伏减载的电压偏离值；

对测量的系统频率fmeas与设定的基准值fn进行比较做差获得δf，δf信号通过下垂控制进而获得电压补偿量，并和前一时间点的减载后的光伏电压参考值作差获得此时的最佳工作电压参考值，具体如下：

vdcref＝vmpp+vdeload-kd*δf

其中kd为光伏下垂系数，

最终得到的实际参考电压与实际电压作差得到值经过pi控制获得光伏直轴电流参考值进而调整光伏出力响应系统频率变化。

所述系统在光伏自适应减载-下垂控制模块式下，光伏直流母线电压限幅模块实际电压参考值vdcref，具体如下：

当vdcref＜vmpp时，

当vmpp≤vdcref≤voc时，

当vdcref＞voc时，

其中voc为光伏开路电压。

本发明的有益效果在于：本发明风光柴微网频率协调控制方法，克服现有微网频率控制方法忽略了光伏微源自身频率支撑能力，同时为了使得光伏发电机组能够在不依靠储能设备前提下像同步机一样充分发挥其频率支撑能力，使得微电网能够在频率稳定性上进一步的提高。通过调整光伏直流母线电压参考值让光伏发电机组预留部分有功备用，并且在光伏mppt模块中引人微网频率偏差信号使得光伏能响应微网频率变化参与调频。同时考虑到光伏，风机出力由于受外界环境变化受影响较大，所以光伏、风机协调参与调频可以实现互补使得调频效果更加稳定。并据此设计了控制策略，使得光伏潜在调频能力得到了发挥。

附图说明

图1本发明实施例提供的光伏自适应减载-下垂控制示意图；

图2本发明实施例提供的仿真系统结构示意图；

图3本发明实施例提供的1000w/m²光照强度下负荷阶跃式突增的光伏调频出力示意图；

图4本发明实施例提供的1000w/m²光照强度下负荷阶跃式突增的的光伏调频微网频率变化示意图；

图5本发明实施例提供的时变光照强度下光伏直流母线电压参考值偏离值曲线示意图；

图6本发明实施例提供的时变光照强度下光伏下垂权重系数曲线示意图；

图7本发明实施例提供的时变光照强度下光伏调频出力示意图；

图8本发明实施例提供的时变光照强度下光伏调频微网频率变化示意图。

具体实施方式

孤岛运行下的微电网通常依靠柴油机或者安装大容量的储能设备来提供频率支撑，但是由于柴油机调速器响应速度相对较慢，储能设备的大容量安装又不符合经济性，再加上分布式电源在微网中渗透率不断攀升，这就要求分布式电源自身应该具备参与调频能力。本发明对传统的微网频率控制提出了改进，根据光伏出力可快速调节特性，提出了一种基于光伏自适应减载-下垂控制的风光柴微网频率协调控制方法，从而充分发挥光伏、风机等微源自身的调频能力，同时光伏、风机协调参与调频使得调频效果更佳稳定。

光伏发电控制的具体控制目标如下：根据当前光照强度与外界环境温度，由预先制定控制的光伏直流母线电压参考值的偏离值vdeload曲线,调整光伏直流母线电压参考值实现光伏固定减载10％，并依此判断光伏电池有功备用裕度从而选定光伏电池下垂权重系数kd从而响应系统频率变化参与调频。本发明涉及的光伏参与微网调频控制方法与现有的主流的微网调频控制方法的区别主要体现在以下几点：

一、光伏减载控制

原有的光伏发电机组为了提高太阳能利用率通常运行在最大光能追踪模式，光伏发电机组不存在有功备用从而光伏发电机组不能响应系统频率变化参与调频。这在高光伏渗透率的系统里对于系统的频率稳定性是极其不利的，当出现负荷阶跃式变化时，很容易引发系统低频减载、发电机脱网甚至系统崩溃。于是本发明根据光伏p-u特性曲线通过调整光伏直流母线电压参考值使其偏离最佳工作电压从而让光伏运行在次mppt曲线上获得有功备用。

二、下垂控制

通过将系统频率偏差δf引入到光伏mppt控制模块中，将δf乘以光伏下垂控制的权重系数kd得到的电压值与原有的光伏直流母线电压参考值求和来调整光伏直流母线最佳工作电压从而调整光伏发电机组的出力。

三、光伏调频死区

为了提高太阳能利用率，同时考虑到低光照强度下光伏发电机组出力小为此设置了光伏调频死区，即将当前光照强度大小s与设置最低光照强度smin相比较得到光伏是否参与调频信号。依此信号决定光伏直流母线参考电压值，其具体动作条件如下：

在系统发生频率变化时，光伏发电机组的频率控制部分应当有以下动态过程：当系统发生频率下降(或上升)时，光伏发电机组的减载控制环节与下垂控制环节求和得到的电压变化量与光伏调频信号相与，得到值作用于光伏直流母线最佳工作电压，从而调整光伏直流母线当前工况下的电压参考值而改变光伏出力参与调频，最后根据下垂系数光伏机组稳定运行在新的工作点，系统频率稳定。

因此频率控制的设计如图1所示，具体步骤如下：

首先、系统发生频率偏差超出允许值时，对测量的当前光照强度s与设定的光照强度下限smin进行比较获得光伏是否参与调频信号，具体如下：

当s≥smin时，光伏参与调频，光伏调频信号为1；

当s＜smin时，考虑到太阳能利用率，光伏不参与调频，光伏调频信号为0。

然后、当光伏调频信号为1时，此时光伏根据自身p-u特性曲线通过调整光伏直流母线电压参考值使其偏离当前工况下最佳工作电压，从而使光伏发电机组运行在次mppt曲线上获得部分有功备用，此时对应参考电压为：

vdcref＝vmpp+vdeload

其中vdcref为光伏直流母线电压参考值；vmpp为当前工况下最佳工作电压；vdeload为光伏减载的电压偏离值。

对测量的系统频率fmeas与设定的基准值fn进行比较做差获得δf，δf信号通过下垂控制进而获得电压补偿量，并和前一时间点的减载后的光伏电压参考值作差获得此时的最佳工作电压参考值，具体如下：

vdcref＝vmpp+vdeload-kd*δf

其中kd为光伏下垂系数。

vdcref经过电压限幅模块得到当前工况下实际电压参考值，具体如下：

当vdcref＜vmpp时，

当vmpp≤vdcref≤voc时，

当vdcref＞voc时，

其中voc为光伏开路电压。

最终得到的实际参考电压与实际电压作差得到值经过pi控制获得光伏直轴电流参考值进而调整光伏出力响应系统频率变化。光伏发电机组与双馈风电机组、柴油机机组按照各自的下垂系数向系统提供有功功率支撑。

二、通过仿真来验证控制策略设计的正确性。在digsilent/powerfactory中搭建如图2所示的微电网孤岛运行模型。

该模型包含光伏电池(pv)、双馈风电机组(dfig)、柴油机(diesel)三种微电源。其中柴油机由同步发电机代替，携带有调速器(gov_ieesgo)与自动电压调节器(avr_sexs)，采用下垂控制，设置为平衡节点。假定此段时间内风速恒定为10m/s。每块光伏电池板的额定容量为0.448mw，共并入五块。负荷均为恒功率负荷。其中额定频率为50hz，其中临时负荷在仿真的40s进行阶跃变化，增加1.5mw+1mvar；dfig风电机组额定功率5mw，采用虚拟惯量控制和超速减载下垂控制，主要参数如下：频率基准值f0取值为1.0p.u；虚拟惯量系数ki取值为30；下垂控制系数kwd取值为30。

情况一，定光照强度下在40s时刻进来1.5mw+1mvar的临时负荷，不同光伏下垂权重系数kd取值下光伏参与调频的出力变化示意图与微网频率变化示意图分别如图3、图4所示：

情况二，在90s的时变光照强度工况下，同样在40s时刻进来1.5mw+1mvar的临时负荷，光伏减载下电压偏离值vdeload实时取值曲线、光伏实时下垂权重系数kd取值曲线、光伏参与调频与不参与调频实时出力对比曲线、微网实时频率变化分别如图5、图6、图7、图8所示。