一种光伏机组惯量和一次调频控制参数的可行域计算方法与流程

1.本发明涉及光伏发电并网技术领域，具体涉及一种光伏机组惯量和一次调频控制参数的可行域计算方法。


背景技术：

2.随着化石能源的短缺及环境污染的加剧，使得风光发电因其资源无尽、成本低廉等优点，成为目前新能源中发展最快、前景最好的发电方式。截止到2020年底，以光伏、风电为代表的新能源装机容量达到5.345亿千瓦，占总装机容量的24.11％。然而，随着光伏发电的快速发展，常规机组的退出使得系统的惯性支撑和调频能力大大减弱，发生扰动后系统的稳定性变差。比如2019年的英国“8
‑
9”是由于高比例新能源系统一次调频能力不足，触发了低频减载保护，导致大停电事故的发生。2016年的澳大利亚“9
‑
28”停电事件的主要原因在于新能源机组大比例接入导致系统惯量支撑能力不足。因此，光伏机组越来越被认为应该加入惯量支撑、频率调节等辅助功能，以此提高电力系统的安全稳定性，打破新能源渗透率不能提高的限制。
3.为提高含高比例光伏机组电力系统的频率稳定性，除了需要改善光伏机组参与调频的控制方式外，还应考虑系统调频参数的选取。参数选取的是否合理直接影响系统的调频能力。影响调频能力的参数包括：调频死区、惯性时间常数、调差系数等。设置死区的目的是为了防止系统因频率波动而引起的机组频繁动作。死区设置过小会导致频率偏差较小时机组频繁调节，从而影响机组的寿命和频率稳定调节。若设置过大，调速器不能及时动作，导致系统通过一次调频不能回到新的稳定频率。惯性时间常数直接影响功率扰动后系统频率的瞬间变化。随着光伏渗透率的提高，常规机组的退出，系统的惯性时间常数不断减小，系统受扰后频率变化幅度加剧，使系统的频率稳定性受到影响。调差系数可以表示频率变化时对应的发电机组的功率出力，调差系数越小，说明机组可以提供的功率越多，一次调频能力越强。随着光伏机组的大量接入，等效调差系数变大，严重影响系统的频率调节。目前调频关键参数的研究主要以频率响应模型为基础，对系统频率响应特性进行理论分析，但未讨论关键参数对频率相应指标的影响程度，故不能更好地量化关键参数对系统调频能力的影响。
4.总之，寻找控制参数的可行域是提高高渗透率场景下光伏机组调频能力亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明提出一种光伏机组惯量和一次调频控制参数的可行域计算方法，具体技术方案如下。
6.a.构建考虑光伏机组参与惯量支撑和一次调频控制的电力系统频率响应模型；
7.b.得到系统发生功率扰动后频率响应的传递函数；
8.c.推导出最大频率变化率、最大频率偏差和稳态频率偏差三个频率指标的计算公
式；
9.d.根据约束条件计算光伏机组惯量和一次调频控制参数的可行域。
10.所述步骤a中在同步发电机原动机、调速器的经典传递函数的基础上，结合负荷对频率控制的影响，并考虑光伏机组参与惯量支撑与一次调频的控制模型，由此构建电力系统频率响应模型。其中，同步机调速器和汽轮机模型的传递函数可以用g1(s)表示；系统惯量水平和阻尼特性的传递函数用g2(s)表示；光伏机组的惯量支撑和一次调频控制的传递函数用 g3(s)表示。
11.所述步骤b中基于构建的频率响应模型，得到系统在发生功率扰动δp
l
后频率响应δω的传递函数。这里考虑系统发生大小为a的功率阶跃扰动，其拉氏变换为δp
l
(s)＝a/s。那么，传递函数的具体表达式为：
[0012][0013]
所述步骤c中引入最大频率变化率(rate of change of the frequency，rocof)、最大频率偏差、稳态频率偏差三个指标来衡量高比例光伏机组接入后对系统频率变化的动态过程的影响。频率变化率反映的是系统发生扰动后一段时间内频率变化的速度。在扰动发生最开始时刻，频率变化率rocof达到最大值。其计算表达式：最大频率偏差则是由系统的惯量水平和一次调频能力共同影响。为计算最大频率偏差需要对δω进行拉普拉斯反变换然后再求导可得。具体表达式为：δf(t)＝l
‑1(δω(s))、导数第一次为0的时刻为最大频率偏差出现的时间t
nadir
，此时对应的频率偏差为最大频率偏差δf
max
。稳态频率偏差反映的是系统一次调频的能力，根据拉普拉斯变换终值定理，可求得系统稳态频率偏差的有名值为：系统的rocof值和最大频率偏差值越大，说明系统的抗扰能力越差。
[0014]
所述步骤d中为了保证系统发生功率扰动后具有充足的惯量支撑和一次调频能力以维持频率稳定，系统各阶段的频率都需要满足可靠性要求。故同时明确规定三个频率指标的约束条件：最大rocof的幅值不大于1hz/s，允许的最大频率偏差不超过0.8hz，稳态频率偏差不超过0.2hz。同时计及稳态频率偏差、最大频率变化率和最大频率偏差三个指标的约束条件根据上述公式计算得到控制参数的可行域。
[0015]
本发明的有益效果是：该方法解决了光伏机组惯量和一次调频控制参数可行域的计算问题。针对光伏机组大量接入后系统的惯量支撑和一次调频能力大大减弱，导致发生扰动后系统的频率稳定性变差这一问题，明确了光伏机组参与惯量支撑和一次调频控制的必要性。此外，结合系统频率指标，量化分析不同控制参数对整个系统的频率动态性能的影响，计算得到光伏机组惯量和一次调频控制参数的可行域。本发明内容能够为高渗透率场景下光伏机组调频控制参数的选取提供参考依据。
附图说明
[0016]
图1为配置储能的光伏发电系统结构图；
[0017]
图2为考虑光伏机组参与惯量支撑和一次调频的电力系统频率响应模型；
[0018]
图3为不同场景下的最大频率变化率幅值三维图；
[0019]
图4为不同场景下的稳态频率偏差三维图；
[0020]
图5为不同场景下的最大频率偏差三维图；
[0021]
图6为三机九节点算例系统；
[0022]
图7为场景1在不同扰动δp
l
下的频率响应；
[0023]
图8为场景2在不同扰动δp
l
下的频率响应；
[0024]
图9为场景2在不同惯性时间常数h下的频率响应；
[0025]
图10为场景3在不同扰动δp
l
下的频率响应；
[0026]
图11为场景3在不同惯性时间常数h下的频率响应
具体实施方式
[0027]
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。
[0028]
光伏发电系统结构主要由光伏阵列、直流母线电容、逆变器及滤波器组成。在光伏电站配置储能来参与调频的系统结构图如图1所示。根据电力系统频率调节原理，储能装置通常采用虚拟惯量控制来参与频率调节。其中，通过反馈频率变化率实现惯量支撑控制，并通过有功功率
‑
频率下垂控制实现配置储能的光伏发电系统一次调频功能。不计一次调频死区的影响，由以下两式来建立频率响应模型，得到光伏机组的惯量支撑与一次调频控制模型的传递函数分别表示为h
i
s/1+st
h
、d
i
/1+st
d
。
[0029][0030][0031]
其中：δω是系统频率偏差，δp
l
为负荷扰动，光伏机组惯性时间常数h，光伏机组一次调频控制系数d，光伏机组惯量支撑环节的滤波时间常数t
h
，光伏机组一次调频响应的时间常数t
d
。
[0032]
由此得到考虑光伏机组参与惯量支撑和一次调频的电力系统频率响应模型，如图2 所示。
[0033]
以三机九节点系统为例，设置三种不同的场景。场景1：三台同步机均投入运行；场景2：两台同步机组、一台光伏机组投入运行；场景3：一台同步机组、两台光伏机组投入运行。三种场景的初始稳态运行数据见表1。
[0034]
表1三种场景的初始稳态运行数据
[0035]
[0036]
结合图2所示的频率响应模型，系统在发生大小为a的功率阶跃扰动，得到不同场景下的系统频率响应δω表达式，进而代入最大rocof、最大频率偏差和稳态频率偏差指标计算公式，选取不同的控制参数大小，得到频率指标的具体值。其中最大rocof的仿真值为扰动后200ms时间段内的平均频率变化率。
[0037]
本文选取的最大rocof的幅值不大于1hz/s，允许的最大频率偏差为0.8hz以内，稳态频率偏差控制不大于0.2hz。计算得到不同场景下的频率指标大小，并计算得到满足指标约束时的控制参数的可行域。
[0038]
图3、图4、图5是不同场景下的频率响应指标三维图。根据计算结果可以得到一般规律：最大频率偏差与功率扰动、惯性时间常数h和一次调频系数d均有关。最大频率偏差与功率扰动呈正相关，与h、d呈负相关。其中最大频率偏差随着d的增大而下降的趋势慢。稳态频率偏差与功率扰动、d有关。稳态频率偏差与功率扰动呈正相关，与d呈负相关，与h 无关。最大rocof值与功率扰动、h有关。rocof值与功率扰动呈正相关，与h呈负相关。而采用本发明，可以得到更具体的结论：当光伏机组的惯性时间常数h不变，光伏机组的一次调频控制系数d增大时，最大频率偏差和稳态频率偏差不断减小，而最大rocof基本不变；当d不变，h增大，最大频率偏差和最大频率变化率的幅值减小，而稳态频率偏差不随之变化。然而，随着渗透率的提高，场景3的最大频率偏差、稳态频率偏差、最大rocof幅值均比场景2对应的指标值大。场景2的三个指标值都满足约束条件。最大频率偏差被约束在最大允许偏差值0.8hz以内，稳态频率偏差被限制在0.2hz以内，频率变化率的最大值被约束在1hz/s范围内。场景3在h＜5，d＜17时的最大频率偏差会出现大于0.8hz的情况，不完全满足最大允许偏差限制；当h≥5且d≥17的最大频率偏差幅值完全满足0.8hz的约束。h＜ 26时，场景3的最大频率变化率幅值均大于1hz/s，不在约束范围内；直到h＝26时，最大频率变化率幅值恰好为约束值1hz/s。d＜9时的稳态频率偏差大于0.2hz的限制值，不满足频率安全约束；当d≥9时稳态频率偏差均在0.2hz的约束内。
[0039]
在digsilient/powerfactory15.1中搭建含光伏的三机九节点系统模型。附图6为三机九节点算例系统。同步机的额定容量均为200mva，惯性时间常数为5s，调差系数均为 0.05pu。包含两个光伏机组pv1和pv2，光伏发电系统等值机的参数见表2，调频控制相关的标幺值参数见表3，容量基准值为200mva。光伏发电系统按10％的容量来配置储能单元。负荷扰动位置设在母线8(bus 8)处。
[0040]
表2光伏发电系统等值机参数
[0041]
[0042]
表3仿真参数
[0043][0044]
三种场景下，参数不同时对应的频率变化的波形见图7—图11。
[0045]
从图7—图11可以观察到：系统受到的功率扰动增大时，最大频率偏差、稳态频率偏差、频率变化率幅值均呈上升趋势。其中，场景3的rocof幅值的上升陡度更大，且与低渗透率的场景差距明显。随着有功扰动的增大，系统的稳态频率偏差随之变大。场景1经过理论计算得到的稳态频率偏差和经过仿真得到的值均在0.2hz的约束范围内。场景2理论计算得到的所有场景的稳态频率偏差都在约束范围内，时域仿真中在扰动为0.06pu时超过了限定值。而在一定的扰动下，光伏机组的惯性时间常数h变化时，场景2和3的稳态频率偏差均在范围内，不同的是场景3的稳态频率偏差更接近约束值0.2hz。此外，还可以发现只有在场景3的h＝0时频率跌落到49.2hz以下，最大频率偏差大于0.8hz。而经过本发明提出的光伏机组虚拟惯量控制参数的可行域计算方法，可以得到同时满足最大频率偏差不大于 0.8hz、最大频率变化率幅值不大于1hz/s、稳态频率偏差不大于0.2hz的约束条件时，光伏机组的惯性时间常数d和一次调频系数h的可行域具体为：d≥17且h≥26。本发明为高渗透率场景下光伏机组调频控制参数的选取提供可靠的参考依据。
[0046]
如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，本发明并不局限于所给出的实施例，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对熟悉本领域的技术人员来说可做出的多种变形，也均包含在本发明的保护范围之内。