CN109494768A - 集中式光伏电站及其参与电网调频的控制方法、控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了集中式光伏电站及其参与电网调频的控制方法、控制***，方法包括(1)检测电网频率，判断电网频率是否等于额定频率，若是则结束；若否则由第一储能***提供惯性响应；(2)判断电网频率是否超出光伏发电单元动作的频率死区，若是则由光伏发电单元根据频率变化情况逐个参与电网的一次频率调节；若否，则返回步骤(1)；(3)判断电网频率是否超出正常运行允许的变化范围，若是则由第二储能***输出有功功率，提供频率的紧急控制；若否返回步骤(1)。本发明可以协调光伏电站中多个光伏发电单元的有功控制，使得集中式光伏电站可以参与电力***的频率调节，有利于大规模光伏并网情况下电网的安全和稳定。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电与电网控制技术，特别是涉及集中式光伏电站及其参与电网调频的控制方法、控制***。
背景技术
随着光伏产业迅速发展和光伏并网控制技术逐渐成熟，建设集中式并网光伏电站成为高效利用太阳能的有效方式。由于光伏电站的工作环境特殊且占地面积比较大，因此集中式光伏电站一般位于较为偏远地区。偏远地区负荷种类单一，网架结构薄弱，因此当集中式光伏电站并网容量扩大时，光伏输出功率的随机性和波动性将会增大电力***调频的难度。另一方面，由于集中式光伏电站的并网将逐步取代***中原有的同步发电机，电力***等效惯性的降低将会导致负荷变化时出现严重的频率波动，危害局部地区的频率稳定性。因此，研究集中式光伏电站调频控制方法对于提高新能源并网容量和保证电力***安全稳定运行具有重要的理论和应用价值。
目前，光伏发电参与电力***调频的主要方法有两种。第一种是安装储能***，而保证光伏发电工作在最大功率点跟踪模式下。但是由于储能***容量和成本的限制，仅由储能***承担调频任务将会增大***成本。第二种是在光伏最大出力的范围内，将光伏运行于功率调度模式。但这种情况下光伏电站可以调度的功率受到光照强度的影响，很可能出现容量不足的情况。由于集中式光伏电站与传统分布式光伏不同，其内部既有储能***也有光伏发电单元，而且数量众多。因此为了保证光伏电站能够有效的参与电网调频，应该充分调用每一个发电单元的调频容量。集中式光伏电站调频控制方法必然涉及到多个发电单元之间的协调控制问题。
发明内容
发明目的：针对现有光伏电站参与电网调频控制方法的不足，本发明提出了一种集中式光伏电站及其参与电网调频的控制方法、控制***，提高电力***的频率稳定性。
技术方案：集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)检测电网频率，判断电网频率是否等于额定频率，若是，则结束；若否，则由第一储能***提供惯性响应；
(2)判断电网频率是否超出光伏发电单元动作的频率死区，若是，则由光伏发电单元根据频率变化情况逐个参与电网的一次频率调节；若否，则返回步骤(1)；
(3)判断电网频率是否超出正常运行允许的变化范围，若是，则由第二储能***输出有功功率，提供频率的紧急控制；若否，返回步骤(1)。
进一步的，步骤(1)中由第一储能***提供惯性响应具体为：所述第一储能***采用虚拟同步发电机控制方法，模拟传统同步发电机的动态响应。
进一步的，步骤(2)中光伏发电单元依次采用减载和频率下垂的控制方法，每一个光伏发电单元输出的有功功率表达式为：
Pref＝(PMPPT-△P)-k(f-fd)PMPPT；
其中，Pref表示光伏发电单元的有功功率参考值；PMPPT表示光伏发电单元的最大输出功率；△P表示光伏发电单元减载功率；k表示下垂特性曲线的斜率；f表示当前电网的实际频率；fd表示光伏逆变器频率响应的动作频率。
进一步的，步骤(2)中所述由光伏发电单元根据频率变化情况逐个参与电网的一次频率调节具体为：多个所述光伏发电单元通过下垂特性曲线的配合，按照“先投入，后退出”的顺序，逐一有序地参与调频。
其中，下垂特性曲线的斜率k为：
其中，Pmax表示光伏发电单元的最大输出功率；Pmin表示光伏发电单元的最小输出功率有功功率参考值；fd(i+1)和fdi分别表示#(i+1)光伏发电单元和#i光伏发电单元中光伏逆变器频率响应的启动频率；△P表示光伏发电单元减载功率；PMPPT表示光伏发电单元的最大输出功率。
进一步的，步骤(2)中后一个光伏发电单元的动作频率等于前一个光伏发电单元输出功率达到最大或者最小时的电网频率。
进一步的，所述步骤(3)中第二储能***采用虚拟同步发电机控制方法。
另一实施例中，用于上述集中式光伏电站参与电网调频控制方法的控制***，包括检测模块和控制模块，检测模块用于检测电网频率，并把信号输出给控制模块，控制模块用于对接收到的信号进行分析处理，并发出控制信号控制光伏电站的光伏发电***和储能***做出相应动作。
又一实施例中，一种集中式光伏电站，该集中式光伏电站配有上述控制***。
可选的，集中式光伏电站包括光伏发电***、集电***和储能***，光伏发电***发出的电能经过集电***与储能***所发电能汇集，再经过变压器T二次升压后并入电网；其中光伏发电***包括多个光伏发电单元，每个光伏发电单元包括两个逆变器；集电***包括多个变压器和集电线路；储能***包括第一储能***和第二储能***，其中，光伏发电单元与变压器一一对应，光伏发电单元发出的电能经过变压器升压后经集电线路与储能***所发电能汇集，再经过变压器T二次升压后并入电网；第二储能***为备用***，在确定当前电网频率已经超出正常运行允许的变化范围之后才能投入运行。
有益效果：与现有技术相比，本发明模拟传统电力***调频的主要过程，充分利用光伏电站中储能***和光伏发电单元的调频容量，使光伏电站具备与传统同步发电机类似的调频能力。此外，该控制方法详细地考虑了各个发电单元参与/退出调频的顺序，根据频率变化情况决定参与调频的发电单元个数。从而有效降低了频率变化时***中逆变器频繁改变自身工作状态造成的设备损耗，也避免了多个发电单元无规律的参与/退出调频导致的频率二次冲击问题。
附图说明
图1为集中式光伏电站并网拓扑结构；
图2为调频控制方法流程图；
图3为储能逆变器的结构示意图；
图4为光伏逆变器的结构示意图；
图5为多个光伏逆变器下垂特性曲线的配合关系示意图；
图6为采用调频控制方法后储能***在频率变化时的有功输出曲线图；
图7为采用调频控制方法后光伏发电单元在频率变化时的有功输出曲线图；
图8为采用调频控制方法前后电网频率响应对比结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作更进一步详细说明。应当指出，通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中，集中式光伏电站并网拓扑结构如图1所示，包括光伏发电***、集电***和储能***，其中，光伏发电***由光伏发电单元PV1-PV5组成；集电***包括变压器T1-T5和集电线路；储能***包括第一储能***和第二储能***，其中第二储能***为备用***，在确定当前电网频率已经超出正常运行允许的变化范围之后才能投入运行。光伏发电***发出的电能经过变压器升压后经集电线路与储能***所发电能汇集，再经过变压器T二次升压后并入电网。
本实施例中有关参数设置如下：集中式光伏电站额定容量为5MW，其中每个光伏发电单元的容量为1MW，每个光伏发电单元由两个500kW的逆变器组成。光伏电站集电***的电压等级为35kV，通过升压变压器T接入110kV电力***当中。
集中式光伏电站参与电网调频的控制***，包括检测模块和控制模块，检测模块用于检测电网频率，并把信号输出给控制模块，控制模块用于对接收到的信号进行分析处理，并发出控制信号控制光伏电站的光伏发电***和储能***做出相应动作。图1所示的集中式光伏电站配备上述控制***后，其参与电网调频的控制方法参见图2，本发明所提出的集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，包括以下步骤：
(1)检测电网频率，判断电网频率是否等于额定频率，若是，则结束；若否，则由光伏电站内部的第一储能***提供类似同步发电机的惯性响应；
第一储能***采用的虚拟同步发电机控制***如图3所示，其由上半部分的有功环和下半部分的无功环所组成。其中有功环模拟了同步发电机所具有的惯性和阻尼特性，设定有功功率Pref和有功功率输出PVSG经过换算后分别作为虚拟同步机转子的输入转矩Tref和电磁转矩Te。根据同步发电机转子二阶运动方程，输入转矩与电磁转矩之差除以惯性系数J后经过第一次积分可以得到虚拟转速ωVSG，虚拟转速ωVSG与电网额定角频率ω0之差乘以虚拟阻尼系数Dp后反馈至输入侧用于模拟同步机转子机械阻尼。虚拟转速ωVSG再经过一次积分后得到虚拟内电势角度θVSG，虚拟内电势角度θVSG可以作为调制波的相位参考信号。下半部分无功环模拟了同步发电机的一次调压特性，Qref为无功功率参考值，Qe为无功功率输出值；并网点电压检测值Upcc与额定电压Un之差乘以一次调压系数Dq后调整无功功率参考值。调整后的无功功率参考值与无功功率输出值之差经过系数为1/K的积分调节器后调整内电势E的幅值，内电势E的幅值可以作为调制波的幅值参考信号。将调制波的幅值与相位参考信号合成为三相调制波电压信号eabc，作为逆变器输出电压的参考值。
(2)判断电网频率是否超出光伏发电单元动作的频率死区，若是，则由光伏发电单元根据频率变化情况逐个参与电网的一次频率调节；若否，则返回步骤(1)；
当电网频率变化范围超出了光伏发电单元动作的频率死区之后，光伏发电单元根据频率变化情况逐个参与电网的一次频率调节。为了使得光伏发电单元能够根据频率变化情况改变自身有功功率输出，参考同步发电机的功频静态特性，对光伏发电单元中的光伏逆变器的控制方法进行改进。改进后的光伏逆变器控制框图如图4所示，光伏逆变器有功参考值可以表示为：
Pref＝(PMPPT-△P)-k(f-fd)PMPPT；
其中，Pref表示光伏发电单元的有功功率参考值；PMPPT表示光伏发电单元的最大输出功率；△P表示光伏发电单元减载功率；k表示下垂特性曲线的斜率；f表示当前电网的实际频率；fd表示逆变器频率响应的动作频率。
由于光伏逆变器的下垂特性曲线可以根据实际调频需求进行灵活调整，因此不同光伏逆变器之间可以通过下垂特性曲线的配合，协调各个发电单元参与调频的顺序，从而避免光伏逆变器无序地参与和退出调频引起的频率二次冲击。
此外，下垂特性曲线配合并充分利用每一个光伏发电单元的调频能力，按照“先投入，后退出”的顺序，逐一有序地参与调频，即在频率偏离额定值的过程中，仅当上一个光伏发电单元不具备调频能力之后才能投入下一个光伏发电单元；在频率恢复至额定值过程中，先投入调频的光伏发电单元退出的优先级较低。若依次投入1至5号光伏发电单元，则按5至1号光伏发电单元的顺序依次退出，尽量减少参与调频的光伏逆变器避免频繁动作可能带来的负面影响。综合以上两个要求，每个光伏发电单元的工作区间应该相互独立、互不交叉，多个光伏逆变器下垂特性曲线的配合关系如图5所示。
从图5中可以看出，各个光伏逆变器可以根据频率的变化情况有序的参与调频，且后一个光伏发电单元的启动频率应该恰好等于前一个光伏发电单元达到最大或者最小功率极限时的频率。例如，#1光伏发电单元的启动频率为fd1，随着频率的降低/升高其输出功率逐步提高/降低，当频率变化到fd2时，#1光伏发电单元达到最大/最小输出功率。此时#1光伏发电单元的调频容量完全被利用，频率fd2应该作为#2光伏发电单元的启动频率。以此类推，#(i+1)光伏发电单元的启动频率fd(i+1)应该是#i光伏发电单元输出功率达到最大/最小时所对应的电网频率。最后一个光伏发电单元输出功率达到最大/最小时所对应的电网频率，应当等于电力***正常运行允许的频率上下限值。确定每个光伏发电单元的工作区间以后，可以根据光伏调频过程中的功率变化量与工作区间的大小，确定下垂特性曲线的斜率k：
其中，Pmax表示光伏发电单元的最大输出功率；Pmin表示光伏发电单元的最小输出功率有功功率参考值；fd(i+1)和fdi分别表示#(i+1)光伏发电单元和#i光伏发电单元中光伏逆变器频率响应的启动频率。
(3)判断电网频率是否超出正常运行允许的变化范围，若是，则由光伏电站内部的第二储能***输出有功功率，提供频率的紧急控制；若否，返回步骤(1)。
当电网频率超出了正常运行允许的变化范围之后，由第二储能***输出有功功率，提供频率的紧急控制。第二储能***采用的虚拟同步发电机控制***如图3所示，该第二储能***为备用储能控制***，其通过逻辑判断，在确定当前电网频率已经超出正常运行允许的变化范围之后才能投入运行。
在图1所示***中验证采用调频控制方法前、后***的频率响应。初始状态下，***稳定运行，电网频率等于50Hz。t＝1s时有功负荷突增6MW，持续6s后有功负荷切除。频率阶跃扰动过程中，储能***和光伏发电单元的有功变化曲线如图6和7所示，图8为采用本发明前、后***的频率响应对比结果。观察仿真结果可以发现，突增有功负荷之后电网频率快速降低，各发电单元能够根据频率变化的情况有序参与调频控制。采用虚拟同步发电机控制方法的第一储能***(1号储能)最先投入运行为***提供惯性支撑。其在动态情况下的输出功率表现出类似同步发电机的惯性和振荡特性，从而使得光伏电站暂态特性能够与同步发电机相比拟。接着各个光伏发电单元会逐个参与电网一次调频，由于下垂特性曲线的合理设置，上一个光伏发电单元输出功率达到最大功率点的时间恰好等于下一个光伏发电单元参与调频的时间。由于有功缺额较大，在t＝2s时电网频率跌至49.5Hz，所有光伏发电单元的调频容量均已投入调频运行。随着频率继续降低，需要第二储能***(2号储能)为***提供频率紧急控制。在延时约0.5s之后，确认电网频率已经低于允许范围而不是暂态振荡所致，采用虚拟同步发电机控制的备用储能快速接入运行，将电网频率由49.49Hz抬升到49.53Hz。t＝7s时由于有功负荷切除，电网频率逐渐恢复正常，在频率恢复的过程中，各发电单元能够按顺序逐一退出，避免了同时退出调频可能造成的频率二次冲击。
Claims (10)
1.集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)检测电网频率，判断电网频率是否等于额定频率，若是，则结束；若否，则由第一储能***提供惯性响应；
(2)判断电网频率是否超出光伏发电单元动作的频率死区，若是，则由光伏发电单元根据频率变化情况逐个参与电网的一次频率调节；若否，则返回步骤(1)；
(3)判断电网频率是否超出正常运行允许的变化范围，若是，则由第二储能***输出有功功率，提供频率的紧急控制；若否，返回步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，其特征在于，步骤(1)中由第一储能***提供惯性响应具体为：所述第一储能***采用虚拟同步发电机控制方法，模拟传统同步发电机的动态响应。
3.根据权利要求1所述的集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，其特征在于，步骤(2)中光伏发电单元依次采用减载和频率下垂的控制方法，每一个光伏发电单元输出的有功功率表达式为：
Pref＝(PMPPT-△P)-k(f-fd)PMPPT；
其中，Pref表示光伏发电单元的有功功率参考值；PMPPT表示光伏发电单元的最大输出功率；△P表示光伏发电单元减载功率；k表示下垂特性曲线的斜率；f表示当前电网的实际频率；fd表示光伏逆变器频率响应的动作频率。
4.根据权利要求1所述的集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述由光伏发电单元根据频率变化情况逐个参与电网的一次频率调节具体为：多个所述光伏发电单元通过下垂特性曲线的配合，按照“先投入，后退出”的顺序，逐一有序地参与调频。
5.根据权利要求4所述的集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，其特征在于，下垂特性曲线的斜率k为：
其中，Pmax表示光伏发电单元的最大输出功率；Pmin表示光伏发电单元的最小输出功率有功功率参考值；fd(i+1)和fdi分别表示#(i+1)光伏发电单元和#i光伏发电单元中光伏逆变器频率响应的启动频率；△P表示光伏发电单元减载功率；PMPPT表示光伏发电单元的最大输出功率。
6.根据权利要求1所述的集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，其特征在于，步骤(2)中后一个光伏发电单元的动作频率等于前一个光伏发电单元输出功率达到最大或者最小时的电网频率。
7.根据权利要求1所述的集中式光伏电站参与电网调频的控制方法，其特征在于，步骤(3)中第二储能***采用虚拟同步发电机控制方法。
8.用于权利要求1-7任一项所述集中式光伏电站参与电网调频控制方法的控制***，其特征在于：包括检测模块和控制模块，检测模块用于检测电网频率，并把信号输出给控制模块，控制模块用于对接收到的信号进行分析处理，并发出控制信号控制集中式光伏电站的光伏发电***和储能***做出相应动作。
9.一种集中式光伏电站，其特征在于，该集中式光伏电站配有权利要求8所述的控制***。
10.根据权利要求9所述的一种集中式光伏电站，其特征在于：集中式光伏电站包括光伏发电***、集电***和储能***，光伏发电***发出的电能经过集电***与储能***所发电能汇集，再经过变压器T二次升压后并入电网；其中光伏发电***包括多个光伏发电单元，每个光伏发电单元包括两个逆变器；集电***包括多个变压器和集电线路；储能***包括第一储能***和第二储能***，其中，光伏发电单元与变压器一一对应，光伏发电单元发出的电能经过变压器升压后经集电线路与储能***所发电能汇集，再经过变压器T二次升压后并入电网；第二储能***为备用***，在确定当前电网频率已经超出正常运行允许的变化范围之后才能投入运行。
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