CN113904345B - 无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，首先计算电网***传递函数极点虚部与控制策略参数之间的函数关系；然后基于极点不同取值范围对应电网***频率特性的变化，得到控制策略参数的取值与电网***频率特性之间的关系表达式；最后基于无超调特性要求，获取控制策略参数的取值范围。本方法基于拉氏变换的频域分析，定量分析综合惯量控制策略对电网***频率特性的影响，进一步确定了无超调特性对应的电网***参数取值范围，可以用于分析综合惯量控制调频效果，也可以作为一种确保电网***响应无超调的参数取值范围评估方法，用以改善电网的频率响应特性。

Description

无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法
技术领域
本申请涉及电网频率安全技术领域，尤其涉及一种无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法。
背景技术
随着风电、光伏等可再生能源的渗透率不断提高，大容量直流工程持续投运，电网频率安全问题凸显，利用电力电子设备，如风电、光伏、电池储能等进行快速频率响应，是确保新形态下电网频率安全问题的有效措施。
目前换流器并网功率源一次调频的控制策略主要还是模拟传统同步发电机组的响应特性，包括虚拟惯量控制、频率下垂控制和两者结合的综合惯量控制，控制策略实际上是比例微分控制，这一控制策略并没有考虑到换流器并网功率源电力电子接口设备参与一次调频的特性。而新型设备为何仍然要模拟传统同步机组特性，新型设备是否必需模拟传统同步机组特性，新型设备模拟传统同步机组特性获得的结果是否是最优的，这些问题都没有得到充分的探讨。对综合惯量控制策略的控制效果，特别是对电网***频率响应的影响，缺少定量的分析方法，另外控制策略参数取值多凭借经验，无法说明取值的必要性与合理性。
发明内容
本申请提供了一种无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，以解决传统方法对综合惯量控制策略的控制效果不能进行定量分析的问题。
本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
计算电网***传递函数极点虚部与控制策略参数之间的函数关系；
基于所述极点不同取值范围对应电网***频率特性的变化，得到所述控制策略参数的取值与所述电网***频率特性之间的关系表达式；
基于无超调特性要求，获取所述控制策略参数的取值范围，所述无超调特性要求是所述电网***的功率-频率传递函数极点无虚部。
进一步的，所述基于无超调特性要求，获取所述控制策略参数的取值范围包括以下步骤：
基于设备调频特性计算***功率-频率传递函数，所述***是由一个同步机、负荷、储能共同作用的简单***，所述设备包括同步机、负荷、储能；
根据所述电网***传递函数，获得传递函数极点虚部公式；
根据所述控制策略参数的数值变化，确定所述传递函数极点虚部。
进一步的，所述综合惯量控制的表达式为：
式中：G(s)表示综合惯量控制策略对应的传递函数；Δf表示频率偏差，是控制策略的输入；ΔP表示调频功率，是控制策略的输出；KD表示下垂系数；KI表示惯量系数；s表示进行拉氏变换引入的复变量。
进一步的，所述控制策略参数的取值与所述电网***频率特性之间的关系表达式为：
式中：Δf(s)表示调频功率，是控制策略的输出；ΔP表示调频功率；s表示进行拉氏变换引入的复变量；TJ表示电网***惯性时间常数；KI表示惯量系数；TG表示同步机惯性系数；KL表示负荷调频系数；KD表示下垂系数；KG表示同步机调频系数。
进一步的，当出现无超调特性要求时，电网***呈现出一种无超调的频率特性，所述电网***传递函数满足极点虚部为0的表达式为：
式中:T′J＝TJ+KI；K′L＝KL+KD；KG表示同步机调频系数；TG表示同步机惯性系数；TJ表示电网***惯性时间常数；KI表示惯量系数；KL表示负荷调频系数；KD表示下垂系数。
进一步的，根据电网***参数与储能功率上限，将惯量系数取值为零，确定下垂系数的取值范围；
若下垂系数取值达到上限依然无法满足所述电网***传递函数满足极点虚部为0的表达式，则在所述电网***参数下综合惯量控制策略无法产生无超调频率特性；
若存在下垂系数的取值使得所述电网***传递函数满足极点虚部为0的表达式成立，且所述取值的最小值未达到储能功率极限，则继续计算所述下垂系数的取值范围内对应的惯量系数取值上限。
进一步的，所述***频率-功率传递函数的表达式为：
式中：Δf表示频率偏差；ΔPD表示电网***功率不平衡量；ΔPm表示同步机功率变化量；ΔPES表示储能功率变化量；ΔPL表示负荷功率变化量；TJ表示电网***惯性时间常数。
本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：
本申请提供的无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，首先获取电网***传递函数极点虚部与控制策略参数之间的函数关系；然后基于极点不同取值范围对应电网***频率特性的变化，得到控制策略参数的取值与电网***频率特性之间的关系表达式；最后基于无超调特性要求，获取控制策略参数的取值范围。本方法基于拉氏变换的频域分析，定量分析综合惯量控制策略对电网***频率特性的影响，进一步确定了无超调特性对应的电网***参数取值范围，可以用于分析综合惯量控制调频效果，也可以作为一种确保电网***响应无超调的参数取值范围评估方法，用以改善电网的频率响应特性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法流程图；
图2为本申请实施例提供的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法流程图。
具体实施方式
为便于对申请的技术方案进行描述和理解，以下首先对本申请所涉及到的一些概念进行说明。
控制策略是对某一***或仪器进行控制的策略和方法。
本申请实施例提供一种无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，用以分析综合惯量控制策略的调频效果，改善电网的频率响应特性。
参见图1，本申请实施例提供的一种无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法流程图，该方法的主要过程为：
首先对综合惯量控制策略参数与电网***频率响应特性进行分析，然后对无超调电网***频率响应对应综合惯量控制策略参数取值范围进行计算。
具体的，对综合惯量控制策略参数与电网***频率响应特性进行分析的过程为：以电网***为对象，基于拉氏变换的频域分析，推导电网***传递函数极点虚部与控制策略参数之间的函数关系；基于极点不同取值范围对应电网***频率特性的变化，得到控制策略参数取值与电网***频率特性之间的关系的表达式；基于无超调特性要求，计算控制策略参数取值范围。
本申请实施例提供的综合惯量控制策略参数与电网***频率响应特性的分析方法，该方法具体包括：
获取电网***传递函数极点虚部与控制策略参数之间的函数，该函数表达式为：
式中：G(s)表示综合惯量控制策略对应的传递函数；Δf表示频率偏差，是控制策略的输入；ΔP表示调频功率，是控制策略的输出；KD表示下垂系数；KI表示惯量系数；s表示进行拉氏变换引入的复变量。
在一个同步机、负荷、储能(储能采用综合惯量控制)共同作用的简单***中，频率-功率公式为：
式中：Δf表示频率偏差；ΔPD表示电网***功率不平衡量；ΔPm表示同步机功率变化量；ΔPES表示储能功率变化量；ΔPL表示负荷功率变化量；TJ表示电网***惯性时间常数。
其中同步机一次调频的传递函数为
ΔPm(s)＝GG(s)Δf(s)
整个电网***的功率-频率传递函数关系式为：
式中：Δf(s)表示调频功率，是控制策略的输出；ΔP表示调频功率；s表示进行拉氏变换引入的复变量；TJ表示电网***惯性时间常数；KI表示惯量系数；TG表示同步机惯性系数；KL表示负荷调频系数；KD表示下垂系数；KG表示同步机调频系数。
显然，综合惯量控制策略中的下垂系数、惯量系数分别发挥了不同的作用，其中惯量系数可以等效为电网***参数TJ的变化，下垂系数可以等效为电网***参数KL的变化。
在获取了电网***的功率-频率传递函数关系式后，即可对控制策略参数的取值范围进行计算。具体的方法过程包括：基于电网***中各设备调频特性计算电网***传递函数；推导传递函数极点虚部公式；分析控制策略参数数值变化对节点虚部公式的影响。
本申请实施例提供的无超调电网***频率响应对应电网***参数、综合惯量控制策略参数取值范围计算方法的具体步骤包括：
当电网***的功率-频率传递函数极点无虚部时，电网***呈现出一种无超调的频率特性，电网***在这一状态下的功率-频率传递函数对应公式为：
式中:T′J＝TJ+KI；K′L＝KL+KD；KG表示同步机调频系数；TG表示同步机惯性系数；TJ表示电网***惯性时间常数；KI表示惯量系数；KL表示负荷调频系数；KD表示下垂系数。
由于TG表示同步机惯性系数，因此必须通过综合惯量控制策略参数数值的选取，保证上述公式成立。
显然，随着参数K′L的增大，即惯量系数的增大，上式中的部分的数值呈现单调减，即上式左侧数值单调减；而T′J的增大，即下垂系数的增大，上式左侧数值随之增大。因此下垂系数增大有利于达成无超调电网***频率特性，而惯量系数的增大不利于达成无超调电网***频率特性。
其中无超调特性的综合惯量控制系数参数取值范围计算方法，包括：
基于电网***参数与储能功率上限，取惯量系数KI＝0，确定下垂系数KD的取值范围；
若下垂系数KD取值达到上限依然无法满足上式，则在此电网***参数下综合惯量控制策略无法产生无超调频率特性；
若下垂系数KD存在取值使得成立，且其中使得该式成立的下垂系数KD的最小值未达到储能功率极限，则继续计算下垂系数KD取值范围内对应的惯量系数KI的取值上限。
本申请实施例再以一阶高通滤波的电力电子设备控制策略设计为例，对本申请提供的一阶高通滤波的电力电子设备控制策略参数优化的方法过程进行说明：
首先，基于电网***参数，确定下垂系数KD取值的上下限；
具体地，取惯量系数KI＝0，基于电网***参数计算无超调电网***频率特性对应下垂系数KD取值上限，而储能功率上限决定了下垂系数KD的取值上限。
然后，若计算得到的下垂系数KD下限大于上限，则此时综合惯量控制策略系数无论取何值，都无法保证电网***无超调频率特性；
若计算得到的下垂系数KD下限小于上限，此即下垂系数KD的取值范围，进一步计算在下垂系数KD取值范围内对应的惯量系数KI的取值上限。
本申请实施例提供的无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，给出了一种综合惯量控制策略与电网***频率特性的解析分析方法，并提出了保证无超调电网***频率特性的参数范围计算方法。使用该方法可以分析综合惯量控制策略的调频效果，该方法也可以作为一种确保电网***响应无超调的参数取值范围评估方法，用以改善电网的频率响应特性。

Claims (5)

1.无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
计算电网***传递函数极点虚部与控制策略参数之间的函数关系；
基于所述极点不同取值范围对应电网***频率特性的变化，得到所述控制策略参数的取值与所述电网***频率特性之间的关系表达式；
基于无超调特性要求，获取所述控制策略参数的取值范围，所述无超调特性要求是所述电网***的功率-频率传递函数极点无虚部；
所述基于无超调特性要求，获取所述控制策略参数的取值范围包括以下步骤：
基于设备调频特性计算***功率-频率传递函数，所述***是由一个同步机、负荷、储能共同作用的简单***，所述设备包括同步机、负荷、储能；
根据所述电网***传递函数，获得传递函数极点虚部公式；
根据所述控制策略参数的数值变化，确定所述传递函数极点虚部；
所述控制策略参数的取值与所述电网***频率特性之间的关系表达式为：
式中：Δf(s)表示调频功率，是控制策略的输出；ΔP表示调频功率；s表示进行拉氏变换引入的复变量；TJ表示电网***惯性时间常数；KI表示惯量系数；TG表示同步机惯性系数；KL表示负荷调频系数；KD表示下垂系数；KG表示同步机调频系数。
2.根据权利要求1所述的无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，其特征在于：所述综合惯量控制的表达式为：
式中：G(s)表示综合惯量控制策略对应的传递函数；Δf表示频率偏差，是控制策略的输入；ΔP表示调频功率，是控制策略的输出；KD表示下垂系数；KI表示惯量系数；s表示进行拉氏变换引入的复变量。
3.根据权利要求1所述的无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，其特征在于：当出现无超调特性要求时，电网***呈现出一种无超调的频率特性，所述电网***传递函数满足极点虚部为0的表达式为：
式中:TJ′＝TJ+KI；K′L＝KL+KD；KG表示同步机调频系数；TG表示同步机惯性系数；TJ表示电网***惯性时间常数；KI表示惯量系数；KL表示负荷调频系数；KD表示下垂系数。
4.根据权利要求3所述的无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，其特征在于：根据电网***参数与储能功率上限，将惯量系数取值为零，确定下垂系数的取值范围；
若下垂系数取值达到上限依然无法满足所述电网***传递函数满足极点虚部为0的表达式，则在所述电网***参数下综合惯量控制策略无法产生无超调频率特性；
若存在下垂系数的取值使得所述电网***传递函数满足极点虚部为0的表达式成立，且所述取值的最小值未达到储能功率极限，则继续计算所述下垂系数的取值范围内对应的惯量系数取值上限。
5.根据权利要求1所述的无超调特性的综合惯量控制策略参数取值范围计算方法，其特征在于：所述***频率-功率传递函数的表达式为：
式中：Δf表示频率偏差；ΔPD表示电网***功率不平衡量；ΔPm表示同步机功率变化量；ΔPES表示储能功率变化量；ΔPL表示负荷功率变化量；TJ表示电网***惯性时间常数。
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