考虑光强和运行特性的光伏一次调频功率控制方法及装置

本申请涉及光伏发电一次调频领域，具体地涉及一种考虑光照强度和运行特性的光伏一次调频功率控制方法。

背景技术：

光伏发电因储量丰富、成本效益高、清洁环保的优点近年来得到迅速发展，并网容量不断增加。但光伏发电系统作为静止元件，缺乏转动惯量，且一般处于最大功率跟踪模式，不参与系统调频。伴随大规模光伏电力的接入，常规发电机组在电力系统中的占比降低，电力系统惯性减小，一定程度上削弱了电力系统的调频能力及应对功率短缺与频率波动的能力。为减小电力系统安全运行的风险，要求光伏机组也要具备调频能力。

现有技术中，较多使用的是给光伏发电增加有功.频率下垂特性，即将并网点频率偏差作为控制量，直接调节部分光伏发电单元功率参与调频，一般将功率变化量平均分配到各个机组中。但由于各光伏电池所能输出的最大功率受光照条件的影响较大，受到光伏电池板发电特性、所处位置及逆变器特性等差异性影响，各光伏场站发电能力表现不一。常规采用的平均分配策略，即按照光伏场站装机容量比例分配得到控制目标值，未考虑光伏本身的运行特性及调节裕量和速率，无法充分发挥不同发电能力光伏参与频率调节的潜力。此外，在光伏参与一次调频的过程中，若系统一次调频能力不足，往往不能将频率偏移限制在允许的范围内，从而严重危害电力系统的正常运行。

因此，需要提供一种新型的考虑光强和运行特性的光伏一次调频功率控制方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出一种考虑光强和运行特性的光伏一次调频功率控制方法，能在考虑光伏场站运行特性和光强的情况下充分发挥各光伏场站参与频率调节的潜力，并提高系统的稳定性和良好暂态响应。

为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为提供一种考虑光强和运行特性的光伏一次调频功率控制方法，其包括以下步骤：

步骤1：采集光强和各光伏场站的运行特性；

步骤2：根据各光伏场站的光强，计算各光伏场站的调节速率，得到各光伏场站对应的一次调频的功率增量，第j个光伏场站一次调频的功率增量其中α为光伏功频系数与调节速率特性常数，λ为光伏功率调节速率-光强特性常数，εj为第j个光伏场站的光伏电池特性，sj为第j个光伏场站所处的光强，fn为电力系统工频常数，f为采集到的电力系统频率；

步骤3：根据各光伏场站光强和运行特性，计算光伏场站的调节容量，得到各光伏场站对应的附加功率控制的功率增量，第j个光伏场站基于一次调频的附加功率控制的功率增量为：

其中：β为光伏附加功率控制系数-调节容量特性常数；为第j个光伏场站在当前光强下能发出的最大功率；pj为第j个光伏场站当前的输出功率，fn为电力系统工频50hz，f为采集到的电力系统频率；

步骤4：一个控制周期t后，将第j个光伏场站的附加功率控制的功率增量结合一次调频的功率增量以及当前的输出功率pj确定出所述光伏场站的有功输出参考值为：输送到各光伏场站进行控制；

步骤5：检测各光伏场站是否收到二次调频动作指令：若未收到二次调频动作指令，则重新根据光伏场站运行特性及所处光强设定各光伏场站对应的功频静态特性系数和附加功率控制系数，形成下一控制周期的有功输出参考值；若收到二次调频动作指令，则逐级退出各光伏场站的附加功率控制，将各光伏场站附加功率控制的功率增量减为零，然后将附加功率控制积分器重置，完成调频工作。

可优选的是，所述步骤1中具体包括以下步骤：

步骤1.1：获取光强参数数据，并根据光伏电池的输出特性：

得到各光伏场站的最大出力

其中：为第j个光伏场站在当前光强下所能输出的最大功率(mw)；n为光伏场站个数；

步骤1.2：获取光伏场站当前出力p(t)＝[p1(t)p2(t)…pj(t)…pn(t)]

其中：pj(t)为第j个光伏场站的当前出力(mw)；n为光伏场站个数。

可优选的是，所述步骤2中具体包括以下步骤：

步骤2.1：光伏场站功率调节速率与光强和逆变器参数有关，光强越强，其功率调节速率越快；在逆变器特性相同的情况下，看作是光伏发电p-v特性曲线的斜率值，且与光强成正比；因此能由此计算出各光伏场站的功率调节速率为：

其中：为第j个光伏场站在当前光强下的功率调节速率；sj为第j个光伏场站所处的光强；λ为光伏功率调节速率.光强特性常数；εj为第j个光伏场站的光伏电池特性；

步骤2.2：根据不同光强下光伏场站的参与频率调节情况，其对应的功频静态特性系数应根据该光伏场站在当前光强所能输出的调节速率来设定：

其中：α为光伏功频系数-调节速率特性常数；

步骤2.3：设定各光伏场站的一次调频p-f功频静态特性为：

其中：kp-j为第j个光伏场站对应的功频静态特性系数。

可优选的是，所述步骤3中具体包括以下步骤：

步骤3.1：根据步骤1中光伏场站的运行特性和所在光强下的最大功率，计算得到每个光伏场站的功率的调节容量：

其中：为第j个光伏场站在当前光强下的功率调节容量。

步骤3.2：为了充分发挥不同光强下光伏场站的参与频率调节潜力，其对应的附加功率控制系数应根据所述光伏场站在当前光强所能输出的功率调节容量来设定：

其中：β为光伏附加功率控制系数-调节容量特性常数；

步骤3.3：设定各光伏场站基于一次调频的附加功率控制为：

其中：ki-j为第j个光伏场站对应的附加功率控制系数。

可优选的是，所述步骤4中具体包括以下步骤：

步骤4.1：将光伏附加功率控制与一次调频下垂控制相结合，形成各光伏场站的有功输出参考值：

其中：pref-j为第j个光伏场站在一个控制周期t的有功输出参考值；

步骤4.2：设定一个控制周期的长度为t，在此控制周期t内，各光伏场站对应的功频静态特性系数和附加功率控制系数都不改变，且各光伏场站按各自有功输出参考值向电网输出功率。

可优选的是，所述步骤5中具体包括以下步骤：

步骤5.1：检测各光伏场站是否收到二次调频动作指令；

步骤5.2：若未收到二次调频动作指令，则重复步骤1-4，重新根据光伏场站运行特性及所处光强设定各光伏场站对应的功频静态特性系数和附加功率控制系数，形成下一控制周期的功率出力曲线；

步骤5.3：若收到二次调频动作指令，则逐级退出各光伏场站的附加功率控制，将各光伏场站附加功率控制的功率增量减为零：

pref-j(t+t0)＝kquit(t+t0)×pref-j(t0)

其中：pref-j(t0)为第j个光伏场站接收到系统的二次调频指令时的有功输出参考值；pref-j(t+t0)为第j个光伏场站接收到系统的二次调频指令之后的有功输出参考值；kquit(t+t0)为退出系数，当接收到系统二次调频指令时该系数从1逐步减少到0；

从而退出附加功率控制，然后将附加功率控制积分器重置，完成调频工作。

本发明的第二方面，提供一种利用前述考虑光强和运行特性的光伏一次调频功率控制方法的控制装置，其包括：信息采集模块，功能是采集各光伏场站的光强、运行特性和系统频率；参数计算模块，功能是计算各光伏场站的功频静态特性系数和附加功率控制系数，从而得到各光伏场站对应的一次调频和附加功率控制的功率增量；指令接受及判断模块，功能是接受来自系统二次调频动作指令，并判断是否退出附加功率控制；附加功率控制退出模块，功能是将光伏场站的附加功率控制逐级退出，避免其阶跃退出给系统造成二次扰动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)在光伏参与一次调频的基础上附加功率控制，有效改善了一次调频过程中在第一个摇摆周期内频率偏差过限的情况，提高了系统的动态稳定性；

(2)附加功率控制综合考虑了光强和光伏运行特性，根据一次调频过程中各光伏场站在当前光强下的功率调节裕量和速率对其出力进行合理分配，使各光伏场站充分发挥发电和调频能力，提高了控制精度。

附图说明

图1为本发明考虑光强和运行特性的光伏一次调频功率控制方法流程图；

图2为本发明各光伏场站功率曲线图的示意图；

图3为本发明系统频率的示意图；

图4为本发明光伏一次调频功率控制装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种考虑光照强度和运行特性的光伏一次调频功率控制方法，其中技术用语光照强度也称为光强或者用于描述太阳光辐射的参量太阳辐照度。如图1所述本发明的光伏一次调频功率控制方法的具体步骤包括：

步骤1：采集光强、各光伏场站运行特性；

步骤2：根据各光伏场站的光强，计算各光伏场站的调节速率，进而设置各光伏场站对应的p-f一次调频下垂曲线；

步骤3：根据各光伏场站运行特性和光强，计算各光伏场站的调节容量，进而设置各光伏场站对应的附加功率控制；

步骤4：一个控制周期t后将附加功率控制结合光伏一次调频下垂特性及调度指令确定各场站的功率出力曲线，送到各场站进行控制；

步骤5：检测系统同步机组二次调频是否动作：若未动作，则重复步骤1.4；若动作，则退出各光伏场站的附加功率控制，完成调频任务。

步骤1中具体包括以下步骤：

步骤1.1：获取天气信息中的光照强度、温度等光伏发电相关天气参数，并根据光伏电池的输出特性：

得到各光伏场站的最大出力

其中：为第j个光伏场站在当前光强下所能输出的最大功率(mw)；n为光伏场站个数。

步骤1.2：获取光伏场站当前出力p(t)＝[p1(t)p2(t)…pj(t)…pn(t)]。

其中：pj(t)为第j个光伏场站的当前出力(mw)；n为光伏场站个数。

步骤2中具体包括以下步骤：

步骤2.1：光伏场站功率调节速率与光强和逆变器参数有关，光强越强，其功率调节速率越快。在逆变器特性相同的情况下，可以粗略看作是光伏发电p.u特性曲线的斜率值，且与光强成正比。因此可由此计算出各光伏场站的功率调节速率为：

其中：为第j个光伏场站在当前光强下的功率调节速率；sj为第j个光伏场站所处的光强；λ为光伏功率调节速率.光强特性常数；εj为第j个光伏场站的光伏电池特性。

步骤2.2：设定各光伏场站的一次调频p-f功频静态特性为：

其中：kp-j为第j个光伏场站对应的功频静态特性系数。

步骤2.3：为了充分发挥不同光强下光伏场站的参与频率调节潜力，其对应的功频静态特性系数应根据该光伏场站在当前光强所能输出的调节速率来设定：

其中：α为光伏功频系数.调节速率特性常数。

步骤3中具体包括以下步骤：

步骤3.1：根据步骤1中光伏场站的运行特性和所在光强下的最大功率，计算得到各光伏场站的功率调节容量：

其中：为第j个光伏场站在当前光强下的功率调节容量。

步骤3.2：设定各光伏场站基于一次调频的附加功率控制为：

其中：ki-j为第j个光伏场站对应的附加功率控制系数。

步骤3.3：为了充分发挥不同光强下光伏场站的参与频率调节潜力，其对应的附加功率控制系数应根据该光伏场站在当前光强所能输出的功率调节容量来设定：

其中：β为光伏附加功率控制系数.调节容量特性常数。

步骤4中具体包括以下步骤：

步骤4.1：将光伏附加功率控制与一次调频下垂特性及调度指令相结合，形成各场站的功率出力曲线：

其中：pref-j为第j个光伏场站在一个控制周期的功率出力曲线。

步骤4.2：设定一个控制周期的长度为t，可人为整定。在此控制周期内，各光伏场站对应的功频静态特性系数和附加功率控制系数都不改变，且光伏场站严格按功率出力曲线向电网输出功率。

步骤5中具体包括以下步骤：

步骤5.1：检测系统同步机组二次调频是否动作。

步骤5.2：若二次调频未动作，则重复步骤1-4。重新根据光伏场站运行特性及所处光强设定各光伏场站对应的功频静态特性系数和附加功率控制系数，形成下一控制周期的功率出力曲线。

步骤5.3：若二次调频已经动作，则将各光伏场站的附加功率控制出力逐步减为零，然后将附加功率控制积分器重置，退出附加功率控制，完成调频工作。

提供一具体实施例，说明采用本发明的方法得到各光伏场站的功率曲线，实现协调控制效果的过程。

步骤1：本实施例的光伏并网系统中共有1个火电厂和2个光伏场站，获取相关参数：a光伏场站处光强为1000w/m²，b光伏场站处光强为600w/m²，温度均为25℃。因此可得到2个光伏场站的最大输出功率为p^max＝[300170](mw)，当前出力值为p＝[200140](mw)。

步骤2：设两光伏场站逆变器参数相同，两光伏场站的调节速率与光强成正比：δp^speed＝[6036](mw/s)。取光伏功频系数.调节速率特性常数α＝125，则两光伏场站对应的功频静态特性系数为kp＝[2515](p.u.)。

步骤3：计算两光伏场站在当前光强下的功率调节容量为δp^margin＝[10030](mw)。取光伏附加功率控制系数.调节容量特性常数β＝300，则两光伏场站对应的功频静态特性系数为ki＝[10030](p.u.)。

步骤4：将光伏附加功率控制与一次调频下垂特性及调度指令相结合。设定一个控制周期的长度为t＝5s。

两个光伏场站的一次调频附加功率控制功率曲线图如图2所示，两光伏场站的出力曲线与其所处光强及其本身的运行特性有关，充分发挥光伏参与频率调节的潜力。图2中上面的虚线1为光伏场站a的最大功率，下面的虚线2为光伏场站b的最大功率,菱形的线3为光伏场站a的输出功率，方形的线4为光伏场站b的输出功率。

由本实施例的两个光伏场站所处光强和运行特性可知，光伏场站a的有功功率调节容量大、调节速率快，因此在图2中的功率曲线中变化速率更快、变化量更大，即在调频过程中所起的作用更大，充分发挥了光伏参与频率调节的潜力。

步骤5：检测系统同步机组二次调频是否动作：已经动作，退出附加功率控制，完成调频任务。

如图3所示的系统频率曲线图，实线5为附加功率控制后的系统频率变化曲线，虚线6为未附加功率控制的系统频率变化曲线。当不设置附加功率控制时，系统二次调频指令下达前仅靠光伏一次调频，属于有差调频，系统频率最终稳定在49.8hz；当设置附加功率后，如实线5所示，光伏一次调频和附加功率同时投入，系统频率很快恢复到50hz。因此与不设置附加功率控制的系统相比，附加功率控制后系统频率波动幅值明显更小，有效提高了系统稳定性。

图4为本发明光伏一次调频功率控制装置的示意图。控制装置包括信息采集模块，功能是采集各光伏场站的光强、运行特性和系统频率；参数计算模块，功能是计算各光伏场站的功频静态特性系数和附加功率控制系数，从而得到各光伏场站对应的一次调频和附加功率控制的功率增量；指令接受及判断模块，功能是接受来自系统二次调频动作指令，并判断是否退出附加功率控制；附加功率控制退出模块，功能是将光伏场站的附加功率控制逐级退出，避免其阶跃退出给系统造成二次扰动。

信息采集模块采集各光伏场站的光强、运行特性和系统频率；参数计算模块根据信息采集模块得到的光强和运行特性计算各光伏场站的功频静态特性系数和附加功率控制系数，从而得到各光伏场站对应的一次调频和附加功率控制的功率增量；然后指令接收及判断模块接收来自系统二次调频动作指令，并判断是否退出附加功率控制：若未接收到二次调频动作指令，则重新经信息采集模块采集相关信息，进行下一控制周期的控制；若接收到二次调频动作指令，则进入附加功率控制退出模块，将光伏场站的附加功率控制逐级退出。

本发明在光伏参与一次调频的基础上附加功率控制，如图3所示，附加功率控制后与不附加功率控制相比，有效改善了一次调频过程中在第一个摇摆周期内频率偏差过限的情况，提高了系统的动态稳定性；附加功率控制考虑了光强和光伏运行特性，如图2所示，对一次调频过程中各光伏场站的出力进行合理分配，有功功率调节容量大、调节速率快的光伏场站在调频过程中承担更多的调频任务，充分发挥各光伏场站的发电和调频能力，提高了控制精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。