基于减载控制的光伏电站电网频率变化的主动响应方法及应用

1.本发明涉及光伏系统调频控制策略领域，特别涉及一种基于减载控制的光伏电站主动响应电网频率变化方法及其应用。


背景技术：

2.新能源技术的开发和大规模使用是实现双碳目标的重要途径，光伏发电在新能源技术中占有重要地位，当前我国光伏渗透率也在不断提升。由于光伏通过逆变器接入电网，且通常运行在最大功率运行点，不能主动向电网提供惯性，光伏渗透率的不断提升，造成了电力系统的惯性持续下降，系统抵御频率变化的能力降低，系统发生频率故障的风险增加，所以当前光伏并网导则中鼓励光伏电站主动参与电网频率调节。
3.为使光伏系统主动参与到电网调频当中，当前研究主要采用以下两类方法：一类为增设储能装置，在这种方法中，储能装置对于电网频率可以提供较为良好的支撑效果，但是储能装置成本较高，推广需要较高成本，并且在光伏出力波动性较强时，储能需要不停的进行充放电，对储能电池损害较大；另一类为光伏减载运行，光伏电池运行在非最大功率运行点，保留部分功率用于调频，在系统频率变化是通过改变光伏电池输出，增加光伏支撑电网频率的能力，但当前方式需改变逆变器并网控制方法，改造推广具有一定难度。


技术实现要素：

4.本发明为克服现有技术的不足之处，提出基于减载控制的光伏电站电网频率变化的主动响应方法及应用，以期能在不增设储能装置、不改变逆变器控制方法的情况下，实现光伏电站主动参与电网频率调节，从而提高系统惯量，增加电网的频率稳定性。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
6.本发明一种基于减载控制的光伏电站电网频率变化的主动响应方法的特点在于，是按如下方法进行：
7.步骤1、减载控制；
8.步骤1.1、划分光伏电站中光伏电池为主、从阵列电池，其中，主阵列电池运行于最大功率运行点追踪模式，用于检测当前外界环境下光伏电池的最大功率信息p
max
；再根据主、从阵列电池数量之比，计算从阵列电池的最大功率；
9.步骤1.2、根据从阵列电池的最大功率及其减载率得到从阵列电池所应达到电压；
10.步骤1.3、对光伏电站中boost电路进行电压控制，使从阵列电池达到所述减载率对应的电压，以实现光伏电池的减载控制；
11.步骤2、设定电网频率f-减载率δ的对应关系：
12.步骤2.1、根据电网自身的频率要求，设置最大频率的波动区间为[f
min
,f
max
]，设定最大频率的波动范围为
±
δ，设定频率死区为σ，频率死区σ的上限电压为f
hign
，频率死区σ的下限电压f
low
；其中，f
max
表示最大频率，f
min
表示最小频率；
[0013]
步骤2.2、确定减载率δ的取值：
[0014]
当f》f
max
时，设定从阵列电池的减载率δ为最大减载率δ
max
；
[0015]
当f《f
min
时，设定从阵列电池的减载率δ为最小减载率δ
min
＝0，即运行在最大功率运行点；
[0016]
当f
low
≤f≤f
hign
时，设定从阵列电池的减载率δ为额定减载率δn；
[0017]
当f
min
≤f≤f
low
或f
hign
≤f≤f
max
时，构建以从阵列电池的减载率δ为应变量y，以电网频率f为自变量x的一次函数曲线；
[0018]
步骤3、通过ppl锁相环计算当前电网频率f(t)，并根据步骤2.2确定减载率的取值，若f
low
≤f(t)≤f
hign
，则光伏电池运行额定减载率δn，预留光伏电池的有功功率，并返回步骤3；否则，按如下情况控制光伏电池的增加/减少有功出力后返回步骤3：
[0019]
当f(t)《f
min
时，光伏电池运行于最大功率点追踪模式，增加光伏电池的有功出力，从而将光伏电池的备用功率全部发出；
[0020]
当f(t)》f
max
时，光伏电池运行于减载率最大模式，减少光伏电池的有功出力，以输出光伏电池的最小功率；
[0021]
当f
min
≤f(t)≤f
low
或f
hign
≤f(t)≤f
max
时，根据电网频率f-减载率δ的对应关系输出光伏电池的有功功率。
[0022]
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述的主动响应方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
[0023]
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述的主动响应方法的步骤。
[0024]
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0025]
1、本发明控制方法中，通过使用减载控制使得光伏电池具有备用功率，解决了现有光伏系统不具备调频能力的问题，可以主动响应电网频率变化，参与电网的一次调频，能够体高电网的频率稳定性。
[0026]
2、本发明控制方法中，光伏电池通过运行在非最大功率运行点保留调频功率，利用光伏电池自身能力参与电网调频，不需要额外增设储能设备，避免了增加储能设备成本增加以及储能设备使用寿命的问题。
[0027]
3、本发明控制方法中，将频率与减载率进行对应，改变减载率得控制仅作用于两级式光伏阵列的中的前级boost电路中，通过调节光伏电池输出电压改变光伏电池出力，不与后级并网逆变器及控制耦合，不需要改变后级的结构及控制方式，从而降低了改造难度，便于推广。
附图说明
[0028]
图1为本发明中不同光照强度下电流电压关系图；
[0029]
图2为本发明实施例中光伏采用减载控制并网结构图；
[0030]
图3本发明实施例中电网频率发生波动时光伏有功出力图。
具体实施方式
[0031]
本实施例中，一种基于减载控制的光伏电站主动响应电网频率变化方法，应用于包含主从阵列的光伏电站并网系统当中，其中主阵列运行在最大功率运行模式向减载控制单元输送最大功率信息：减载控制单元获取最大功率信息及当前电网频率信息，控制有功输出，通过逆变器接入电网。光伏逆变器包含实现电压控制功能的dc/dc变换器和实现并网与监测功能的dc/ac逆变器；该光伏电站主动频率响应方法是按如下步骤进行：
[0032]
步骤1、减载控制；
[0033]
步骤1.1、划分光伏电站中光伏电池为主、从阵列电池，其中，主阵列电池运行于最大功率运行点追踪模式，用于检测当前外界环境下光伏电池的最大功率信息p
max
；再根据主、从阵列电池数量之比，计算从阵列电池的最大功率如式(1)所示；
[0034][0035]
式(1)中，p
max
为主阵列最大功率，pm′
ax
为从阵列最大功率，n1为主阵列光伏电池个数，n2为从阵列光伏电池个数。
[0036]
步骤1.2、根据从阵列电池的最大功率及其减载率得到从阵列电池所应达到电压。根据图1，在最大功率运行点左侧，光伏电池电流几乎不随电压变化发生变化，即可通过给定功率计算得到当前光伏电池电压。可通过上述获取最大功率信息结合减载率得到所应达到电压如式(2)所示。
[0037][0038]
式(2)中，v
pvref
为光伏从阵列电压参考值，i
pv
为光伏从阵列电流，pr′
ef
为从阵列功率参考值，p
ref
为主阵列提供最大功率参考值，σ为设定减载率。
[0039]
步骤1.3、对光伏电站中boost电路进行电压控制，使从阵列电池达到所述减载率对应的电压，以实现光伏电池的减载控制；
[0040]
步骤2、设定电网频率f-减载率δ的对应关系：
[0041]
步骤2.1、根据电网自身的频率要求，设置最大频率的波动区间为[f
min
,f
max
]，设定最大频率的波动范围为
±
δ，设定频率死区为σ，频率死区σ的上限电压为f
hign
，频率死区σ的下限电压f
low
；其中，f
max
表示最大频率，f
min
表示最小频率；本实施例中，我国电网允许频率波动范围为
±
0.2hz，因此设置f
max
＝50.2hz，f
min
＝49.8hz，参照火电机组调频死区，设置f
hign
＝50.06hz，f
low
＝49.94hz。
[0042]
步骤2.2、确定减载率δ的取值：
[0043]
当f》f
max
时，设定从阵列电池的减载率δ为最大减载率δ
max
，本实施例中，取δ
max
＝0.5；
[0044]
当f《f
min
时，设定从阵列电池的减载率δ为最小减载率δ
min
＝0，即运行在最大功率运行点；
[0045]
当f
low
≤f≤f
hign
时，设定从阵列电池的减载率δ为额定减载率δn，本实施例中，取δn＝0.8；
[0046]
当f
min
≤f≤f
low
或f
hign
≤f≤f
max
时，构建以从阵列电池的减载率δ为应变量y，以电网频率f为自变量x的一次函数曲线，设置当f
min
＜＝f＜＝f
low
时，令δ＝1.43f-71.14；当fhigh
＜＝f＜＝f
max
时，令δ＝2.14f-107.07；
[0047]
步骤3、通过ppl锁相环计算当前电网频率f(t)，锁相环检测电网频率计算公式如式(3)所示，并根据步骤2.2确定减载率的取值，若f
low
≤f(t)≤f
hign
，则光伏电池运行额定减载率δn，预留光伏电池的有功功率，并返回步骤3；否则，按如下情况控制光伏电池的增加/减少有功出力后返回步骤3：
[0048]
当f(t)《f
min
时，光伏电池运行于最大功率点追踪模式，增加光伏电池的有功出力，从而将光伏电池的备用功率全部发出；
[0049]
当f(t)》f
max
时，光伏电池运行于减载率最大模式，减少光伏电池的有功出力，以输出光伏电池的最小功率；
[0050]
当f
min
≤f(t)≤f
low
或f
hign
≤f(t)≤f
max
时，根据电网频率f-减载率δ的对应关系输出光伏电池的有功功率。
[0051][0052]
式(3)中：θ
pll
为检测处电压超前于d轴坐标系的角度；x
pll
为pll追随uq的误差积累；ω
pll
为所检测处的角速度，ωb为系统基准角速度，k
p
，ki为控制参数，ω
pll
为所检测处的角速度，f为检测电网频率。
[0053]
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行该主动响应方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
[0054]
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行该主动响应方法的步骤。
[0055]
实施例：
[0056]
1、实施方案采用光伏阵列参数如表1所示，根据表1数据建立光伏电池模型，按照步骤1设置主从阵列，通过步骤1实施方案实现减载控制。设置光照强度为标准光照强度，温度为标准温度，根据时间改变当前减载率，减载控制实际减载率与设定减载率误差如表2所示。
[0057]
表1光伏电池参数
[0058]
参数数值标准工况下开路电压36.3v标准工况下开路电流7.84a最大功率点电压29v最大功率点电流7.35a光伏电池板并联个数47光伏电池板串联个数10
[0059]
表2减载控制效果
[0060][0061]
2、根据步骤2设定减载率与电网频率对应关系，将对应关系数学模型载入步骤1减载控制模块中。
[0062]
3、建立光伏电站减载控制并网模型，结构如图2所示，将带有减载控制的光伏电池模型接入电网，通过减载电网频率区间改变减载率，实现主动响应电网频率变化。改变电网频率，光伏电站有功出力变化如图3所示。