一种考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测方法与流程

1.本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测方法。


背景技术：

2.随着双碳目标的提出，中国电网的发电物理架构正在飞速的发生改变。其中，电网源侧发电资源的低碳、高清洁化逐渐成为趋势。以光伏为代表的可再生能源大规模应用使得传统煤炭污染、高能耗、高成本问题得到了有效缓解。然而，高比例同步发电单元的被替代措施使得电力系统的传统惯量迅速下降，带来了众多电力系统频率稳定性问题。因此，如何预测分析高比例光伏并网后运行的频率安全稳定问题亟需研究。
3.当前，针对电网源侧发电单元主动参与调频的研究较为丰富，主要从以下方向入手：
4.1)灵活利用负载变化控制，基于离散的电气数据将减载率参考值转变为光伏直流电压参考值，通过光伏阵列的调节实现电网有功调制；2)以调频功率为研究对象，使用步长跟踪方式实现对功率动态、稳态性能的提高，从而提升电力系统的频率稳定性。上述研究均对电网源侧发电单元主动参与调频起到积极作用，针对光伏参与调频的电力系统频率态势研究较为匮乏。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明公开了针对以上问题，本发明提出了一种考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测方法，基于传统火电频率响应模型，考虑光伏附加频率控制单元，分析了光伏参与调频的新型电力系统频率特性。
6.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
7.本发明是一种考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测方法，包括如下步骤：
8.步骤1、建立传统电力系统频率响应模型及光伏单元频率响应模型，综合各调频单元的控制方式建立考虑光伏参与调频的电力系统频率响应模型；
9.步骤2、利用模型分析法对多资源参与调频下的电力系统频率特征进行定量分析，计算系统频率特性传递函数、初始频率变化率及稳态频率误差；
10.步骤3、通过matlab/simulink仿真平台对本文所提光伏参与电力系统频率特性分析进行验证。
11.步骤1中，传统电力系统频率响应模型保留了同步发电机的相关控制参数，并基于电力系统的频率传递特性，建立同步发电机调速器工作下p-f的数量关系，
12.h为系统等效惯性时间常数；d为阻尼常数，p
l
为负荷消耗有功大小，r为一次调频下垂系数，fh为原动机高压缸做功系数，tr为再热时间常数，km为机械功率因数，p
sp
为电力系统冲击负荷占系统总负荷的比重，pm为机械功率，δωg为同步机频率扰动量，s为拉氏算子。
13.从负荷扰动δp
l
到频率扰动δωg的传递函数：
[0014][0015]
式中，ωn为无阻尼自然频率，ξ为阻尼比，g0为比例系数，z0为原动机再热时间常数的倒数。
[0016]
且满足：
[0017][0018]
若电力系统出现负荷有功阶跃扰动，则电网频率s域表达式为
[0019]
式中，ωd为阻尼自然频率，f
pu
为电网频率的参考值(标幺值)，f
ref_pu
＝1/s，g(s)/s为频率扰动值(标幺值)。
[0020][0021]
对电网频率s域表达式进行拉普拉斯逆变换，得到电网频率的时域下的频率表达式为：
[0022][0023]
式中，a为幅值，β为相位，且
[0024]
[0025][0026]
步骤1中，光伏调频频率响应模型中，光伏的常规惯量控制策略通过锁相环动态特性实现，如以下公式所示为锁相环控制下的频率：
[0027][0028]
式中，u
tq
为逆变器端电压的q轴分量，k
p
、ki为锁相环控制参数。
[0029]
根据上面公式可得有功功率δp
pv1
增量为：
[0030][0031]
即
[0032]
δp
pv1
＝2h
pv
·
δf
·s[0033]
式中，h
pv
为光伏虚拟惯量时间常数。
[0034]
因此，若光伏只采用常规虚拟惯量控制方式时，其频率模型传递函数为
[0035][0036]
当光伏阵列与低压直流电容相连时，通过改变电容电压可实现光伏阵列输出功率的变化。为此，设计光伏阵列运行于最大功率点的左侧。利用线性化拟合手段，其输出功率p2为：
[0037]
p2＝au
pv
+b
[0038]
式中，a，b为拟合系数，k为控制系数。
[0039]
将上面公式线性化处理得到如下公式：
[0040]
δp
pv2
＝a
·
δu
pv
＝a
·k·
δf
[0041]
因此，若光伏只采用该调频策略时，其频率响应模型传递函数为：
[0042][0043]
本文光伏采用双极式发电结构，其中存在一个高压直流电容cb，同时在逆变器电压外环中引入f-u
dc
频率弥补环节。双极式发电的高压直流电容电压方程：
[0044][0045]
式中，cb、u
dc
、u
dczero
、p
dc
、pg分别为高压直流电容、高压直流电压、高压直流电压初始值、直流输出功率、光伏发电输出功率。
[0046]
对上面公式线性化处理：
[0047][0048]
式中，δp
pv
、δu
dc
分别为光伏单元功率变化量、高压直流电压变化量。
[0049]
可得光伏发电单元频率响应模型传递函数为
[0050][0051]
式中，k
pv
为光伏单元时间常数。
[0052]
步骤1中，新能源发电单元的渗透使得电网调频资源对非同步发电单元的考虑逐渐增加。本文考虑传统火电及光伏同时参与电力系统有功调制，从而实现系统调频。
[0053]
电力系统频率、功率的数量关系：
[0054][0055]
当电网出现功率扰动δp
l
时，电力系统功率变化量为：
[0056]
δp＝-δp
l-δp
pv-δpr＝-δp
l-{g
pv
(s)+gr(s)}
·
δf
[0057]
式中，gr(s)为传统火电频率响应传递函数，且满足：
[0058][0059]
步骤2中，利用模型分析法，基于经典的低阶电力系统频率相应模型，考虑传统同步发电机、光伏参与调频，建立新能源参与调频下的电力系统频率响应模型。可得电力系统频率特性传递函数为：
[0060][0061]
由上面公式可得电力系统频率变化频域表达式：
[0062][0063]
其中，a为关于频域微分算子s的多项式，且满足：
[0064]
a＝k
pv
cbu
dczero
+h
pv
+2h。
[0065]
步骤2中，当电力系统出现扰动时，根据初值定理计算光伏参与调频下的电力系统频率初始变化率
[0066][0067][0068]
由上面公式可知，光伏发电采取双极式发电且在外环中引入f-u
dc
频率弥补环节，当发生一定的功率扰动时，电力系统初始频率变化率与光伏响应系数、高压直流电容、直流电压初始值、光伏单元时间常数和电力系统惯性时间常数有关，即电力系统初始频率变化率只与光伏调频单元控制参数及系统等效惯量有关。
[0069]
步骤2中，稳态频率误差直接反映了电力系统的稳态频率特性，基于终值定理定量计算在受到功率扰动后的电力系统稳态频率误差：
[0070][0071][0072]
根据上面公式可知，稳态频率误差与火电一次调频下垂系数有关，但是与光伏调频单元的控制系数无关。
[0073]
考察负荷阻尼大小对电力系统频率的影响。根据电力系统稳态频率误差公式对阻尼系数求导：
[0074][0075]
面公式推导结果可知，当δp
l
大于零时，稳态频率误差对阻尼系数d的偏导大于零，即随着阻尼系数的增加，电力系统的稳态频率误差值大小增加。
[0076]
根据电力系统稳态频率误差公式可知，当同步发电机一次调频下垂系数、阻尼系数、功率扰动值都大于零时，电力系统稳态频率误差值小于零。因此，根据电力系统稳态频率误差公式和阻尼系数求导公式可知随着阻尼系数的增加，电力系统稳态特性相应提高。
[0077]
步骤3中，基于matlab/simulink建立考虑光伏调频的新能源电力系统频率响应模
型。光伏模块采用双极式光伏发电结构，逆变器采集高压侧直流电容的动态特性来模拟同步发电机的惯量响应，低压直流电压维持在定值且光伏阵列输出功率的稳态值不变。
[0078]
本发明的有益效果：
[0079]
用负载变化控制，基于离散的电气数据将减载率参考值转变为光伏直流电压参考值，通过光伏阵列的调节实现电网有功调制；以调频功率为研究对象，使用步长跟踪方式实现对功率动态、稳态性能的提高，从而提升电力系统的频率稳定性
附图说明
[0080]
图1为考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测方法的具体步骤；
[0081]
图2为传统电力系统频率响应模型；
[0082]
图3为光伏单元频率响应模型
[0083]
图4为聚合电力系统频率响应模型；
[0084]
图5为电力系统初始频率变化率三维因素图；
[0085]
图6为不同调频方式下系统频率曲线；
[0086]
图7为不同光伏惯性时间常数下系统频率变化率曲线；
[0087]
图8为不同阻尼系数下系统频率曲线。
具体实施方式
[0088]
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0089]
如图1所示，本发明所述的一种考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测方法的具体步骤如下：
[0090]
步骤1、建立传统电力系统频率响应模型及光伏单元频率响应模型，综合各调频单元的控制方式建立考虑光伏参与调频的电力系统频率响应模型；
[0091]
步骤2、利用模型分析法对多资源参与调频下的电力系统频率特征进行定量分析，计算系统频率特性传递函数、初始频率变化率及稳态频率误差；
[0092]
步骤3、通过matlab/simulink仿真平台对本文所提光伏参与电力系统频率特性分析进行验证。
[0093]
步骤1中，传统电力系统频率响应模型保留了同步发电机的相关控制参数，并基于电力系统的频率传递特性，建立同步发电机调速器工作下p-f的数量关系，如图2所示。
[0094]
图2中，h为系统等效惯性时间常数；d为阻尼常数，p
l
为负荷消耗有功大小，r为一次调频下垂系数，fh为原动机高压缸做功系数，tr为再热时间常数，km为机械功率因数，p
sp
为电力系统冲击负荷占系统总负荷的比重，pm为机械功率，δωg为同步机频率扰动量，s为拉氏算子。
[0095]
根据图2可计算从负荷扰动δp
l
到频率扰动δωg的传递函数：
[0096][0097]
式中，ωn为无阻尼自然频率，ξ为阻尼比，g0为比例系数，z0为原动机再热时间常数的倒数。
[0098]
且满足：
[0099][0100]
若电力系统出现负荷有功阶跃扰动，则电网频率s域表达式为
[0101][0102]
式中，ωd为阻尼自然频率，f
pu
为电网频率的参考值(标幺值)，f
ref_pu
＝1/s，g(s)/s为频率扰动值(标幺值)。
[0103][0104]
对电网频率s域表达式进行拉普拉斯逆变换，得到电网频率的时域下的频率表达式为：
[0105][0106]
式中，a为幅值，β为相位，且
[0107]
[0108][0109]
步骤1中，光伏调频频率响应模型中，光伏的常规惯量控制策略通过锁相环动态特性实现，如以下公式所示为锁相环控制下的频率：
[0110][0111]
式中，u
tq
为逆变器端电压的q轴分量，k
p
、ki为锁相环控制参数。
[0112]
根据上面公式可得有功功率δp
pv1
增量为：
[0113][0114]
即
[0115]
δp
pv1
＝2h
pv
·
δf
·s[0116]
式中，h
pv
为光伏虚拟惯量时间常数。
[0117]
因此，若光伏只采用常规虚拟惯量控制方式时，其频率模型传递函数为
[0118][0119]
当光伏阵列与低压直流电容相连时，通过改变电容电压可实现光伏阵列输出功率的变化。为此，设计光伏阵列运行于最大功率点的左侧。利用线性化拟合手段，其输出功率p2为：
[0120]
p2＝au
pv
+b
[0121]
式中，a，b为拟合系数，k为控制系数。
[0122]
将上面公式线性化处理得到如下公式：
[0123]
δp
pv2
＝a
·
δu
pv
＝a
·k·
δf
[0124]
因此，若光伏只采用该调频策略时，其频率响应模型传递函数为：
[0125][0126]
本文光伏采用双极式发电结构，其中存在一个高压直流电容cb，同时在逆变器电压外环中引入f-u
dc
频率弥补环节。双极式发电的高压直流电容电压方程：
[0127][0128]
式中，cb、u
dc
、u
dczero
、p
dc
、pg分别为高压直流电容、高压直流电压、高压直流电压初始值、直流输出功率、光伏发电输出功率。
[0129]
对上面公式线性化处理：
[0130][0131][0132]
式中，δp
pv
、δu
dc
分别为光伏单元功率变化量、高压直流电压变化量。
[0133]
可得光伏发电单元频率响应模型传递函数为
[0134][0135]
式中，k
pv
为光伏单元时间常数。光伏单元频率响应模型如图3所示
[0136]
步骤1中，新能源发电单元的渗透使得电网调频资源对非同步发电单元的考虑逐渐增加。本文考虑传统火电及光伏同时参与电力系统有功调制，从而实现系统调频。如图4为考虑光伏参与调频的电力系统频率响应模型。
[0137]
由图3可知电力系统频率、功率的数量关系：
[0138][0139]
当电网出现功率扰动δp
l
时，电力系统功率变化量为：
[0140]
δp＝-δp
l-δp
pv-δpr＝-δp
l-{g
pv
(s)+gr(s)}
·
δf
[0141]
式中，gr(s)为传统火电频率响应传递函数，且满足：
[0142][0143]
步骤2中，利用模型分析法，基于经典的低阶电力系统频率相应模型，考虑传统同步发电机、光伏参与调频，建立新能源参与调频下的电力系统频率响应模型。可得电力系统频率特性传递函数为：
[0144][0145]
由上面公式可得电力系统频率变化频域表达式：
[0146][0147]
其中，a为关于频域微分算子s的多项式，且满足：
[0148]
a＝k
pv
cbu
dczero
+h
pv
+2h
[0149]
步骤2中，当电力系统出现扰动时，根据初值定理计算光伏参与调频下的电力系统频率初始变化率
[0150][0151][0152][0153]
由上面公式可知，光伏发电采取双极式发电且在外环中引入f-u
dc
频率弥补环节，当发生一定的功率扰动时，电力系统初始频率变化率与光伏响应系数、高压直流电容、直流电压初始值、光伏单元时间常数和电力系统惯性时间常数有关，即电力系统初始频率变化率只与光伏调频单元控制参数及系统等效惯量有关。
[0154]
图5是根据公式(24)所得的初始频率变化率三维因素图，且初始频率变化率值为标幺值。根据图5可知系统等效惯性时间常数、光伏惯性时间常数越大，电力系统频率初始变化率绝对值越小。
[0155]
步骤2中，稳态频率误差直接反映了电力系统的稳态频率特性，基于终值定理定量计算在受到功率扰动后的电力系统稳态频率误差：
[0156][0157][0158]
根据上面公式可知，稳态频率误差与火电一次调频下垂系数有关，但是与光伏调频单元的控制系数无关。
[0159]
考察负荷阻尼大小对电力系统频率的影响。根据电力系统稳态频率误差公式对阻尼系数求导：
[0160][0161]
根据上面公式推导结果可知，当δp
l
大于零时，稳态频率误差对阻尼系数d的偏导大于零，即随着阻尼系数的增加，电力系统的稳态频率误差值大小增加。
[0162]
根据电力系统稳态频率误差公式可知，当同步发电机一次调频下垂系数、阻尼系
数、功率扰动值都大于零时，电力系统稳态频率误差值小于零。因此，根据电力系统稳态频率误差公式和阻尼系数求导公式可知随着阻尼系数的增加，电力系统稳态特性相应提高。
[0163]
步骤3中，基于matlab/simulink建立考虑光伏调频的新能源电力系统频率响应模型。光伏模块采用双极式光伏发电结构，逆变器采集高压侧直流电容的动态特性来模拟同步发电机的惯量响应，低压直流电压维持在定值且光伏阵列输出功率的稳态值不变。下文分析不同工况下电力系统的频率特性变化，负荷为1000mw，风电额定功率为200mw，负荷扰动为60mw(0.06p.u)。
[0164]
步骤3中，为验证光伏参与调频的可行性，以下对两种情况下频率特性进行定量分析，考察不同调频方式下电力系统的频率偏差情况。其中，设置参数：风电场风速恒定，各机组参数见表1：
[0165]
表1 系统参数设定值
[0166][0167][0168]
不同调频方式下电力系统频率变化如图6所示。
[0169]
根据图6可知：1)相较于传统同步发电机单独调频，光伏参与调频下的电力系统频率稳定性更强，最大频率偏差绝对值减小，且最大频率偏差时间点延迟；2)光伏参与调频下其稳态频率误差没有变化，因此在电力系统趋于稳定时，稳态频率误差与光伏调频控制参数无关，即光伏调频单元不参与电力系统调频，与电力系统稳态频率误差公式结论相同。
[0170]
步骤3中，传统同步发电机组、新能源光伏机组参与调频控制参数确定时，光伏惯性时间常数对电力系统频率变化率有一定的影响。其中，传统火电机组、新能源机组调频控制参数参考表1，设置光伏惯性时间常数分别为2s、4s、6s，考察不同光伏惯性时间常数下的电力系统初始频率变化率、最大频率偏差时间等相关电力系统频率特征指标。
[0171]
根据图7可知：1)随着光伏惯性时间常数的增加，电力系统初始频率变化率绝对值减小，与2.2节公式(24)及图4结论一致；2)光伏惯性时间常数增加，t1《t2《t3，即电网到达最大频率偏差的时间延迟。
[0172]
步骤3中，随着负荷侧频率响应能力的提升，新型电力系统的源荷协调能力得到加
强，本节设置不同电力系统阻尼系数，通过仿真分析电力系统的频率稳定性。其中，传统火电机组、新能源机组控制参数参照表1，分别设置不同等效惯性时间常数d分别为2、4、8，系统仿真波形图如图8所示。根据图8可知：1)随着负荷阻尼系数的增加，电力系统初始频率变化率绝对值不变，即初始频率变化率的大小与负荷阻尼系数无关，与光伏参与调频下的电力系统频率初始变化率公式的结果相符；2)随着电力系统阻尼系数的增加，稳态频率误差绝对值减小，即光伏参与调频模式下电力系统稳态频率特性提升，与阻尼系数公式结论相同；3)当光伏参与传统电力系统调频控制时，阻尼系数的增加使得最大频率偏差减小，且最大频率偏差时间提前。
[0173]
针对新型电力系统频率稳定问题，本发明考虑了光伏参与电力系统频率调节，通过理论定量分析、仿真验证分析了光伏参与调频控制策略下电力系统频率稳定性的影响因素，研究结果表明：
[0174]
1)传统同步发电机、光伏单元联合参与调频控制策略下，电力系统频率较单一火电调频控制策略更加稳定，新能源光伏参与调频的控制策略是可行的。
[0175]
2)光伏参与调频下的电力系统初始频率变化率与光伏调频单元控制参数及系统等效惯量有关；在机组控制参数确定时，负荷阻尼系数的提升可减小电力系统初始频率变化率绝对值，同时可提升电网稳态频率，增加电网的频率稳定性。
[0176]
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。