一种基于风储联合的电力系统电磁暂态控制方法与流程

1.本发明属于电力系统控制技术领域，涉及一种基于风储联合的电力系统电磁暂态控制方法。


背景技术：

2.伴随着全球经济与科学技术的不断进展，煤炭与石油等传统型能源的需求量越来越大，逐渐造成了能源危机，且这些化石燃料在燃烧的过程中会产生一氧化碳、二氧化碳等气体，对于生态环境的平衡，造成了一定的破坏，电力能源作为一种清洁性很强的二次能源，其应用领域越来越广泛，已经成为国民生产生活之中所不可或缺的重要组成部分。安全稳定的电力能源供应，已经成为全球经济、工业、文化等各个领域持续稳定发展的保障力量，化石能源的大量消耗,使得生态破坏问题愈发严重,温室效应、大气污染等环境问题严峻，使人类社会面临着巨大的威胁。世界各国制定了低碳绿色发展的迫切发展目标，积极开发利用可再生能源。我国作为目前世界上最大的发展中国家，煤炭、石油等化石燃料的消耗数量巨大，给生态环境带来沉重压力，急需大力开发清洁型可再生能源。风能作为无污染的可再生能源，在全球能源互联网的大背景之下成为了重要的可利用能源之一。在当今世界可再生能源开发中，风力发电是除水能外，技术最成熟，最具有大规模开发和商业开发条件的可再生能源发电形式。
3.我国风电发电量于2012年6月超过美国，跃居全球第一，截止到2014年底，我国累计风电装机容量已经达到11.46gw，风力发电己成为促进能源多样性和实现可持续发展的重要能源。风能的广泛利用对今后人类的生活方式带来革新。然而由于风电资源属于不可控的自然能源，随着风力发电比例的不断提高，由于风电出力的波动性及不确定性，在风电并网时，会对电网造成一定的冲击，影响到系统稳定运行。公开日期为2017年5月的文献《风储联合并网发电系统建模与运行控制》(李军徽等，东北电力大学)针对并网风力发电的随机波动，在风电场配置规模化电池储能系统，采用结构简单且控制性能良好的永磁同步风电机组，构建风储联合并网发电系统模型并实现其运行控制。但是该文献的储能装置为电池，并未提及如何采用超级电容作为风储联合并网系统的储能装置，在风电输出功率发生突变时，利用超级电容对功率突变进行吸收或补偿，使风电并网功率平缓输出，增加风电并网的电磁暂态稳定。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于如何设计一种基于风储联合的电力系统电磁暂态控制方法，以解决风电并网时由于风电出力的波动性及不确定性对电网造成冲击，影响到系统稳定运行的问题。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
6.一种基于风储联合的电力系统电磁暂态控制方法，包括以下步骤：
7.s1、依次检测每个超级电容两端电压，判断相邻超级电容电压的差值之和是否为零，若为零，则进行步骤s2；若不为零，均压控制电路中的开关闭合，并入调节电容对超级电容进行均压控制后，再次判断相邻超级电容电压的差值之和是否为零，直到各个超级电容两端电压相等；
8.s2、检测系统频率并判断系统频率偏差的绝对值|δf|是否大于设定的阈值，如果不大于设定的阈值，则结束；如果大于设定的阈值，此时根据超级电容调频时的充放电功率p
a,t
进行调频，调频后再次检测系统频率，直到系统无扰动为止；
9.所述的超级电容调频时的充放电功率的计算公式为：p
a,t
＝(1 kcδf)p
cn,t
，其中，kc为超级电容的下垂控制系数，p
cn,t
表示超级电容正常工作状态下的充放电功率，δf表示系统频率偏差。
10.本发明的方法先将超级电容两端电压进行平衡，保证了串联的超级电容均工作在同一状态，因此减少了超级电容的损坏风险，并且缩短了超级电容的响应时间，并且使得超级电容对频率调节更加迅速有效；然后再利用超级电容进行暂态控制，在风电输出功率突变时进行吸收或补偿，减少风电并网对电压造成的冲击，提升电网运行的稳定性和经济性。
11.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的均压控制电路包括n个依次串联的超级电容c1、c2……cn
，其中n为正偶数，n/2个开关s1……sn/2
、n/2个调节电容c'1……
c'
n/2
；开关s
n/2
与调节电容c'
n/2
串联后，再并联在串联的超级电容c
n-1
、cn两端。
12.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的相邻超级电容电压的差值的计算公式为：
[0013][0014]
其中，表示超级电容cn与超级电容c
n-1
之间的电压差值；表示超级电容cn两端的电压，表示超级电容c
n-1
两端的电压。
[0015]
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的超级电容cn两端的电压的计算公式为：
[0016][0017]
其中，u
m,t
表示风电厂输出电压；t表示时间；αn,βn,γn表示等效电阻的折算系数；n表示超级电容的序号；n表示超级电容的总数(n∈n)，表示超级电容所连接的支路等效电阻标幺值；表示超级电容电容值标幺值。
[0018]
作为本发明技术方案的进一步改进，并入调节电容对超级电容进行均压控制后，所述的超级电容cn两端电压的计算公式为：
[0019][0020]
其中，表示均压控制增益系数；表示超级电容cn在(t-1)时刻未经均压控制时的两端电压；表示超级电容c
n-1
在(t-1)时刻的两端电压值；ξ表示均压控制的一致性系数；表示均压控制的相邻跟踪系数。
[0021]
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的系统频率偏差δf的计算公式为：
[0022][0023]
其中，f
t
表示t时刻测量所得的电力系统频率；fk表示第k次采样时所得的频率；k表示测量采样次数；k表示测量采样的总次数；f
t-1
表示(t-1)时刻测量所得的电力系统频率。
[0024]
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的超级电容正常工作状态下的充放电功率的计算公式为：
[0025][0026]
其中，表示风电输出电压标幺值；表示超级电容一般状态下充放电功率标幺值；表示超级电容两端电压标幺值。
[0027]
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的超级电容的下垂控制系数的计算公式为：
[0028][0029]
其中，η
c,t
表示超级电容充电效率，η
f,t
表示超级电容放电效率，κ表示超级电容的放电功率因数；ε表示超级电容充电功率因数。
[0030]
作为本发明技术方案的进一步改进，充电过程中，超级电容两端电压从最低电压升高到最高电压所述的超级电容充电效率η
c,t
的计算公式为：
[0031][0032][0033][0034]
其中，w
c,t
表示超级电容储能装置理想情况下充入电能；ε表示超级电容充电功率因数；w
r,t
表示超级电容储能实际充入的电能。
[0035]
作为本发明技术方案的进一步改进，放电过程中，超级电容两端电压从电压降低到最低电压所述的超级电容放电效率η
f,t
的计算公式为：
[0036][0037][0038][0039]
其中，w
f,t
表示超级电容理想情况下放出的电能；κ表示超级电容的放电功率因数；w'
r,t
表示超级电容实际放出的电能。
[0040]
本发明的优点在于：
[0041]
本发明的方法先将超级电容两端电压进行平衡，保证了串联的超级电容均工作在
同一状态，因此减少了超级电容的损坏风险，并且缩短了超级电容的响应时间，并且使得超级电容对频率调节更加迅速有效；然后再利用超级电容进行暂态控制，在风电输出功率突变时进行吸收或补偿，减少风电并网对电压造成的冲击，提升电网运行的稳定性和经济性。
附图说明
[0042]
图1是本发明的基于风储联合的电力系统电磁暂态控制方法流程图；
[0043]
图2是本发明的基于风储联合的电力系统电磁暂态控制方法的均压控制电路图。
具体实施方式
[0044]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0046]
实施例一
[0047]
如图1所示，本发明主要基于超级电容对风电并网的电力系统进行电磁暂态控制，控制过程分为两个步骤：
[0048]
步骤1、对超级电容进行均压控制：多个超级电容串联时，电压不均的问题时常出现，两端的电压相等是超级电容工作在同一状态的必要条件，因此先对超级电容进行均压控制。
[0049]
为满足电力系统功率的需求，在高比例风电接入的系统中，在风电出力的波动较大时，采用多个超级电容串联形式进行电压调节，在串联电路中易出现电容电压不均问题，只有使超级电容两端电压相等，串联在一起的超级电容才能工作在同一状态，因此首先对超级电容进行均压控制。
[0050]
以下建立模型时，部分元素采用标幺值：
[0051][0052]
步骤1.1、建立超级电容电压模型
[0053]
为进行均压控制，建立超级电容电压模型：
[0054][0055]
式中：表示超级电容cn两端的电压；u
m,t
表示风电厂输出电压；t表示时间；αn,βn,γn表示等效电阻的折算系数；n表示超级电容的序号；n表示超级电容的总数(n∈n)。
[0056]
步骤1.2、超级电容均压计算
[0057]
要调节超级电容两端的电压，可以利用均压控制电路，如图2所示，所述的均压控
制电路包括n个依次串联的超级电容c1、c2……cn
，其中n为正偶数，n/2个开关s1……sn/2
、n/2个调节电容c'1……
c'
n/2
；开关s
n/2
与调节电容c'
n/2
串联后，再并联在串联的超级电容c
n-1
、cn两端。
[0058]
根据风电并网输出电压，可以确定均压控制电路两端电压，且每两个相邻的超级电容与一个调节电容并联。
[0059]
为实现超级电容均压控制的目标，需判断相邻超级电容电压的差值：
[0060][0061]
式中：表示超级电容cn与超级电容c
n-1
之间的电压差值；分别表示超级电容cn与超级电容c
n-1
在测量时两端的电压。
[0062]
当相邻超级电容的电压差不为零时，均压控制电路中的开关s动作，调节电容开始发挥作用，均压控制电路对超级电容cn进行均压控制后其两端电压为：
[0063][0064]
式中：表示均压控制增益系数；表示超级电容cn在(t-1)时刻未经均压控制时的两端电压；表示超级电容c
n-1
在(t-1)时刻的两端电压值；ξ表示均压控制的一致性系数；表示均压控制的相邻跟踪系数。
[0065]
每轮均压控制发挥作用前，均压控制增益系数根据控制循环次数进行改变，均压控制电路发挥作用后，再次判断所有相邻超级电容的电压差值，若不为零，则继续进行均压控制增益系数调整，对超级电容进行均压控制，直到使得各超级电容两端电压相等。
[0066]
步骤2、利用超级电容对电网频率进行调节，当风电输出发生突变时，利用超级电容进行调节，设置调频死区，当频率偏差不在死区范围内时，超级电容工作，对系统频率进行调节，直到系统无扰动。
[0067]
经过步骤1后，超级电容两端电压均相等，可工作在同一状态，因此可利用超级电容对电网频率进行调节，调频时将调频死区设定为|δf|≤0.03，此时可近似判定为系统无扰动，若系统频率偏差不满足此条件，则说明风电出力存在突变现象，仍需利用超级电容进行调节。
[0068]
步骤2.1、系统频率计算
[0069]
为对系统频率进行调节，需先对系统频率进行计算：
[0070][0071]
式中：f
t
表示t时刻测量所得的电力系统频率；fk表示第k次采样时所得的频率；k表示测量采样次数；k表示测量采样的总次数；f
t-1
表示(t-1)时刻测量所得的电力系统频率；δf表示系统频率偏差。
[0072]
步骤2.2、建立超级电容充放电模型
[0073]
为利用超级电容进行控制，需建立超级电容充放电功率模型：
[0074][0075]
式中：表示超级电容正常工作状态下的充放电功率。
[0076]
充电过程中，超级电容两端电压从最低电压升高到最高电压可由此过程建立充电效率模型：
[0077][0078]
式中：w
c,t
表示超级电容储能装置理想情况下充入电能；ε表示超级电容充电功率因数；w
r,t
表示超级电容储能实际充入的电能；η
c,t
表示超级电容充电效率。
[0079]
放电过程中，超级电容两端电压从电压降低到最低电压建立超级电容放电效率模型：
[0080][0081]
式中：w
f,t
表示超级电容理想情况下放出的电能；κ表示超级电容的放电功率因数；w'
r,t
表示超级电容实际放出的电能；η
f,t
表示超级电容放电效率。
[0082]
根据式(4)测得的系统频率偏差进行判断，将调频死区设置在|δf|≤0.03，当频率偏差不满足要求时，超级电容开始调频工作，超级电容的调频功率以如下方式计算：
[0083][0084]
式中:p
a,t
表示超级电容进行调频时的充放电功率；kc为超级电容的下垂控制系数。当系统频率偏差的绝对值|δf|》0.03时，超级电容充放电，对系统频率进行调节，在δf处于不同的区间时，下垂系数的计算方法如下：
[0085][0086]
当δf》0.03hz时风电发电功率突然增加，超级电容进行充电，下垂系数取负值；当δf《-0.03hz时，风电发电功率突然减小，超级电容进行放电，下垂系数取正值。
[0087]
超级电容进行调节后再次返回步骤2.1进行系统频率测量，直到系统无扰动。
[0088]
应用实例计算
[0089]
在风速恒定为10m/s的场景下进行实例计算。有一个含30台风电机组的风电场，风电厂的额定输出电压为u
m,t
＝28.8kv；风电机组的额定风速为10m/s，给定风电场输出电压的基准值为um＝10kv；每台超级电容值为cn＝27.5f，超级电容的等效电阻折算系数αn、βn、γn分别为0.5、0.5、1；一致性系数ξ＝0.34；相邻跟踪系数超级电容充电功率因数ε＝50.32；超级电容放电功率因数κ＝-7.05；给定超级电容连接支路等效电阻的基准值为rn＝0.1kω；给定超级电容的基准电容为cn＝1.0f；给定超级电容的基准充放电功率为系统的额定运行频率f＝50hz，且系统在额定频率下运行，给定超级电容两端电压的基准值设置超级电容的数量n＝15,(n∈n)，设系统输出功率在15s时突
然减小了100mw。
[0090]
已知超级电容所连接的电路等效电阻分别为：
[0091]
r1＝272.25kωr9＝88.92kωr2＝260.95kωr
10
＝88.74kωr3＝258.05kωr
11
＝87.02kωr4＝136.14kωr
12
＝84.57kωr5＝135.72kωr
13
＝52.25kωr6＝124.43kωr
14
＝43.08kωr7＝123.70kωr
15
＝42.72kωr8＝123.76kω [0092]
步骤a、进行电压均衡控制
[0093]
在串联电路中易出现电容电压不均问题，只有使超级电容两端电压相等，串联在一起的超级电容才能工作在同一状态，因此首先对超级电容进行均压控制。
[0094]
在第15s时计算超级电容两端电压：
[0095][0096]
得到：
[0097]
[0098][0099]
参考图1中的超级电容均压控制电路，为实现超级电容均压控制的目标，需判断相邻超级电容电压的差值：
[0100][0101]
当时，均压控制电路中的开关s动作，调节电容开始发挥作用，均压控制电路对超级电容cn进行均压控制后其两端电压为：
[0102][0103]
每轮均压控制发挥作用前，均压控制增益系数根据控制循环次数进行改变，均压控制电路发挥作用后，再次判断相邻超级电容的电压差值，若不为零，则继续进行均压控制增益系数调整，直到得到此时各超级电容两端的电压相等
[0104]
步骤b、对电力系统频率进行控制
[0105]
经过步骤a后，超级电容两端电压均相等，可工作在同一状态，因此可利用超级电容对电网频率进行调节，调频时将调频死区设定为|δf|≤0.03，此时可近似判定为系统无扰动，若系统频率偏差不满足此条件，则说明风电出力存在突变现象，仍需利用超级电容进行调节。
[0106]
为对系统频率进行调节，需先对系统频率进行计算，测量系统频率时采样次数为4次，已知四次采样所得的系统频率分别为：f1＝49.19hz f2＝50.25hz f3＝49.45hz f4＝50.91hz计算风电输出突变后电力系统的频率：
[0107][0108]
计算风电输出突变后的系统频率偏差绝对值：
[0109]
|δf|＝|f
t-f
t-1
|＝0.05
[0110]
由于δf《-0.03，系统频率偏差不满足无扰动情况下的条件，因此应利用超级电容进行调频，此时若超级电容工作，则进行放电，可按照超级电容放电模型进行计算：
[0111][0112][0113][0114][0115][0116]
超级电容按照上述放电方式进行调频p
a,t
＝0.46mw，超级电容工作完成后，再次测量系统频率并计算频率偏差绝对值：
[0117]
|δf|＝|f
t-f
t-1
|＝0.02
[0118]
此时可得到系统频率偏差绝对值小于0.03，在调频死区内，因此可判断系统无扰动，运行较为稳定，本控制方法有效。
[0119]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。