一种光伏并网发电参与系统频率调节方法与流程

1.本发明属于光伏发电系统控制与稳定运行领域，具体地，涉及一种光伏并网发电参与系统频率调节方法。


背景技术：

2.在化石能源日趋枯竭和环境问题日益凸显背景下，清洁无害的新能源发电机技术在全世界范围内得以迅速发展，我国的电力系统正逐渐演变为高比例清洁能源和高比例电力电子装置的“双高”电力系统。然而，光伏等新能源发电具有较强的波动性和随机性，当前并网新能源机组不含转动惯量或转动惯量被隐藏起来，随着电力系统逐渐转型升级为光伏、风电等新能源主导的电网形态，具备惯性响应能力和调频能力的火电机组的占比将逐渐减小，这势必会削弱电网的频率稳定能力，因此，合理安排光伏、风电等新能源机组补充一部分惯量，承担电力系统一次调频任务是未来电力行业发展的必然趋势。
3.为使光伏发电机组具备惯性响应能力和一次调频能力，国内外众多学者聚焦于对新能源并网换流器控制策略的改造。由于光伏机组不含旋转元件，无法通过控制调动与电网解耦而隐藏的“惯量”，只能利用减载运行或配备储能方式下的有功备用提供频率调节能力，然而，减载运行使光伏运行在次优曲线上，损害了光伏发电效率，经济性较差，因而本发明聚焦于光伏配置储能调频的方式。调研近年来大量文献可知，当前光伏系统配置储能元件的种类包括蓄电池储能、超级电容和飞轮储能等，目前蓄电池储能应用较为成熟，并已在实际工程当中得以推广应用，因此本发明考虑采用蓄电池储能提供有功备用的方法。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明提出一种光伏并网发电参与系统频率调节方法，在保证光伏系统最大出力效益同时，提升“双高”电力系统的频率稳定能力。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种光伏并网发电参与系统频率调节方法，包括以下步骤：
7.s1：光伏阵列经直流升压换流器再经并网换流器后并入电网，直流升压换流器配套相应测量计算元件和通讯部分，直流升压换流器检测光伏阵列输出电压和电流，通过mppt算法对电压进行调整，保证光伏最大出力；
8.s2：直流升压换流器配套相应测量计算元件检测光伏阵列输出电压，通过boost升压电路调节占空比，保证光伏阵列输出电压变化时，升压侧电压的稳定；
9.s3：蓄电池储能系统经直流双向换流器并入直流升压母线，再经并网换流器并入电网，直流双向换流器配套相应测量计算元件，检测储能电池soc，若soc不满足条件，即20％《soc《90％，在电网频率稳定时，控制储能电池进行充放电以存储有功备用；
10.s4：直流双向换流器配套相应测量计算元件和通讯部分，检测电网频率f
pr
，当电网频率升高或降低时，启动通讯检测储能电池soc，若soc满足条件(soc＜20％或soc＞90％)，控制储能电池进行充放电以对电网频率进行调节；
11.s5：检测元件分别检测电网频率偏差或储能电池soc，当频率偏差消除或soc不满足条件(20％《soc《90％)，启动控制元件，控制储能电池退出运行。
12.进一步地，所述s1步骤中，通过mppt算法对电压调整方法如下：根据光伏阵列的p-v曲线特性，调节光伏阵列输出电压时，光伏系统的输出功率相应做出改变，控制部分算法采用电导增量法，即当其传输的有功与直流电压的导数为0时，光伏输出功率最大，其原理为：
[0013][0014]
由式(1)可得：
[0015][0016]
对式(2)进行变换可得：
[0017][0018]
如果式(3)条件不满足，则直流升压换流器中的pi调节器中会对产生的差值累积并输出误差信号，改变光伏阵列的输出电压，直到误差消除，当式(3)条件达成后，光伏阵列输出最大功率；当传输的有功与直流电压的导数为0时，光伏输出功率最大。
[0019]
进一步地，所述s2步骤中，boost升压电路调节原理为：
[0020]
根据boost升压电路，其输出电压v
out
与光伏阵列直流母线输出电压v
in
关系式为：
[0021][0022]
式中，d为占空比；
[0023]
boost升压电路中电感电容元件参数选取需要满足以下关系式：
[0024][0025][0026]
式中，c1为电容元件参数，f为直流升压换流器的频率，l为电感元件参数，δi为纹波电流值，δv
out
为纹波电压值，r
load
为负载电阻，其大小等于v
out
/i
out
。
[0027]
进一步地，所述s3步骤中当光伏母线电压在mppt算法控制下变化时，通过调节占空比稳定升压侧电路的电压，以保证储能电池所连接的直流双向换流器工作环境的电压稳定，储能电池soc的计算方法为：
[0028][0029]
式中，soci(t)为各储能电池的当前荷电率，soc
i_ini
为各自储能电池的初始荷电率，i
i-bat
(t)为储能电池放电电流大小，q
i-bat
为储能电池容量大小；
[0030]
当直流双向换流器源侧配置为多块储能电池时，根据各储能电池间输出功率的比
例关系得到其输出功率为：
[0031][0032]
式中，pd为系统中光伏发电量与负荷间的总功率差额，n为储能电池块数，m
pi
为系统中不同储能电池对应自身soc的功率系数；
[0033]
忽略换流器自身损耗，其两侧的输出功率相等，联合式(7)、(8)，可得：
[0034][0035]
实现多储能电池间soc状态的估计，通过soc计算值控制储能电池进行充放电以对电网频率进行调节。所述储能电池soc的设置条件(20％《soc《90％)选取因素，既考虑储能电池在过低和过高电量时多次充放电会大大减小运行寿命，又考虑到储能电池在电网任意时刻发生高频或低频故障时都能具备一定的频率调节能力。
[0036]
进一步地，所述s4步骤中通过储能电池参与电力系统频率调节的控制算法检测电网频率，包括虚拟惯量控制与有功-频率下垂控制两部分，分别用于模拟同步发电机惯性响应与一次调频控制的功率输出曲线：
[0037]
虚拟惯量控制的表达式为：
[0038][0039]
式中，h
bess
为设置的虚拟惯量常数，df/dt为检测到的电网频率变化率；
[0040]
有功-频率下垂控制的表达式为：
[0041]
δp
bess-t
＝p
0-k(f
pr-f
ref
)pnꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0042]
式中，p0为下垂系数，f
pr
为检测到的电网频率，f
ref
为设置频率参考值(一般为工频50hz)，pn为储能电池输出的额定功率；
[0043]
在虚拟惯量控制与有功-频率下垂控制配合下，储能电池模拟同步发电机功率响应曲线实现对电网频率的稳定调节。
[0044]
进一步地，所述s5步骤中电网频率偏差消除后需调频元件立即停止动作，需要具备时效性的电网频率检测和通讯通道发出停止指令，控制储能电池立即退出运行；当储能电池soc不满足条件时，控制元件也要迅速动作控制储能电池立即退出运行。
[0045]
本发明中，光伏阵列与储能电池控制相应的通讯部分，其mppt 跟踪与快频响应控制算法具有时效性，被控单元与控制单元建立以太网网络，采用goose、ethercat等支持快速通讯协议，使被控单元具备迅速接受信号并根据自身状态快速完成目标输出功率和soc调节的能力。参与系统频率调节的储能电池，其储能电池容量和充放电性能是影响光伏系统频率调节能力关键因素，因而其需要具备更高的能量密度、更高的终端电压和更高的功率密度的特性，本发明推荐采用锂电池储能，其寿命较长，记住成熟，适合于工程应用。
[0046]
与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：充分利用储能电池具备的充放电特性，保证光伏单元的最大出力，并具备电网频率调节能力，从而提升新能源电网的抗干扰能力和频率支撑能力。
附图说明
[0047]
图1为本发明所述含光伏并网的三机九节点系统实例图；
[0048]
图2为本发明所述光伏发电并网系统整体结构图；
[0049]
图3为本发明所述光伏阵列mppt算法逻辑流程图；
[0050]
图4为本发明所述环境条件变化下光伏输出功率控制实例图
[0051]
图5为本发明所述直流升压换流器boost电路结构图；
[0052]
图6为本发明所述储能电池虚拟惯量控制结构图；
[0053]
图7为本发明所述储能电池功率-频率下垂控制结构图；
[0054]
图8为本发明所述储能电池频率调节算法逻辑流程图。
[0055]
图9为本发明所述电网频率变化下储能充放电控制实例图。
具体实施方式
[0056]
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0057]
实施例1
[0058]
本实施例提供一种利用储能电池实现光伏并网发电参与系统频率调节的新方法包括以下步骤：
[0059]
s1：直流升压换流器检测光伏阵列输出电压和电流，通过相应mppt算法对电压进行调整，保证光伏最大出力。
[0060]
根据光伏阵列的p-v曲线特性，当调节光伏阵列输出电压时，光伏系统的输出功率会相应做出改变，控制部分算法采用电导增量法，其原理为：当光伏输出功率最大时，其传输的有功与直流电压的导数为0，即：
[0061][0062]
则由式(1)可得：
[0063][0064]
则对式(2)进行变换可得：
[0065][0066]
如果式(3)条件不满足，则直流升压换流器中的pi调节器中会对产生的差值累积并输出误差信号，改变光伏阵列的输出电压，直到误差消除，当式(3)条件达成后，光伏阵列输出最大功率。
[0067]
s2:直流升压换流器检测光伏阵列输出电压，通过boost升压电路调节占空比，保证光伏阵列输出电压变化时，升压侧电压的稳定。
[0068]
根据boost升压电路，其输出电压v
out
与光伏阵列直流母线输出电压v
in
关系式为：
[0069][0070]
式中，d为占空比。
[0071]
boost升压电路中电感电容元件参数选取需要满足以下关系式：
[0072][0073][0074]
式中，c1为电容元件参数，f为直流升压换流器的频率，l为电感元件参数，δi为纹波电流值，δv
out
为纹波电压值，r
load
为负载电阻，其大小等于v
out
/i
out
。
[0075]
s3：检测储能电池soc，若soc不满足条件(20％《soc《90％)，在电网频率稳定时，控制储能电池进行充放电以存储适当有功备用。
[0076]
当直流双向换流器源侧配置为多块储能电池时，根据各储能电池间输出功率的比例关系得到其输出功率为：
[0077][0078]
式中，pd为系统中光伏发电量与负荷间的总功率差额，n为储能电池块数，m
pi
为系统中不同储能电池对应自身soc的功率系数。
[0079]
储能电池soc的计算方法为：
[0080][0081]
式中，soci(t)为各储能电池的当前荷电率，soc
i_ini
为各自储能电池的初始荷电率，i
i-bat
(t)为储能电池放电电流大小，q
i-bat
为储能电池容量大小。
[0082]
忽略换流器自身损耗，其两侧的输出功率相等，联合式(7)、(8)，可得:
[0083][0084]
据此，可以实现多储能电池间soc状态的估计，并且在不同储能电池soc下参与电力系统调频时，能对应分配各储能电池的出力速度。
[0085]
s4：检测电网频率f
pr
，当电网频率升高或降低时，启动通讯检测储能电池soc，若soc满足条件，控制储能电池进行充放电以对电网频率进行调节。
[0086]
储能电池参与电力系统频率调节包括虚拟惯量控制与有功-频率下垂控制两部分，分别用于模拟同步发电机惯性响应与一次调频控制的功率输出曲线：
[0087]
虚拟惯量控制的表达式为：
[0088][0089]
式中，h
bess
为设置的虚拟惯量常数，df/dt为检测到的电网频率变化率。
[0090]
有功-频率下垂控制的表达式为：
[0091]
δp
bess-t
＝p
0-k(f
pr-f
ref
)pnꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0092]
式中，p0为下垂系数，f
pr
为检测到的电网频率，f
ref
为设置频率参考值(一般为工频50hz)，pn为储能电池输出的额定功率。
[0093]
在虚拟惯量与下垂控制配合下，储能电池能模拟同步发电机功率响应曲线实现对电网频率的稳定调节。
[0094]
s5：储能电池在充放电参与调频过程中，检测元件分别检测电网频率偏差或储能电池soc，当频率偏差消除或储能电池soc不满足条件，启动控制元件，控制储能电池退出运行。
[0095]
实施例2
[0096]
如图1所示，该三机九节点系统包含两台火电机组和一台水电机组，出力均为150mw，惯性时间常数均设置为5s，在bus5接入有配置有容量为20mw
·
h储能电池的光伏系统，其传输功率大小可达 10mw。
[0097]
如图2所示为本方法所提光伏发电并网系统整体结构图，该系统整体由光伏阵列、直流升压换流器、蓄电池储能系统与相应的直流双向换流器、并网换流器以及相应的测量计算元件和通讯部分组成。
[0098]
光伏系统感所处的环境温度和光照强度会不断发生变化，升压变压器检测到光伏直流母线电压变化后启动mppt控制算法，采用电导增量法实现，其控制流程如附图3所示，具体包括以下步骤：1.检测当前的光伏输出电压vk和ik，并与上一步长检测的v
k-1
和i
k-1
进行做差比较；2.若差值δv为0，检测δi，若δi为0，表明运行在最大功率点，若δi大于或小于0，则相应减小或增大光伏输出电压；3.若差值δv不为0，检测是否满足1 (di/dv)*v＝0，则表明运行在最大功率点，1 (di/dv)大于或小于0，则相应的减小或增大光伏输出电压。本实例中mppt算法控制效果如图4所示，光伏系统能一直跟随光照强度和温度变化，保持在最大有功输出状态。
[0099]
在mppt算法控制光伏母线电压变化过程中，升压变压器需要稳定升压母线侧电压，为储能电池充放电运行条件提供稳定电压良好工作环境，为此需要配置如附图5所示的boost升压电路，在输入侧电压变化情况下，通过控制元件改变占空比调节升压母线电压不变。
[0100]
储能电池参与电力系统调频控制，接受直流双向换流器控制信号，其调频控制策略包括虚拟惯量控制和频率-有功下垂控制，控制框图分别如附图6、附图7所示，在虚拟惯量与下垂控制配合下，储能电池能模拟同步发电机功率响应曲线实现对电网频率的稳定调节。
[0101]
本实例中，该三机九节点系统在频率稳定初始条件下，检测元件启动检测储能电
池soc，若储能电池soc小于20％或大于90％，启动控制元件控制储能电池向电网充放电，直到满足条件。
[0102]
在60s时，bus6突然切入/切除40mw负荷致使电网频率突变，此时检测元件检测到电网频率发生变化，光伏系统的频率调节控制动作，其动作流程算法如附图8所示，具体包括以下步骤：1.检测电网频率与工频之间是否存在差值，通常设置门槛变化频率，当差值绝对值大于该门槛时，检测储能电池soc；2.若当前电网频率小于工频，且储能电池soc大于等于20％，则控制储能电池放电，直到储能电池soc小于20％或电网频率回至工频停止，若初始soc小于20％，则需要对其进行充电；3.若当前电网频率大于工频，且储能电池soc 小于90％，则控制储能电池充电，直到储能电池soc大于90％或电网频率回至工频停止。
[0103]
本实例中频率调节算法控制效果如附图9所示，当电网频率出现偏差时，检测到储能电池soc满足条件后，控制元件控制储能充放电为电网提供频率支持，随后系统中火电和水电机组一次和二次调频控制动作，电网频率恢复正常，检测到电网频率偏差消除后，控制元件动作，储能电池退出运行。
[0104]
本发明针对新能源电网稳定性问题，充分利用储能电池具备的充放电特性，保证光伏系统最大出力的经济性同时，具备电网频率调节能力，从而提升新能源电网的抗干扰能力和频率支撑能力。
[0105]
应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。