提升高比例新能源电力系统频率稳定性的协同控制策略的制作方法

1.本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种提升高比例新能源电力系统频率稳定性的协同控制策略。


背景技术：

2.近年来，新能源发电以清洁、可再生等优势得到了大力发展，新能源电力系统占比日益提高；然而，电力电子换流器型电源与系统频率间缺乏耦合，难以在系统受扰后为其提供功率支撑；随着传统同步电源被换流器型电源逐步替代，电力系统惯量水平日益下降，系统动态过程中频率变化快、易超出规定频率波动范围；因此，高比例新能源电力系统具有低惯量特点，如何保证该系统的频率稳定成为挑战。
3.有许多学者对提升系统频率稳定的换流器控制进行了研究，大体分为两类：下垂控制与虚拟同步控制；这两种控制策略都存在一定的局限性：
4.1、下垂控制仅在系统频率偏移较大时才能提供较强的功率支撑；
5.2、虚拟同步控制继承了同步发电机的机电暂态特性，如何匹配虚拟惯量与虚拟阻尼等控制参数以抑制系统的机电振荡成为难点；
6.3、多个虚拟同步机的接入使得电网动态特性愈加复杂，不利于虚拟同步控制的分析与设计；
7.4、这两类频率控制器的设计都基于暂态频率的变化，无法利用换流器的快速功率调制，导致在扰动初期，频率变化迅速，频率偏移较大，暂态频率稳定性问题无法较好得到解决。


技术实现要素：

8.本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种提升高比例新能源电力系统频率稳定性的协同控制策略，该策略可以估算出系统的不平衡功率，从而快速调节换流器功率，为交流系统提供频率支撑，该策略原理清晰，控制逻辑简单，且无需通讯。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
10.提升高比例新能源电力系统频率稳定性的协同控制策略，包括以下步骤：
11.s1、根据本地测量频率信号获得整个系统惯量中心(center of inertia，coi)频率的分段线性近似，测量pcc点的频率f
pcc
；
12.s2、如果步骤s1得到的f
pcc
与系统额定频率的差值绝对值超过设定的频率事件启动阈值，则判断发生频率事件，执行步骤s3，若小于阈值，则返回步骤s1；
13.s3、计算f
pcc
二阶差值序列，估算系统coi频率变化率；
14.s4、结合上次频率扰动后评估的系统等值惯量估算系统功率缺额；
15.s5、根据新能源装机容量与系统总装机容量的比值安排新能源机组承担系统的功率缺额或盈余，为交流系统提供频率支撑。
16.具体的，步骤s2中，对步骤s1测量得到的f
pcc
进行如下计算：
17.|f
pcc-fn|＞δf
set
18.其中，fn为系统额定频率；δf
set
为频率事件启动阈值。
19.具体的，步骤s3中，系统coi频率变化率可按下式估算：
[0020][0021]
其中，f
coi
为系统coi频率估计值；f
pcc1
和f
pcc2
分别为频率事件后pcc测量频率第1次和第2次二阶导数变号时的值，t1和t2分别为对应时刻。
[0022]
具体的，步骤s4中，系统不平衡功率δp计算公式如下：
[0023][0024]
其中，h
sys
为系统等值惯量。
[0025]
进一步的，系统惯量水平的估算式如下：
[0026][0027]
其中，h
sys
为系统等值惯量；δpg为发电机总出力变化；hg为系统同步惯量。
[0028]
进一步的，系统同步惯量hg和发电机总共的出力变化δpg可按下式计算得到：
[0029][0030]
其中，hi为第i台发电机的惯量常数；δp
gi
为第i台发电机的出力变化。
[0031]
第i台发电机的出力变化如下：
[0032][0033]
其中，δ表示变化量；p
gi
为第i台发电机出力；fi为第i台发电机的频率。
[0034]
具体的，步骤s5中，新能源的出力指令值为：
[0035][0036]
其中，p
inv
和分别为逆变站功率外环控制的指令值与参考值，kr为新能源装机容量与系统装机容量之比。
[0037]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
[0038]
本发明提升高比例新能源电力系统频率稳定性的协同控制策略，仅通过新能源接入逆变站pcc点的频率数据快速估计频率事件中交流系统的不平衡功率，有利于在频率事
故初期迅速估算出不平衡功率并改变换流器出力。
[0039]
进一步的，利用同步惯量和系统功率变化间接估算系统的惯量水平，避免了较为复杂的负荷与新能源惯量评估，计算简单。
[0040]
进一步的，基于本地测量频率估计系统coi频率，无需通讯设备，避免了测量系统惯性中心频率的集中式方法中存在的可靠性和通讯延时的问题，有利于快速计算。
[0041]
综上所述，本发明控制策略具有无通讯估算系统coi频率、计算简单、响应迅速等优点。
附图说明
[0042]
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0043]
图1为本发明控制策略的流程图；
[0044]
图2为本地频率拐点检测流程图；
[0045]
图3为测试的新能源电力系统示意图；
[0046]
图4为图3中6号结点吸收功率突增0.4p.u.时系统的动态过程的仿真图，其中，(a)为仿真结果一，(b)为仿真结果二，(c)为仿真结果三。
[0047]
图5为图3中5号结点消纳功率骤减0.6p.u.时系统的动态过程的仿真图，其中，(a)为仿真结果一，(b)为仿真结果二，(c)为仿真结果三。
具体实施方式
[0048]
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0049]
本发明提出了基于本地测量的系统coi频率估算方法，给出了系统等值惯量的估算方法，将两者结合快速计算出系统动态过程中的不平衡功率，进而利用新能源的快速调节能力为交流系统提供功率支撑。
[0050]
请参阅图1，提升高比例新能源电力系统频率稳定性的协同控制策略，包括以下步骤：
[0051]
s1、估算系统coi频率；
[0052]
由于系统coi频率曲线经过本地测量频率曲线的二次导数零点，因此将本地测量频率曲线二次导数零点依次连接，得到的分段线性曲线可以近似代替系统coi频率曲线；本地频率拐点检测方法请参阅图2。
[0053]
s2、判断步骤s1中估算到的pcc点频率与系统额定频率的差值绝对值是否超过频率事件启动阈值，若|f
pcc-fn|＞δf
set
，则判断发生频率事件，执行步骤s3；若小于阈值，则返回步骤s1。
[0054]
s3、估算系统coi频率变化率；
[0055]
首先计算f
pcc
二阶差值序列，系统coi频率变化率为：
[0056][0057]
其中，f
pcc1
和f
pcc2
分别为频率事件后pcc测量频率第1次和第2次二阶导数变号时的值，t1和t2分别为对应时刻。
[0058]
s4、估算系统功率缺额；
[0059]
第i台发电机的惯量常数为：
[0060][0061]
其中，ji为第i台发电机的转动惯量；si为第i台发电机的额定容量。
[0062]
第i台发电机的出力变化为：
[0063][0064]
其中，δ表示变化量；p
gi
为第i台发电机出力；fi为第i台发电机的频率。
[0065]
系统同步惯量hg和发电机总共的出力变化δpg为：
[0066][0067]
系统coi频率为：
[0068][0069]
当系统中仅含同步惯量时，结合式(3)、式(4)与式(5)得：
[0070][0071]
相似地，在计及系统中异步电机提供的惯量与新能源提供的虚拟惯量时，有：
[0072][0073]
其中，h
sys
为系统等值惯量；δp为系统不平衡功率，由于δp计及了系统内非同步元件的功率变化，有δp》δpg。
[0074]
结合式(6)和式(7)，可得到系统等值惯量的计算公式：
[0075][0076]
值得注意的是，式(8)近似认为系统等值惯量与同步惯量之比等于系统遭受干扰并恢复稳态时系统功率变化与发电机功率变化间的比值；在系统遭受干扰后的初期，整个系统的不平衡功率很难快速获得；而式(8)定义的系统等值惯量可以用于粗略计算系统不平衡功率的大小，这对后续稳定提升控制的设计有重要意义；由于后续控制并不需精确计算出δp，系统惯量亦不必非常精确，故所提的等值惯量估算方法是合理的。
[0077]
由式(7)，系统不平衡功率为：
[0078][0079]
由于系统等值惯量与不平衡功率难以同时获取，采用上次频率扰动后评估的系统等值惯量近似替代当前系统的等值惯量。
[0080]
s5、计算新能源机组的出力指令值：
[0081]
具体为：
[0082][0083]
其中，p
inv
和分别为逆变站功率外环控制的指令值与参考值，kr为新能源装机容量与系统装机容量之比。
[0084]
请参阅图3，图3为测试的新能源电力系统示意图，共有6个节点；交流电网包含三台等值发电机sg1、sg2和sg3，每台发电机用经典二阶模型表示，并配有相应的调速系统，负荷采用恒阻抗模型，并通过rx模型表示的架空线路与发电机连接；光伏发电pv集中升压后经dc-ac互联换流器接入3号结点，为了平抑新能源出力的波动，在直流侧配有具备快速功率调制能力的储能系统，p
dc
为新能源提供的功率；改变换流器控制方式，分别测试本发明在系统负荷突增与突降的情况下，提升系统频率稳定性的能力。
[0085]
请参阅图4，图4为图3中测试系统6号结点吸收功率突增0.4p.u.时系统的动态过程；当负荷突增时，由于发电机发出功率小于系统消纳功率，发电机转子减速以释放旋转动能为交流系统提供功率支撑，系统频率随即下跌。
[0086]
图4(a)为新能源不参与惯量响应与调频过程时系统的频率响应；由图4(a)可见，系统动态过程中，发电机频率曲线围绕系统coi频率曲线波动，发电机频率曲线二阶导数零点相连得到的分段线性曲线即为coi频率估算曲线；可以看出，本发明所提coi频率估算方法所得的计算结果几乎与实际的系统coi曲线重合，很好地验证了所提频率估算方法的准确性。
[0087]
图4(b)和图4(c)为下垂控制和本发明所提控制下系统的动态过程，图4(b)中标记的下垂控制曲线和所提控制曲线分别表示sg1、sg2和sg3的频率分别在下垂控制和本发明所提控制的变化图，由图4(b)可以看出，由于新能源对交流系统的支撑作用，系统频率偏移明显较无附加控制时少；此外，下垂控制在系统频率偏离额定值较大时才能提供较强的功率支撑，其对应的频率最低点仍不理想(频率最低点约为0.9932p.u.)；由图4(c)可以看出，本发明所提控制策略可以在频率跌落初期迅速估算并补偿系统的功率缺额，因而对系统频率下跌有更好的抑制作用(频率最低点约为0.9944p.u.)；因此，本发明所提控制策略可以改善系统受扰后的频率动态过程，提升系统的首摆稳定性。
[0088]
图5为图3中测试系统5号结点消纳功率骤减0.6p.u.时系统的动态过程。
[0089]
图5(a)为新能源不响应交流系统频率变化时的系统动态过程；可以看出，负荷减小后发电机产生功率盈余，使转子加速、系统频率上升，频率最高点约为1.0064p.u.；此外，分段线性估算曲线与真实的系统coi频率曲线十分接近，再次验证了所提coi频率估算方法的准确性。
[0090]
图5(b)和图5(c)分别为负荷突降时系统的频率响应过程与换流器的出力变化，图
5(b)中标记的下垂控制曲线和所提控制曲线分别表示sg1、sg2和sg3的频率分别在下垂控制和本发明所提控制的变化图，由图5(b)可以看出，下垂控制和本发明所提控制作用下，系统频率最高点明显降低，分别为1.0056与1.0041p.u.；由图5(c)可以看出，本发明所提控制比传统下垂控制具有更快的响应速度，可以在频率事故初期为交流系统提供频率支撑；仿真结果再次验证了本发明所提控制策略可以有效抑制系统受扰后的频率偏移。
[0091]
综上所述，本发明所提供的提升高比例新能源电力系统频率稳定性协同控制策略，一方面，根据系统内某一结点频率曲线与系统coi频率曲线的特有关系，提出了基于本地测量的系统coi频率估算方法；另一方面，根据频率事件后系统的同步惯量与功率变化信息，可以评估系统的等值惯量水平；将两者结合可以在系统动态过程中快速计算系统的不平衡功率，进而利用新能源的快速调节能力为交流系统提供功率支撑；该策略无需通讯设备，实施简单，与传统下垂控制相比，所提策略可以在频率变化初期快速响应，对系统的频率下跌或突增有更好的抑制作用。
[0092]
上述实施方式仅示例性说明本发明的原理及其效果，而非用于限制本发明。对于熟悉此技术的人皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改进。因此，凡举所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。