大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法及系统
阅读说明：本技术 大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法及系统 (Frequency regulation cooperative control method and system for large-scale distributed photovoltaic power station ) 是由 姚伟 王钦 方家琨 艾小猛 文劲宇 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法及系统,属于新能源并网发电技术领域。本发明通过将交流系统频率信号的变化信息转化为并网逆变器直流母线电压的变化信息,从而对单个光伏组件部署分散式的无通讯调频控制。该控制方法分为两个层面,在并网逆变器侧将交流系统频率偏差引入直流母线电压控制环,调整直流母线电容储存的能量实现虚拟惯量控制；在光伏发电侧部署基于直流优化器的分散式f-P下垂控制,从而根据因频率变化而产生的直流优化器输出电压的变化调整各光伏发电单元的有功出力。本发明可以使大规模分布式光伏电站自主响应并网交流系统频率变化,有效地改善系统频率变化率、动态频率最低点以及稳态频率偏差等频率指标。(The invention discloses a frequency regulation cooperative control method and system for a large-scale distributed photovoltaic power station, and belongs to the technical field of new energy grid-connected power generation. According to the invention, the distributed non-communication frequency modulation control is deployed on a single photovoltaic module by converting the change information of the frequency signal of the alternating current system into the change information of the direct current bus voltage of the grid-connected inverter. The control method is divided into two layers, the frequency deviation of an alternating current system is introduced into a direct current bus voltage control loop at the side of a grid-connected inverter, and the energy stored by a direct current bus capacitor is adjusted to realize virtual inertia control; and distributed f-P droop control based on a direct current optimizer is deployed on the side of the photovoltaic power generation, so that the active output of each photovoltaic power generation unit is adjusted according to the change of the output voltage of the direct current optimizer caused by the frequency change. The invention can enable the large-scale distributed photovoltaic power station to autonomously respond to the frequency change of the grid-connected alternating current system, and effectively improve the frequency indexes such as the frequency change rate of the system, the lowest point of dynamic frequency, steady-state frequency deviation and the like.)
技术领域
本发明属于新能源并网发电技术领域，更具体地，涉及大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着电力系统中光伏发电比例的不断升高，基于直流优化器(DCoptimizer,DCO)的分散式最大功率点跟踪技术受到广泛关注，该技术可以有效地减少大规模光伏阵列在局部阴影遮挡情况下的能量损失，提高光伏系统发电效率。面对新能源发电逐渐占据主导的电力系统发展趋势，基于DCO的大规模分布式光伏电站将有望成为未来大规模光伏并网发电的主要手段。然而，将大规模的光伏发电容量并入电力系统将导致系统惯量大幅度下降，加之光伏出力的波动性，仅依靠同步发电机的频率调节方式难以应对电力系统低频/过频率事件，加剧动态频率响应的恶化，造成同步机脱网甚至电网解列等严重故障。因此，未来以新能源为主导的新型电力系统要求光伏电站在频率发生波动时能够提供主动地频率支撑，以增强电力系统的频率调节能力。
目前有关大规模光伏场站参与电力系统频率调节的控制方法多适用于集中式并网的单级或双级光伏电站，此类集中式光伏电站采用全局最大功率点跟踪技术，在多发的局部阴影遮挡情况下发电效率较低，使得用于频率调节的备用光伏容量减少，调频能力受限。因此，针对基于DCO的大规模分布式光伏电站提出相应的分散式调频控制方法及系统将有效地提高大规模光伏电站并网的频率调节能力。
发明内容
针对现有大规模集中式光伏电站发电效率低、调频能力受限的问题，本发明提供了一种大规模分布式光伏电站的无通讯频率调节控制方法及系统，其目的在于通过部署光伏组件级别的直流优化器及其分散式调频下垂控制，并结合并网逆变器直流母线电容的虚拟惯量控制，实现光伏阵列各发电单元无通讯地主动提供频率支撑，提高大规模光伏电站调频能力，同时减少控制部署成本。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法，所针对的大规模分布式光伏电站包含大量的光伏组件和直流优化器，将一定数量的光伏组件串联后得到光伏串，再将一定数量的光伏串并联后形成光伏阵列，各光伏组件均连接一个直流优化器，从而实现光伏发电单元的分散式控制，整个“光伏-直流优化器”阵列经直流传输线、直流母线接入并网逆变器，最终将功率注入交流电网。在所述光伏电站正常运行阶段，光伏阵列中各光伏组件由其连接的直流优化器控制在减载模式，留有一定备用功率。
该控制方法包括以下步骤：
S1.在所述光伏电站发生低频率或过频率事件前，拟定“系统频率-光伏总功率”f-P线性下垂曲线，通过等量代换转化为“直流优化器输出电压-光伏组件工作电压”非线性插值曲线，生成查表数据；
S2.在所述光伏电站发生低频率或过频率事件后，基于直流母线电容的虚拟惯量控制，即将交直流公共耦合点频率偏差信息引入并网逆变器的直流母线电压控制环，得到动态电压参考值，通过并网逆变器的直流母线电压外环控制使得直流母线电压的实际值跟随动态电压参考值；
S3.在直流母线电压跟随其电压参考值发生变化后，光伏阵列中各直流优化器根据其输出电压的变化，通过S1的查表数据确定各光伏组件工作电压所应调整的变化量，并由直流优化器的定电压控制调整光伏组件工作电压值，从而改变各光伏组件的有功出力，用于为交流系统提供一次频率支撑。
优选地，步骤S1包括以下子步骤：
S11.在所述光伏电站发生低频率或过频率事件前，根据频率偏差阈值及光伏电站的减载备用率，得到“系统频率-光伏总功率”f-P线性下垂曲线；
S12.根据直流母线电压允许的波动范围与频率偏差阈值的对应关系，将步骤S11中的f-P线性下垂曲线转换为“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线；
S13.在“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线上选取一定数量的电压/功率工作点作为采样数据，根据各串联直流优化器输出电压与直流母线电压的数量关系，以及光伏电站输出总功率与各光伏组件工作电压的数量关系，求解采样工作点对应的各直流优化器输出电压和光伏组件工作电压；
S14.根据S13计算得到的各采样工作点的离散数据，通过线性插值将步骤S13中的“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线转化为“直流优化器输出电压-光伏组件工作电压”非线性插值曲线，生成查表数据用于部署下垂控制。
优选地，步骤S11中，“系统频率-光伏总功率”f-P线性下垂曲线的计算公式如下：
其中，FDmax为频率偏差阈值，Rpv为光伏电站的减载备用率，f为系统频率值，f0为交流系统额定频率，Ppvall为光伏电站的总输出功率，和分别为光伏电站总的初始减载功率以及其功率上限值。
优选地，步骤S12中，“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线的计算公式如下：
其中，UDC为直流母线电压值，UDCref为直流母线电压的初始参考值，Ru为直流母线电压允许的波动范围。
优选地，步骤S13中，各直流优化器输出电压与直流母线电压的数量关系如下：
其中，为第k个采样工作点对应的直流母线电压，为第k个采样工作点对应的单个直流优化器输出电压，为该直流优化器输出电压的初始值，i和j代表该光伏发电单元所处阵列中的位置，分别为并联的光伏串编号及串联的光伏组件编号。
光伏电站输出总功率与各光伏组件工作电压的数量关系如下：
其中，为第k个采样工作点对应的整个光伏电站输出总功率，为第k个采样工作点对应的单个光伏组件工作电压，为该光伏组件工作电压的初始减载值，Isci,j和Uoci,j分别为光伏组件的短路电流和开路电压，C1和C2为光伏组件系数。
优选地，步骤S2中，直流母线电压动态参考值的计算公式如下：
其中，f为系统频率值，f0为交流系统额定频率，UDCref为直流母线电压的初始参考值，Ru为直流母线电压允许的波动范围，FDmax为频率偏差阈值。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制系统，该系统包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行本发明第一方面所述的大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过协同并网逆变器的虚拟惯量控制及光伏发电单元的分散式f-P下垂控制，一方面，使得直流母线电容储存的能量能够根据交流系统频率的变化作出适当的调整，系统整体惯量增强，发生低频率/过频率事件后系统的频率变化率和动态频率最低点两项指标得以改善；另一方面，通过在光伏组件所连接的直流优化器控制系统中存入查表数据，使得大规模光伏阵列中各光伏组件能够根据系统频率的变化线性地调整输出功率，实现基于直流优化器的分散式下垂控制，发生低频率/过频率事件后系统的动态频率最低点和稳态频率偏差两项指标得以改善；
(2)本发明提供的频率调节协同控制方法将交流系统的频率偏差信息转换为直流母线电压的变化，进一步影响光伏阵列中各串并联直流优化器的输出电压，使得各光伏发电单元无需任何通讯设备对并网交流系统提供主动地频率支撑，从而降低了该控制方法的部署成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光伏组件减载模式运行示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于直流优化器的分散式f-P下垂控制所涉及的下垂曲线转换关系图；
图3为本发明实施例提供的一种基于直流优化器的分散式f-P下垂控制所涉及的查表数据生成图；
图4为本发明实施例提供的一种大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法及系统所对应的控制原理图；
图5为本发明实施例提供的用于仿真测试的基于直流优化器的大规模分布式光伏电站拓扑结构图；
图6为本发明实施例提供的用于仿真测试的接入大规模分布式光伏电站的两区域交流系统拓扑结构图；
图7为本发明实施例提供的交流系统发生低频率事件后测量的仿真结果图，(a)为系统频率，(b)为频率变化率，(c)为光伏电站输出功率；
图8为本发明实施例提供的交流系统发生过频率事件后测量的仿真结果图，(a)为系统频率，(b)为频率变化率，(c)为光伏电站输出功率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法，在所述光伏电站正常运行阶段，光伏阵列中各发电单元由其连接的直流优化器控制在减载模式，留有一定备用功率。
该方法包括以下步骤：
为了满足光伏场站提供主动频率支撑的需求，光伏阵列中各光伏组件均工作在最大功率点之下，留有一定的备用功率，即减载运行模式，由光伏外特性曲线可知同一减载功率对应的光伏组件工作电压值有两个，如图1所示，本发明实施例中定义最大功率点右半平面作为光伏组件的工作区域，故选取电压较大者作为直流优化器的有功功率备用控制(Active power reservecontrol,APRC)的电压参考值，阵列中各光伏组件的功率备用率选为相同值。
步骤S1.在所述光伏电站发生低频率或过频率事件前，拟定“系统频率-光伏总功率”f-P线性下垂曲线，通过等量代换转化为“直流优化器输出电压-光伏组件工作电压”非线性插值曲线，生成查表数据。
为了使各光伏组件能够按照“系统频率-光伏总功率”线性下垂曲线的特性进行输出功率调整，需要将系统频率信号的变化转换为各光伏组件连接的直流优化器的自身测量信号的变化，从而分散式地调整各光伏组件工作点电压，考虑到光伏组件输出功率和工作电压的非线性数学关系，采用查表法根据系统频率变化快速定位各光伏组件对应的工作电压值。
S11.在所述光伏电站发生低频率或过频率事件前，根据频率偏差阈值及光伏电站的减载备用率，得到“系统频率-光伏总功率”f-P线性下垂曲线。
“系统频率-光伏总功率”f-P线性下垂曲线的计算公式如下：
其中，FDmax为频率偏差阈值，Rpv为光伏电站的减载备用率，f为系统频率值，f0为交流系统额定频率，Ppvall为光伏电站的总输出功率，和分别为光伏电站总的初始减载功率以及其功率上限值。
本发明通过步骤S11，规定了光伏系统根据交流系统频率的变化线性地调整总功率输出，以应对不同程度的频率跌落或上升情况。
S12.在获取“系统频率-光伏总功率”下垂曲线后，根据直流母线电压允许的波动范围与频率偏差阈值的对应关系，将步骤S11中的f-P线性下垂曲线转换为“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线，如图2所示。
“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线的计算公式如下：
其中，UDC为直流母线电压值，UDCref为直流母线电压的初始参考值，Ru为直流母线电压允许的波动范围。
本发明通过步骤S12，定义了系统频率偏差对应的直流母线电压的波动范围，且与光伏系统总输出功率一一对应，满足线性下垂关系。
S13.在“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线上选取一定数量的电压/功率工作点作为采样数据，根据各串联直流优化器输出电压与直流母线电压的数量关系，以及光伏电站输出总功率与各光伏组件工作电压的数量关系，求解采样工作点对应的各直流优化器输出电压和光伏组件工作电压。
各直流优化器输出电压与直流母线电压的数量关系如下：
其中，为第k个采样工作点对应的直流母线电压，为第k个采样工作点对应的单个直流优化器输出电压，为该直流优化器输出电压的初始值，i和j代表该光伏发电单元所处阵列中的位置，分别为并联的光伏串编号及串联的光伏组件编号；
光伏电站输出总功率与各光伏组件工作电压的数量关系如下：
其中，为第k个采样工作点对应的整个光伏电站输出总功率，为第k个采样工作点对应的单个光伏组件工作电压，为该光伏组件工作电压的初始减载值，Isci,j和Uoci,j分别为光伏组件的短路电流和开路电压，C1和C2为光伏组件系数。
S14.根据S13计算得到的各采样工作点的离散数据，通过线性插值将步骤S13中的“直流母线电压-光伏总功率”线性下垂曲线转化为“直流优化器输出电压-光伏组件工作电压”非线性插值曲线如图3所示，从而生成查表数据用于部署下垂控制。
本发明通过步骤S13～S14，将系统层面的直流母线电压/功率关系曲线转换为光伏组件级别的直流优化器输入/输出电压关系曲线，使得光伏阵列中各组件能够根据系统频率变化独立分散地调整各自的功率输出，达到分散式的频率控制效果。
步骤S2.在所述光伏电站发生低频率或过频率事件后，基于直流母线电容的虚拟惯量控制，即将交直流公共耦合点频率偏差信息引入并网逆变器的直流母线电压控制环，得到动态电压参考值，通过并网逆变器的直流母线电压外环控制使得直流母线电压的实际值跟随动态电压参考值；
直流母线电压动态参考值的计算公式如下：
其中，f为系统频率值，f0为交流系统额定频率，UDCref为直流母线电压的初始参考值，Ru为直流母线电压允许的波动范围，FDmax为频率偏差阈值。
由于直流母线电容储能的能量与直流母线电压的平方成正比，推导得出电容功率与直流母线电压的导数成正比，因此依据系统频率偏差计算动态电压参考值，等效于依据系统频率的变化率确定电容功率的大小，从而决定母线电容释放或吸收能量，为系统增加虚拟惯量，同时系统频率偏差信息转换为直流母线电压信息，实现无通讯的调频控制。
S43.在直流母线电压跟随其电压参考值发生变化后，光伏阵列中各直流优化器根据其输出电压的变化，通过S1的查表数据确定各光伏组件工作电压所应调整的变化量，并由直流优化器的定电压控制调整光伏组件工作电压值，从而改变各光伏组件的有功出力，用于为交流系统提供一次频率支撑。
在步骤S1～S3中，所针对的大规模分布式光伏电站包含大量的光伏组件和直流优化器，将一定数量的光伏组件串联后得到光伏串，再将一定数量的光伏串并联后形成光伏阵列，各光伏组件均连接一个直流优化器，从而实现光伏发电单元的分散式调频控制，整个“光伏-直流优化器”阵列经直流传输线、直流母线接入并网逆变器，最终将功率注入交流电网。
本发明还提出了一种大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制系统，该系统包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的大规模分布式光伏电站的频率调节协同控制方法。
具体地，分为：
并网逆变器控制系统，其功能包括2个方面：1)将光伏系统的直流功率转换为交流功率注入电网；2)根据系统频率的偏差信息，动态调整直流母线电压参考值从而改变直流母线电容储存的能量，实现直流母线电容的虚拟惯量控制，用以增强系统惯量，同时也可实现频率偏差信息转换为直流母线电压的变化，实现无通讯调频控制。该控制系统以基于电网电压的定向矢量控制原理实现P/Q解耦控制，分为外环电压控制和内环电流控制，其中，将交流系统侧频率偏差信息叠加到外环直流电压控制的参考值处，以实现基于母线电容的虚拟惯量控制；
锁相环控制系统，用于跟踪交直流耦合点的电压相角，实现交流耦合点电压和电流值由abc坐标系到dq坐标系的等量转换，保证并网逆变器的P/Q解耦控制的正常运行；
直流优化器控制系统，用于实现低频率或过频率事件前光伏系统的减载运行模式，储备上/下备用功率，同时部署基于查表法的f-P分散式下垂控制，根据交流系统频率变化动态地调整各光伏组件的输出功率，从而为交流系统提供频率支撑。
所提控制系统的工作原理如图4所示，其中所涉及的各主要变量的含义列于下表1中。
表1
该系统的具体控制过程如下：
①在正常运行阶段，各光伏组件测量所处环境下的温度和光照强度，由光伏组件功率-电压外特性方程和功率备用系数求解减载模式下的工作电压值，并通过直流优化器的有功功率备用控制运行在减载模式，此时f-P下垂控制不动作，其输出的光伏组件工作电压参考值修正量ΔUpv为0；
②在低频率或过频率事件发生后，并网逆变器外环直流电压控制响应交流系统频率变化，引入系统频率偏差信息修改直流母线电压参考值，实现直流母线电容的虚拟惯量控制；
③当直流母线电压跟踪其参考值发生变化后，各串联直流优化器输出电压值也同步变化，作为各直流优化器f-P下垂控制的输入信息，通过查表法获取各光伏组件工作电压参考值的变化量ΔUpv，叠加到直流优化器电压参考值处，动态调整各光伏组件功率输出，用以为交流系统提供频率支撑。
图4中涉及到的“PWM调制器”、“PI控制器”、“光伏组件功率-电压外特性方程”均为公知技术，其技术细节不赘述。
本发明实施例中的基于直流优化器的大规模分布式光伏电站拓扑结构如图5所示。其中，光伏阵列由M个并联的光伏串组成，每个光伏串包含N个串联的光伏组件，阵列中各光伏组件输出端口均连接一个直流优化器，整个光伏-直流优化器阵列通过直流传输线及直流母线接入并网逆变器，经滤波后连接交直流公共耦合点，最终将光伏功率注入交流电网。
本发明实施例中的仿真测试系统如图6所示。其中，四机两区域交流系统用于仿真测试本发明所设计的大规模分布式光伏电站的无通讯频率调节协同控制方法及系统的有效性，整个系统包含4个同步发电机，5个变压器，11个母线节点，一回交流输电线路，且于母线5处接入图5所示的大规模分布式光伏电站，母线7和母线9处接入负荷。4台同步发电机额定功率分别为263MW、422MW、424MW、431MW，光伏电站的初始减载运行功率为105MW，减载备用系数为0.4，母线7和母线9接入的有功负荷分别为900MW、800MW，无功负荷均为100MVar。光伏阵列中光伏串的并联数M设置为20，光伏组件串联数N设置为20，各光伏组件的温度参数均设置为30℃。为了模拟实际光伏电站运行多发的局部阴影情况，将各光伏串中的20个串联光伏组件每4个取为1组，各组的光照强度分别设置为1000W/m2，900W/m2，800W/m2，700W/m2，600W/m2。
t＝2.0s时刻，母线7处设置150MW的负荷突增扰动，系统低频率事件触发，测量公共耦合点处的系统频率偏差信息并传输到并网逆变器控制系统，进行本发明所述的频率调节控制，同时以不采用频率调节控制为对照组，测得系统频率、频率变化率、光伏电站输出总功率的仿真曲线如图7所示。由图7可见，在负荷突增后，系统频率随即跌落，当不采用本发明提供的频率调节控制方法时，频率下降速度明显比采用相应的频率调节控制时更快，频率变化率更大，动态频率最低点更低。部署本发明提供的频率调节控制后，动态频率最低点由49.64Hz提高到49.72Hz，且稳态频率偏差由0.16Hz减小到0.13Hz，同时光伏电站输出功率在调频过程中根据频率偏差大小进行了相应程度地增大调整，验证了本发明提供的频率调节协同控制方法在系统发生低频率事件时的有效性。
t＝2.0s时刻，母线7处设置150MW的负荷突减扰动，同样以不采用频率调节控制为对照组，测得系统频率、频率变化率、光伏电站输出总功率的仿真曲线如图8所示。由图8可见，在负荷突减后，系统频率升高，采用本发明提供的频率调节控制方法可以明显减小系统频率变化率，且峰值频率由50.37Hz下降到50.29Hz，光伏电站输出功率由104MW下降至85MW，使得系统稳态频率偏差有所下降，验证了本发明提供的频率调节协同控制方法在系统发生过频率事件时的有效性。
本发明的控制方法适用于基于直流优化器的大规模分布式光伏电站参与交流系统的频率调节，但本发明的控制方法应用不限于此，例如同样适用于两级集中并网式的大规模光伏电站。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。