考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测_茆超.pdf

第4 1卷 第1期2 0 2 3年1月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1N o.1J a n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 0 5 3 1作者简介:茆 超(1 9 7 8-),男,江苏南京人,硕士,高级工程师,研究方向为电力系统安全生产;张冲标(1 9 7 9-),男,福建长汀人,硕士,高级工程师,研究方向为新能源并网运行与控制;毕江林(1 9 7 5-),男,河南信阳人,学士,工程师,研究方向为配网自动化;陈金威(1 9 8 5-),男,江苏吴江人,学士,工程师,研究方向为配网自动化。考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测茆 超,张冲标,毕江林,陈金威(国网浙江省电力有限公司嘉善县供电公司,浙江 嘉兴3 1 4 1 9 9)摘 要:以光伏为代表的新能源高渗透率并网带来一系列电力系统频率安全稳定问题,因此,需要对光伏参与调频下的电力系统频率态势进行预测分析。该方法在传统电力系统频率响应模型的基础上,考虑光伏附加频率控制策略,量化分析多资源参与调频下的电力系统频率态势及其与调频控制单元关键控制参数的量化关系。结果表明,光伏参与电力系统调频可提高系统频率稳定性,且基于模型分析法的电力系统频率态势预测方法具有可行性。关键词:频率响应模型;光伏;频率态势预测;量化分析中图分类号:TM 6 1 5 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 1 0 0 0 7 0 6F r e q u e n c yS i t u a t i o nP r e d i c t i o no fN e wP o w e rS y s t e mC o n s i d e r i n gP h o t o v o l t a i cF r e q u e n c yR e g u l a t i o nM A OC h a o,Z H A N GC h o n g b i a o,B I J i a n g l i n,C H E NJ i n w e i(J i a s h a nP o w e rS u p p l yC o m p a n y,S t a t eG r i dZ h e j i a n gE l e c t r i cP o w e rC o.,L t d.,J i a x i n g3 1 4 1 9 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h eh i g hp e n e t r a t i o ng r i dc o n n e c t i o no f n e we n e r g y r e p r e s e n t e db yp h o t o v o l t a i ch a sb r o u g h tas e r i e so f p o w e r s y s t e mf r e q u e n c ys e c u r i t ya n ds t a b i l i t yp r o b l e m s.T h e r e f o r e,i t i sn e c e s s a r y t op r e d i c t a n da n a l y z e t h ep o w e rs y s t e mf r e q u e n c ys i t u a t i o nu n d e r t h ep a r t i c i p a t i o no fp h o t o v o l t a i c i nf r e q u e n c ym o d u l a-t i o n.B a s e do nt h e t r a d i t i o n a l p o w e r s y s t e mf r e q u e n c yr e s p o n s em o d e l,t h i sm e t h o dc o n s i d e r s t h ep h o t o v o l-t a i ca d d i t i o n a l f r e q u e n c yc o n t r o l s t r a t e g y,a n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e s t h ep o w e r s y s t e mf r e q u e n c ys i t u a t i o nu n d e rm u l t i r e s o u r c ep a r t i c i p a t i o ni nf r e q u e n c ym o d u l a t i o na n di t sq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pw i t ht h ek e yc o n t r o lp a r a m e t e r so f t h e f r e q u e n c ym o d u l a t i o nc o n t r o lu n i t.T h ee x a m p l er e s u l t ss h o wt h a t t h ep a r t i c i p a-t i o no fP Vi np o w e r s y s t e mf r e q u e n c ym o d u l a t i o nc a n i m p r o v e t h e s y s t e mf r e q u e n c ys t a b i l i t y,a n d t h ep o w-e rs y s t e mf r e q u e n c ys i t u a t i o np r e d i c t i o nm e t h o db a s e do nm o d e l a n a l y s i sm e t h o d i s f e a s i b l e.K e yw o r d s:f r e q u e n c yr e s p o n s em o d e l;p h o t o v o l t a i c;f r e q u e n c ys i t u a t i o np r e d i c t i o n;q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s0 引言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12。其中,电网源侧发电资源的低碳、高清洁化逐渐成为趋势3。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4。2 0 1 6年南澳“9.2 8”大停电、2 0 1 9年英国“8.9”大停电等事故都是归因于新能源电力系统高占比新能源机组导致的惯量支撑能力不足。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。72 0 2 3(1)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。文献5 提出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;文献6 提出一种自适应控制策略,定量分析虚拟惯量大小与频率变化率的关系,利用区间分析对频率实现调整;文献7 提出附加功率环和调压算法,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;文献8 提出考虑光伏单元PU外特性,结合常规虚拟惯量控制对电力系统频率进行控制。然而,针对光伏参与调频的电力系统频率态势研究较为匮乏。本文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。首先建立了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了考虑光伏参与调频的电力系统频率响应模型。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,计算了系统频率特性传递函数、初始频率变化率及稳态频率误差。最后通过MAT L A B/S i m u l i n k仿真平台对本文所提光伏参与电力系统频率特性进行验证。1 电力系统频率响应模型随着新能源的大规模渗透91 0,众多电力电子器件被应用,因而电力系统物理架构逐渐呈现出复杂化与电气量解耦的特性1 11 2。当前,为分析新型电力系统下的频率稳定性,针对电力系统频率特性的分析方法主要分为3类,分别为时域仿真法1 3、模型分析法1 4及人工智能算法1 5。其中,模型分析法利用低阶简化模型将电力系统的频率动态响应过程通过多阶数学表达式量化表示。本文在传统频率响应模型的基础上,建立光伏参与调频下的电力系统频率响应模型。1.1 传统电力系统频率响应模型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1 6,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1所示。其中,H为系统等效惯性时间常数,D为阻尼常数,PL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,Ps p为电力系统冲击负荷占系统总负荷的比重,Pm为机械功率,g为同步机频率扰动量,s为拉氏算子。PspkF T sT smHRR(+)+11PmPL12+Hs D1/Rg+-+-图1 传统电力系统频率响应模型根据图1可计算从负荷扰动PL到频率扰动g的传递函数为G(s)=-R(1+s TR)(2H s+D)(1+s TR)R+FHTRs+1=Gos+zos2+2ns+2n(1)n为无阻尼自然频率;为阻尼比;Go为比例系数;zo为原动机再热时间常数的倒数。且满足Go=-12Hzo=1TRn=D R+12H R TR=2H R+D R TR+FHTR4H R TR2H R TRD R+1(2)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fp u(s)=fr e f_p u(s)+G(s)s=1s+Go1dd(s+n)2+2d+zo2n1s-s+n(s+n)2+2d-ndd(s+n)2+2d(3)d为阻尼自然频率;fp u为电网频率的参考值(标幺值),fr e f_p u=1/s;G(s)/s为频率扰动值(标幺值)。d=n1-2(4)对式(3)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fp u(t)=1+Gozo2n-e-ntAs i n(dt+)(5)8茆 超等:考虑光伏调频的新型电力系统频率态势预测研究与设计 A为幅值;为相位,且A=zo2n2+-zo+nd+n2=a r c t a ndzo(zo-n)n(6)1.2 光伏调频频率响应模型1.2.1 光伏常规虚拟惯量调频频率响应模型光伏的常规惯量控制策略通过锁相环动态特性实现,锁相环控制下的频率为f=Ut q2(kp+kidt)(7)Ut q为逆变器端电压的q轴分量;kp、ki为锁相环控制参数。根据式(7)可得有功功率PP V 1增量为PP V 1=2HP Vdfdt(8)即PP V 1=2HP Vfs(9)HP V为光伏虚拟惯量时间常数。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G1(s)=PP V 1f=2HP Vs(1 0)1.2.2 考虑PU外特性的光伏调频频率响应模型 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P2=a Up v+b(1 1)a、b为拟合系数。将式(1 1)线性化处理得PP V 2=aUp v=akf(1 2)k为控制系数。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G2(s)=PP V 2f=ak(1 3)1.2.3 综合虚拟惯量控制及PU外特性的光伏