主动支撑型风光储一体化功率控制系统及其能量分配方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，更具体涉及一种主动支撑型风光储一体化功率控制系统及其能量分配方法。

背景技术

随着风电、光伏等可再生能源的发展，可再生能源发电的渗透率快速升高，其对电网运行的影响逐步增大。风电和光伏为代表的新能源正逐步成为我国重要的能源资源，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、保护生态环境等方面发挥着重要作用。

现有的新能源场站网络通信比较复杂，和调度系统采用传统的IEC-104通信协议，和升压站中其他的设备通信采用IEC-103或者61850MMS通信协议，和风机/逆变器通信则采用MODBUS TCP/RTU或者OPU UA的通信协议。因此风光储电场一体化主动支撑系统涉及到多种通信协议。

AGC/AVC、一次调频、惯量支撑以及能量管理平台，这些功能由各种设备独立完成，设备之间成为数据孤岛。设备之间的的协调只能通过通信方式进行，影响了调频和调压的速度，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种主动支撑型风光储一体化功率控制系统及其能量分配方法，以解决现有的新能源场站设备之间的的协调只能通过通信方式进行，而影响调频和调压的速度，降低系统的可靠性的问题，以基于数据共享的理念，采用统一数据通信平台和统一的实时数据库平台，实现风光储电场一体化功率综合控制系统的运行。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

主动支撑型风光储一体化功率控制系统，包括：

NSEA RTSuite中间件，采用统一的访问接口进行数据读写；所述NSEA RTSuite中间件包括Nsealink融合通信系统；以及

应用软件层，利用NSEA RTSuite中间件，实现风光储一体化主动支撑系统的运行；

所述应用软件层包括：

采集装置，采集风光储场站并网点运行参数；

主控设备，接收采集装置传输的并网点运行参数，获取本地控制指令和远方调度指令，经算法模型控制运算后，计算厂级目标有功功率和无功功率，并将设定有功功率和无功功率下发到执行设备；

监控设备，部署数据库，利用数据库，存储所有采集点数据和计算数据，并能够显示设备的状态信息，能够进行策略和参数的配置，能够查询历史数据并分析调频、调压的性能；以及

能量管理系统，通过Nsealink融合通信系统与场站被控设备进行通信，并采集各场站被控设备的有功、无功出力及运行状态；所述能量管理系统将主控设备下发的有功/无功目标值实时自动分解至不同能源系统。

进一步优化技术方案，所述并网点运行参数包括并网点电压、电流、频率、有功功率、无功功率和功率因数。

进一步优化技术方案，算法模型包括AGC模块、AVC模块、一次调频算法模型、虚拟惯量算法模型。

进一步优化技术方案，所述主控设备根据调频和调压主动支撑算法，计算厂级目标有功功率和无功功率。

进一步优化技术方案，所述主动支撑算法包括：

虚拟惯量响应算法，用于计算光伏电站虚拟惯性响应有功功率变化量；

一次调频控制算法，用于计算新能源电厂有功输出和频率的特性；

二次调频方法；

一次调频和二次调频的协调方法；以及

自动电压控制方法。

进一步优化技术方案，光伏电站虚拟惯性响应有功功率变化量的公式为：

其中，T

新能源电厂有功输出和频率之间的关系式为：

式中，Δf：当前频率和额定频率的差值；P：当前频率Δf时，输出有功功率的目标值；P

进一步优化技术方案，所述能量管理系统根据功率动态分配方法将主控设备下发的有功/无功目标值实时自动分解至不同能源系统；所述功率动态分配方法包括有功功率分配算法和无功功率分配算法。

进一步优化技术方案，有功功率分配算法包括：

实时有功功率比例分配算法：按照每台风机/逆变器单机实发功率占总功率的比例关系，分配每台风机/逆变器的目标调节功率值；计算公式如下：

可用理论功率比例分配算法：按照每台风机/逆变器单机可用理论功率的比例关系，分配每台风机/逆变器的目标调节功率值；计算公式如下：

式中，N：可以参与快速频率调节风机/逆变器的数量；P

进一步优化技术方案，无功功率分配算法包括：

等功率因数分配算法：根据AVC系统无功指令值和场站用功指令值，计算风机集群目标功率因数；对应于每一台风机/逆变器/SVG，根据目标功率因数和风机的有功功率，计算风机无功功率目标值；

等偏移量法：各机组无功增加或减少值比率相同时，根据总无功指令算出总无功目标值占全厂总无功上、下限的比率，全厂总无功上、下限根据每台机组的无功上、下限求得；

等容量法：综合考虑总有功、无功及可调机组的出力范围计算每个发的发电/储能单元的无功功率调整量。

主动支撑型风光储一体化功率控制系统的能量分配方法，其特征在于，所述方法基于主动支撑型风光储一体化功率控制系统进行，包括以下方法：

S1、AGC控制模式下能量分配策略：在风光储微网中将风电和光伏发电设定为优先利用，满足调度指令需求；储能在风电和光伏出力大于调度指令值时进行充电，在风电和光伏出力不能满足调度指令值时放电；

通过修订调度中心下发的发电计划，对储能荷电状态进行保护以及控制；

S2、一次调频和虚拟惯量模式下的能量分配策略：在一次调频和虚拟惯量响应启动初期，利用储能充放电速率快的特点，储能系统承担主要的有功功率调节量；随着风机和光伏功率响应，动态调节储能系统充放电大小，逐步过渡到风机和光伏承担主要有功功率调节量，储能单元主要补充由于风、光功率不稳定以及风机和逆变器超调引起的出力波动。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明解决了传统新能源场站控制架构复杂、效率低下等问题，采用统一数据通信平台和统一的实时数据库平台，实现风光储电场一体化功率综合控制系统的运行；在传统调节基础上加入储能控制环节，储能系统响应速度快，既能快速支撑有功功率的变化，又能平滑风机有功功率输出，从而实现场站虚拟惯量响应、一次调频、二次调频。

本发明利用储能充放电技术，实现了AGC有功功率平滑调节和电网惯量支撑，弥补一次调频初期风机或光伏响应速度过慢等问题。

本发明满足电网主动支撑要求，在提高系统可靠性在更安全的前提下实现了发电量最大化，提高了新能源电场的经济效益。

本发明通过Nsealink融合通信系统获取风机、能量管理平台、光伏逆变器、储能系统、静止无功发生器(SVC)等场站被控设备的实时数据，通过测频装置获取风光储场站并网点电压、电流、功率、频率等实时信息；通过读取界面输入或计划曲线获取本地控制指令，通过远动机获取远方调度指令；经AGC、AVC、一次调频、虚拟惯量算法模型控制运算后，将有功目标值和无功目标值输出至能量管理平台。能量管理平台从安全以及经济性考虑，进行有功/无功功率在风、光、储各系统之间的分配，同时在人机界面上实时显示风光储新能源场站运行状态与控制指令执行情况。

附图说明

图1为本发明的功能组成图；

图2为本发明应用层软件设计架构图；

图3为本发明系统组网图；

图4为本发明系统拓扑结构图；

图5为本发明数据采集时的示意图；

图6为本发明一次调频(快速频率响应)控制算法对应的特性曲线图；

图7为本发明设置电压下垂曲线时的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

主动支撑型风光储一体化功率控制系统，结合图1至图4所示，基于NSEA RTSuite技术架构，集成了融合通信技术，实时数据库技术，科学计算技术、人工智能、大数据以及组态展示技术，包括NSEA RTSuite中间件和应用软件层。

NSEA RTSuite中间件，采用层次化功能设计，对通信协议、通信中间件、数据、计算引擎都采用功能模块设计。系统以数据库为核心，数据读写采用统一的访问接口，采用面向服务和组件化的体系架构，业务可灵活裁剪。NSEA RTSuite中间件包括Nsealink融合通信系统。Nsealink融合通信系统通过IEC-104通信协议与通信网关机进行交互，通过IEC-103通信协议与SVG/SVC进行交互，通过MMS通信协议与储能单元进行交互，通过Modbus通信协议与光伏电站进行交互，通过OPC UA通信协议与风机进行交互。

应用软件层，利用NSEA RTSuite中间件丰富、灵活的通信接口，高效的实时数据库系统以及丰富的基础服务功能(计算引擎、科学计算、组态和可视化、数据分析和预警)，实现风光储一体化主动支撑系统的运行。

应用软件层包括：采集装置、主控设备、监控设备、能量管理系统、通讯设备。

采集装置，采集风光储场站并网点运行参数，并传输至主控设备进行相关电网运行参数判断。并网点运行参数包括并网点电压、电流、频率、有功功率、无功功率和功率因数。站内频率、电压、有功、无功采集接入如图5所示。

主控设备，接收采集装置传输的并网点运行参数，获取本地控制指令和远方调度指令，经算法模型控制运算后，根据调频和调压主动支撑算法，计算厂级目标有功功率和无功功率，并通过通信协议将设定有功功率和无功功率下发到执行设备。执行设备包括能量管理平台、静态无功补偿设备等。

并且主控设备能够动态调节每一个能量管理平台的设定功率，实现功率快速、精确地调节，保障风场的发电量。

算法模型包括AGC模块、AVC模块、一次调频算法模型、虚拟惯量算法模型。

监控设备，部署seaDB羲和实时数据库，利用数据库，存储所有采集点数据和计算数据，并能够显示设备的状态信息，能够进行策略和参数的配置，能够查询历史数据并分析调频、调压的性能。

本发明还包括人机界面，人机界面采用NSEA RTSuits中间的组态可视化软件实现，可以分布实现AGC、AVC、虚拟惯量、一次调频、能量管理等主要主动支撑子系统的实时运行状态状况；可以通过人机界面进行相关子系统的运行参数调整；也可以按照用户要求调整和修改界面。

监控设备通过SCADA人机界面，能显示设备的运行状态、故障等信息等，能进行策略和参数的配置，能查询历史数据并分析调频、调压的性能。

能量管理系统，通过Nsealink融合通信系统与场站被控设备进行通信，并采集各场站被控设备(包括每台风力发电机、每台光伏逆变器、每台储能变流器)的有功、无功出力以及各系统设备的运行状态；能量管理系统将主控设备下发的有功/无功目标值实时自动分解至不同能源系统。

场站被控设备包括风电场、光伏场站、储能系统等相关设备。

通讯设备，用于系统内部各设备之间的网络连接。

主动支撑算法包括：

虚拟惯量响应算法，用于计算光伏电站虚拟惯性响应有功功率变化量；

一次调频控制算法，用于计算新能源电厂有功输出和频率的特性；

二次调频方法；

一次调频和二次调频的协调方法；

自动电压控制方法。

其中，虚拟惯量响应算法，光伏电站虚拟惯性响应有功功率变化量的公式为：

其中，T

一次调频(快速频率响应)控制算法，虚拟同步发电机(VSG)多采用反映有功-频率特性的下垂控制方法进行一次频率调节，场站出力变化ΔP反比电网频率变化Δf。则新能源电厂有功输出和频率必须满足一下特性：

式中，Δf：当前频率和额定频率的差值；P：当前频率Δf时，输出有功功率的目标值；P

一次调频(快速频率响应)控制算法对应的特性曲线如图6。

二次调频(自动发电控制AGC)，有功功率目标值，该系统支持以下有功功率目标值：

1)由调度主站远方给定有功负荷曲线。

2)由调度主站远方给定有功值。

3)由当地预先录入有功负荷曲线。

4)由运行人员在控制室给定有功值。

5)由运行人员恢复自由发电。

一次调频(快速频率响应)和二次调频(AGC)的协调，快速频率响应系统应与AGC控制相协调，风厂有功功率的控制目标值应为AGC指令值与快频相应调节量的代数和。

其中：当电网频率超出50±0.1Hz时，风厂快速频率响应功能应闭锁AGC反向调节指令。

自动电压控制(AVC)：风电场无功电压控制系统具备恒功率因数、恒无功、恒电压闭环控制和无功电压下垂控制模式。

在恒功率因数模式下，能管平台设置通讯点位，接收AVC主站下发的功率因数指令，或本地手动下发功率因数指令。根据当前有功功率和功率因数，计算所需无功功率，下发分配给风机。

在恒无功模式下，接收AVC主站下发的无功功率指令，或本地手动下发无功功率，分配给风机。

在电压下垂模式下，通过测频单元的出线电压，调节无功。设置电压下垂曲线，如图7所示，电压死区为±0.02pu，下垂系数K推荐为5，Qmax为全部风机无功上限之合。图7中，UN：额定电压；U0：AVC电压指令值；PN：场站额定装机容量。

能量管理系统根据功率动态分配方法将主控设备下发的有功/无功目标值实时自动分解至不同能源系统；功率动态分配方法包括有功功率分配算法和无功功率分配算法。

风机/逆变器功率动态分配算法包括有功功率分配算法和无功功率分配算法。

首选，获取可调节风机/逆变器的数量，具体步骤包括：

1)标杆风机/逆变器，通过人机界面设置；

2)所有无法通信故障风机/逆变器；

3)所有风机/逆变器自身状态故障的风机/逆变器(通过通信获取设备状态字、故障字)；

4)新能源电厂风机/逆变器总数减去以上三种情况的风机/逆变器，就是该新能源电厂可以调节的风机/逆变器的数量(N)。

5)分别记录全部可以调节和不能参与调节风机/逆变器/储能的编号。

有功功率分配算法包括：

实时有功功率比例分配算法：按照每台风机/逆变器单机实发功率占总功率的比例关系，分配每台风机/逆变器的目标调节功率值；计算公式如下：

可用理论功率比例分配算法：按照每台风机/逆变器单机可用理论功率的比例关系，分配每台风机/逆变器的目标调节功率值；计算公式如下：

式中，N：可以参与快速频率调节风机/逆变器的数量；P

无功功率分配算法包括：

等功率因数分配算法：根据AVC系统无功指令值和场站用功指令值，计算风机集群目标功率因数；对应于每一台风机/逆变器/SVG，根据目标功率因数和风机的有功功率，计算风机无功功率目标值；

等偏移量法：各机组无功增加或减少值比率相同时，根据总无功指令算出总无功目标值占全厂总无功上、下限的比率，全厂总无功上、下限根据每台机组的无功上、下限求得。用下发全厂的总无功目标和当前全厂总无功求出总无功目标差值，每台机组的无功目标值为当前的无功基础上加上无功目标差值乘以比率，如机组中有越限的需要进行二次分配，直至无功分配完成。若分配后的指定机组无功目标值与当前无功比较进人死区，则指定机组调控无须执行。

等容量法：综合考虑总有功、无功及可调机组的出力范围计算每个发的发电/储能单元的无功功率调整量。

本发明通过Nsealink融合通信系统获取风机、能量管理平台、光伏逆变器、储能系统、静止无功发生器(SVC)等场站被控设备的实时数据，通过测频装置获取风光储场站并网点电压、电流、功率、频率等实时信息；通过读取界面输入或计划曲线获取本地控制指令，通过远动机获取远方调度指令；经AGC、AVC、一次调频、虚拟惯量算法模型控制运算后，将有功目标值和无功目标值输出至能量管理平台。能量管理平台从安全以及经济性考虑，进行有功/无功功率在风、光、储各系统之间的分配，同时在人机界面上实时显示风光储新能源场站运行状态与控制指令执行情况。

本发明的系统拓扑结构如图4，本发明直接采集并网点的电压和电流信号，计算频率、有功功率、无功功率、电压和功率因数等值。通过远动机从调度获取AGC/AVC指令值。通过综合能量管理平台获取光伏逆变器、风力发电机、储能系统等运行数据，从综合自动化系统获取升压站的相关信息。

通过计算并网点的频率变化速率，计算虚拟惯量响应值，并通过储能设备的快速调节能力，实现光伏场站的虚拟惯量响应。

本发明通过以上数据进行调频和调压主动支撑算法，计算风场需要调整的有功功率和无功功率调节目标值。

本发明分配每个逆变器的设定功率，下发到风光储联合智能能量管理系统。实现功率快速、精确地调节，实现虚拟惯量响应、一次调频和二次调频(AGC)。

风光储联合发电系统能量分配和控制，需要解决两个基本问题：一是由于风光功率输出的不确定性，风电、光伏发电与发电计划之间始终会存在一定偏差，故储能控制系统需要根据电池储能能量深度，通过电池储能的功率校正作用，使得风光储联合发电站的功率输出尽可能的接近计划出力和调节出力。二是由于太阳能和风能发电随机性强，在发电系统中很难保证对储能电池有规律地充放电，故需要采取合适的储能电池充放电控制和保护策略，达到保护储能电池和系统长期稳定运行的目的。

主动支撑型风光储一体化功率控制系统的能量分配方法，包括以下方法：

S1、AGC控制模式下能量分配策略；

总体来说，为了追求可再生能源的最大利用，在风光储微网中将风电和光伏发电设定为优先利用，满足调度指令需求。且储能扮演平衡出力波动、保障供电平衡的角色。其充放电策略可定义为：储能在风电和光伏出力大于调度指令值时进行充电，在风电和光伏出力不能满足调度指令值时放电。

但是由于当前的风功率预测精度还比较低，光伏功率预报系统尚未成熟，因此调度中心根据风、光功率预报值来制定风光储联合发电站的出力计划往往会超过了电池储能系统的调节能力，使得电池储能系统频繁进入过充电或者过放电保护工作模式，这直接导致电池储能系统失去平滑风光出力波动的作用，同时也对电池储能装置自身安全是极为不利的。因此在储能系统控制周期内，有必要对储能荷电状态进行保护以及控制。

储能荷电状态保护及控制具体是通过修订调度中心下发的发电计划来实现的。修订后的发电计划P'

S2、一次调频和虚拟惯量模式下的能量分配策略；

由于电网频率的波动，触发场站一次调频和虚拟惯量响应。由于一次调频和虚拟惯量响应时间要求比较快，利用风机和光伏逆变器调节功率无法满足调节速率要求，因此在一次调频和虚拟惯量响应启动初期，利用储能充放电速率快的特点，储能系统承担主要的有功功率调节量。随着风机和光伏功率响应，动态调节储能系统充放电大小，逐步过渡到风机和光伏承担主要有功功率调节量，储能单元主要补充由于风、光功率不稳定以及风机和逆变器超调引起的出力波动，从而稳定调节目标功率。