一種新能源電站一次調頻能力測試系統及其測試方法與流程

2024-03-24 04:55:05

本發明涉及新能源電站一次調頻能力測試技術，具體涉及一種新能源電站一次調頻能力測試系統及其測試方法。

背景技術：

截至2015年底，全國風電裝機達1.29億千瓦、光伏發電裝機達4318萬千瓦，在西北多個省區，新能源發電滲透率已經超過30％，成為主力電源之一。為了保障電網在充分消納新能源發電的情況下安全穩定運行，有必要充分掌握對新能源發電頻率響應的測試能力。

目前越來越多的新能源發電站具備一次頻率的能力。由於新能源發電站是由幾十個甚至上百個發電單元組成，一次調頻的控制方式與傳統發電站不相同，不能使用傳統發電站一次調頻的測試方法測試新能源電站。因此亟需一種測試系統，對新能源電站的一次調頻能力進行測試。

新能源電站廠站級控制系統可執行有功功率和頻率控制，其中有功功率控制可通過指令下達方式在現場開展，但是頻率擾動在實際電網中很難實現。如果要測試新能源電站的調頻特性，在電網模型裡設計測試場景，模擬電網在不同頻率段的頻率靜態特性，測試新能源電站被測一次調頻系統在電網頻率變化下響應的一次調頻各項指標，通過統計一次調頻指標來實現對新能源電站參與電網一次調頻的能力測試。

技術實現要素：

為解決上述現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種新能源電站一次調頻能力測試系統及其測試方法，通過對新能源電站和電網架構進行建模，將實際電站的相關數據參數導入實時仿真系統，將新能源電站廠站級有功無功控制系統接入測試系統，從而對新能源電站一次調頻能力進行測試。

本發明的目的是採用下述技術方案實現的：

本發明提供一種新能源電站一次調頻能力測試系統，其改進之處在於，所述測試系統包括實時仿真系統、通信接口模塊、被測一次調頻控制系統和評估模塊；所述實時仿真系統通過通信接口模塊與控制系統進行通信，所述評估模塊分別與所述實時仿真系統和被測一次調頻控制系統連接。

進一步地，所述實時仿真系統包括相互連接的新能源電站模型中的各發電單元和電網模型；基於通信接口模塊，實現新能源電站模型中的各發電單元與被測一次調頻控制系統的實時通信傳遞功能。

進一步地，所述新能源電站模型中的各發電單元包括光伏發電單元、風電機組、單元升壓變和集電線路；

所述電網模型用於模擬實際新能源電站接入的電網構架，實現包括連接點阻抗、電壓擾動、頻率擾動和電網故障仿真工況，測試新能源電站在電網頻率波動時對電網自主有功一次調頻的能力。

進一步地，所述通信接口模塊用於實現新能源電站信息傳遞功能，採用乙太網標準通信協議分別與被測一次調頻控制系統和實時仿真系統通信；所述新能源電站信息傳遞功能包括：

①與電網模型實時通信，獲取電網模型側的電壓和電流信號；

②與新能源電站模型中的各發電單元實時通信，獲取新能源電站各發電單元實時輸出的有功功率，並下達有功功率控制指令。

進一步地，電網模型實現測試場景的設計，模擬電網頻率擾動，測試新能源電站在電網系統頻率波動時對電網自主有功一次調頻的能力，測試場景包括：

(1)模擬電網頻率擾動的場景一：電網負荷上升/下降；

(2)模擬電網頻率擾動的場景二：電網常規機組出力上升/下降；

(3)模擬電網頻率擾動的場景三：交直流混合電網換向失敗。

進一步地，一次調頻評估模塊利用一次調頻指標分析，根據預設方法計算新能源電站每次參與一次調頻的被測一次調頻指標，同時計算每次參與一次調頻的電量貢獻，即增加電量或減少電量；所述被測一次調頻指標包括：

1)響應時間，從電網頻率越過一次調頻死區開始至目標值功率2％所需要的時間；

2)調節速率，從電網頻率越過一次調頻死區到響應目標值功率的90％所需的時間；

3)△t時間內一次調頻動作積分電量完成率，新能源電站△t時間內一次調頻實際動作積分電量與理論動作積分電量之比的百分數；

4)穩態均值，從新能源電站一次調頻開始響應起，實際功率在目標值功率90％-110％範圍的平均值，其中：△t表示後一時刻到前一時刻的時間間隔，目標值功率根據實際工況確定。

本發明還提供一種新能源電站一次調頻能力測試系統的測試方法，其改進之處在於，所述測試方法包括下述步驟：

步驟1：搭建被測試新能源電站模型，新能源電站模型中的各發電單元由外部被測一次調頻控制系統獨立控制；

步驟2：搭建實際新能源電站接入的電網模型；

步驟3：建立通信接口模塊，採用乙太網標準通信協議進行通信；

步驟4：確定被測一次調頻系統的頻率特性，

步驟5：將被測一次調頻系統接入新能源電站一次調頻能力測試系統；

步驟6：確定電網的頻率靜態全特性，得到頻率靜態特性係數β；

步驟7：設計測試場景1，設置電網負荷±90/70/50MW，電網頻率改變在被測系統死區頻率值以內，監測全時段新能源電站頻率與有功功率波形；

步驟8：設置電網負荷±96MW，電網頻率改變在被測系統死區頻率值以內，監測全時段新能源電站頻率與有功功率波形；

步驟9：設置電網負荷±3100MW，電網頻率改變在被測系統死區頻率值以內，監測全時段新能源電站頻率與有功功率波形；

步驟10：設置電網機組或者直流線路閉鎖故障達到步驟7、8、9帶來的頻率波動效果，重複以上步驟；

步驟11：計算新能源電站被測一次調頻指標，評估新能源電站有功無功控制系統參與電網一次調頻的能力

進一步地，所述步驟1中，所述各發電單元包括：光伏發電單元、風電機組、單元升壓變和集電線路；

所述步驟4中，頻率特性包括動作頻率門檻值、有功功率調節上限值、有功功率調節下限值；所述動作頻率門檻值包括死區頻率值，其值為0.03～0.1Hz之間。

進一步地，所述步驟6中，β表示頻率靜態特性係數，所述頻率靜態特性係數指的是電力系統固有頻率特性係數，由發電機和負荷頻率靜態特性共同決定，反映了功率與頻率的靜態變化關係；頻率靜態特性係數的公式如下：

β＝(P2-P1)/(f2-f1)；

其中：P2:對應於t2時刻的功率實際值；P1:對應於t1時刻的功率實際值；f2:對應於t2時刻的頻率實際值；f1:對應於t1時刻的頻率實際值。

進一步地，所述步驟11中，被測一次調頻指標包括：響應時間、調節速率和穩態均值。

為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護範圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現一些概念，以此作為後面的詳細說明的序言。

與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有的優異效果是：

本發明技術方案中，通過構建新能源電站一次調頻能力的測試系統，適用於測試風電場、光伏電站、風/光/混合型電站的廠站級控制系統參與電網一次調頻的能力。通過新能源電站模型與電網構架的搭建，實現快速通信接口模塊與新能源電站廠站級有功無功控制系統、電網實時的數據交換，在電網模型裡設計測試場景，模擬電網在不同頻率段的頻率靜態特性，測試新能源電站被測一次調頻系統在電網頻率變化下響應的一次調頻各項指標，評估新能源電站參與一次調頻的能力。

為了上述以及相關的目的，一個或多個實施例包括後面將詳細說明並在權利要求中特別指出的特徵。下面的說明以及附圖詳細說明某些示例性方面，並且其指示的僅僅是各個實施例的原則可以利用的各種方式中的一些方式。其它的益處和新穎性特徵將隨著下面的詳細說明結合附圖考慮而變得明顯，所公開的實施例是要包括所有這些方面以及它們的等同。

附圖說明

圖1是本發明提供的新能源電站測試系統連接圖；

圖2是本發明提供的電網頻率響應示意圖；

圖3是本發明提供的一次調頻分析指標示意圖；

圖4是本發明提供的新能源電站一次調頻能力測試流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，並且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特徵可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特徵。本發明的實施方案的範圍包括權利要求書的整個範圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語「發明」來表示，這僅僅是為了方便，並且如果事實上公開了超過一個的發明，不是要自動地限制該應用的範圍為任何單個發明或發明構思。

本發明提供一種新能源電站一次調頻能力測試系統，其新能源電站測試系統連接圖如圖1所示，包括實時仿真系統、通信接口模塊、被測一次調頻控制系統和評估模塊；所述實時仿真系統通過通信接口模塊與控制系統進行通信，所述評估模塊分別與所述實時仿真系統和被測一次調頻控制系統連接。

新能源電站一次調頻能力測試系統可以實現在實際電網中很難進行頻率擾動的一次調頻能力測試。通過新能源電站模型與電網構架的搭建，實現快速通信接口模塊與新能源電站廠站級有功無功控制系統、電網實時的數據交換，在電網模型裡設計測試場景，模擬電網在不同頻率段的頻率靜態特性，測試新能源電站被測一次調頻系統在電網頻率變化下響應的一次調頻各項指標，評估新能源電站參與一次調頻的能力。

實時仿真系統包括相互連接的新能源電站模型中的各發電單元和電網模型，基於通信接口模塊，實現新能源電站各發電單元與電網有功無功控制系統的全站信息實時通信傳遞功能。

為了滿足一次調頻測試的需要，本發明提供了一種新能源電站一次調頻測試系統，該系統通過構建新能源電站和電網結構，對新能源電站廠站級控制系統一次調頻的能力進行檢測，所述系統包括以下功能/環節：

環節1：新能源電站模型：

搭建被測試新能源電站模型，電站模型中每個發電單元可由外部獨立控制，模型包括：光伏發電單元、風電機組、單元升壓變、集電線路等。

環節2：電網的架構模型：

搭建電網模型，模擬實際新能源電站接入的電網構架，實現包括連接點阻抗、電壓擾動、頻率擾動和電網故障等眾多仿真工況，測試新能源電站在系統頻率波動時對電網自主有功一次調頻的能力。

環節3：通信接口模塊實現全站信息傳遞功能，採用「乙太網標準通信協議」，所述環節包括：

環節3-1：與電網實時通信，獲取電網側的電壓、電流信號；

環節3-2：與新能源電站各發電單元實時通信，獲取個發電單元實時輸出的有功功率，並下達有功功率控制指令。

環節4：測試場景的設計：

設計測試場景，模擬電網頻率擾動，測試新能源電站在系統頻率波動時對電網自主有功一次調頻的能力。

環節4-1：模擬電網頻率擾動的場景一：電網負荷上升/下降；

環節4-2：模擬電網頻率擾動的場景二：電網常規機組出力上升/下降；

環節4-3：模擬電網頻率擾動的場景三：交直流混合電網換向失敗。

環節5：一次調頻指標分析，根據預設方法計算新能源電站每次參與一次調頻的各項指標，同時計算每次參與一次調頻的電量貢獻(增加電量或減少電量)，所述環節包括：

環節5-1：響應時間，從電網頻率越過一次調頻死區開始至目標功率2％所需要的時間；

環節5-2：調節速率，從電網頻率越過一次調頻死區到響應目標值功率的90％所需的時間；

環節5-3：△t時間內一次調頻動作積分電量完成率，新能源電站△t時間內一次調頻實際動作積分電量與理論動作積分電量之比的百分數；

環節5-4：穩態均值，從新能源電站一次調頻開始響應起，實際功率在目標值功率90％-110％範圍的平均值其中：△t表示後一時刻到前一時刻的時間間隔，目標值功率根據實際工況確定。

圖1給出了本發明實施例中的一種新能源電站一次調頻能力測試系統框圖；通過新能源電站模型與電網構架的搭建，實現快速通信接口模塊與新能源電站廠站級有功無功控制系統、電網實時的數據交換，在電網模型裡設計測試場景，模擬電網在不同頻率段的頻率靜態特性，測試新能源電站被測一次調頻系統在電網頻率變化下響應的一次調頻各項指標，參照圖2所示。圖2是頻率隨時間變化曲線，是測試場景中模擬電網頻率擾動的曲線之一，測試新能源電站在系統頻率波動時對電網自主有功一次調頻的能力。結合圖4，本發明還提供一種新能源電站一次調頻能力測試系統的測試方法，具體步驟如下：

步驟1：搭建被測試新能源電站模型，電站模型中每個發電單元可由外部獨立控制，模型包括：光伏發電單元、風電機組、單元升壓變、集電線路等；

步驟2：搭建實際新能源電站接入的電網模型；

步驟3：建立通信接口模塊，採用「乙太網標準通信協議」；

步驟4：確定被測一次調頻系統的頻率特性，包括動作頻率門檻值(死區頻率值，比如0.03Hz)、有功功率調節上限值、有功功率調節下限值等；

步驟5：將被測一次調頻系統接入被測系統；

步驟6：確定電網的頻率靜態全特性，得到頻率靜態特性係數β，比如，β值在50±0.035Hz之外為3100MW/0.1Hz、在50±0.035Hz之內為300MW/0.1Hz；

步驟7：設計測試場景1，設置電網負荷±90/70/50MW，電網頻率改變在被測系統死區頻率值以內(0.03Hz)，監測新能源電站頻率與有功功率波形(全時段)；

步驟8：設置電網負荷±96MW，電網頻率改變在被測系統死區頻率值以內(0.032Hz)，監測新能源電站頻率與有功功率波形(全時段)；

步驟9：設置電網負荷±3100MW，電網頻率改變在被測系統死區頻率值以內(0.1Hz)，監測新能源電站頻率與有功功率波形(全時段)；

步驟10：設置電網機組或者直流線路閉鎖等故障達到步驟7/8/9帶來的頻率波動效果，重複以上步驟；

步驟11：參照圖3，計算新能源電站被測一次調頻指標，包括：響應時間、調節速率、穩態均值；評估新能源電站有功無功控制系統參與電網一次調頻的能力。圖3是新能源電站被測一次調頻指標評價示意圖；用來評估當系統頻率波動時(對應虛線是系統頻率波動實時值)，新能源電站有功功率(黑實線)對應的響應曲線，計算得到這些評估指標，包括：響應時間、調節速率、穩態均值。

本發明提供的一種新能源電站一次調頻測試系統及其測試方法，適用於風電場、光伏電站、風/光/混合型電站。通過對新能源電站和電網架構進行建模，將實際電站的相關數據參數導入實時仿真系統，將新能源電站廠站級有功無功控制系統接入測試系統，從而對新能源電站一次調頻能力進行測試。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。