光伏發(fā)電站一次調頻控制新技術淺析

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摘要：近年來，新能源裝機規(guī)模不斷擴大，導致電網頻率的暫態(tài)穩(wěn)定性下降，為改善這種情況，采取了在新能源電站增加一次調頻系統(tǒng)的措施。一次調頻系統(tǒng)直采光伏電站并網點的電壓、電流，計算并網點的有功功率和頻率，當電站并網點頻率越過死區(qū)后啟動一次調頻控制功能，根據有功—頻率下垂特性計算出有功目標值，按照預置的有功控制策略調節(jié)光伏逆變器，完成一次調頻控制。目前該技術已在揚州寶應射陽湖光伏電站中試點運行，一次調頻響應時間小于200ms，達到了光伏電站參與維持電網頻率穩(wěn)定的目的。

關鍵詞：光伏電站；光伏逆變器；一次調頻；有功功率控制

0引言

近年來，我國風機和光伏裝機規(guī)模不斷擴大，“十四五”期間，全國新能源裝機規(guī)模將超過8億kW，裝機容量占比達29%，年發(fā)電量達1.5萬億kW·h。風電和光伏的發(fā)電原理不同于傳統(tǒng)電源，在應對電網頻率和電壓波動時沒有旋轉慣量[1-2]進行支撐，使電網的暫態(tài)穩(wěn)定性下降。為了保證高比例新能源接入電網的穩(wěn)定性，迫切需要新能源參與維持電網頻率的穩(wěn)定。當前，新能源參與維持電網頻率穩(wěn)定的方式主要有兩種：一是AGC[3]（自動發(fā)電控制）方式，調度中心下發(fā)指令至風機/光伏逆變器出力完成時間長達1min左右，這種方式只能參與電力系統(tǒng)的二次調頻，無法維持電網頻率的暫態(tài)穩(wěn)定；二是通過新能源電站改造的方式增加一次調頻裝置，一次調頻裝置根據系統(tǒng)頻率調節(jié)新能源電站的有功出力，參與電力系統(tǒng)的一次調頻控制，電網頻率失去穩(wěn)定至風機/光伏逆變器出力完成時間大約15s[4]。本文在光伏逆變器有功快速響應的基礎上優(yōu)化一次調頻控制策略，達到光伏電站參與維持電網頻率穩(wěn)定的目的。

1系統(tǒng)方案

1.1現(xiàn)階段光伏電站一次調頻控制發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段光伏電站一次調頻控制中，戶外方陣中的逆變器等設備通過串口接入到方陣中的通信管理機或箱變測控等規(guī)約轉換裝置，規(guī)約轉換裝置將其轉換為以太網104規(guī)約[5]后，再通過光纖環(huán)網接入到站內環(huán)網總交換機，然后再經過2～3級交換機接入到一次調頻裝置，光伏、風電等新能源電站的一次調頻響應滯后時間一般為1～3s。

1.2光伏電站快速一次調頻系統(tǒng)方案

對光伏電站一次調頻控制裝置采集側和算法兩個方面進行優(yōu)化，同時將站控層與逆變器之間的通信協(xié)議和通信物理節(jié)點進行精簡，協(xié)議層面采用組播通信方式降低逆變器接收指令的時間離散性，從而使逆變器具備有功快速響應能力，一次調頻系統(tǒng)主控裝置下發(fā)指令至逆變器延時小于2ms，一次調頻系統(tǒng)快速采集電網頻率并根據P—F下垂特性曲線調節(jié)光伏電站有功出力，達到光伏電站參與維持電網頻率穩(wěn)定的目的。

2一次調頻控制策略優(yōu)化

一次調頻控制策略優(yōu)化部分包括控制流程和有功控制策略，其中控制性能要求參照文獻[6]。

2.1一次調頻控制流程

一次調頻系統(tǒng)直采光伏電站并網點的電壓、電流，計算并網點的有功功率，通過快速測頻算法計算出并網點的頻率，當電站并網點頻率越過死區(qū)后啟動一次調頻控制功能，根據有功—頻率下垂特性計算出有功目標值，如有功實測值超出有功目標值死區(qū)范圍外，將一次調頻有功目標值按照預置的有功控制策略分配并下發(fā)控制指令給光伏逆變器，光伏逆變器執(zhí)行相應的有功控制指令后完成一次調頻控制。一次調頻控制流程如圖1（a）所示。

2.2有功控制策略

當電站并網點頻率變化越過死區(qū)，一次調頻控制功能啟動后，根據有功—頻率下垂特性計算出有功目標值，如有功實測值超出有功目標值死區(qū)范圍外，將一次調頻有功目標值按照預置的有功控制策略分配并下發(fā)控制指令給光伏逆變器。有功控制流程如圖1（b）所示。流程步驟如下：步驟1，通過實時采樣計算出光伏電站并網點的有功功率P0，一次調頻動作后根據有功—頻率下垂特性計算出有功目標值Ptarget，有功功率偏差ΔP=Ptarget-P0。步驟2，判斷有功功率偏差的絕對值|ΔP|是否超出預設的有功調節(jié)死區(qū)D，如果超出則進入下一步，否則返回。步驟3，通過通信獲取逆變器的運行狀態(tài)、有功功率等信息，建立逆變器運行信息序列并進入下一步。序列內容如下：式中：P1至Pn表示逆變器1至逆變器n的有功功率；Pmax1至Pmaxn表示逆變器1至逆變器n的裝機容量；Pmin1至Pminn表示逆變器1至逆變器n不停機下的最小有功功率；S1至Sn表示逆變器1至逆變器n的當前可控狀態(tài)。逆變器的可控狀態(tài)為綜合考慮逆變器的運行狀態(tài)并剔除樣板逆變器后得出，計算出可控逆變器的總數(shù)量N。步驟4，根據當前逆變器運行信息計算逆變器總有功可增裕度和總有功可減裕度，單臺逆變器i的有功可增裕度Paddi=Pmax1-Pi，有功可減裕度Psubi=Pi-Pmin1，計算所有可控逆變器總有功可增裕度為Padd總=Ni=1Σ（Pmaxi-Pi），計算所有可控逆變器總有功可減裕度為Psub總=Ni=1Σ（Pi-Pmini），其中，逆變器i為可控逆變器，N為可控逆變器總數(shù)量。步驟5，根據有功功率偏差ΔP，采取相應的有功功率調節(jié)策略，如果ΔP大于預設的有功調節(jié)死區(qū)D，進入（1）；如果ΔP小于有功調節(jié)死區(qū)D的相反數(shù)，則進入（2）。（1）首先判斷有功功率偏差ΔP是否大于Padd總，如果ΔP＞Padd總，即當前所有可調的逆變器有功功率滿發(fā)也無法滿足有功功率增加的要求，則將所有可控逆變器的有功功率提升至最大；如果ΔP≤Padd總，則計算逆變器i的有功指令Ptargeti，計算公式為Ptargeti=Pi+ΔP/N，其中，逆變器i為可控逆變器，N為可控逆變器總數(shù)量。（2）首先判斷有功功率偏差的絕對值|ΔP|是否大于Psub總，如果|ΔP|＞Psub總，即當前所有可調的逆變器有功功率運行至最小時也無法滿足有功功率減少的要求，則將所有可控逆變器有功功率降低至最低；如果|ΔP|≤Psub總，則計算逆變器i的有功指令Ptargeti，計算公式為Ptargeti=Pi+ΔP/N，其中，逆變器i為可控逆變器，N為可控逆變器總數(shù)量。步驟6，把步驟5計算的逆變器有功功率指令下發(fā)給各個逆變器。步驟7，等待逆變器完成有功功率指令的響應過程，重新進入步驟1。光伏電站有功功率分配通常有以下幾種方式：有功功率平均分配方式[7]、按容量比例分配方式、相似調節(jié)裕度分配方式。有功功率平均分配方式適用于光伏電站逆變器只有一種型號且光伏逆變器實際最大有功功率近似的工況。按容量比例分配適用于光伏逆變器實際最大有功功率與裝機容量近似的工況。相似調節(jié)裕度分配方式則需要精確計算光伏逆變器實際最大有功功率。由于逆變器型號不一致、光伏組件維護差異大等原因，光伏電站逆變器的實際最大有功功率數(shù)據差異很大，所有逆變器的實際最大有功功率數(shù)據呈現(xiàn)離散性較大的特點，不適合采取有功功率平均分配方式和按容量比例分配方式。采取相似調節(jié)裕度分配方式時，需要根據輻照度、溫度等參數(shù)[8-9]計算出逆變器實際最大有功功率。首先需要計算逆變器最大有功功率Pcmaxi，計算公式如下：Pcmaxi=P標稱i×[1+a（T-25）]×d×k式中：P標稱i為組件標稱功率；a為組件溫度系數(shù)；d為輻照度；k為衰減系數(shù)。計算逆變器總有功可增裕度Pcadd總：Pcadd總=ni=1Σ（Pcmaxi-Pi）式中：Pcmaxi為輻照度計算逆變器最大有功功率。計算逆變器i的有功指令Ptargeti，計算公式如下：Ptargeti=Pi+（Pcmaxi-Pi）×ΔP/Pcadd總由于光伏組件維護差異大等原因，組件標稱功率差異很大，部分逆變器有功功率已經滿發(fā)，但輻照度計算最大有功功率遠大于實際最大有功功率，導致逆變器調節(jié)后實際提升的有功功率與有功功率偏差ΔP相差很大，不能滿足相似調節(jié)裕度的要求。采取步驟5中（1）和（2）的功率分配方式，不需要計算逆變器實際最大有功功率，等功率調整分配方式可使調節(jié)后實際提升的有功功率逼近有功功率偏差ΔP，適用于逆變器型號不一致、光伏組件維護差異大的復雜工況。

3試驗驗證

3.1試驗方案

現(xiàn)場試驗采用頻率信號發(fā)生裝置模擬場站并網點PT的二次側信號，給出頻率試驗信號，并發(fā)送給光伏電站調頻控制系統(tǒng)測頻單元，數(shù)據記錄分析儀采集并網點電壓、電流及頻率信號發(fā)生裝置的頻率模擬信號，頻率信號發(fā)生裝置給出頻率試驗信號后，觀察試驗結果。

3.2試驗結果

圖2所示為一次調頻頻率階躍上擾試驗截圖，擾動頻率為50.2Hz，階躍前有功60.13MW，階躍后54.13MW，響應滯后時間0.14s，響應時間0.18s，調節(jié)時間0.18s，控制偏差0.01%。圖3所示為一次調頻頻率階躍下擾試驗截圖，擾動頻率為49.8Hz，階躍前有功55.05MW，階躍后61.28MW，響應滯后時間0.14s，響應時間0.18s，調節(jié)時間0.18s，控制偏差0.24%。

4結語

在揚州寶應射陽湖光伏電站進行的一次調頻試驗，證明了本文提出的一次調頻控制策略的合理性和優(yōu)越性，實現(xiàn)了200ms以內的有功控制和一次調頻響應，具有較好的推廣意義。

作者:葉青 夏國慶 蔡德勝 單位:上海電力新能源發(fā)展有限公司 南京豐道電力科技有限公司