王治國，薛水蓮

（西安德納檢驗檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

近幾年，隨著全球變暖，以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略意識不斷深入，全球都開始注重節(jié)能、環(huán)保理念，因此光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在全球得到空前發(fā)展。我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也取得傲人的成績，并且技術(shù)在世界上已經(jīng)名列前茅，在這樣的新常態(tài)下，保持增長迅猛的發(fā)展趨勢，但發(fā)展勢頭的迅猛也逐漸暴露出一些問題[1]。光伏發(fā)電采用的是變流器接入電網(wǎng)，電網(wǎng)傳統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)不適用于光伏，且光伏沒有轉(zhuǎn)動慣量，隨著光伏滲透率的逐漸提升，對電力系統(tǒng)頻率安全將產(chǎn)生不可估計的影響，為更好地配合電力系統(tǒng)調(diào)頻，要求光伏發(fā)電必須具備系統(tǒng)調(diào)頻的能力[2]。

1 光伏電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的技術(shù)分析

1.1 總體設(shè)計

以光伏電站廠站側(cè)AGC系統(tǒng)為控制基礎(chǔ)，增加一次調(diào)頻模塊以實現(xiàn)一次頻率調(diào)控功能，通過有功功率-頻率典型函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)不同頻率下的光伏電站有功功率控制。一次調(diào)頻控制能夠基于AGC系統(tǒng)的軟硬件，對頻率進行監(jiān)測及對有功進行控制。通過對現(xiàn)有的通信設(shè)備和通信鏈路的優(yōu)化，減少了額外新增通信控制回路的成本投入。具體系統(tǒng)軟件構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 一次頻率調(diào)控構(gòu)架圖

1.2 有功頻率控制

當(dāng)電網(wǎng)頻率存在偏差，且偏差幅度越過調(diào)頻死區(qū)，電站就會結(jié)合具體的偏差值和頻率增益對發(fā)電有功出力進行調(diào)節(jié)，調(diào)整依據(jù)公式為：

式中：ΔP代表電站輸出的有效功功率發(fā)生變化的量；fL1代表欠頻狀態(tài)下動作死區(qū)閾值；fH1代表超過頻率額定值的動作死區(qū)閾值；Kf1代表欠頻狀態(tài)下頻率調(diào)控增益；Kf2代表超過頻率額定值的控制增益；f代表當(dāng)前頻率監(jiān)測值。

控制模式圖如圖2所示，圖中：P0代表穩(wěn)定狀態(tài)下光伏電站有功功率初始值；PN代表有功功率設(shè)定值；f0代表系統(tǒng)頻率的標準值。

圖2 控制模式

1.3 一次調(diào)頻控制流程

一次調(diào)頻控制技術(shù)在正式使用過程中，系統(tǒng)實際的頻率越過調(diào)頻死區(qū)時，一次調(diào)頻控制功能將會開啟。一次調(diào)頻控制可以根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差進行相應(yīng)的計算，通過該技能夠得到有功調(diào)整量，優(yōu)化和調(diào)整電站有功功率指令，根據(jù)經(jīng)過優(yōu)化的指令將一次調(diào)頻控制目標進行分配計算，采取并行下發(fā)的方式，對其功率進行調(diào)整，對各個逆變器傳達調(diào)控指令，逆變器根據(jù)指令對有功輸出進行控制和調(diào)整，這個過程就是光伏電站進行一次調(diào)控控制的響應(yīng)流程[3]。一次調(diào)頻控制經(jīng)過相應(yīng)的程序啟動后，頻率的實時監(jiān)測系統(tǒng)就會根據(jù)頻率偏差及時調(diào)整，并對調(diào)頻控制進行相應(yīng)的更新，為確保一次調(diào)頻效率，對于光伏電站的有功調(diào)節(jié)速度不作要求。具體流程示意圖如圖3所示。

圖3 一次調(diào)頻控制流程示意圖

1.4 一次調(diào)頻控制增益

光伏電站參與系統(tǒng)一次調(diào)控過程中，除了必要的偏差控制以外，還需要對時間進行考慮。經(jīng)過大量實踐證明：與單機調(diào)頻方式相比，采用場站級功率控制系統(tǒng)的效果更佳，在這個系統(tǒng)控制過程中，需要對兩個時間常數(shù)進行考慮，其一是系統(tǒng)控制指令傳遞到逆變器的時間，其二是逆變器接到指令執(zhí)行的時間，這兩個時間常數(shù)可分別以慣性環(huán)節(jié)表示。具體一次調(diào)頻控制系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 一次調(diào)頻控制框圖

根據(jù)上述分析可知，只需要對死區(qū)的特點和性質(zhì)進行考慮，并且常規(guī)狀態(tài)下電源和光伏的死區(qū)環(huán)節(jié)和的參數(shù)一致，可以將二者看作一個死區(qū)環(huán)節(jié)，則上述一次調(diào)頻控制框圖可以表示為：

圖5 一次調(diào)頻控制等效模型示意圖

采用相同的方法和原理推導(dǎo)出上圖的閉環(huán)系統(tǒng)特征方程，并將其進行等效變換得到：

則有：

假設(shè)常規(guī)狀態(tài)下電源的一次調(diào)頻控制增益kd為特定的常數(shù)，那么就能根據(jù)非線性奈奎斯特原理進行判定，并且能夠計算出光伏一次調(diào)頻控制增益kRd的邊界穩(wěn)定值。當(dāng)增益不超過邊界值時，那么圖4中調(diào)控系統(tǒng)就會逐漸穩(wěn)定；反之，死區(qū)環(huán)節(jié)就會逐漸形成動態(tài)，而最終形成震蕩發(fā)散問題，但是這個時候飽和環(huán)節(jié)就會啟用其自身的作用，讓整個系統(tǒng)形成等幅振蕩狀態(tài)，維持系統(tǒng)平衡。

2 光伏電站一次調(diào)頻控制優(yōu)化策略

2.1 一次調(diào)頻與AGC配合

將一次調(diào)頻控制技術(shù)與AGC控制技術(shù)進行結(jié)合，當(dāng)一次調(diào)頻控制停止進行，或者頻率與死區(qū)相差較大時，電站就會采用AGC控制技術(shù)，反之采用一次調(diào)頻控制技術(shù)，對AGC控制技術(shù)進行封閉停止。系統(tǒng)在采用一次調(diào)頻控制技術(shù)時，有功功率控制的指令值為AGC指令和一次調(diào)頻控制量的代數(shù)和。并且當(dāng)電站頻率出現(xiàn)大幅度變化時，電站應(yīng)閉鎖AGC反向調(diào)節(jié)指令，避免出現(xiàn)有功功率反調(diào)的問題。

若采用獨立裝置運用一次頻率控制功能，就需要將AGC控制模式與一次調(diào)頻控制模式相結(jié)合，實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)交換共享?；贏GC系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能能夠利用數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢將二者進行有效結(jié)合[4]。

2.2 一次調(diào)頻控制推出邏輯優(yōu)化

當(dāng)符合一次調(diào)頻控制的所需條件時，系統(tǒng)運用一次調(diào)頻控制狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到頻率恢復(fù)至死區(qū)范圍，系統(tǒng)不會馬上停止一次調(diào)頻控制，而是采取延時環(huán)節(jié)將系統(tǒng)保持一段時間的一次調(diào)頻控制模式，然后再進入到AGC模式中。這個過程的目的就是為了避免系統(tǒng)頻率波動幅度較大造成一次調(diào)頻控制頻繁啟用和退出，進而提升控制效率和成果。

2.3 有功分配策略的優(yōu)化

光伏電站與普通的發(fā)電站不同，光伏電站的發(fā)電能力和輻照度存在直接關(guān)系，并且光伏組件的位置與朝向、逆變器的MPPT跟蹤方式和配置形式等方面存在的差異會直接影響光伏電站的發(fā)電能力和系統(tǒng)效率。常規(guī)的平均分配原則，依據(jù)逆變器裝機容量比重能夠得到控制所需的目標值。逆變器發(fā)電能力在電站需要增加有功功率輸出的情況下，無法進行計算和估計，最終影響電站有功功率的輸出和控制效率。

光伏電站在投入使用時，一直都是處于限電運行的狀態(tài)，系統(tǒng)頻率發(fā)生變化且電站需要增加有功功率輸出時，電站就會對有功備用容量進行擴充，以此為基礎(chǔ)，如何提升調(diào)頻控制能力對逆變器有功分配策略提出更高的需求[5]。

本文針對分配策略進行相應(yīng)的優(yōu)化，提出增益和減益有功功率的情況下采取不同策略，具體如下：

（1）增益優(yōu)化策略

式中：Pitar代表對逆變器進行控制的目標值，Pi代表逆變器的實時有功功率值，Pimax代表光伏電站逆變器最大發(fā)電功率值，Pizf代表逆變器經(jīng)過調(diào)頻控制增益的有功功率值，ΔP代表電站的有功功率調(diào)節(jié)值。該值可通過設(shè)定的一次調(diào)頻控制的目標值與電站實時有功功率相減得到的。

在光照情況下，逆變器能夠通過樣本法獲取最大發(fā)電功率，這個過程指的是以樣本逆變器為基礎(chǔ)，逆變器和樣本逆變器之間通過創(chuàng)建有功出力映射，就能獲得逆變器的最大發(fā)電功率，具體計算公式如下：

式中：k表示第i臺逆變器對應(yīng)的樣本類型編號，Mk表示編號為k的所有樣本逆變器總數(shù)，Pjmax表示編號為k的第j臺逆變器實際有功功率。

（2）減益優(yōu)化策略

式中：Pitar表示分配給逆變器控制目標值，Pi表示分配計算各個逆變器的實時有功功率值，ΔP表示電站有功功率調(diào)節(jié)量，該值通過一次調(diào)頻控制目標值和電站實時有功功率值相減計算獲得，其中減益為負數(shù)值。在運用一次調(diào)頻控制技術(shù)對電站進行減益時，可對逆變器的實時有功功率進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確?？刂菩始熬?。

3 結(jié)論

光伏發(fā)電自身具備一定的間歇性和隨機性特點，當(dāng)光伏發(fā)電并入大電網(wǎng)時，光伏電站的出力伴隨隨機性和波動性的變化，對國家電網(wǎng)的平衡會造成一定的影響。因此對高滲透考慮的光伏入網(wǎng)進行相應(yīng)分析和考慮，應(yīng)用調(diào)頻控制增益保證了電網(wǎng)穩(wěn)定性，對光伏發(fā)電行業(yè)的長久發(fā)展有重要作用。