葉青 夏國慶 蔡德勝
摘要:近年來,新能源裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致電網(wǎng)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(diào)頻系統(tǒng)的措施。一次調(diào)頻系統(tǒng)直采光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、電流,計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率和頻率,當(dāng)電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率越過死區(qū)后啟動(dòng)一次調(diào)頻控制功能,根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)值,按照預(yù)置的有功控制策略調(diào)節(jié)光伏逆變器,完成一次調(diào)頻控制。目前該技術(shù)已在揚(yáng)州寶應(yīng)射陽湖光伏電站中試點(diǎn)運(yùn)行,一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間小于200 ms,達(dá)到了光伏電站參與維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的目的。
關(guān)鍵詞:光伏電站;光伏逆變器;一次調(diào)頻;有功功率控制
中圖分類號(hào):TM615? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? 文章編號(hào):1671-0797(2022)04-0004-04
DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.002
0? ? 引言
近年來,我國風(fēng)機(jī)和光伏裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大,“十四五”期間,全國新能源裝機(jī)規(guī)模將超過8億kW,裝機(jī)容量占比達(dá)29%,年發(fā)電量達(dá)1.5萬億kW·h。風(fēng)電和光伏的發(fā)電原理不同于傳統(tǒng)電源,在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)時(shí)沒有旋轉(zhuǎn)慣量[1-2]進(jìn)行支撐,使電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性下降。為了保證高比例新能源接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性,迫切需要新能源參與維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。當(dāng)前,新能源參與維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的方式主要有兩種:一是AGC[3](自動(dòng)發(fā)電控制)方式,調(diào)度中心下發(fā)指令至風(fēng)機(jī)/光伏逆變器出力完成時(shí)間長達(dá)1 min左右,這種方式只能參與電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻,無法維持電網(wǎng)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(diào)頻裝置,一次調(diào)頻裝置根據(jù)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)新能源電站的有功出力,參與電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻控制,電網(wǎng)頻率失去穩(wěn)定至風(fēng)機(jī)/光伏逆變器出力完成時(shí)間大約15 s[4]。
本文在光伏逆變器有功快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化一次調(diào)頻控制策略,達(dá)到光伏電站參與維持電網(wǎng)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(diào)頻控制發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)階段光伏電站一次調(diào)頻控制中,戶外方陣中的逆變器等設(shè)備通過串口接入到方陣中的通信管理機(jī)或箱變測(cè)控等規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置,規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)104規(guī)約[5]后,再通過光纖環(huán)網(wǎng)接入到站內(nèi)環(huán)網(wǎng)總交換機(jī),然后再經(jīng)過2~3級(jí)交換機(jī)接入到一次調(diào)頻裝置,光伏、風(fēng)電等新能源電站的一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間一般為1~3 s。
1.2? ? 光伏電站快速一次調(diào)頻系統(tǒng)方案
對(duì)光伏電站一次調(diào)頻控制裝置采集側(cè)和算法兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)將站控層與逆變器之間的通信協(xié)議和通信物理節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(shí)間離散性,從而使逆變器具備有功快速響應(yīng)能力,一次調(diào)頻系統(tǒng)主控裝置下發(fā)指令至逆變器延時(shí)小于2 ms,一次調(diào)頻系統(tǒng)快速采集電網(wǎng)頻率并根據(jù)P—F下垂特性曲線調(diào)節(jié)光伏電站有功出力,達(dá)到光伏電站參與維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的目的。
2? ? 一次調(diào)頻控制策略優(yōu)化
一次調(diào)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(xiàn)[6]。
2.1? ? 一次調(diào)頻控制流程
一次調(diào)頻系統(tǒng)直采光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、電流,計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率,通過快速測(cè)頻算法計(jì)算出并網(wǎng)點(diǎn)的頻率,當(dāng)電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率越過死區(qū)后啟動(dòng)一次調(diào)頻控制功能,根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)值,如有功實(shí)測(cè)值超出有功目標(biāo)值死區(qū)范圍外,將一次調(diào)頻有功目標(biāo)值按照預(yù)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(yīng)的有功控制指令后完成一次調(diào)頻控制。一次調(diào)頻控制流程如圖1(a)所示。
2.2? ? 有功控制策略
當(dāng)電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率變化越過死區(qū),一次調(diào)頻控制功能啟動(dòng)后,根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)值,如有功實(shí)測(cè)值超出有功目標(biāo)值死區(qū)范圍外,將一次調(diào)頻有功目標(biāo)值按照預(yù)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(shí)時(shí)采樣計(jì)算出光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率P0,一次調(diào)頻動(dòng)作后根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)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(duì)值|ΔP|是否超出預(yù)設(shè)的有功調(diào)節(jié)死區(qū)D,如果超出則進(jìn)入下一步,否則返回。
步驟3,通過通信獲取逆變器的運(yùn)行狀態(tài)、有功功率等信息,建立逆變器運(yùn)行信息序列并進(jìn)入下一步。序列內(nèi)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(jī)容量;Pmin1至Pminn表示逆變器1至逆變器n不停機(jī)下的最小有功功率;S1至Sn表示逆變器1至逆變器n的當(dāng)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(yùn)行狀態(tài)并剔除樣板逆變器后得出,計(jì)算出可控逆變器的總數(shù)量N。
步驟4,根據(jù)當(dāng)前逆變器運(yùn)行信息計(jì)算逆變器總有功可增裕度和總有功可減裕度,單臺(tái)逆變器i的有功可增裕度Paddi=Pmax1-Pi,有功可減裕度Psubi=Pi-Pmin1,計(jì)算所有可控逆變器總有功可增裕度為Padd總=(Pmaxi-Pi),計(jì)算所有可控逆變器總有功可減裕度為Psub總=(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(jù)有功功率偏差ΔP,采取相應(yīng)的有功功率調(diào)節(jié)策略,如果ΔP大于預(yù)設(shè)的有功調(diào)節(jié)死區(qū)D,進(jìn)入(1);如果ΔP小于有功調(diào)節(jié)死區(qū)D的相反數(shù),則進(jìn)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(dāng)前所有可調(diào)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(jì)算逆變器i的有功指令Ptargeti,計(jì)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(duì)值|ΔP|是否大于Psub總,如果|ΔP|>Psub總,即當(dāng)前所有可調(diào)的逆變器有功功率運(yùn)行至最小時(shí)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(jì)算逆變器i的有功指令Ptargeti,計(jì)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(jì)算的逆變器有功功率指令下發(fā)給各個(gè)逆變器。
步驟7,等待逆變器完成有功功率指令的響應(yīng)過程,重新進(jìn)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(diào)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(hào)且光伏逆變器實(shí)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(shí)際最大有功功率與裝機(jī)容量近似的工況。相似調(diào)節(jié)裕度分配方式則需要精確計(jì)算光伏逆變器實(shí)際最大有功功率。由于逆變器型號(hào)不一致、光伏組件維護(hù)差異大等原因,光伏電站逆變器的實(shí)際最大有功功率數(shù)據(jù)差異很大,所有逆變器的實(shí)際最大有功功率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)離散性較大的特點(diǎn),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(diào)節(jié)裕度分配方式時(shí),需要根據(jù)輻照度、溫度等參數(shù)[8-9]計(jì)算出逆變器實(shí)際最大有功功率。首先需要計(jì)算逆變器最大有功功率Pcmaxi,計(jì)算公式如下:
式中:P標(biāo)稱i為組件標(biāo)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(jì)算逆變器總有功可增裕度Pcadd總:
式中:Pcmaxi為輻照度計(jì)算逆變器最大有功功率。
計(jì)算逆變器i的有功指令Ptargeti,計(jì)算公式如下:
由于光伏組件維護(hù)差異大等原因,組件標(biāo)稱功率差異很大,部分逆變器有功功率已經(jīng)滿發(fā),但輻照度計(jì)算最大有功功率遠(yuǎn)大于實(shí)際最大有功功率,導(dǎo)致逆變器調(diào)節(jié)后實(shí)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(diào)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(jì)算逆變器實(shí)際最大有功功率,等功率調(diào)整分配方式可使調(diào)節(jié)后實(shí)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(hào)不一致、光伏組件維護(hù)差異大的復(fù)雜工況。
3? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證
3.1? ? 試驗(yàn)方案
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用頻率信號(hào)發(fā)生裝置模擬場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)PT的二次側(cè)信號(hào),給出頻率試驗(yàn)信號(hào),并發(fā)送給光伏電站調(diào)頻控制系統(tǒng)測(cè)頻單元,數(shù)據(jù)記錄分析儀采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流及頻率信號(hào)發(fā)生裝置的頻率模擬信號(hào),頻率信號(hào)發(fā)生裝置給出頻率試驗(yàn)信號(hào)后,觀察試驗(yàn)結(jié)果。
3.2? ? 試驗(yàn)結(jié)果
圖2所示為一次調(diào)頻頻率階躍上擾試驗(yàn)截圖,擾動(dòng)頻率為50.2 Hz,階躍前有功60.13 MW,階躍后54.13 MW,響應(yīng)滯后時(shí)間0.14 s,響應(yīng)時(shí)間0.18 s,調(diào)節(jié)時(shí)間0.18 s,控制偏差0.01%。
圖3所示為一次調(diào)頻頻率階躍下擾試驗(yàn)截圖,擾動(dòng)頻率為49.8 Hz,階躍前有功55.05 MW,階躍后61.28 MW,響應(yīng)滯后時(shí)間0.14 s,響應(yīng)時(shí)間0.18 s,調(diào)節(jié)時(shí)間0.18 s,控制偏差0.24%。
4? ? 結(jié)語
在揚(yáng)州寶應(yīng)射陽湖光伏電站進(jìn)行的一次調(diào)頻試驗(yàn),證明了本文提出的一次調(diào)頻控制策略的合理性和優(yōu)越性,實(shí)現(xiàn)了200 ms以內(nèi)的有功控制和一次調(diào)頻響應(yīng),具有較好的推廣意義。
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收稿日期:2021-11-22
作者簡介:葉青(1978—),男,上海人,工程師,研究方向:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。
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