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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