楊立濱，張磊，劉艷章，李正曦，宗鳴

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，沈陽市 110870；2.國網青海省電力公司清潔能源發(fā)展研究院，西寧市 810000；3.中國電力科學研究院有限公司，南京市 210003)

0 引 言

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，以風電和光伏為代表的新能源接入規(guī)模將進一步增大并替換常規(guī)電源，電力系統(tǒng)備用優(yōu)化策略等將發(fā)生變化，電網應對功率波動與缺額、電壓無功平衡特性、緊急狀態(tài)下電網調度控制等都面臨著挑戰(zhàn)[1-2]。不同于常規(guī)電源，新能源發(fā)電功率呈現隨機波動性，其并網運行使得由負荷隨機的單隨機系統(tǒng)變成了電源和負荷都隨機變化的雙隨機系統(tǒng)，因此，亟需實時掌握新能源場站的并網性能，并結合預測結果，提升新能源發(fā)電的可調度性與可控制性。

目前，對新能源場站性能評估的相關研究集中在規(guī)劃消納層面和電能質量角度，例如文獻[3-4]針對風電“理論-可用-實際”全環(huán)節(jié)，建立了逐層分類的風電運行消納全過程評價指標體系和評價方法，可定量分析風電“從資源到電能”的全過程發(fā)電水平；文獻[5]針對光伏利用最佳傾角、年均效率、容量因子等，構建了涵蓋資源與電站性能的指標體系和計算方法，實例表明其可在宏觀層面支撐光伏發(fā)電規(guī)劃及消納。在新能源發(fā)電電能質量評估方面，國標GB/T 13325、GB/T 1232、GB/T 14549、GB/T 15945和GB/T 15543是基礎核心，相關研究多圍繞此標準的有關技術要求在新能源領域科學合理應用進行討論[6]。針對新能源發(fā)電并網運行要求，國內外均頒布了相應標準和規(guī)定[7-10]，但如何客觀評價新能源場站的并網性能，目前國家或行業(yè)均未有相應的標準頒布，且鮮有文獻報道。

此外，當前電力調度部門對新能源數據信息處理多采用集中式，即在電網調度中心建立一個存儲實時量測數據和評估結果的數據庫，所有分析計算及應用均在調度中心實現。由于運行層面的性能評估所需數據量遠遠大于規(guī)劃層面，這種方式存在以下不足：1)受傳輸通道限制，數據更新難及時，且維護量巨大；2)數據集中存儲，風險性大；3)場站眾多，評估分析所需資源量大；4)整體分析的錯誤不易局部定位。因此，采用新能源場站集中式并網性能評估的工程化應用門檻高、實際效果差。邊緣計算通過將部分計算任務遷移至近數據源的計算資源上就地運行處理，提高數據處理效率，解決主站計算資源壓力等[11]，可將該思想引入新能源場站并網性能評估，以保障和提升電網對新能源場站并網性能的感知能力與調度運行控制能力。

本文首先基于邊緣計算思想，針對新能源場站并網性能評估提出“新能源場站-調度中心”分布式框架，構建其邊緣計算架構，實現終端開發(fā)和應用；然后，給出新能源場站并網性能評估指標體系及關鍵電氣參數和指標參數計算方法；最后，以光伏發(fā)電頻率響應能力評估為例，對分布式框架下的新能源場站并網性能評估進行實例說明，得出有益結論。

1 并網性能評估架構及實現

1.1 分布式并網性能評估框架

新能源場站集中式并網性能評估是新能源場站和電網將信息上傳至電網調度(主站)，由主站針對電網需求和目標進行分析計算，這是當前電網調度采用的模式；該模式下，主站的硬件投入、數據傳輸、信息維護及計算效率一定程度上都受到制約。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的構建，電網對新能源場站可觀、可測、可調、可控的要求日益迫切，新能源場站全景感知與精細化控制等高級應用也將越來越豐富；同時，數據信息獲取與分析是新能源場站及電網各類高級應用實施的基礎，為有效降低集中式新能源場站并網性能評估的工程化應用門檻，可以針對評估目標，在新能源場站(子站)端完成數據采集、預處理和指標計算后，將結果及場站運行狀態(tài)上傳至主站，由主站將其與電網狀態(tài)信息進行拼接和綜合分析，為新能源發(fā)電調度運行提供輔助決策，本文稱之為新能源場站分布式并網性能評估，其框架如圖1所示。

圖1 新能源場站分布式并網性能評估框架Fig.1 Distributed framework of grid-connection performance evaluation for renewable energy station

在新能源場站分布式并網性能評估框架中，新能源發(fā)電單元與并網點信息經測控裝置采集、預處理和集成后，與新能源場站資源監(jiān)測和功率預測信息依據新能源場站信息建模規(guī)則錄入實時數據庫；支撐電網安全穩(wěn)定運行的新能源場站仿真模型及參數等信息存儲于模型靜態(tài)數據庫中。子站端完成并網標準符合性分析和模型參數辨識后，將經過處理的熟數據及分析結果上傳至主站，其中，并網標準符合性分析是指利用新能源場站運行數據信息計算得到指標參數與提煉量化的并網標準關鍵指標進行比對，評判其是否能實時滿足相關規(guī)定，模型參數辨識是指通過實測數據及特定擾動/故障設置，對新能源場站機電暫態(tài)仿真關鍵參數進行識別。主站端基于新能源場站調節(jié)能力評估生成其調度控制指令，同時采用新能源等值建模技術完成區(qū)域多新能源場站模型聚合，以支撐主站電網運行狀態(tài)模擬及安全穩(wěn)定校核。電網能量管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)與主站交互，提供電網網架及運行等信息支撐。需要說明的是，新能源場站分布式并網性能評估框架涉及新能源場站的性能評價、電網主動支撐能力利用和管理等多個方面，本文工作主要是討論分布式框架下的新能源場站并網性能評估。

與傳統(tǒng)的新能源場站集中式并網性能評估相比，其優(yōu)點是：在新能源場站內，數據處理與分析計算規(guī)模小、速度快。同時，新能源場站內量測局部冗余度高，可有效將拓撲和開關量錯誤、壞數據等剔除在新能源場站內部。調度中心利用新能源場站輸出的熟數據及分析結果進行全網信息拼接和狀態(tài)評估，不但降低了遠程通信負擔，而且提高了分析評估的準確性與可靠性。

1.2 應用平臺架構

根據新能源場站分布式并網性能評估框架?；谶吘売嬎闼枷?，將子站端功能納入邊緣計算終端設計，其系統(tǒng)邏輯架構如圖2所示。

圖2 應用平臺架構Fig.2 Architecture of application platform

考慮到當前新能源場站通信規(guī)約多樣性，邊緣計算終端信息監(jiān)測遵循IEC 61970、IEC 61968、IEC 61850等電網數據信息標準模型，且可模塊化組態(tài)。邊緣計算架構下新能源發(fā)電并網性能評估從下至上分別由感知設備、計算終端、協(xié)同網關和數據主站組成，融合網絡、計算、存儲和應用的核心能力，通過軟件定義終端，實現多類型高級應用靈活部署。

1)感知設備由錄波裝置及智能傳感器構成，負責收集與緩存系統(tǒng)錄波數據。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，對故障發(fā)生前后的系統(tǒng)運行數據進行記錄。

2)計算終端為終端核心，采用模塊化結構設計，提供底層計算服務，各計算節(jié)點間相互獨立并提供標準的服務訪問接口。

3)協(xié)同網關支持各種主流工業(yè)通信協(xié)議，提供定制規(guī)約的統(tǒng)一轉換，支持計算節(jié)點間的數據交互及多源數據的實時上送。

4)數據主站負責子站與電網信息融合分析。

基于該架構實現的平臺如圖3所示，目前該平臺已在國網青海省電力公司大數據中心開展試點應用。

圖3 應用平臺界面Fig.3 Interface of application platform

2 并網性能評估指標和方法

2.1 評估指標

基于分層分類原則，結合相關要求[8-9,12-13]，將新能源場站并網性能評估指標體系設計成6個二級指標和20個三級指標，如圖4所示。

圖4 新能源場站并網性能評估指標體系Fig.4 Index system of grid-connection performance evaluation for renewable energy station

二級指標包括有功控制類、無功控制類、故障穿越控制類、電能質量類、電網適應性類和頻率響應控制類6個方面，一級指標由主站指標根據電網分區(qū)運行差異情況對二級指標設置不同權重累加求取。前5類指標依據并網技術規(guī)定等相關要求構建，由于相關標準對新能源場站參與電網頻率調節(jié)未做明確要求，而隨著西北新能源發(fā)電滲透率不斷提升，為提高電網頻率安全防控能力，2018年8月西北試點開展新能源場站快速頻率響應功能試點改造，指標體系中頻率響應類指標即根據改造需求構建[14]，包括快速頻率響應能力和虛擬轉動慣量支撐能力。

2.2 評估方法

新能源場站并網性能評估包括數據預處理、電氣參數計算、指標參數計算和并網性能評估4個環(huán)節(jié)，如圖5所示，其中數據預處理是將新能源場站測控采集數據(包括場站功率控制系統(tǒng)指令)中的壞數與死數進行處理與修復，同時根據分析需求，對各類采集數據進行采樣或插值，保障其時鐘同步和分辨率合理、對應且使信息不失真；電氣參數計算對采集的新能源場站及樣板發(fā)電單元的電壓、電流、功率等的基波正序分量計算，完成電氣參數的瞬時值向有效值轉換，對系統(tǒng)頻率進行參數估計；指標參數計算是對標準指標或曲線進行自動生成，同時也可根據事件觸發(fā)生成定制化的指標或曲線；并網性能評估包括兩方面，一是針對單項指標的評估，多采用比對法，屬于子站級功能，另一個是綜合性能評估，即根據評估“打分表”確定加權系數，對一級評估指標進行計算，屬于主站級功能，當前，加權系數主要根據電網運行經驗對新能源場站分區(qū)域設定。

圖5 新能源場站并網性能評估方法Fig.5 Evaluation method for grid-connection performance of renewable energy station

針對新能源場站并網性能評估的工程化應用，數據預處理與電氣參數基波分量提取是各項數據分析的基礎；有功功率設定值控制能力用于描述新能源場站出力響應電網調度控制指令的能力，是電網調控期間需要重點關注的指標；頻率是電壓、電流幅值與相位估計的基礎，測量與估計的數值算法對其變化敏感，頻率參數估計的算法選擇為評估準確性提供保障。

1)數據預處理。

數據預處理是對數據分析和加工的技術過程，包括對各類原始數據的分析、整理、修正、編輯等。數據異常分為人為原因和系統(tǒng)原因兩類。人為原因指人的主觀失誤、歷史局限等造成的數據缺失，用判斷域值的方法修正，若用判斷域值的方法不能修正，則直接刪除。系統(tǒng)原因指數據存儲失敗、存儲器損壞或其他原因導致數據異常，用變量聯(lián)合匹配法和平滑濾波法修正[15]。

缺失值處理是數據處理的重要環(huán)節(jié)。數字型非隨機變量缺失值較為常見，一般處理方法有指定默認值法、平均值法、中位數法、最值法、眾數法及拉格朗日/回歸插值法等。此外，相量測量單元(phasor measurement unit, PMU)等量測設備采樣精度較高，而部分并網性能指標計算僅需較低采樣率，需要降采樣處理。同時，若來自于不同設備采集的數據時鐘不能保證匹配，為了提高分析可信度和精度，可對特定時段數據進行插值。

2)電氣參數基波分量提取。

電壓、電流和功率等電氣參數的準確計算是決定并網性能指標評估準確的關鍵。電壓、電流和功率的計算關注其基波正序分量，以電壓為例，其基波正序分量為：

(1)

(2)

(3)

式中：IP1+、IQ1+分別為正序有功和無功電流；P1+、Q1+分別為基于正序分量計算的有功和無功功率；U1+為電壓的基波正序分量；u1+,cos、i1+,cos分別為電壓與電流的基波正序有功分量；u1+,sin、i1+,sin分別為電壓與電流的基波正序無功分量。

3)有功功率設定值控制能力計算。

有功功率設定值控制能力描述新能源場站出力響應電網調度控制指令的能力，包括有功功率最大偏差和響應時間。圖6所示為有功功率控制能力分析示意圖，圖中，P1、P2為有功功率初始運行值與設定控制目標值；P3為設定值控制期間有功功率偏離控制目標的最大運行值；Pmax、Pmin分別為設定值控制期間有功功率允許偏差上限與下限；tp,0、tp,2為設定值控制開始與結束時刻；tp,1為設定值控制期間有功功率持續(xù)運行在允許范圍內的開始時刻。

圖6 有功功率控制能力分析示意圖Fig.6 Diagram for evaluation of active power control

新能源場站設定值控制期間有功功率允許偏差上限與下限為：

(4)

式中：Ps為新能源場站額定有功功率。新能源場站有功功率設定值控制期間的有功功率最大偏差σ與響應時間tp,res為：

(5)

4)頻率參數估計。

當前，常用的頻率參數估計方法有過零點法[16]、離散傅里葉(discrete fourier transform, DFT)法[17]、自適應陷波濾波(adaptive notch filtering, ANF)法[18]和鎖相環(huán)(phase-locked loop, PLL)法[19]。過零點法是IEC 61000-4-30采用的系統(tǒng)頻率估計的基本方法，通過2個過零點間的時間對頻率進行估計。該法對失真信號敏感，但在收斂性方面具有一定優(yōu)勢。DFT頻率估計采用遞歸DFT算法求取信號樣本相鄰2個窗口的相角差，計算頻率偏差，進而實現頻率估計。當樣本存在噪聲時，引入滑動平均濾波器(moving average filter, MAF)，獲取頻率偏差Δf的平均值，消除噪聲干擾，如圖7所示。

圖7 基于旋轉相量的頻率估計框圖Fig.7 Frequency estimation based on DFT

圖7中，x[n]為基礎頻率f1實際信號的樣本；N為周波采樣點；L為相鄰窗口間隔的采樣點。假設信號為余弦函數：

x[n]=cos[2π(f1+Δf)Tsn+θ1]

(6)

式中：x[n]為信號采樣樣本；f1為信號基波頻率；Δf為頻率偏差；Ts為2個采樣點的間隔時間；θ1為初始相位。相鄰窗口的頻率偏移為：

(7)

式中：∠X[1,n]、∠X[1,n-L]分別表示針對基波頻率f1，通過DFT算法求得的窗口間隔為L的2個相鄰窗口的相位(弧度)。

ANF適用于高噪聲環(huán)境的頻率測量，濾波器由2個系數k1與k2控制，用于產生極角和半徑自適應的極點，如式(8)所示。

(8)

式中：s′[n]為與陷波濾波器系數k1有關的靈敏度；e[n]為陷波輸出；μ為增益(0<μ<1)?？赏ㄟ^式(9)獲得頻率f。

(9)

式中：k1、k2為陷波濾波器的2個參數；r為由陷波濾波器系數k2確定的極點半徑；Ts為采樣周期；f為頻率估計值。

PLL采用對未知和理想正弦信號特征進行反饋迭代求取頻率參數，收斂性和穩(wěn)定性由內部增益控制，可用非線性方程組描述。

(10)

式中：u(t)、y(t)為輸入和輸出信號；e(t)為輸入與輸出信號的差值；A(t)、φ(t)、Ω(t)分別為輸入信號幅值、相位和頻率的狀態(tài)量；μ1、μ2、μ3均為正系數，影響算法收斂性、計算速度和準確性。

3 應用實例

當前，西北電網正有序推進新能源場站快速頻率響應改造工作，屆時新能源場站將具備頻率主動支撐能力[14]，對頻率響應能力的準確評估對于電網頻率防控能力的有效提升具有重要意義，同時，準確獲取系統(tǒng)的動態(tài)頻率是影響新能源并網性能多個關鍵指標評估的基礎。本節(jié)以青海某光伏電站輕載與重載工況下一次調頻、慣量測試的系列試驗數據為基礎，從參數估計方法選擇和頻率響應能力評估2個方面，詳述新能源場站頻率響應能力評估過程，并給出評估結果下一環(huán)節(jié)的應用說明。

3.1 頻率參數估計方法選擇

試驗過程中，頻率設定值依據0.5 Hz/s的速率向上爬升，子站端平臺讀取感知設備監(jiān)測記錄的逆變器出口側三相電壓和電流瞬時值波形，經數據預處理后進行頻率參數估計。本文分別采用DFT、ANF和PLL，對某一時段電壓信號進行分析，提取頻率信息，頻率起始上升階段的估計結果如圖8(a)所示，頻率恢復平穩(wěn)階段的估計結果如圖8(b)所示。圖中，紅虛線為頻率感知設備的錄波。

圖8 頻率參數估計結果對比Fig.8 Comparison for results of frequency estimation

由圖8可知，頻率從50.0 Hz升至51.4 Hz，PLL的跟隨性和魯棒性優(yōu)于DFT和ANF，DFT可通過改變傅立葉窗口大小來改善估計精度；ANF受高次諧波影響會產生較大估計誤差，可通過在輸入/輸出環(huán)節(jié)添加MAF或低通濾波器(low pass filter, LPF)改進。此外，頻率參數估計通過滑動窗口滾動計算，頻率采樣率和響應性能的分析精度也都可得到大幅提升。

3.2 頻率響應能力評估

新能源場站需經過特定功能改造才可具備頻率響應能力，頻率響應能力評估指標包括快速頻率響應能力和虛擬轉動慣量支撐能力?？焖兕l率響應能力包括響應滯后時間、響應時間、調節(jié)時間、控制偏差等,其定義為[14]：

1)響應滯后時間：自頻率越過新能源場站調頻死區(qū)開始到發(fā)電出力可靠的向調頻方向開始變化所需的時間。光伏、風電可達到2 s。

2)響應時間：自頻率超出調頻死區(qū)開始，至有功功率調節(jié)達到調頻目標值與初始功率之差的90%所需時間。風電可達到12 s，光伏可達到5 s。

3)調節(jié)時間：自頻率超出調頻死區(qū)開始，至有功功率達到穩(wěn)定(功率波動不超過額定出力±1%)的最短時間。風電、光伏均可達到15 s。

4)控制偏差：有功功率達到穩(wěn)定后，頻率實測值與目標值之差占頻率目標值的百分比。

虛擬轉動慣量支撐能力反映新能源虛擬慣量特性，用虛擬慣性時間常數描述[20]，如式(11)，涉及頻率變化量和變化率，對動態(tài)頻率參數估計的精度要求較高。

(11)

式中：TJ為虛擬慣性時間常數，參考值為4～12 s；fN為額定頻率；PN為額定有功功率；ΔP為有功變化量；df/dt為頻率變化率。

針對快速頻率響應能力的評估，分別將光伏電站置于輕載(有功出力在0.2～0.3 pu)和重載(有功出力在0.5～0.9 pu)2種工況下進行頻率階躍試驗，經過分析得到評估結果如表1所示，評估結果在相關要求范圍內。

表1 快速頻率響應能力評估結果Table 1 Evaluation results of fast frequency response capability

慣量測試過程中，光伏電站僅投入慣量控制功能，其響應曲線如圖9所示。由圖9可知，250.5～253.5 s時間段，頻率從50.01 Hz升至51.41 Hz，變化率為0.47 Hz/s，逆變器輸出功率存在約300 ms的延遲，在250.8 s由0.250 pu迅速降低至0.196 pu，有功功率下降了0.054 pu，計算得到慣性時間常數為5.7 s，在標準推薦值范圍內，評價結果合格。

圖9 虛擬轉動慣量響應Fig.9 Curve of virtual rotary inertia response

新能源場站頻率響應能力評估結果經通信上傳至主站，主站基于電網的電氣/地理分區(qū)，對分區(qū)新能源場站的頻率響應能力進行整體評價，實時掌握其頻率調節(jié)容量與調節(jié)性能，通過新能源場站出力的調整實現新能源消納與電網斷面高效利用的平衡。另外，基于對新能源場站頻率響應能力的評估結果，電網正常態(tài)運行時，可通過將新能源場站頻率支撐能力納入系統(tǒng)備用計劃，對全網調節(jié)資源進行優(yōu)化，提升電網經濟運行水平；電網緊急態(tài)運行時，可對新能源場站的調度控制有的放矢，使電網頻率防控水平得到切實提升。

4 結 論

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，為實時掌握新能源場站并網性能，提升新能源發(fā)電的可調控性，本文在提出新能源場站分布式并網性能評估框架的基礎上，對應用平臺架構進行了介紹，并給出了評估指標體系與方法，最后，以青海某光伏電站現場試驗為基礎，構建實例驗證，結果表明：

1)針對頻率參數估計，PLL在精度和收斂性方面具有一定優(yōu)勢，且數字實現方法簡單；DFT可通過改變傅立葉窗口大小來改善估計精度；ANF受高次諧波影響較大。

2)新能源場站分布式并網性能評估實現了數據預處理與電網級高級應用的科學分離，一方面可利用新能源場站內量測信息的局部冗余提升數據的準確性和可靠性，另一方面降低了新能源場站與電網調度的遠程通信負擔，為提升電網對新能源場站并網性能的感知能力與調控能力提供了有效解決思路。