劉剛，陳海東，孫睿哲，彭佩佩

(1. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001；2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210037)

0 引言

截至2021年10月，中國可再生能源發(fā)電累計裝機容量突破10億kW，占全國發(fā)電總裝機容量比重達43.5%，其中光伏發(fā)電裝機穩(wěn)居世界第一[1]。在光伏高滲透率電網(wǎng)運行背景下，光伏出力的隨機性與波動性給電力系統(tǒng)的運行控制帶來了挑戰(zhàn)[2-5]。如何抑制源側(cè)波動對系統(tǒng)頻率性能的影響和合理配置備用調(diào)節(jié)資源成為當(dāng)前主要問題[6-11]。

目前，針對該問題，在理論上可通過提升光伏功率超短期預(yù)測精度并提前合理分配各光伏電站承擔(dān)有功出力值，可以在分鐘級時間尺度有效減小光伏出力波動程度[12-16]。光伏發(fā)電預(yù)測方法主要分為統(tǒng)計方法與物理方法兩種[12]。在統(tǒng)計方法上，文獻[13]通過對光伏電站歷史數(shù)據(jù)的探索性分析，對比多種回歸預(yù)測模型，針對影響功率的因素建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與非線性擬合的組合預(yù)測模型。文獻[14]則針對薄云等小擾動情況下的光伏超短期出力預(yù)測誤差，提出了對既有晴空序列模型的修正方法，進一步提升了光伏超短期出力預(yù)測精度。在物理方法上，文獻[15]以地基云圖所采集日間天空圖像為基礎(chǔ)，提出了光伏電站0～4 h的超短期功率預(yù)測方法。文獻[16]則在此基礎(chǔ)上提前預(yù)測云圖變化，提高了云圖數(shù)據(jù)的準確性，從而為超短期功率預(yù)測精度提升奠定了基礎(chǔ)。然而，上述功率預(yù)測方法通常僅能為15 min左右級周期的超短期調(diào)度提供參考功率基點預(yù)測值，對于秒級短時間尺度的未來無規(guī)則光照小擾動缺乏可靠的預(yù)知能力，難以實現(xiàn)出力在秒級短時間上的平穩(wěn)性，進而導(dǎo)致光伏滲透率提高時系統(tǒng)頻率更易發(fā)生波動。

現(xiàn)階段對于該問題的處理主要是通過儲能裝置補償光伏出力波動以平滑光伏有功輸出曲線，使光伏實際輸出有功盡量在短時秒級小擾動下保持對超短期調(diào)度值的準確跟隨[17-18]。然而該方法本質(zhì)上仍基于儲能低通濾波被動濾除光伏高頻波動分量，必然存在時間上的滯后性，且考慮到儲能配置的經(jīng)濟性問題，難以大規(guī)模推廣。同時，考慮到現(xiàn)已普遍要求新能源場站按額定功率10%減載提供調(diào)頻備用[19-20]，可基于此實時整合減載光伏電站有功備用資源，對受擾動光伏電站的出力波動進行補償，進而改善系統(tǒng)的頻率響應(yīng)性。

因此，本文基于自校正控制提出一種多光伏電站頻率主動支撐控制策略。首先，建立多個光伏電站集中并網(wǎng)系統(tǒng)模型及其參與頻率主動支撐控制的等效傳遞函數(shù)，其次，綜合前饋控制對擾動的預(yù)先主動補償作用與自校正控制對不確定擾動導(dǎo)致控制性能變化的抵御能力，設(shè)計基于前饋補償?shù)挠泄ψ孕Ｕ刂破鳎摽刂破魍ㄟ^自適應(yīng)無規(guī)則光照擾動動態(tài)校正光伏有功給定值，最終實現(xiàn)總實際出力仍能在無規(guī)則光照擾動下對超短期調(diào)度值的秒級精確跟隨。

1 多光伏電站集中并網(wǎng)系統(tǒng)等效模型

本文針對與公共母線相連的n座光伏電站研究其參與頻率主動支撐控制策略，光伏電站集中并網(wǎng)實際系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 光伏電站集中并網(wǎng)模型Fig. 1 Centralized grid-integration model of photovoltaic power plants

圖1中，光伏電站 PV1,···,PVn經(jīng)過并網(wǎng)逆變器后，依次經(jīng)過線路電感L1,···,Ln、電阻R1,···,Rn及變壓器T1,···,Tn接入并網(wǎng)公共母線，向電網(wǎng)注入功率P。光照強度G1,···,Gn的波動將使得系統(tǒng)源側(cè)出力波動，進而影響頻率f。根據(jù)GB/T 40595—2021要求，光伏電站普遍減載預(yù)留備用參與電網(wǎng)頻率支撐，圖1中PV1、PV2未受擾動，出力平穩(wěn)，故可以利用PV1、PV2的功率備用補償因光照變化造成的PV3,···,PVn的出力波動。

在傳統(tǒng)方法中，當(dāng)源側(cè)的光照波動造成出力波動后，對相應(yīng)的功率變化引起的頻率f變化問題，系統(tǒng)往往通過檢測到頻率變化后采用下垂控制調(diào)節(jié)有備用電站出力，模擬一次調(diào)頻以平抑出力波動帶來的頻率變化，該方法需要在檢測到頻率變化后才進行出力調(diào)整，具有一定的滯后性。

對此，本文基于前饋控制的思想提前補償光照引起的光伏出力波動，消除傳統(tǒng)下垂控制滯后性對電網(wǎng)頻率性能帶來的影響。并通過實施自校正控制最大限度地抑制隨機干擾（光照強度）對系統(tǒng)的影響，即自適應(yīng)校正控制量使得系統(tǒng)實際輸出能最大程度地跟隨期望輸出[21]。

綜上，本文基于自校正控制提出一種光伏電站頻率主動支撐控制策略，該控制策略根據(jù)時刻k的擾動情況，校正各光伏電站出力參考值u(k)，實現(xiàn)k+d時刻的頻率變化量Δf(k+d)最小。該控制策略下多光伏電站集中并網(wǎng)小信號等效頻率響應(yīng)模型示意如圖2所示。

圖2 多光伏集中并網(wǎng)系統(tǒng)小信號等效傳遞函數(shù)控制Fig. 2 Control block diagram of small-signal equivalent transfer function model of multi-photovoltaic centralized grid-integration system

圖2中：ai為第i座光伏電站的減載率；Pmaxi為第i座光伏電站的最大功率。頻率主動支撐自校正控制器通過測量各電站處的光照強度擾動序列 ΔG1,···,ΔGn，根據(jù)當(dāng)前各機組備用出力a1Pmax1,···,anPmaxn，自校正控制器求出此時需校正的有功給定值 ΔPref1,···,ΔPrefn，經(jīng)過具體補償電站執(zhí)行后用于主動補償由 ΔG1,···,ΔGn引起的出力波動 ΔPPV1,···,ΔPPVn，即自校正控制器以前饋補償?shù)姆绞街鲃邮顾泄夥娬静⒕W(wǎng)公共節(jié)點處的母線功率變化量ΔP=0，在Δf明顯變化前即消除或盡量抑制擾動ΔP，起到防患于未然的作用。

光伏源側(cè)輸出功率不平衡量ΔPPVi為

式中：TPVi為實施功率補償?shù)墓夥娬卷憫?yīng)時間常數(shù)；Ni(s)為光照變化量ΔGi與功率變化量ΔPPVi間的擾動傳遞函數(shù)。

光伏電站自身在檢測到電網(wǎng)頻率變化后提供的一次調(diào)頻支撐功率ΔPP為

式中：Δf為頻率偏差量；ki為第i座光伏電站的一次調(diào)頻下垂系數(shù)；K為光伏電站滲透率；Te為光伏電站一次調(diào)頻功率執(zhí)行時間常數(shù)。

并網(wǎng)同步機組提供的一次調(diào)頻響應(yīng)功率ΔPs為

式中：T為同步機時間常數(shù)；R為調(diào)速器系數(shù)；a為汽輪機增益系數(shù)。

系統(tǒng)總功率不平衡量ΔP和頻率偏差量Δf滿足以下關(guān)系

式中：H為電網(wǎng)等效慣性時間常數(shù)；D為等效阻尼。

2 光伏電站自校正控制器設(shè)計

本節(jié)基于第1節(jié)通過自校正控制提出的光伏電站頻率主動支撐控制策略，對圖2中的自校正控制器進行具體設(shè)計，以提高光伏電站出力在隨機光照波動下對超短期調(diào)度值的跟隨精度，主動減小光伏出力波動，改善系統(tǒng)頻率性能。

頻率主動支撐自校正控制在得到被控對象小信號等效傳遞函數(shù)模型對應(yīng)離散化傳遞函數(shù)后將其轉(zhuǎn)化為式(12)所示標準形式，然后結(jié)合式（14）（15），即可在k時刻計算出使k+d時刻頻率跟隨誤差最小的最優(yōu)控制量u(k)，即提前校正k時刻的光伏電站有功參考序列并下發(fā)，進而使性能指標J即頻率變化量最小，從而提前主動有效減少源側(cè)功率波動，提升了系統(tǒng)頻率性能。

3 算例分析

3.1 仿真拓撲介紹

本文采用IEEE 3機9節(jié)點系統(tǒng)作為基本仿真拓撲，在Matlab/Simulink中搭建了圖3所示的系統(tǒng)用于仿真分析，驗證所提頻率主動支撐控制策略的有效性。其中G1與G2為常規(guī)同步發(fā)電機組，裝機容量均設(shè)為10 MW， G3為并網(wǎng)光伏電站集群，包括PV1與PV2共2座光伏電站，對應(yīng)圖1中光伏電站集群n=2，L1、L2與L3為有功負荷。

圖3 仿真拓撲Fig. 3 Simulation topology

在仿真場景設(shè)置上，根據(jù)圖2所示光伏電站頻率主動支撐控制系統(tǒng)模型，首先對G3中PV1施加源側(cè)隨機光照擾動，其次引入自校正控制器對PV2有功給定值進行自適應(yīng)調(diào)整，以主動補償平滑PV1的出力波動，使G3總出力維持穩(wěn)定，以光伏集中并網(wǎng)節(jié)點3的頻率變化情況為仿真結(jié)果展開討論?；趫D3仿真拓撲，本文主要研究光照小范圍變化下有無自校正控制對光照隨機擾動下系統(tǒng)頻率的影響。對比研究上述自校正控制主動改變PV2有功出力與使用傳統(tǒng)下垂控制被動改變PV2出力的2種情況下頻率恢復(fù)曲線，以光照小范圍隨機波動為例證明自校正控制相較下垂控制提升頻率性能的有效性。

3.2 仿真分析

根據(jù)自校正控制系統(tǒng)模型與系統(tǒng)小信號等效模型，針對被控對象，即光伏電站PV1與PV2的逆變器執(zhí)行時間常數(shù)統(tǒng)一設(shè)置TPV為0.5 s。同時，設(shè)PV1與PV2內(nèi)部各光伏陣列處的零時刻初始輻射強度為1 000 W/m2，溫度為298 K，零時刻有功出力均為5 MW，即光伏初始滲透率為33%，并設(shè)光伏有功出力可向上調(diào)節(jié)至10 MW，向下調(diào)節(jié)至1 MW。對于擾動模擬，設(shè)置PV1內(nèi)部各光伏陣列從零時刻起受到圖4所示的小范圍隨機輻射強度擾動，即G每隔0.2 s變化一次，擾動傳遞函數(shù)N(s)參考文獻[22]，用常數(shù)0.03近似。

圖4 模擬光照輻射強度變化Fig. 4 Variation of simulated light radiation intensity

按照自校正控制器的設(shè)計流程，基于圖4擾動情況動態(tài)計算擾動下PV2需要自適應(yīng)調(diào)整的出力給定值并控制PV2參與頻率主動支撐。本文取4～6 s內(nèi)的輻射強度G對應(yīng)的系統(tǒng)出力與頻率為例，分別仿真對比了施加主動自校正控制與僅對減載光伏電站采用下垂控制的功率變化曲線與頻率變化曲線，結(jié)果如圖5 a)～b)所示。

圖5 仿真算例結(jié)果Fig. 5 Simulation results

在圖5的基礎(chǔ)上，為定量分析主動自校正控制相較傳統(tǒng)被動下垂控制對頻率動態(tài)性能的具體改善作用，本文選取頻率最低點與平均頻率變化率為主要頻率性能特征量化指標[23]，定量計算了4～6 s內(nèi)主動自校正控制與被動下垂控制作用下的二者大小，如表1所示。

表1 控制指標量化對比（滲透率33%）Table 1 Quantitative comparison of control indexes(penetration rate: 33%)

由圖5可知，在PV1受到隨機光照擾動而發(fā)生出力波動的情況下，采用自校正控制在每個采樣周期0.2 s時刻提前快速校正PV2出力給定值，相比于下垂控制被動等待頻率出現(xiàn)偏差再滯后調(diào)整PV2出力的方式，可以更有效抑制PV1出力變化造成的頻率波動。根據(jù)表1的控制指標量化對比結(jié)果，自校正控制相較下垂控制在該擾動下可將頻率最低點提高約0.04 Hz，同時使得平均頻率變化率減少約26.06%，證明了自校正控制自適應(yīng)提前校正光伏電站出力給定值可有效抑制頻率跌落深度并減小頻率平均變化率。

4 結(jié)論

本文針對目前新能源下垂控制需要檢測到系統(tǒng)頻率變化才被動進行出力調(diào)節(jié)的滯后性問題，提出了一種光伏電站有功自校正主動控制策略。該策略通過在頻率明顯變化前主動校正各光伏電站有功給定值，利用有備用光伏電站提前補償受擾光伏電站的出力波動，可有效提升光伏接入下新能源電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)性能。

仿真結(jié)果表明：自校正控制相較傳統(tǒng)下垂控制在設(shè)定擾動下可將頻率最低點提高約0.04 Hz，同時使得平均頻率變化率減少約26.06%，證明了采用自校正控制在頻率明顯變化前提前校正光伏電站出力給定值可有效抑制頻率跌落深度并減小頻率平均變化率。