光伏電站參與大電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制增益分析

王治國(guó)，薛水蓮

（西安德納檢驗(yàn)檢測(cè)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(shí)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(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也取得傲人的成績(jī)，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(zhǎng)迅猛的發(fā)展趨勢(shì)，但發(fā)展勢(shì)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(dòng)慣量，隨著光伏滲透率的逐漸提升，對(duì)電力系統(tǒng)頻率安全將產(chǎn)生不可估計(jì)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(jì)

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(shí)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(shí)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(duì)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)及對(duì)有功進(jìn)行控制。通過對(duì)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(huì)結(jié)合具體的偏差值和頻率增益對(duì)發(fā)電有功出力進(jìn)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(dòng)作死區(qū)閾值；fH1代表超過頻率額定值的動(dòng)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)際的頻率越過調(diào)頻死區(qū)時(shí)，一次調(diào)頻控制功能將會(huì)開啟。一次調(diào)頻控制可以根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)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(biāo)進(jìn)行分配計(jì)算，采取并行下發(fā)的方式，對(duì)其功率進(jìn)行調(diào)整，對(duì)各個(gè)逆變器傳達(dá)調(diào)控指令，逆變器根據(jù)指令對(duì)有功輸出進(jìn)行控制和調(diào)整，這個(gè)過程就是光伏電站進(jìn)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(dòng)后，頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)頻率偏差及時(shí)調(diào)整，并對(duì)調(diào)頻控制進(jìn)行相應(yīng)的更新，為確保一次調(diào)頻效率，對(duì)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(duì)時(shí)間進(jìn)行考慮。經(jīng)過大量實(shí)踐證明：與單機(jī)調(diào)頻方式相比，采用場(chǎng)站級(jí)功率控制系統(tǒng)的效果更佳，在這個(gè)系統(tǒng)控制過程中，需要對(duì)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行考慮，其一是系統(tǒng)控制指令傳遞到逆變器的時(shí)間，其二是逆變器接到指令執(zhí)行的時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)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(duì)死區(qū)的特點(diǎn)和性質(zhì)進(jìn)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(gè)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(jìn)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(jìn)行判定，并且能夠計(jì)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(shí)，那么圖4中調(diào)控系統(tǒng)就會(huì)逐漸穩(wěn)定；反之，死區(qū)環(huán)節(jié)就會(huì)逐漸形成動(dòng)態(tài)，而最終形成震蕩發(fā)散問題，但是這個(gè)時(shí)候飽和環(huán)節(jié)就會(huì)啟用其自身的作用，讓整個(gè)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(jìn)行結(jié)合，當(dāng)一次調(diào)頻控制停止進(jìn)行，或者頻率與死區(qū)相差較大時(shí)，電站就會(huì)采用AGC控制技術(shù)，反之采用一次調(diào)頻控制技術(shù)，對(duì)AGC控制技術(shù)進(jìn)行封閉停止。系統(tǒng)在采用一次調(diào)頻控制技術(shù)時(shí)，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(shí)，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(dú)立裝置運(yùn)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(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)交換共享。基于AGC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(shì)將二者進(jìn)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(shí)，系統(tǒng)運(yùn)用一次調(diào)頻控制狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到頻率恢復(fù)至死區(qū)范圍，系統(tǒng)不會(huì)馬上停止一次調(diào)頻控制，而是采取延時(shí)環(huán)節(jié)將系統(tǒng)保持一段時(shí)間的一次調(diào)頻控制模式，然后再進(jìn)入到AGC模式中。這個(gè)過程的目的就是為了避免系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度較大造成一次調(diào)頻控制頻繁啟用和退出，進(jìn)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(huì)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(jī)容量比重能夠得到控制所需的目標(biāo)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(wú)法進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)，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(shí)，一直都是處于限電運(yùn)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(shí)，電站就會(huì)對(duì)有功備用容量進(jìn)行擴(kuò)充，以此為基礎(chǔ)，如何提升調(diào)頻控制能力對(duì)逆變器有功分配策略提出更高的需求[5]。

本文針對(duì)分配策略進(jìn)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(duì)逆變器進(jìn)行控制的目標(biāo)值，Pi代表逆變器的實(shí)時(shí)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(biāo)值與電站實(shí)時(shí)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(gè)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(jì)算公式如下：

式中：k表示第i臺(tái)逆變器對(duì)應(yīng)的樣本類型編號(hào)，Mk表示編號(hào)為k的所有樣本逆變器總數(shù)，Pjmax表示編號(hào)為k的第j臺(tái)逆變器實(shí)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(biāo)值，Pi表示分配計(jì)算各個(gè)逆變器的實(shí)時(shí)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(biāo)值和電站實(shí)時(shí)有功功率值相減計(jì)算獲得，其中減益為負(fù)數(shù)值。在運(yùn)用一次調(diào)頻控制技術(shù)對(duì)電站進(jìn)行減益時(shí)，可對(duì)逆變器的實(shí)時(shí)有功功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保控制效率及精度。

3 結(jié)論

光伏發(fā)電自身具備一定的間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)，當(dāng)光伏發(fā)電并入大電網(wǎng)時(shí)，光伏電站的出力伴隨隨機(jī)性和波動(dòng)性的變化，對(duì)國(guó)家電網(wǎng)的平衡會(huì)造成一定的影響。因此對(duì)高滲透考慮的光伏入網(wǎng)進(jìn)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(duì)光伏發(fā)電行業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展有重要作用。