基于光伏電站的快速頻率響應技術的仿真與研究

岳振亞，許英豪，馮 昊，艾紹偉

（許繼電氣股份有限公司中試部，河南 許昌 461000）

隨著國家能源結構的調整和對可再生能源的大力推廣，以光伏發電和風力發電為主的可再生新能源得到了快速發展，新能源在電網中占得比例越來越大。一方面新能源的大量并網解決了當前能源不足，有利于能源的可持續發展，另一方面，新能源的高滲透率導致電網強度下降，安全性降低，制約了以光伏發電和風電為主的新能源的發展，近幾年，西北電網的光伏發電并網率不足60%，所以，解決新能源高滲透率下的電網可靠性是迫切需要解決的問題[1]。

目前，國內光伏電站主流的功率調節以AGC系統為主，AGC 系統一般不具備主動調節功率的功能，主要通過調度系統下發功率調節目標值和依靠功率預測曲線進行預約式調節，這就導致了AGC系統調節效率比較低，一次功率調節可能需要兩輪以上調節才能完成。調節時間比較慢，一次成功的功率調節需要1 min以上[2]，而預約式功率調節需要依靠功率預測系統的準確預測，提前制定調節曲線，導致功率調節精度比較小，調節不夠靈活，不能根據電網的實時情況進行調節。而《國家能源局西北監管局關于開展西北電網新能源場站快速頻率響應功能推廣應用工作的批復》（西北能監市場〔2018〕41 號文件）中要求需要在并網點具備電網頻率快速調整能力，對光伏電站的快速頻率響應的時間要求是：從系統頻率擾動越限開始，到并網點檢測到光伏電站開始響應的允許響應滯后時間為2 s；而達到90%調節量的響應時間則要求不超過5 s。這幾乎超出了當前常規AGC系統的控制性能極限。

本文針對西北電網對光伏電站快速調頻的要求，通過仿真軟件對光伏電站快速調頻技術進行了仿真[3]。驗證了光伏電站快速調頻響應的有效性和實用性。

1 光伏電站快速頻率響應

1.1 快速頻率響應算法

光伏電站快速頻率響應是以頻率為變量，通過檢測光伏電站母線的頻率變化實現功率調節。其原理是根據有功-頻率下垂特性進行有功功率的調節,如圖1所示。

圖1 有功-頻率下垂特性示意圖

式中：fd為快速頻率響應死區，Hz；fn為系統額定頻率， Hz；f0為系統實時頻率，Hz；Pn為額定功率，MW；δ%為新能源快速頻率響應調差率，光伏電站設置為3%；P0為有功功率初值，MW。控制策略，如表1 所示。

表1 快速頻率響應控制策略

高頻擾動情況下，總發電有功功率不能低于發電機的功率下限，低頻擾動，總發電功率要根據實際工況，即可以上調時調節[4]。

1.2 主要技術指標

與AGC功率控制系統相比，快速頻率響應對光伏電站的各項指標提出了更高的要求，各項指標如表2所示。

表2 快速頻率響應主要技術指標

2 快速頻率響應的仿真

2.1 仿真工具的選擇

本次快速頻率響應仿真采用目前國內光伏電站普遍采用的功率控制系統進行仿真。光伏電站功率控制系統可以根據需求對光伏逆變器、電網母線、線路進行建模，并能對模型的詳細參數進行靈活配置，根據建立的模型，最終形成帶有電網拓撲結構的一次拓撲圖。通過在電網一次拓撲圖中對相應變量就行人工置數操作，最終實現快速頻率響應的仿真。通過人工置數操作，可以準確控制變量，快速實現各種工況下的仿真[5]，滿足電網快速頻率響應的仿真需求，而且光伏電站功率控制軟件具有良好的人機界面和多種日志功能，可實現仿真過程的全面監視和完成的數據查看。

2.2 仿真系統建模

仿真系統采用最小化建模實現光伏電站快速頻率響應的仿真，通過光伏電站功率控制系統建立2個逆變器模型、一條母線模型、一條公共連接點模型，2 個逆變器通過母線與公共點進行連接，最終通過公共點并網接入大電網。

通過建模工具的參數配置界面，可以配置光伏逆變器的所有參數，理論上能夠實現任何廠家逆變器的仿真。

為了測試方便，節省建模時間，設置逆變器額定功率為1500 kW。

根據西北的需求文檔參數配置：光伏電站f最大最小限50.1～49.9 Hz，緊急上下限50.2～49.8 Hz。

3 仿真結果分析

3.1 頻率越上線仿真

頻率上限參數設置值為50.1 Hz，通過一次拓撲結構母線的頻率參數，手動設置母線頻率為50.2 Hz。

3.2 頻率越下限仿真

頻率下限參數設置值為49.9 Hz，通過一次拓撲結構母線的頻率參數，手動設置母線頻率為49.8 Hz。

3.3 頻率越緊急上下限仿真

仿真系統設置的頻率緊急上下限為50.2 Hz 和49.8 Hz。設置母線頻率超過緊急上下限，根據西北電網要求頻率越緊急上下限時以新能源場站當前出力增加配置的固定步長控制，無特別要求光伏逆變器步長一般配置10%Pn（Pn逆變器額定功率）。

逆變器建模設置Pn為1500 kW，10%Pn步長是150 kW，2臺逆變器綜合步長為300 kW，所以上述仿真結果程符合頻率越緊急上限調節策略。

4 結束語

新能源的快速發展改變了電網的結構，如何保證高滲透下的電網安全性是新能源發展的前提，快速頻率響應解決了光伏發電站并網運行過程中存在的問題[6]，使光伏電站友好的并網運行，提高了光伏發電的利用率，特別是對我國西北地區高滲透率電網有著重要意義。本文通過對光伏電站快速頻率相應的仿真，驗證了光伏電站快速頻率響應的可用性和有效性。為光伏電站并網運行提供參考。