基于分布式框架的新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估

楊立濱，張磊，劉艷章，李正曦，宗鳴

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng)市 110870；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司清潔能源發(fā)展研究院，西寧市 810000；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，南京市 210003)

0 引 言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，以風(fēng)電和光伏為代表的新能源接入規(guī)模將進(jìn)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(wǎng)應(yīng)對(duì)功率波動(dòng)與缺額、電壓無(wú)功平衡特性、緊急狀態(tài)下電網(wǎng)調(diào)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(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)性，其并網(wǎng)運(yùn)行使得由負(fù)荷隨機(jī)的單隨機(jī)系統(tǒng)變成了電源和負(fù)荷都隨機(jī)變化的雙隨機(jī)系統(tǒng)，因此，亟需實(shí)時(shí)掌握新能源場(chǎng)站的并網(wǎng)性能，并結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果，提升新能源發(fā)電的可調(diào)度性與可控制性。

目前，對(duì)新能源場(chǎng)站性能評(píng)估的相關(guān)研究集中在規(guī)劃消納層面和電能質(zhì)量角度，例如文獻(xiàn)[3-4]針對(duì)風(fēng)電“理論-可用-實(shí)際”全環(huán)節(jié)，建立了逐層分類的風(fēng)電運(yùn)行消納全過(guò)程評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，可定量分析風(fēng)電“從資源到電能”的全過(guò)程發(fā)電水平；文獻(xiàn)[5]針對(duì)光伏利用最佳傾角、年均效率、容量因子等，構(gòu)建了涵蓋資源與電站性能的指標(biāo)體系和計(jì)算方法，實(shí)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(zhì)量評(píng)估方面，國(guó)標(biāo)GB/T 13325、GB/T 1232、GB/T 14549、GB/T 15945和GB/T 15543是基礎(chǔ)核心，相關(guān)研究多圍繞此標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)技術(shù)要求在新能源領(lǐng)域科學(xué)合理應(yīng)用進(jìn)行討論[6]。針對(duì)新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行要求，國(guó)內(nèi)外均頒布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定[7-10]，但如何客觀評(píng)價(jià)新能源場(chǎng)站的并網(wǎng)性能，目前國(guó)家或行業(yè)均未有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頒布，且鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

此外，當(dāng)前電力調(diào)度部門對(duì)新能源數(shù)據(jù)信息處理多采用集中式，即在電網(wǎng)調(diào)度中心建立一個(gè)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)，所有分析計(jì)算及應(yīng)用均在調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)。由于運(yùn)行層面的性能評(píng)估所需數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)據(jù)更新難及時(shí)，且維護(hù)量巨大；2)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，風(fēng)險(xiǎn)性大；3)場(chǎng)站眾多，評(píng)估分析所需資源量大；4)整體分析的錯(cuò)誤不易局部定位。因此，采用新能源場(chǎng)站集中式并網(wǎng)性能評(píng)估的工程化應(yīng)用門檻高、實(shí)際效果差。邊緣計(jì)算通過(guò)將部分計(jì)算任務(wù)遷移至近數(shù)據(jù)源的計(jì)算資源上就地運(yùn)行處理，提高數(shù)據(jù)處理效率，解決主站計(jì)算資源壓力等[11]，可將該思想引入新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估，以保障和提升電網(wǎng)對(duì)新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能的感知能力與調(diào)度運(yùn)行控制能力。

本文首先基于邊緣計(jì)算思想，針對(duì)新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估提出“新能源場(chǎng)站-調(diào)度中心”分布式框架，構(gòu)建其邊緣計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)終端開發(fā)和應(yīng)用；然后，給出新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估指標(biāo)體系及關(guān)鍵電氣參數(shù)和指標(biāo)參數(shù)計(jì)算方法；最后，以光伏發(fā)電頻率響應(yīng)能力評(píng)估為例，對(duì)分布式框架下的新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估進(jìn)行實(shí)例說(shuō)明，得出有益結(jié)論。

1 并網(wǎng)性能評(píng)估架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

1.1 分布式并網(wǎng)性能評(píng)估框架

新能源場(chǎng)站集中式并網(wǎng)性能評(píng)估是新能源場(chǎng)站和電網(wǎng)將信息上傳至電網(wǎng)調(diào)度(主站)，由主站針對(duì)電網(wǎng)需求和目標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，這是當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)度采用的模式；該模式下，主站的硬件投入、數(shù)據(jù)傳輸、信息維護(hù)及計(jì)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(gòu)建，電網(wǎng)對(duì)新能源場(chǎng)站可觀、可測(cè)、可調(diào)、可控的要求日益迫切，新能源場(chǎng)站全景感知與精細(xì)化控制等高級(jí)應(yīng)用也將越來(lái)越豐富；同時(shí)，數(shù)據(jù)信息獲取與分析是新能源場(chǎng)站及電網(wǎng)各類高級(jí)應(yīng)用實(shí)施的基礎(chǔ)，為有效降低集中式新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估的工程化應(yīng)用門檻，可以針對(duì)評(píng)估目標(biāo)，在新能源場(chǎng)站(子站)端完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和指標(biāo)計(jì)算后，將結(jié)果及場(chǎng)站運(yùn)行狀態(tài)上傳至主站，由主站將其與電網(wǎng)狀態(tài)信息進(jìn)行拼接和綜合分析，為新能源發(fā)電調(diào)度運(yùn)行提供輔助決策，本文稱之為新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估，其框架如圖1所示。

圖1 新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估框架Fig.1 Distributed framework of grid-connection performance evaluation for renewable energy station

在新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估框架中，新能源發(fā)電單元與并網(wǎng)點(diǎn)信息經(jīng)測(cè)控裝置采集、預(yù)處理和集成后，與新能源場(chǎng)站資源監(jiān)測(cè)和功率預(yù)測(cè)信息依據(jù)新能源場(chǎng)站信息建模規(guī)則錄入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的新能源場(chǎng)站仿真模型及參數(shù)等信息存儲(chǔ)于模型靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中。子站端完成并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)符合性分析和模型參數(shù)辨識(shí)后，將經(jīng)過(guò)處理的熟數(shù)據(jù)及分析結(jié)果上傳至主站，其中，并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)符合性分析是指利用新能源場(chǎng)站運(yùn)行數(shù)據(jù)信息計(jì)算得到指標(biāo)參數(shù)與提煉量化的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，評(píng)判其是否能實(shí)時(shí)滿足相關(guān)規(guī)定，模型參數(shù)辨識(shí)是指通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及特定擾動(dòng)/故障設(shè)置，對(duì)新能源場(chǎng)站機(jī)電暫態(tài)仿真關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。主站端基于新能源場(chǎng)站調(diào)節(jié)能力評(píng)估生成其調(diào)度控制指令，同時(shí)采用新能源等值建模技術(shù)完成區(qū)域多新能源場(chǎng)站模型聚合，以支撐主站電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)模擬及安全穩(wěn)定校核。電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)與主站交互，提供電網(wǎng)網(wǎng)架及運(yùn)行等信息支撐。需要說(shuō)明的是，新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估框架涉及新能源場(chǎng)站的性能評(píng)價(jià)、電網(wǎng)主動(dòng)支撐能力利用和管理等多個(gè)方面，本文工作主要是討論分布式框架下的新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估。

與傳統(tǒng)的新能源場(chǎng)站集中式并網(wǎng)性能評(píng)估相比，其優(yōu)點(diǎn)是：在新能源場(chǎng)站內(nèi)，數(shù)據(jù)處理與分析計(jì)算規(guī)模小、速度快。同時(shí)，新能源場(chǎng)站內(nèi)量測(cè)局部冗余度高，可有效將拓?fù)浜烷_關(guān)量錯(cuò)誤、壞數(shù)據(jù)等剔除在新能源場(chǎng)站內(nèi)部。調(diào)度中心利用新能源場(chǎng)站輸出的熟數(shù)據(jù)及分析結(jié)果進(jìn)行全網(wǎng)信息拼接和狀態(tài)評(píng)估，不但降低了遠(yuǎn)程通信負(fù)擔(dān)，而且提高了分析評(píng)估的準(zhǔn)確性與可靠性。

1.2 應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估框架。基于邊緣計(jì)算思想，將子站端功能納入邊緣計(jì)算終端設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)Fig.2 Architecture of application platform

考慮到當(dāng)前新能源場(chǎng)站通信規(guī)約多樣性，邊緣計(jì)算終端信息監(jiān)測(cè)遵循IEC 61970、IEC 61968、IEC 61850等電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)模型，且可模塊化組態(tài)。邊緣計(jì)算架構(gòu)下新能源發(fā)電并網(wǎng)性能評(píng)估從下至上分別由感知設(shè)備、計(jì)算終端、協(xié)同網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)主站組成，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用的核心能力，通過(guò)軟件定義終端，實(shí)現(xiàn)多類型高級(jí)應(yīng)用靈活部署。

1)感知設(shè)備由錄波裝置及智能傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)收集與緩存系統(tǒng)錄波數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障發(fā)生前后的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

2)計(jì)算終端為終端核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供底層計(jì)算服務(wù)，各計(jì)算節(jié)點(diǎn)間相互獨(dú)立并提供標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)訪問接口。

3)協(xié)同網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)換，支持計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互及多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上送。

4)數(shù)據(jù)主站負(fù)責(zé)子站與電網(wǎng)信息融合分析。

基于該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)如圖3所示，目前該平臺(tái)已在國(guó)網(wǎng)青海省電力公司大數(shù)據(jù)中心開展試點(diǎn)應(yīng)用。

圖3 應(yīng)用平臺(tái)界面Fig.3 Interface of application platform

2 并網(wǎng)性能評(píng)估指標(biāo)和方法

2.1 評(píng)估指標(biāo)

基于分層分類原則，結(jié)合相關(guān)要求[8-9,12-13]，將新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估指標(biāo)體系設(shè)計(jì)成6個(gè)二級(jí)指標(biāo)和20個(gè)三級(jí)指標(biāo)，如圖4所示。

圖4 新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估指標(biāo)體系Fig.4 Index system of grid-connection performance evaluation for renewable energy station

二級(jí)指標(biāo)包括有功控制類、無(wú)功控制類、故障穿越控制類、電能質(zhì)量類、電網(wǎng)適應(yīng)性類和頻率響應(yīng)控制類6個(gè)方面，一級(jí)指標(biāo)由主站指標(biāo)根據(jù)電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行差異情況對(duì)二級(jí)指標(biāo)設(shè)置不同權(quán)重累加求取。前5類指標(biāo)依據(jù)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定等相關(guān)要求構(gòu)建，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新能源場(chǎng)站參與電網(wǎng)頻率調(diào)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(wǎng)頻率安全防控能力，2018年8月西北試點(diǎn)開展新能源場(chǎng)站快速頻率響應(yīng)功能試點(diǎn)改造，指標(biāo)體系中頻率響應(yīng)類指標(biāo)即根據(jù)改造需求構(gòu)建[14]，包括快速頻率響應(yīng)能力和虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐能力。

2.2 評(píng)估方法

新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、電氣參數(shù)計(jì)算、指標(biāo)參數(shù)計(jì)算和并網(wǎng)性能評(píng)估4個(gè)環(huán)節(jié)，如圖5所示，其中數(shù)據(jù)預(yù)處理是將新能源場(chǎng)站測(cè)控采集數(shù)據(jù)(包括場(chǎng)站功率控制系統(tǒng)指令)中的壞數(shù)與死數(shù)進(jìn)行處理與修復(fù)，同時(shí)根據(jù)分析需求，對(duì)各類采集數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣或插值，保障其時(shí)鐘同步和分辨率合理、對(duì)應(yīng)且使信息不失真；電氣參數(shù)計(jì)算對(duì)采集的新能源場(chǎng)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(jì)算，完成電氣參數(shù)的瞬時(shí)值向有效值轉(zhuǎn)換，對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；指標(biāo)參數(shù)計(jì)算是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)或曲線進(jìn)行自動(dòng)生成，同時(shí)也可根據(jù)事件觸發(fā)生成定制化的指標(biāo)或曲線；并網(wǎng)性能評(píng)估包括兩方面，一是針對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)估，多采用比對(duì)法，屬于子站級(jí)功能，另一個(gè)是綜合性能評(píng)估，即根據(jù)評(píng)估“打分表”確定加權(quán)系數(shù)，對(duì)一級(jí)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，屬于主站級(jí)功能，當(dāng)前，加權(quán)系數(shù)主要根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)新能源場(chǎng)站分區(qū)域設(shè)定。

圖5 新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估方法Fig.5 Evaluation method for grid-connection performance of renewable energy station

針對(duì)新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能評(píng)估的工程化應(yīng)用，數(shù)據(jù)預(yù)處理與電氣參數(shù)基波分量提取是各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)；有功功率設(shè)定值控制能力用于描述新能源場(chǎng)站出力響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度控制指令的能力，是電網(wǎng)調(diào)控期間需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)；頻率是電壓、電流幅值與相位估計(jì)的基礎(chǔ)，測(cè)量與估計(jì)的數(shù)值算法對(duì)其變化敏感，頻率參數(shù)估計(jì)的算法選擇為評(píng)估準(zhǔn)確性提供保障。

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

數(shù)據(jù)預(yù)處理是對(duì)數(shù)據(jù)分析和加工的技術(shù)過(guò)程，包括對(duì)各類原始數(shù)據(jù)的分析、整理、修正、編輯等。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)失敗、存儲(chǔ)器損壞或其他原因?qū)е聰?shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)。數(shù)字型非隨機(jī)變量缺失值較為常見，一般處理方法有指定默認(rèn)值法、平均值法、中位數(shù)法、最值法、眾數(shù)法及拉格朗日/回歸插值法等。此外，相量測(cè)量單元(phasor measurement unit, PMU)等量測(cè)設(shè)備采樣精度較高，而部分并網(wǎng)性能指標(biāo)計(jì)算僅需較低采樣率，需要降采樣處理。同時(shí)，若來(lái)自于不同設(shè)備采集的數(shù)據(jù)時(shí)鐘不能保證匹配，為了提高分析可信度和精度，可對(duì)特定時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。

2)電氣參數(shù)基波分量提取。

電壓、電流和功率等電氣參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算是決定并網(wǎng)性能指標(biāo)評(píng)估準(zhǔn)確的關(guān)鍵。電壓、電流和功率的計(jì)算關(guān)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(wú)功電流；P1+、Q1+分別為基于正序分量計(jì)算的有功和無(wú)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(wú)功分量。

3)有功功率設(shè)定值控制能力計(jì)算。

有功功率設(shè)定值控制能力描述新能源場(chǎng)站出力響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度控制指令的能力，包括有功功率最大偏差和響應(yīng)時(shí)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(yùn)行值與設(shè)定控制目標(biāo)值；P3為設(shè)定值控制期間有功功率偏離控制目標(biāo)的最大運(yùn)行值；Pmax、Pmin分別為設(shè)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(shè)定值控制開始與結(jié)束時(shí)刻；tp,1為設(shè)定值控制期間有功功率持續(xù)運(yùn)行在允許范圍內(nèi)的開始時(shí)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(chǎng)站設(shè)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(chǎng)站額定有功功率。新能源場(chǎng)站有功功率設(shè)定值控制期間的有功功率最大偏差σ與響應(yīng)時(shí)間tp,res為：

(5)

4)頻率參數(shù)估計(jì)。

當(dāng)前，常用的頻率參數(shù)估計(jì)方法有過(guò)零點(diǎn)法[16]、離散傅里葉(discrete fourier transform, DFT)法[17]、自適應(yīng)陷波濾波(adaptive notch filtering, ANF)法[18]和鎖相環(huán)(phase-locked loop, PLL)法[19]。過(guò)零點(diǎn)法是IEC 61000-4-30采用的系統(tǒng)頻率估計(jì)的基本方法，通過(guò)2個(gè)過(guò)零點(diǎn)間的時(shí)間對(duì)頻率進(jìn)行估計(jì)。該法對(duì)失真信號(hào)敏感，但在收斂性方面具有一定優(yōu)勢(shì)。DFT頻率估計(jì)采用遞歸DFT算法求取信號(hào)樣本相鄰2個(gè)窗口的相角差，計(jì)算頻率偏差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻率估計(jì)。當(dāng)樣本存在噪聲時(shí)，引入滑動(dòng)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(zhuǎn)相量的頻率估計(jì)框圖Fig.7 Frequency estimation based on DFT

圖7中，x[n]為基礎(chǔ)頻率f1實(shí)際信號(hào)的樣本；N為周波采樣點(diǎn)；L為相鄰窗口間隔的采樣點(diǎn)。假設(shè)信號(hào)為余弦函數(shù)：

x[n]=cos[2π(f1+Δf)Tsn+θ1]

(6)

式中：x[n]為信號(hào)采樣樣本；f1為信號(hào)基波頻率；Δf為頻率偏差；Ts為2個(gè)采樣點(diǎn)的間隔時(shí)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(duì)基波頻率f1，通過(guò)DFT算法求得的窗口間隔為L(zhǎng)的2個(gè)相鄰窗口的相位(弧度)。

ANF適用于高噪聲環(huán)境的頻率測(cè)量，濾波器由2個(gè)系數(shù)k1與k2控制，用于產(chǎn)生極角和半徑自適應(yīng)的極點(diǎn)，如式(8)所示。

(8)

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

(9)

式中：k1、k2為陷波濾波器的2個(gè)參數(shù)；r為由陷波濾波器系數(shù)k2確定的極點(diǎn)半徑；Ts為采樣周期；f為頻率估計(jì)值。

PLL采用對(duì)未知和理想正弦信號(hào)特征進(jìn)行反饋迭代求取頻率參數(shù)，收斂性和穩(wěn)定性由內(nèi)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(hào)；e(t)為輸入與輸出信號(hào)的差值；A(t)、φ(t)、Ω(t)分別為輸入信號(hào)幅值、相位和頻率的狀態(tài)量；μ1、μ2、μ3均為正系數(shù)，影響算法收斂性、計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)前，西北電網(wǎng)正有序推進(jìn)新能源場(chǎng)站快速頻率響應(yīng)改造工作，屆時(shí)新能源場(chǎng)站將具備頻率主動(dòng)支撐能力[14]，對(duì)頻率響應(yīng)能力的準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)于電網(wǎng)頻率防控能力的有效提升具有重要意義，同時(shí)，準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率是影響新能源并網(wǎng)性能多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)估的基礎(chǔ)。本節(jié)以青海某光伏電站輕載與重載工況下一次調(diào)頻、慣量測(cè)試的系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從參數(shù)估計(jì)方法選擇和頻率響應(yīng)能力評(píng)估2個(gè)方面，詳述新能源場(chǎng)站頻率響應(yīng)能力評(píng)估過(guò)程，并給出評(píng)估結(jié)果下一環(huán)節(jié)的應(yīng)用說(shuō)明。

3.1 頻率參數(shù)估計(jì)方法選擇

試驗(yàn)過(guò)程中，頻率設(shè)定值依據(jù)0.5 Hz/s的速率向上爬升，子站端平臺(tái)讀取感知設(shè)備監(jiān)測(cè)記錄的逆變器出口側(cè)三相電壓和電流瞬時(shí)值波形，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行頻率參數(shù)估計(jì)。本文分別采用DFT、ANF和PLL，對(duì)某一時(shí)段電壓信號(hào)進(jìn)行分析，提取頻率信息，頻率起始上升階段的估計(jì)結(jié)果如圖8(a)所示，頻率恢復(fù)平穩(wěn)階段的估計(jì)結(jié)果如圖8(b)所示。圖中，紅虛線為頻率感知設(shè)備的錄波。

圖8 頻率參數(shù)估計(jì)結(jié)果對(duì)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(guò)改變傅立葉窗口大小來(lái)改善估計(jì)精度；ANF受高次諧波影響會(huì)產(chǎn)生較大估計(jì)誤差，可通過(guò)在輸入/輸出環(huán)節(jié)添加MAF或低通濾波器(low pass filter, LPF)改進(jìn)。此外，頻率參數(shù)估計(jì)通過(guò)滑動(dòng)窗口滾動(dòng)計(jì)算，頻率采樣率和響應(yīng)性能的分析精度也都可得到大幅提升。

3.2 頻率響應(yīng)能力評(píng)估

新能源場(chǎng)站需經(jīng)過(guò)特定功能改造才可具備頻率響應(yīng)能力，頻率響應(yīng)能力評(píng)估指標(biāo)包括快速頻率響應(yīng)能力和虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐能力。快速頻率響應(yīng)能力包括響應(yīng)滯后時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、控制偏差等,其定義為[14]：

1)響應(yīng)滯后時(shí)間：自頻率越過(guò)新能源場(chǎng)站調(diào)頻死區(qū)開始到發(fā)電出力可靠的向調(diào)頻方向開始變化所需的時(shí)間。光伏、風(fēng)電可達(dá)到2 s。

2)響應(yīng)時(shí)間：自頻率超出調(diào)頻死區(qū)開始，至有功功率調(diào)節(jié)達(dá)到調(diào)頻目標(biāo)值與初始功率之差的90%所需時(shí)間。風(fēng)電可達(dá)到12 s，光伏可達(dá)到5 s。

3)調(diào)節(jié)時(shí)間：自頻率超出調(diào)頻死區(qū)開始，至有功功率達(dá)到穩(wěn)定(功率波動(dòng)不超過(guò)額定出力±1%)的最短時(shí)間。風(fēng)電、光伏均可達(dá)到15 s。

4)控制偏差：有功功率達(dá)到穩(wěn)定后，頻率實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值之差占頻率目標(biāo)值的百分比。

虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐能力反映新能源虛擬慣量特性，用虛擬慣性時(shí)間常數(shù)描述[20]，如式(11)，涉及頻率變化量和變化率，對(duì)動(dòng)態(tài)頻率參數(shù)估計(jì)的精度要求較高。

(11)

式中：TJ為虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，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(duì)快速頻率響應(yīng)能力的評(píng)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(jìn)行頻率階躍試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析得到評(píng)估結(jié)果如表1所示，評(píng)估結(jié)果在相關(guān)要求范圍內(nèi)。

表1 快速頻率響應(yīng)能力評(píng)估結(jié)果Table 1 Evaluation results of fast frequency response capability

慣量測(cè)試過(guò)程中，光伏電站僅投入慣量控制功能，其響應(yīng)曲線如圖9所示。由圖9可知，250.5～253.5 s時(shí)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(jì)算得到慣性時(shí)間常數(shù)為5.7 s，在標(biāo)準(zhǔn)推薦值范圍內(nèi)，評(píng)價(jià)結(jié)果合格。

圖9 虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量響應(yīng)Fig.9 Curve of virtual rotary inertia response

新能源場(chǎng)站頻率響應(yīng)能力評(píng)估結(jié)果經(jīng)通信上傳至主站，主站基于電網(wǎng)的電氣/地理分區(qū)，對(duì)分區(qū)新能源場(chǎng)站的頻率響應(yīng)能力進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)掌握其頻率調(diào)節(jié)容量與調(diào)節(jié)性能，通過(guò)新能源場(chǎng)站出力的調(diào)整實(shí)現(xiàn)新能源消納與電網(wǎng)斷面高效利用的平衡。另外，基于對(duì)新能源場(chǎng)站頻率響應(yīng)能力的評(píng)估結(jié)果，電網(wǎng)正常態(tài)運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)將新能源場(chǎng)站頻率支撐能力納入系統(tǒng)備用計(jì)劃，對(duì)全網(wǎng)調(diào)節(jié)資源進(jìn)行優(yōu)化，提升電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平；電網(wǎng)緊急態(tài)運(yùn)行時(shí)，可對(duì)新能源場(chǎng)站的調(diào)度控制有的放矢，使電網(wǎng)頻率防控水平得到切實(shí)提升。

4 結(jié) 論

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，為實(shí)時(shí)掌握新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能，提升新能源發(fā)電的可調(diào)控性，本文在提出新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估框架的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行了介紹，并給出了評(píng)估指標(biāo)體系與方法，最后，以青海某光伏電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1)針對(duì)頻率參數(shù)估計(jì)，PLL在精度和收斂性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，且數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單；DFT可通過(guò)改變傅立葉窗口大小來(lái)改善估計(jì)精度；ANF受高次諧波影響較大。

2)新能源場(chǎng)站分布式并網(wǎng)性能評(píng)估實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)預(yù)處理與電網(wǎng)級(jí)高級(jí)應(yīng)用的科學(xué)分離，一方面可利用新能源場(chǎng)站內(nèi)量測(cè)信息的局部冗余提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，另一方面降低了新能源場(chǎng)站與電網(wǎng)調(diào)度的遠(yuǎn)程通信負(fù)擔(dān)，為提升電網(wǎng)對(duì)新能源場(chǎng)站并網(wǎng)性能的感知能力與調(diào)控能力提供了有效解決思路。