光伏發電參與電力系統調頻的研究綜述

汪 洋

(黃河上游水電開發有限責任公司，西寧 810000)

0 引言

伴隨化石能源的過度開采及生態環境的破壞，可再生能源的開發利用越來越受到關注與重視[1]。作為可再生能源的重要發展方向，光伏發電的優勢明顯且資源潛力巨大[2]，因此，近年來光伏發電并網容量快速增長，年平均增速高達50%。2019年國際能源署(IEA)在其發布的未來5年展望中提到，預計在2019～2024年間，可再生能源裝機容量將增長50%，尤其以光伏發電裝機容量的增長最為顯著，將占預期漲幅的60%，而陸上風電裝機容量以25%的比例緊隨其后[2]。

作為太陽能資源豐富的國家，中國光伏產業發展迅速，光伏發電并網規模也日益擴大。據國家能源局統計，截至2019年底，我國光伏發電累計裝機容量為20430萬kW，同比增長17.3%，累計裝機容量居全球首位。

但隨著光伏發電并網容量占比的升高，其對電力系統安全穩定運行的威脅愈加顯現。光伏發電輸出功率在短期內頻繁波動的特性，會沖擊電力系統使其失去有功平衡，從而影響電力系統調頻特性，導致電力系統頻率越限的風險增加。與此同時，光伏發電系統作為靜止元件，缺乏轉動慣量，伴隨大規模光伏電力的接入，常規發電機組在電力系統中的占比降低，電力系統慣性減小，一定程度上削弱了電力系統的調頻能力及應對功率短缺與頻率波動的能力，從而導致電力系統安全運行的風險進一步增大[3]。為提升包含大規模光伏發電的電力系統的頻率穩定水平，國內外學者對于光伏發電參與電力系統調頻的方法及策略進行了大量的研究。

本文首先闡述了光伏發電大規模并網后電力系統的動態變化趨勢，接著從光伏電站單一調頻、綜合自動發電控制(AGC)調頻2方面進行了調研總結，最后對利用光儲聯合調頻和光伏虛擬同步發電機提高光伏發電調頻能力進行了綜述分析。

1 大規模光伏發電并網對電力系統頻率的影響

光伏發電輸出功率隨機波動的固有屬性，使其很大程度上會在光伏發電并網后對電力系統頻率產生影響。若光伏發電并網規模較小、光伏發電輸出功率波動較小，電力系統依靠自身裕度，可以動態調整，從而達到平衡；而隨著光伏發電并網規模的增大，光伏發電輸出功率比重的上升，電力系統自身不足以吸收這些波動，其有功平衡遭到挑戰，從而威脅到其頻率的穩定[4]。

以單一發電機模型為例：

式中，Δf為電力系統頻率偏差；ΔPD為負荷的改變量；ΔPpv為光伏發電輸出功率的改變量；ΔPG為發電機輸出功率的改變量；kD為電力系統負荷頻率調節效應系數。

則：

由式(2)可以得出，在kD一定的前提下，隨著光伏發電占比的增大，短期內波動將會加大頻率的變化程度，同時對常規發電機組的調頻范圍跟響應速度也提出了更高的要求。電力系統頻率的動態過程如圖1所示。圖中，fn為額定頻率；fd為一次調頻起始頻率；fmin為頻率最低點；fs為一次調頻穩定值。

圖1 電力系統頻率的動態過程Fig. 1 Dynamic process of power system frequency

從圖1中可以看出，當光伏發電輸出功率對電力系統頻率造成的擾動較小時，只依賴常規發電機組的一次調頻，即可使電力系統快速達到穩定；但是光伏發電輸出功率的比重上升后，光伏發電輸出功率變化值增大且變化周期拉長，需要常規調頻機組進行二次調頻。若二次調頻無法滿足功率缺額，頻率進一步偏離規定范圍，將會嚴重影響電力系統的安全，甚至發生電力系統事故。

文獻[5-8]從頻率偏差和頻率特性角度研究了光伏發電輸出功率波動對電網頻率的影響。文獻[5]建立了云團移動情況下的太陽輻照度預測模型，分析了在多云情況下光伏發電輸出功率波動對電力系統頻率調節能力的影響，并確定了區域電力系統的調頻能力與常規發電機組裝機容量及爬坡率的相關性。文獻[6]通過構建光伏發電系統機電暫態模型模擬了光伏發電并網時電力系統受擾的過程，驗證了隨著滲透率增加，光伏發電對電網頻率的擾動越加明顯這一結論。文獻[7]采用大擾動激勵法，研究了低電壓穿越(LVRT)過程中光伏發電的功率特性，并通過仿真評估了LVRT對西藏電網頻率穩定的影響。文獻[8]建立了光伏發電高滲透率的電力系統頻率模型和傳遞函數，然后基于穩態頻率誤差，對電力系統的頻率特性展開了詳細分析，并推斷出將來電力系統頻率特性的變動趨向。

2 光伏發電調頻技術研究

2.1 光伏電站單一調頻

由前文分析可知，大型光伏電站并網后，電力系統頻率會受到影響，此時電力系統需要具備不斷調節有功功率輸出的能力，從而確保頻率偏差在安全范圍之內[9]。所以對于電力系統而言，以具有備用容量和能夠響應電力系統頻率的變化速度[10]作為調頻機組的選擇條件。

光伏電站的運行模式為最大功率追蹤(MPPT)時，無備用容量來參與電力系統調頻，所以文獻[9,11-12]提出了一種控制技術，提升光伏電站的運行電壓使其超出最大功率點電壓VMPPT，保持光伏電站運行在減載狀態，預留備用功率來應對頻率偏差，從而具備頻率調節的能力。光伏電站減載運行示意圖如圖2所示。在這種工況下，光伏電站正常運行在C點來預留備用功率，直到電力系統頻率下降，光伏電站運行電壓隨之降低至B點，增大輸出功率，達到參與電力系統調頻的目的。

圖2 光伏電站減載運行的示意圖Fig. 2 Schematic diagram of PV power station with deloading strategies

在上述情況下，所有光伏發電單元(默認所有的光伏發電單元功率電壓特性曲線相同)將被強制減少相同的功率，但是每個單元的備用容量都不相同，導致一些備用容量較小的光伏發電單元將更快地到達最大功率點，從而無法參與調頻。為了解決這種調頻方法的不均勻分布，文獻[13]在上述模型的基礎上，提出增加基準電壓參數來調節各光伏發電單元參與調頻的備用功率。文獻[14]針對單一策略的局限性，研究了在正常和緊急狀態下光伏電站分別采用MPPT與減載運行模式的情況，結果表明，光伏電站具備跟隨負荷變化調節頻率的能力。文獻[15]研究了在估計實時最大可用功率的基礎上，調節光伏發電輸出功率，并反向調節光伏電站的減載率，使光伏發電可有效參與電力系統的調頻。文獻[16]基于電力系統頻率偏差和光伏功率-頻率函數實時調整光伏電站的減載功率，提升了光伏電站參與調頻的效率。此外，除了考慮單一控制光伏電站輸出功率，文獻[17]還設計了2種控制方案：一種方案是將并網點頻率偏差作為控制量，直接調節部分光伏發電單元功率參與調頻；另一種方案是通過站級控制系統參與調頻。研究表明，在響應速度方面，光伏發電單元調頻優于站級調頻；但站級調頻控制較為靈活，適用于規模較大的光伏電站。

綜上所述，光伏電站處于減載運行狀態時，將具有一定的頻率調節能力。但與常規發電/調頻機組不同，光伏發電輸出功率可控性較差，難以確定減載差值；同時，減載差值的分配策略需要綜合考慮各光伏組件及逆變器的特性差異，如何在確?？刂凭鹊那疤嵯卤ＷC頻率響應速度還有待研究。

2.2 綜合AGC調頻研究

光伏電站現有的AGC系統能夠按照調度指令調節有功功率，但調節時間為分鐘級，不滿足一次調頻響應時間的要求。為此，文獻[18]在考慮節約升級改造成本的前提下，基于現有的AGC固有設備和網絡通信架構，研究了一種改進算法，提升了功率分配的精度及光伏電站執行響應的速度。文獻[19]在AGC基礎上通過光伏下垂控制特性，實現了光伏電站參與一次調頻，提出了調頻和AGC配合策略，并對光伏發電有功功率分配策略進行了改進，提升了光伏電站調頻的響應速度和貢獻能力。文獻[20]提出了自適應電網側AGC兩種控制模式的光伏發電參與電力系統調頻的控制策略，并通過仿真驗證了該控制策略的經濟適用價值極高。

3 光儲聯合調頻的研究

3.1 光儲聯合調頻

光伏發電參與電力系統調頻往往是以放棄最大功率跟蹤為代價，不只增加了光伏發電的成本，伴隨輸出功率的隨機波動，其調頻效果同樣無法保證，因此，光伏發電獨自參與調頻的技術在目前尚缺乏實際推廣應用的價值[21]。儲能系統不僅具備靈活的充、放電優勢，能有效平滑光伏發電輸出功率，且其性能穩定、響應速度快、控制精度高，能與光伏電站協調運行，可以彌補光伏電站單一調頻的不足，從而提高光伏電站的頻率調節貢獻[22]。光伏-儲能系統的示意圖如圖3所示。

圖3 光伏-儲能系統示意圖Fig. 3 Schematic diagram of PV-energy storage system

文獻[23]構建了一種光伏-儲能系統模型(如圖3所示)，提出了利用逆變器空閑容量參與電力系統調頻/調峰的控制策略；根據儲能電池的狀態不同，將儲能電池劃分為4類區域，并基于電池的荷電狀態(SOC)約束，避免儲能電池出力過大，最終得到儲能電池參與調頻/調峰的優化方案。通過算例仿真表明，加裝儲能的光伏電站的收益大于光伏電站采用減載調頻時的收益。文獻[24]構建了一種含不同儲能類型的光伏-儲能系統，結合不同類型儲能的儲能特性，優化控制策略，彌補光伏電站的輸出功率波動，提升了光伏電站跟隨目標輸出功率曲線運行的能力。仿真表明，協調控制混合儲能不僅可以提升光伏發電輸出功率的精度，還能夠延長儲能系統的使用壽命。文獻[25]通過儲能平抑光伏發電的爬坡功率，同時結合電力系統調頻需求及儲能調頻成本，對儲能容量進行了優化配置，且方案已于實際電力系統中進行了示范驗證。

為提升光伏-儲能系統的綜合經濟效益，降低成本，國內外學者在儲能優化配置方面進行了一些研究。文獻[26]從電力輔助服務市場的角度，以光伏-儲能系統在能量和調頻市場的聯合收益最大為目標函數，綜合考慮光伏發電輸出功率和實時市場價格，通過算例驗證了其所提到的基于魯棒模型預測控制的運行策略有效可行。文獻[27]基于儲能配置敏感因素分析，提出了一種儲能優化配置方案，實現了通過光伏-儲能系統調頻提升光伏電站運營收益的目的。文獻[28]研究根據光伏電站不同時段的運行模式，提出了光伏-儲能系統的評價指標，并以指標最優和儲能成本最低為目標函數，合理配置了儲能容量。

自2014年起，全國建設了多個光儲示范工程。其中，河北省電力科學研究院園區為國內首個光儲熱一體化微電網示范工程，該工程包括190 kW光伏發電系統和250 kWh磷酸鐵鋰電池儲能系統，可有效提高供電的可靠性和安全性。2019年，內蒙古能源集團建設了智能光儲充一體化示范工程，其中包含400 kW移動儲能的光儲充系統，還包括10 MW儲能系統用于電力系統調頻。2020年，國內首座具備一次調頻功能的大型光儲電站在山東省并網發電，該電站一期為包含120 MW光伏發電系統及6 MW儲能系統的光儲融合項目，將有效推動光儲聯合調頻技術的發展完善。

3.2 光伏虛擬同步發電機調頻

虛擬同步發電機(virtual synchronous generator，VSG)技術是指基于同步發電機的機電方程控制電力電子變流器，使裝置具備同步機組的并網運行外特性[29]。近年來，VSG以有助于新能源并網、降低電網運行風險等特性成為研究熱點。

光伏虛擬同步發電機(PV-VSG)的示意圖如圖4所示，通過控制并網光伏逆變器，自主響應電力系統調頻，從而提高光伏發電調頻的響應能力。

圖4 光伏虛擬同步發電機的示意圖Fig. 4 Schematic diagram of PV-VSG

文獻[30]設計了一種光伏逆變器架構及PVVSG控制策略，經仿真驗證，該策略在兼顧MPPT控制的同時，具備了光伏發電自主參與電力系統調頻/調壓、慣量、阻尼等特性。文獻[31]提出了一種采用VSG技術調節儲能逆變器功率的控制策略，使光伏-儲能系統具備PV-VSG特性，用以滿足電力系統的調頻需求；經過仿真驗證，該系統既能保證穩定的輸出功率，還可以有效參與電力系統調頻。文獻[32]提出了在逆變器功率控制環中引入慣量和阻尼的控制思路，然后基于VSG技術設計了調頻調壓方案，并通過仿真驗證了該策略正確有效。文獻[33]提出了一種基于有功備用的PV-VSG控制策略，實現了雙極式光伏發電并網系統在不配備儲能的情況下自主參與電力系統調頻。文獻[34]基于VSG的慣量支撐、一次調頻功能，對儲能容量進行了優化配置，并調節參數對VSG儲能單元進行了敏感性分析。

此外，VSG技術還可以提升電力系統慣性。文獻[35]將儲能SOC特性設為邊界條件，優化控制PV-VSG，通過天牛群優化算法，獲取了系統慣量和阻尼值的最優解；仿真結果表明，該策略可以大幅提升電力系統慣性的響應能力，防止功率越限和頻率振蕩。文獻[36]結合鎖相環動態，研究了光伏發電虛擬慣量控制策略，通過合理改變參數調節系統虛擬慣量，優化雙級式并網光伏發電系統的調頻能力。

目前針對PV-VSG的研究大多停留在優化控制策略方面，改善PV-VSG性能方面的研究鮮少涉及。文獻[37]通過建立PV-VSG的小信號并網模型，研究了PV-VSG易造成電力系統發生有功功率振蕩的問題，通過仿真驗證模型可有效提升PV-VSG的穩定性。文獻[38]提出了一種基于最優阻尼比的慣性參數和阻尼系數自適應的控制策略，改善了PV-VSG的動態性能，增強了魯棒性，更加適應光伏發電的特性。

國家電網有限公司2016年張北風光儲示范工程是首個應用于大電網的VSG示范工程，已初步完成了24臺12 MW光伏逆變器的VSG技術改造工作，并探索了多種調頻策略的可行性和經濟性。

4 光伏電站單一調頻與光儲聯合調頻的對比

前文對光伏電站單一調頻與光儲聯合調頻2種光伏發電調頻方式的優劣性進行了調研分析，具體對比結果如表1所示。

表1 不同光伏發電調頻方式的優缺點對比表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different frequency modulation methods for PV power generation

5 結論

本文首先闡述了光伏發電大規模并網后電力系統的動態變化過程，說明光伏發電的波動性及光伏元件的靜止特性不利于電力系統頻率的穩定；然后調研分析了光伏電站單一調頻與光儲聯合調頻的優劣性。光伏電站雖然能夠采用減載運行模式或與AGC相結合的方式參與電力系統調頻，但往往需要棄光；儲能技術及光伏虛擬同步發電機技術是提高光伏發電調頻的有效方法，且隨著儲能成本的降低及光伏虛擬同步機技術的日益成熟，對于光伏發電參與電力系統調頻的研究將具有更高的實際應用價值。