光伏電站參與大電網一次調頻的控制增益分析

王治國，薛水蓮

（西安德納檢驗檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

近幾年，隨著全球變暖，以及可持續發展戰略意識不斷深入，全球都開始注重節能、環保理念，因此光伏發電產業在全球得到空前發展。我國的光伏發電產業也取得傲人的成績，并且技術在世界上已經名列前茅，在這樣的新常態下，保持增長迅猛的發展趨勢，但發展勢頭的迅猛也逐漸暴露出一些問題[1]。光伏發電采用的是變流器接入電網，電網傳統調頻技術不適用于光伏，且光伏沒有轉動慣量，隨著光伏滲透率的逐漸提升，對電力系統頻率安全將產生不可估計的影響，為更好地配合電力系統調頻，要求光伏發電必須具備系統調頻的能力[2]。

1 光伏電站參與電網一次調頻的技術分析

1.1 總體設計

以光伏電站廠站側AGC系統為控制基礎，增加一次調頻模塊以實現一次頻率調控功能，通過有功功率-頻率典型函數關系，實現不同頻率下的光伏電站有功功率控制。一次調頻控制能夠基于AGC系統的軟硬件，對頻率進行監測及對有功進行控制。通過對現有的通信設備和通信鏈路的優化，減少了額外新增通信控制回路的成本投入。具體系統軟件構架圖如圖1所示。

圖1 一次頻率調控構架圖

1.2 有功頻率控制

當電網頻率存在偏差，且偏差幅度越過調頻死區，電站就會結合具體的偏差值和頻率增益對發電有功出力進行調節，調整依據公式為：

式中：ΔP代表電站輸出的有效功功率發生變化的量；fL1代表欠頻狀態下動作死區閾值；fH1代表超過頻率額定值的動作死區閾值；Kf1代表欠頻狀態下頻率調控增益；Kf2代表超過頻率額定值的控制增益；f代表當前頻率監測值。

控制模式圖如圖2所示，圖中：P0代表穩定狀態下光伏電站有功功率初始值；PN代表有功功率設定值；f0代表系統頻率的標準值。

圖2 控制模式

1.3 一次調頻控制流程

一次調頻控制技術在正式使用過程中，系統實際的頻率越過調頻死區時，一次調頻控制功能將會開啟。一次調頻控制可以根據系統頻率偏差進行相應的計算，通過該技能夠得到有功調整量，優化和調整電站有功功率指令，根據經過優化的指令將一次調頻控制目標進行分配計算，采取并行下發的方式，對其功率進行調整，對各個逆變器傳達調控指令，逆變器根據指令對有功輸出進行控制和調整，這個過程就是光伏電站進行一次調控控制的響應流程[3]。一次調頻控制經過相應的程序啟動后，頻率的實時監測系統就會根據頻率偏差及時調整，并對調頻控制進行相應的更新，為確保一次調頻效率，對于光伏電站的有功調節速度不作要求。具體流程示意圖如圖3所示。

圖3 一次調頻控制流程示意圖

1.4 一次調頻控制增益

光伏電站參與系統一次調控過程中，除了必要的偏差控制以外，還需要對時間進行考慮。經過大量實踐證明：與單機調頻方式相比，采用場站級功率控制系統的效果更佳，在這個系統控制過程中，需要對兩個時間常數進行考慮，其一是系統控制指令傳遞到逆變器的時間，其二是逆變器接到指令執行的時間，這兩個時間常數可分別以慣性環節表示。具體一次調頻控制系統模型如圖4所示。

圖4 一次調頻控制框圖

根據上述分析可知，只需要對死區的特點和性質進行考慮，并且常規狀態下電源和光伏的死區環節和的參數一致，可以將二者看作一個死區環節，則上述一次調頻控制框圖可以表示為：

圖5 一次調頻控制等效模型示意圖

采用相同的方法和原理推導出上圖的閉環系統特征方程，并將其進行等效變換得到：

則有：

假設常規狀態下電源的一次調頻控制增益kd為特定的常數，那么就能根據非線性奈奎斯特原理進行判定，并且能夠計算出光伏一次調頻控制增益kRd的邊界穩定值。當增益不超過邊界值時，那么圖4中調控系統就會逐漸穩定；反之，死區環節就會逐漸形成動態，而最終形成震蕩發散問題，但是這個時候飽和環節就會啟用其自身的作用，讓整個系統形成等幅振蕩狀態，維持系統平衡。

2 光伏電站一次調頻控制優化策略

2.1 一次調頻與AGC配合

將一次調頻控制技術與AGC控制技術進行結合，當一次調頻控制停止進行，或者頻率與死區相差較大時，電站就會采用AGC控制技術，反之采用一次調頻控制技術，對AGC控制技術進行封閉停止。系統在采用一次調頻控制技術時，有功功率控制的指令值為AGC指令和一次調頻控制量的代數和。并且當電站頻率出現大幅度變化時，電站應閉鎖AGC反向調節指令，避免出現有功功率反調的問題。

若采用獨立裝置運用一次頻率控制功能，就需要將AGC控制模式與一次調頻控制模式相結合，實現通信和數據交換共享。基于AGC系統的一次調頻功能能夠利用數據共享的優勢將二者進行有效結合[4]。

2.2 一次調頻控制推出邏輯優化

當符合一次調頻控制的所需條件時，系統運用一次調頻控制狀態，當系統檢測到頻率恢復至死區范圍，系統不會馬上停止一次調頻控制，而是采取延時環節將系統保持一段時間的一次調頻控制模式，然后再進入到AGC模式中。這個過程的目的就是為了避免系統頻率波動幅度較大造成一次調頻控制頻繁啟用和退出，進而提升控制效率和成果。

2.3 有功分配策略的優化

光伏電站與普通的發電站不同，光伏電站的發電能力和輻照度存在直接關系，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直接影響光伏電站的發電能力和系統效率。常規的平均分配原則，依據逆變器裝機容量比重能夠得到控制所需的目標值。逆變器發電能力在電站需要增加有功功率輸出的情況下，無法進行計算和估計，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，一直都是處于限電運行的狀態，系統頻率發生變化且電站需要增加有功功率輸出時，電站就會對有功備用容量進行擴充，以此為基礎，如何提升調頻控制能力對逆變器有功分配策略提出更高的需求[5]。

本文針對分配策略進行相應的優化，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）增益優化策略

式中：Pitar代表對逆變器進行控制的目標值，Pi代表逆變器的實時有功功率值，Pimax代表光伏電站逆變器最大發電功率值，Pizf代表逆變器經過調頻控制增益的有功功率值，ΔP代表電站的有功功率調節值。該值可通過設定的一次調頻控制的目標值與電站實時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電功率，這個過程指的是以樣本逆變器為基礎，逆變器和樣本逆變器之間通過創建有功出力映射，就能獲得逆變器的最大發電功率，具體計算公式如下：

式中：k表示第i臺逆變器對應的樣本類型編號，Mk表示編號為k的所有樣本逆變器總數，Pjmax表示編號為k的第j臺逆變器實際有功功率。

（2）減益優化策略

式中：Pitar表示分配給逆變器控制目標值，Pi表示分配計算各個逆變器的實時有功功率值，ΔP表示電站有功功率調節量，該值通過一次調頻控制目標值和電站實時有功功率值相減計算獲得，其中減益為負數值。在運用一次調頻控制技術對電站進行減益時，可對逆變器的實時有功功率進行適當的調整，確保控制效率及精度。

3 結論

光伏發電自身具備一定的間歇性和隨機性特點，當光伏發電并入大電網時，光伏電站的出力伴隨隨機性和波動性的變化，對國家電網的平衡會造成一定的影響。因此對高滲透考慮的光伏入網進行相應分析和考慮，應用調頻控制增益保證了電網穩定性，對光伏發電行業的長久發展有重要作用。