光伏發(fā)電站一次調(diào)頻控制新技術(shù)淺析
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摘要：近年來，新能源裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的暫態(tài)穩(wěn)定性下降，為改善這種情況，采取了在新能源電站增加一次調(diào)頻系統(tǒng)的措施。一次調(diào)頻系統(tǒng)直采光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、電流，計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率和頻率，當(dāng)電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率越過死區(qū)后啟動(dòng)一次調(diào)頻控制功能，根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)值，按照預(yù)置的有功控制策略調(diào)節(jié)光伏逆變器，完成一次調(diào)頻控制。目前該技術(shù)已在揚(yáng)州寶應(yīng)射陽湖光伏電站中試點(diǎn)運(yùn)行，一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間小于200ms，達(dá)到了光伏電站參與維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的目的。
關(guān)鍵詞：光伏電站；光伏逆變器；一次調(diào)頻；有功功率控制
0引言
近年來，我國風(fēng)機(jī)和光伏裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，“十四五”期間，全國新能源裝機(jī)規(guī)模將超過8億kW，裝機(jī)容量占比達(dá)29%，年發(fā)電量達(dá)1.5萬億kW·h。風(fēng)電和光伏的發(fā)電原理不同于傳統(tǒng)電源，在應(yīng)對電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)時(shí)沒有旋轉(zhuǎn)慣量[1-2]進(jìn)行支撐，使電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性下降。為了保證高比例新能源接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性，迫切需要新能源參與維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。當(dāng)前，新能源參與維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的方式主要有兩種：一是AGC[3]（自動(dòng)發(fā)電控制）方式，調(diào)度中心下發(fā)指令至風(fēng)機(jī)/光伏逆變器出力完成時(shí)間長達(dá)1min左右，這種方式只能參與電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻，無法維持電網(wǎng)頻率的暫態(tài)穩(wěn)定；二是通過新能源電站改造的方式增加一次調(diào)頻裝置，一次調(diào)頻裝置根據(jù)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)新能源電站的有功出力，參與電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻控制，電網(wǎng)頻率失去穩(wěn)定至風(fēng)機(jī)/光伏逆變器出力完成時(shí)間大約15s[4]。本文在光伏逆變器有功快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化一次調(diào)頻控制策略，達(dá)到光伏電站參與維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的目的。
1系統(tǒng)方案
1.1現(xiàn)階段光伏電站一次調(diào)頻控制發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)階段光伏電站一次調(diào)頻控制中，戶外方陣中的逆變器等設(shè)備通過串口接入到方陣中的通信管理機(jī)或箱變測控等規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)104規(guī)約[5]后，再通過光纖環(huán)網(wǎng)接入到站內(nèi)環(huán)網(wǎng)總交換機(jī)，然后再經(jīng)過2～3級交換機(jī)接入到一次調(diào)頻裝置，光伏、風(fēng)電等新能源電站的一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間一般為1～3s。
1.2光伏電站快速一次調(diào)頻系統(tǒng)方案
對光伏電站一次調(diào)頻控制裝置采集側(cè)和算法兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)將站控層與逆變器之間的通信協(xié)議和通信物理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精簡，協(xié)議層面采用組播通信方式降低逆變器接收指令的時(shí)間離散性，從而使逆變器具備有功快速響應(yīng)能力，一次調(diào)頻系統(tǒng)主控裝置下發(fā)指令至逆變器延時(shí)小于2ms，一次調(diào)頻系統(tǒng)快速采集電網(wǎng)頻率并根據(jù)P—F下垂特性曲線調(diào)節(jié)光伏電站有功出力，達(dá)到光伏電站參與維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的目的。
2一次調(diào)頻控制策略優(yōu)化
一次調(diào)頻控制策略優(yōu)化部分包括控制流程和有功控制策略，其中控制性能要求參照文獻(xiàn)[6]。
2.1一次調(diào)頻控制流程
一次調(diào)頻系統(tǒng)直采光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、電流，計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率，通過快速測頻算法計(jì)算出并網(wǎng)點(diǎn)的頻率，當(dāng)電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率越過死區(qū)后啟動(dòng)一次調(diào)頻控制功能，根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)值，如有功實(shí)測值超出有功目標(biāo)值死區(qū)范圍外，將一次調(diào)頻有功目標(biāo)值按照預(yù)置的有功控制策略分配并下發(fā)控制指令給光伏逆變器，光伏逆變器執(zhí)行相應(yīng)的有功控制指令后完成一次調(diào)頻控制。一次調(diào)頻控制流程如圖1（a）所示。
2.2有功控制策略
當(dāng)電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率變化越過死區(qū)，一次調(diào)頻控制功能啟動(dòng)后，根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)值，如有功實(shí)測值超出有功目標(biāo)值死區(qū)范圍外，將一次調(diào)頻有功目標(biāo)值按照預(yù)置的有功控制策略分配并下發(fā)控制指令給光伏逆變器。有功控制流程如圖1（b）所示。流程步驟如下：步驟1，通過實(shí)時(shí)采樣計(jì)算出光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率P0，一次調(diào)頻動(dòng)作后根據(jù)有功—頻率下垂特性計(jì)算出有功目標(biāo)值Ptarget，有功功率偏差ΔP=Ptarget-P0。步驟2，判斷有功功率偏差的絕對值|ΔP|是否超出預(yù)設(shè)的有功調(diào)節(jié)死區(qū)D，如果超出則進(jìn)入下一步，否則返回。步驟3，通過通信獲取逆變器的運(yùn)行狀態(tài)、有功功率等信息，建立逆變器運(yùn)行信息序列并進(jìn)入下一步。序列內(nèi)容如下：式中：P1至Pn表示逆變器1至逆變器n的有功功率；Pmax1至Pmaxn表示逆變器1至逆變器n的裝機(jī)容量；Pmin1至Pminn表示逆變器1至逆變器n不停機(jī)下的最小有功功率；S1至Sn表示逆變器1至逆變器n的當(dāng)前可控狀態(tài)。逆變器的可控狀態(tài)為綜合考慮逆變器的運(yùn)行狀態(tài)并剔除樣板逆變器后得出，計(jì)算出可控逆變器的總數(shù)量N。步驟4，根據(jù)當(dāng)前逆變器運(yùn)行信息計(jì)算逆變器總有功可增裕度和總有功可減裕度，單臺(tái)逆變器i的有功可增裕度Paddi=Pmax1-Pi，有功可減裕度Psubi=Pi-Pmin1，計(jì)算所有可控逆變器總有功可增裕度為Padd總=Ni=1Σ（Pmaxi-Pi），計(jì)算所有可控逆變器總有功可減裕度為Psub總=Ni=1Σ（Pi-Pmini），其中，逆變器i為可控逆變器，N為可控逆變器總數(shù)量。步驟5，根據(jù)有功功率偏差ΔP，采取相應(yīng)的有功功率調(diào)節(jié)策略，如果ΔP大于預(yù)設(shè)的有功調(diào)節(jié)死區(qū)D，進(jìn)入（1）；如果ΔP小于有功調(diào)節(jié)死區(qū)D的相反數(shù)，則進(jìn)入（2）。（1）首先判斷有功功率偏差ΔP是否大于Padd總，如果ΔP＞Padd總，即當(dāng)前所有可調(diào)的逆變器有功功率滿發(fā)也無法滿足有功功率增加的要求，則將所有可控逆變器的有功功率提升至最大；如果ΔP≤Padd總，則計(jì)算逆變器i的有功指令Ptargeti，計(jì)算公式為Ptargeti=Pi+ΔP/N，其中，逆變器i為可控逆變器，N為可控逆變器總數(shù)量。（2）首先判斷有功功率偏差的絕對值|ΔP|是否大于Psub總，如果|ΔP|＞Psub總，即當(dāng)前所有可調(diào)的逆變器有功功率運(yùn)行至最小時(shí)也無法滿足有功功率減少的要求，則將所有可控逆變器有功功率降低至最低；如果|ΔP|≤Psub總，則計(jì)算逆變器i的有功指令Ptargeti，計(jì)算公式為Ptargeti=Pi+ΔP/N，其中，逆變器i為可控逆變器，N為可控逆變器總數(shù)量。步驟6，把步驟5計(jì)算的逆變器有功功率指令下發(fā)給各個(gè)逆變器。步驟7，等待逆變器完成有功功率指令的響應(yīng)過程，重新進(jìn)入步驟1。光伏電站有功功率分配通常有以下幾種方式：有功功率平均分配方式[7]、按容量比例分配方式、相似調(diào)節(jié)裕度分配方式。有功功率平均分配方式適用于光伏電站逆變器只有一種型號且光伏逆變器實(shí)際最大有功功率近似的工況。按容量比例分配適用于光伏逆變器實(shí)際最大有功功率與裝機(jī)容量近似的工況。相似調(diào)節(jié)裕度分配方式則需要精確計(jì)算光伏逆變器實(shí)際最大有功功率。由于逆變器型號不一致、光伏組件維護(hù)差異大等原因，光伏電站逆變器的實(shí)際最大有功功率數(shù)據(jù)差異很大，所有逆變器的實(shí)際最大有功功率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)離散性較大的特點(diǎn)，不適合采取有功功率平均分配方式和按容量比例分配方式。采取相似調(diào)節(jié)裕度分配方式時(shí)，需要根據(jù)輻照度、溫度等參數(shù)[8-9]計(jì)算出逆變器實(shí)際最大有功功率。首先需要計(jì)算逆變器最大有功功率Pcmaxi，計(jì)算公式如下：Pcmaxi=P標(biāo)稱i×[1+a（T-25）]×d×k式中：P標(biāo)稱i為組件標(biāo)稱功率；a為組件溫度系數(shù)；d為輻照度；k為衰減系數(shù)。計(jì)算逆變器總有功可增裕度Pcadd總：Pcadd總=ni=1Σ（Pcmaxi-Pi）式中：Pcmaxi為輻照度計(jì)算逆變器最大有功功率。計(jì)算逆變器i的有功指令Ptargeti，計(jì)算公式如下：Ptargeti=Pi+（Pcmaxi-Pi）×ΔP/Pcadd總由于光伏組件維護(hù)差異大等原因，組件標(biāo)稱功率差異很大，部分逆變器有功功率已經(jīng)滿發(fā)，但輻照度計(jì)算最大有功功率遠(yuǎn)大于實(shí)際最大有功功率，導(dǎo)致逆變器調(diào)節(jié)后實(shí)際提升的有功功率與有功功率偏差ΔP相差很大，不能滿足相似調(diào)節(jié)裕度的要求。采取步驟5中（1）和（2）的功率分配方式，不需要計(jì)算逆變器實(shí)際最大有功功率，等功率調(diào)整分配方式可使調(diào)節(jié)后實(shí)際提升的有功功率逼近有功功率偏差ΔP，適用于逆變器型號不一致、光伏組件維護(hù)差異大的復(fù)雜工況。
3試驗(yàn)驗(yàn)證
3.1試驗(yàn)方案
現(xiàn)場試驗(yàn)采用頻率信號發(fā)生裝置模擬場站并網(wǎng)點(diǎn)PT的二次側(cè)信號，給出頻率試驗(yàn)信號，并發(fā)送給光伏電站調(diào)頻控制系統(tǒng)測頻單元，數(shù)據(jù)記錄分析儀采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流及頻率信號發(fā)生裝置的頻率模擬信號，頻率信號發(fā)生裝置給出頻率試驗(yàn)信號后，觀察試驗(yàn)結(jié)果。
3.2試驗(yàn)結(jié)果
圖2所示為一次調(diào)頻頻率階躍上擾試驗(yàn)截圖，擾動(dòng)頻率為50.2Hz，階躍前有功60.13MW，階躍后54.13MW，響應(yīng)滯后時(shí)間0.14s，響應(yīng)時(shí)間0.18s，調(diào)節(jié)時(shí)間0.18s，控制偏差0.01%。圖3所示為一次調(diào)頻頻率階躍下擾試驗(yàn)截圖，擾動(dòng)頻率為49.8Hz，階躍前有功55.05MW，階躍后61.28MW，響應(yīng)滯后時(shí)間0.14s，響應(yīng)時(shí)間0.18s，調(diào)節(jié)時(shí)間0.18s，控制偏差0.24%。
4結(jié)語
在揚(yáng)州寶應(yīng)射陽湖光伏電站進(jìn)行的一次調(diào)頻試驗(yàn)，證明了本文提出的一次調(diào)頻控制策略的合理性和優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了200ms以內(nèi)的有功控制和一次調(diào)頻響應(yīng)，具有較好的推廣意義。
作者:葉青 夏國慶 蔡德勝 單位:上海電力新能源發(fā)展有限公司 南京豐道電力科技有限公司