基于光伏发电系统参与电网频率调节的探讨

基于光伏发电系统参与电网频率调节的探讨

张代明、易万剑

中国电建四川工程有限公司 四川 成都 610058

摘要：光伏发电是新能源发电的重要方式之一，其因清洁性、安全性、广泛性和资源的充足性，在长期的能源战略中处于重要地位，也是接入主网数量最多的新能源发电的类型。为使光伏电站高性能地参与电力系统一次调频，针对建立含光伏电站的电力系统频率响应模型的必要性进行了研究分析，提出了一种深度挖掘光伏电站一次调频能力的技术方案，并首次将该技术方案应用于电网某光伏电站。该技术方案通过综合考虑光伏电站一次调频能力实现的各个环节，在协调光伏电站自动发电控制 (AGC) 功能的同时，可最大限度提升光伏电站一次调频性能的各项指标。

关键词：光伏发电系统；电网频率；调节

引言

随着优先开发、调度新能源发电等政策的实施，人们在享用清洁、绿色的新能源电力的同时，这类电力也给电力系统的安全稳定运行带来了一系列挑战。随着新能源发电占比的提高，电力系统的电源结构发生了较大变化，新能源发电对其产生的影响已从简单的局部电压波动、谐波污染等影响电能质量发展到影响电力系统的安全。其中一个重要影响在于，电力系统可用的一次调频响应资源逐步减少，进一步加大了电力系统频率的安全风险；而且随着特高压直流输电工程的大量投产，以及异步电力系统的联网运行，电力系统的功率平衡难度及调频难度不断加大，直流大功率闭锁 ( 相继闭锁 ) 对电力系统频率的安全造成了严重威胁，迫切需要新能源电站参与电力系统一次调频，以提升电力系统频率的安全水平。

1主动配电网的基本特点

（1）数据融合技术。数据融合技术通过数据融合算法将电网中关键数据进行整合优化，比如分布式光伏发电数据，电网的SCADA实时数据以及用户侧的负荷数据等。当电网发生故障时通过全方位、全时域故障信息来主动研判和精确定位，指导抢修人员快速抢修，缩短电网故障时间，从而提高主动配电网的运行可靠性。（2）能量管理。通过能量管理技术可以达到区域电量管理，实现全局电网的优化，该技术通过智能终端技术和传感器拓扑网络来识别区域电网的负荷特性及运行状态。同时，可基于电网多源数据平台，利用大数据分析技术，预测区域电网的负荷需求，实现主动配电网的可观可控。（3）保护控制。保护控制技术主要利用数据融合、智能模式识别等对主动配电网的自适应保护和直流保护等进行控制、精准判断、识别故障点和故障区段，可以迅速指导抢修人员进行抢修，恢复送电。（4）电压控制。通过区域电网的电压控制技术可以对电压控制能力和控制环节进行跟踪预测。分布式光伏发电增大了区域电网电压调节的难度，但如果控制好无功电压控制环节就可以预测该区域的无功需求和无功可调节量，保证新能源接入的电压控制。

2光伏电站一次调频能力的深度挖掘研究

（1）升级 AGC 系统。主要包括加装单独测频模块，用于测量光伏电站并网点频率，通过升级AGC 系统使光伏电站可以接收频率信号，根据有功功率 - 频率下垂特性曲线进行调频功率运算，并进行调频功率分配及下发，实现光伏电站一次调频功能。采用该方式的优点是加装的设备少，无需对光伏电站有功功率控制架构进行改动，较易于实现；但缺点是从频率接收至逆变器响应过程所涉及的环节较多，响应时间长，一次调频性能较差。（2） 升级光伏逆变器。可以采用频率下发或单独采样的方式获得光伏电站并网点频率，然后对逆变器软、硬件进行改造，使其具备有功功率 -频率下垂控制能力，实现一次调频功能。该方式的优点是可以实现一次调频快速响应，响应时间尺度达到毫秒 (ms) 级；但缺点是由于采用的是单机响应方式，无法实现光伏电站整体协调，且工作量大。（3）加装一次调频系统。单独加装一套具备并网点频率测量、有功功率 - 频率下垂特性运算、功率分配及下发等功能的系统，实现一次调频功能。该方式的优点是适用范围广泛，改造周期短，响应性能适中。

3协调发展的建议

（1）制定严谨的技术规范。技术的规范性有利于区域电网与分布式光伏发电间的协调发展，特别是光伏发电设备在施工安装中要通过严谨的施工流程和合理的技术规范来保障其运行的稳定性。分布式光伏发电与常规发电技术有很大不同，只有通过严格的运行规程和过硬的技术手段来保证电能的质量，特别是当电网发生故障时，更需要专业的技术手段去解决。由于区域电网每年都会有检修和新改扩建等电力施工工程，其负荷也会有很大波动，如果没有过硬的技术手段，就无法保障系统的平稳运行，更无法使两者协调发展。（2）符合区域电网需求。分布式光伏发电的设计与施工一定要配合区域电网的发展方向，针对不同区域的电力负荷需求和重要负荷的分布等情况，应用相应的配电技术。对于经济发展相对落后、能源需求量小、电力匮乏、配电网基础设施的安装技术也相对薄弱的区域应用分布式光伏发电技术时全面考虑地域特点，结合相应的供电能力，确保分布式光伏发电和区域电网协调稳定运行。针对用电负荷大、用户较多、电网拓扑结构复杂的区域，其光伏发电的储能和功率应该满足电网的需求。另外，必要的继电保护配置也是确保电网安全的必要技术手段，确保两者协调发展。（3）充分试点试验。由于环境等外在因素的无法预测性，导致电力系统相关技术相对较为复杂，尤其是当配电网引入了分布式光伏发电系统之后，如果不经过多次小范围内的模拟运行试验，很难保证两者可以兼容运行，互不干扰。比如在配电网中可以找一些典型的适合试验的区域，将分布式光伏发电技术引入到该区域进行试验，用来分析试运行过程中所出现的问题。虽然会耗费一些成本，但是从长远角度来看，对电网安全平稳运行十分必要。经过不断总结分析，改良后的技术更加成熟，运行方式更加合理，相应的问题也会得到解决。同时，待技术成熟后可以将其应用到更大的电力工程建设中，从根本上保障两者之间协调发展。（4）发挥辅助功能。分布式光伏发电的接入虽然会给主动配电网带来一定的影响， 但同时其作为一种可控资源也具有独特的运行优势。由于其自身特点，光伏发电所产生的电能大部分在本地使用，相比传统电网有效解决了在升压和长距离输送电过程中所造成的电能损耗，提升了电能的使用率，能够给配电网的优化、稳定运行带来一定的辅助作用。（5）避免谐波影响。由于分布式光伏发电自身特点，其产生的电能需要进行电能转换后才能接入电网，而电能转换后所产生的谐波，对电网平稳运行有一定影响；电能转换装置其抗负荷过载能力和故障排除能力与传统的发电机差距较大，存在一定风险，光伏发电占传统发电的比例越高，谐波的影响也就越显著，所以避免电力谐波对主动配电网的影响也至关重要。

结束语

主动配电网以其灵活拓扑结构的特点可以与分布式光伏发电相结合，而分布式光伏发电也可以通过主动配电网的一些关键技术，实现最大限度的接入，并通过优化储能、负荷联控，使其发挥更大作用。同时，可在政策规划、试验示范和技术规范等多个方面上进行更加深入的研究，以便更好促进分布式光伏发电和主动配电网间协调发展。

参考文献

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