光伏发电站一次调频控制新技术研究

光伏发电站一次调频控制新技术研究

杨易凡

（中国能源建设股份有限公司市场开发事业部）

摘要：改革后，新能源装机规模不断扩大，导致电网频率的暂态稳定性下降，为改善这种情况，采取了在新能源电站增加一次调频系统的措施。一次调频系统直采光伏电站并网点的电压、电流，计算并网点的有功功率和频率，当电站并网点频率越过死区后启动一次调频控制功能，根据有功—频率下垂特性计算出有功目标值，按照预置的有功控制策略调节光伏逆变器，完成一次调频控制。目前该技术已在扬州宝应射阳湖光伏电站中试点运行，一次调频响应时间小于200ms，达到了光伏电站参与维持电网频率稳定的目的。

关键词：光伏电站；光伏逆变器；一次调频；有功功率控制

引言

近年来，在国家政府、发电商、电网公司、全体电力用户的多方努力下，我国新能源行业得到了迅速的发展，并在新时代提出了“双碳”目标。伴随着常规机组被新能源发电机组大量替代，新的挑战又一次摆在电网安全运行的面前。多年前，国外就开始了新能源发电装机的大规模投入，盲目追求清洁能源的发展，忽视了新能源的弊端，导致发生了一些大停电事故。清洁能源发电设备中包含了成千上万的电力、电子、机械设备，电能质量耐受标准相对较低。所以，在系统电压、频率、波形发生较大波动时，清洁能源发电设备容易发生大规模解列，使故障范围扩大。另外，与传统同步电网不同的是，电力、电子设备的快速响应特征，以工频作为同步电网的基础，相对稳定。但是电力电子设备的灵活性，产生了宽频带，可达到5～300Hz，由此产生了新的振荡稳定问题。

1光伏发电控制系统

光伏发电系统主要由光伏阵列、G_boost变换器、并网逆变器、滤波器和控制系统组成。光伏阵列输出的电压V_pv和电流I_pv经最大功率跟踪（MPPT）控制器后，产生直流电压参考值V_refmppt。V_refmppt和V_pv的误差信号，经积分后得到光伏输出有功功率给定P_ref。P_ref和B_oost变换器高压侧的有功功率Pdc比较，经PI控制和脉冲宽度调制（PWM）后生成信号G_boost，驱动B_oost变换器工作，从而实现光伏阵列的MPPT控制。逆变器的控制主要由电流内环和功率外环组成。通常情况下，逆变器工作在单位功率因数状态，即i^*_gq=0。电容电压udc与电压参考值u_ref作差后，通过PI控制生成电流内环参考值i_gd*；再与采样所得的实际电流值i_gd，i_gq作差，经PI控制器和电流解耦控制后，得到电压给定值u_iq，u_id。最后，经过坐标变换通过PWM得到逆变器的触发脉冲Sg，实现逆变器有功无功的解耦控制及并网运行。

2一次调频控制策略优化

一次调频控制策略优化部分包括控制流程和有功控制策略。

2.1一次调频控制流程

一次调频系统直采光伏电站并网点的电压、电流，计算并网点的有功功率，通过快速测频算法计算出并网点的频率，当电站并网点频率越过死区后启动一次调频控制功能，根据有功—频率下垂特性计算出有功目标值，如有功实测值超出有功目标值死区范围外，将一次调频有功目标值按照预置的有功控制策略分配并下发控制指令给光伏逆变器，光伏逆变器执行相应的有功控制指令后完成一次调频控制。

2.2调节风机叶片角度控制

控制风机桨距角的方式叫做调节风机叶片角度控制。调节桨叶的迎风角度，可以控制风能输入的机械能量大小，计算出最大功率点后，让风机的桨距角大于最佳的发电运行桨距角。风况不变的情况下，机组的备用容量越多，桨距角就越大。其特点是，不仅调节能力强而且调节的范围还大，可实现各种风速下对功率的控制。但是由于其执行机构是机械的变桨系统，所以响应速度相对较慢；频率调整较为频繁，使桨距角变化也会过于频繁，会加剧机组的机械磨损，缩短运行寿命。当实际风速大于额定风速时，变桨控制的作用更大，当系统频率下降时，变桨控制产生的备用支撑频率会较为有效，其响应时间也必将迅速。

2.3风电场一次调频功率控制

现阶段主流风机类型有两种：一是双馈型风机，二是直驱型风机，这两种风机都属于变速类型的风电机组。风机发出的电能经过变频器后，得到可以实现并网标准的电压、频率、波形等，最终实现稳定并网发电。双馈型风机的特点是转子的电磁转速是可以在系统同步转速的30%以内波动；直驱型风机的特点是转子的电磁转速是可以在系统同步转速的30%以外波动，范围会更大。此外，为提高发电量和发电效率，风机运行于最大功率点附近，风机大多采用最大风能捕获控制，调频所需的备用容量无法提供，特别是在频率降低，需要向上调节时。清洁能源发电系统早期通信协议是比较落后的，而且其功率控制逻辑是限负荷等特殊情况下的一种调节出力的手段，这样是不能满足风电场参与新形势下的一次调频功能的调节要求。为了更好地满足一次调频要求，提高调频特性，风电机组主控系统需具备相应功率控制逻辑和快速通信协议接口。

一次调频控制系统根据电网测量数据进行全场有功调频支撑，将目标指令发给风电场能量管理平台，由风电场能量管理平台合理分解下发给单台风机，一次调频有功指令与传统的AGC有功指令在一次调频系统内产生叠加。风电场升压站的有功功率的控制目标为AGC有功指令和一次调频调节量代数和；当电网频率超出调节死区后，会闭锁AGC反向调节指令。

2.4储能支撑光伏参与电网一次调频策略

储能装置性能稳定。在光伏电站中配置储能装置，利用其可快速充放电的特性，平滑光伏出力，降低系统发生负荷扰动时对系统频率的影响，可以提升整个系统的频率稳定性。不同于常规机组，光伏和储能本身不具备惯性响应和一次调频能力，在附加调频控制策略后，这两部分没有明确的阶段分界。基于惯性响应控制主要用于解决频率变化率的问题，一次调频主要用于解决频率偏差问题。本文根据常规机组的频率调整特点，使光伏电站能够和常规机组具有类似的调频特性，按照光伏和储能策略的特点，将二者的联合运行分为两个时序：①储能系统为电网频率变化初期提供与常规同步发电机组类似的惯性响应；②光伏利用可变减载调频策略和储能自适应控制策略联合参与一次调频。

结语

在光伏电站进行的一次调频试超高次谐波在线路上发生谐振的模型与方法，并用具体算例验证了模型与方法的正确性。最后通过仿真得出，超高次谐波在输电线路中传播时，随着频率的增加，其含量经过线路后减少的程度也会增大。

参考文献

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作者简介：杨易凡，1990.02，男，汉族，湖北松滋人，英国埃塞克斯大学理学硕士，中国能源建设股份有限公司市场开发事业部一级主管，研究方向，风电、光伏及综合能源服务领域