光伏电站参与大电网一次调频的控制增益分析

王治国，薛水莲

（西安德纳检验检测有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

近几年，随着全球变暖，以及可持续发展战略意识不断深入，全球都开始注重节能、环保理念，因此光伏发电产业在全球得到空前发展。我国的光伏发电产业也取得傲人的成绩，并且技术在世界上已经名列前茅，在这样的新常态下，保持增长迅猛的发展趋势，但发展势头的迅猛也逐渐暴露出一些问题[1]。光伏发电采用的是变流器接入电网，电网传统调频技术不适用于光伏，且光伏没有转动惯量，随着光伏渗透率的逐渐提升，对电力系统频率安全将产生不可估计的影响，为更好地配合电力系统调频，要求光伏发电必须具备系统调频的能力[2]。

1 光伏电站参与电网一次调频的技术分析

1.1 总体设计

以光伏电站厂站侧AGC系统为控制基础，增加一次调频模块以实现一次频率调控功能，通过有功功率-频率典型函数关系，实现不同频率下的光伏电站有功功率控制。一次调频控制能够基于AGC系统的软硬件，对频率进行监测及对有功进行控制。通过对现有的通信设备和通信链路的优化，减少了额外新增通信控制回路的成本投入。具体系统软件构架图如图1所示。

图1 一次频率调控构架图

1.2 有功频率控制

当电网频率存在偏差，且偏差幅度越过调频死区，电站就会结合具体的偏差值和频率增益对发电有功出力进行调节，调整依据公式为：

式中：ΔP代表电站输出的有效功功率发生变化的量；fL1代表欠频状态下动作死区阈值；fH1代表超过频率额定值的动作死区阈值；Kf1代表欠频状态下频率调控增益；Kf2代表超过频率额定值的控制增益；f代表当前频率监测值。

控制模式图如图2所示，图中：P0代表稳定状态下光伏电站有功功率初始值；PN代表有功功率设定值；f0代表系统频率的标准值。

图2 控制模式

1.3 一次调频控制流程

一次调频控制技术在正式使用过程中，系统实际的频率越过调频死区时，一次调频控制功能将会开启。一次调频控制可以根据系统频率偏差进行相应的计算，通过该技能够得到有功调整量，优化和调整电站有功功率指令，根据经过优化的指令将一次调频控制目标进行分配计算，采取并行下发的方式，对其功率进行调整，对各个逆变器传达调控指令，逆变器根据指令对有功输出进行控制和调整，这个过程就是光伏电站进行一次调控控制的响应流程[3]。一次调频控制经过相应的程序启动后，频率的实时监测系统就会根据频率偏差及时调整，并对调频控制进行相应的更新，为确保一次调频效率，对于光伏电站的有功调节速度不作要求。具体流程示意图如图3所示。

图3 一次调频控制流程示意图

1.4 一次调频控制增益

光伏电站参与系统一次调控过程中，除了必要的偏差控制以外，还需要对时间进行考虑。经过大量实践证明：与单机调频方式相比，采用场站级功率控制系统的效果更佳，在这个系统控制过程中，需要对两个时间常数进行考虑，其一是系统控制指令传递到逆变器的时间，其二是逆变器接到指令执行的时间，这两个时间常数可分别以惯性环节表示。具体一次调频控制系统模型如图4所示。

图4 一次调频控制框图

根据上述分析可知，只需要对死区的特点和性质进行考虑，并且常规状态下电源和光伏的死区环节和的参数一致，可以将二者看作一个死区环节，则上述一次调频控制框图可以表示为：

图5 一次调频控制等效模型示意图

采用相同的方法和原理推导出上图的闭环系统特征方程，并将其进行等效变换得到：

则有：

假设常规状态下电源的一次调频控制增益kd为特定的常数，那么就能根据非线性奈奎斯特原理进行判定，并且能够计算出光伏一次调频控制增益kRd的边界稳定值。当增益不超过边界值时，那么图4中调控系统就会逐渐稳定；反之，死区环节就会逐渐形成动态，而最终形成震荡发散问题，但是这个时候饱和环节就会启用其自身的作用，让整个系统形成等幅振荡状态，维持系统平衡。

2 光伏电站一次调频控制优化策略

2.1 一次调频与AGC配合

将一次调频控制技术与AGC控制技术进行结合，当一次调频控制停止进行，或者频率与死区相差较大时，电站就会采用AGC控制技术，反之采用一次调频控制技术，对AGC控制技术进行封闭停止。系统在采用一次调频控制技术时，有功功率控制的指令值为AGC指令和一次调频控制量的代数和。并且当电站频率出现大幅度变化时，电站应闭锁AGC反向调节指令，避免出现有功功率反调的问题。

若采用独立装置运用一次频率控制功能，就需要将AGC控制模式与一次调频控制模式相结合，实现通信和数据交换共享。基于AGC系统的一次调频功能能够利用数据共享的优势将二者进行有效结合[4]。

2.2 一次调频控制推出逻辑优化

当符合一次调频控制的所需条件时，系统运用一次调频控制状态，当系统检测到频率恢复至死区范围，系统不会马上停止一次调频控制，而是采取延时环节将系统保持一段时间的一次调频控制模式，然后再进入到AGC模式中。这个过程的目的就是为了避免系统频率波动幅度较大造成一次调频控制频繁启用和退出，进而提升控制效率和成果。

2.3 有功分配策略的优化

光伏电站与普通的发电站不同，光伏电站的发电能力和辐照度存在直接关系，并且光伏组件的位置与朝向、逆变器的MPPT跟踪方式和配置形式等方面存在的差异会直接影响光伏电站的发电能力和系统效率。常规的平均分配原则，依据逆变器装机容量比重能够得到控制所需的目标值。逆变器发电能力在电站需要增加有功功率输出的情况下，无法进行计算和估计，最终影响电站有功功率的输出和控制效率。

光伏电站在投入使用时，一直都是处于限电运行的状态，系统频率发生变化且电站需要增加有功功率输出时，电站就会对有功备用容量进行扩充，以此为基础，如何提升调频控制能力对逆变器有功分配策略提出更高的需求[5]。

本文针对分配策略进行相应的优化，提出增益和减益有功功率的情况下采取不同策略，具体如下：

（1）增益优化策略

式中：Pitar代表对逆变器进行控制的目标值，Pi代表逆变器的实时有功功率值，Pimax代表光伏电站逆变器最大发电功率值，Pizf代表逆变器经过调频控制增益的有功功率值，ΔP代表电站的有功功率调节值。该值可通过设定的一次调频控制的目标值与电站实时有功功率相减得到的。

在光照情况下，逆变器能够通过样本法获取最大发电功率，这个过程指的是以样本逆变器为基础，逆变器和样本逆变器之间通过创建有功出力映射，就能获得逆变器的最大发电功率，具体计算公式如下：

式中：k表示第i台逆变器对应的样本类型编号，Mk表示编号为k的所有样本逆变器总数，Pjmax表示编号为k的第j台逆变器实际有功功率。

（2）减益优化策略

式中：Pitar表示分配给逆变器控制目标值，Pi表示分配计算各个逆变器的实时有功功率值，ΔP表示电站有功功率调节量，该值通过一次调频控制目标值和电站实时有功功率值相减计算获得，其中减益为负数值。在运用一次调频控制技术对电站进行减益时，可对逆变器的实时有功功率进行适当的调整，确保控制效率及精度。

3 结论

光伏发电自身具备一定的间歇性和随机性特点，当光伏发电并入大电网时，光伏电站的出力伴随随机性和波动性的变化，对国家电网的平衡会造成一定的影响。因此对高渗透考虑的光伏入网进行相应分析和考虑，应用调频控制增益保证了电网稳定性，对光伏发电行业的长久发展有重要作用。