光伏发电站一次调频控制新技术研究

叶青 夏国庆 蔡德胜

摘要：近年来，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200 ms，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

中图分类号：TM615    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）04-0004-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.002

0    引言

近年来，我国风机和光伏装机规模不断扩大，“十四五”期间，全国新能源装机规模将超过8亿kW，装机容量占比达29%，年发电量达1.5万亿kW·h。风电和光伏的发电原理不同于传统电源，在应对电网频率和电压波动时没有旋转惯量[1-2]进行支撑，使电网的暂态稳定性下降。为了保证高比例新能源接入电网的稳定性，迫切需要新能源参与维持电网频率的稳定。当前，新能源参与维持电网频率稳定的方式主要有两种：一是AGC[3]（自动发电控制）方式，调度中心下发指令至风机/光伏逆变器出力完成时间长达1 min左右，这种方式只能参与电力系统的二次调频，无法维持电网频率的暂态稳定;二是通过新能源电站改造的方式增加一次调频装置，一次调频装置根据系统频率调节新能源电站的有功出力，参与电力系统的一次调频控制，电网频率失去稳定至风机/光伏逆变器出力完成时间大约15 s[4]。

本文在光伏逆變器有功快速响应的基础上优化一次调频控制策略，达到光伏电站参与维持电网频率稳定的目的。

1    系统方案

1.1    现阶段光伏电站一次调频控制发展现状

现阶段光伏电站一次调频控制中，户外方阵中的逆变器等设备通过串口接入到方阵中的通信管理机或箱变测控等规约转换装置，规约转换装置将其转换为以太网104规约[5]后，再通过光纤环网接入到站内环网总交换机，然后再经过2～3级交换机接入到一次调频装置，光伏、风电等新能源电站的一次调频响应滞后时间一般为1～3 s。

1.2    光伏电站快速一次调频系统方案

对光伏电站一次调频控制装置采集侧和算法两个方面进行优化，同时将站控层与逆变器之间的通信协议和通信物理节点进行精简，协议层面采用组播通信方式降低逆变器接收指令的时间离散性，从而使逆变器具备有功快速响应能力，一次调频系统主控装置下发指令至逆变器延时小于2 ms，一次调频系统快速采集电网频率并根据P—F下垂特性曲线调节光伏电站有功出力，达到光伏电站参与维持电网频率稳定的目的。

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，其中控制性能要求参照文献[6]。

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。一次调频控制流程如图1（a）所示。

2.2    有功控制策略

当电站并网点频率变化越过死区，一次调频控制功能启动后，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。有功控制流程如图1（b）所示。

流程步骤如下：

步骤1，通过实时采样计算出光伏电站并网点的有功功率P0，一次调频动作后根据有功—频率下垂特性计算出有功目标值Ptarget，有功功率偏差ΔP=Ptarget-P0。

步骤2，判断有功功率偏差的绝对值|ΔP|是否超出预设的有功调节死区D，如果超出则进入下一步，否则返回。

步骤3，通过通信获取逆变器的运行状态、有功功率等信息，建立逆变器运行信息序列并进入下一步。序列内容如下：

式中：P1至Pn表示逆变器1至逆变器n的有功功率;Pmax1至Pmaxn表示逆变器1至逆变器n的装机容量;Pmin1至Pminn表示逆变器1至逆变器n不停机下的最小有功功率;S1至Sn表示逆变器1至逆变器n的当前可控状态。

逆变器的可控状态为综合考虑逆变器的运行状态并剔除样板逆变器后得出，计算出可控逆变器的总数量N。

步骤4，根据当前逆变器运行信息计算逆变器总有功可增裕度和总有功可减裕度，单台逆变器i的有功可增裕度Paddi=Pmax1-Pi，有功可减裕度Psubi=Pi-Pmin1，计算所有可控逆变器总有功可增裕度为Padd总=（Pmaxi-Pi），计算所有可控逆变器总有功可减裕度为Psub总=（Pi-Pmini），其中，逆变器i为可控逆变器，N为可控逆变器总数量。

步骤5，根据有功功率偏差ΔP，采取相应的有功功率调节策略，如果ΔP大于预设的有功调节死区D，进入（1）;如果ΔP小于有功调节死区D的相反数，则进入（2）。

（1）首先判断有功功率偏差ΔP是否大于Padd总，如果ΔP>Padd总，即当前所有可调的逆变器有功功率满发也无法满足有功功率增加的要求，则将所有可控逆变器的有功功率提升至最大;如果ΔP≤Padd总，则计算逆变器i的有功指令Ptargeti，计算公式为Ptargeti=Pi+ΔP/N，其中，逆变器i为可控逆变器，N为可控逆变器总数量。

（2）首先判断有功功率偏差的绝对值|ΔP|是否大于Psub总，如果|ΔP|>Psub总，即当前所有可调的逆变器有功功率运行至最小时也无法满足有功功率减少的要求，则将所有可控逆变器有功功率降低至最低;如果|ΔP|≤Psub总，则计算逆变器i的有功指令Ptargeti，计算公式为Ptargeti=Pi+ΔP/N，其中，逆变器i为可控逆变器，N为可控逆变器总数量。

步骤6，把步骤5计算的逆变器有功功率指令下发给各个逆变器。

步骤7，等待逆变器完成有功功率指令的响应过程，重新进入步骤1。

光伏电站有功功率分配通常有以下几种方式：有功功率平均分配方式[7]、按容量比例分配方式、相似调节裕度分配方式。有功功率平均分配方式适用于光伏电站逆变器只有一种型号且光伏逆变器实际最大有功功率近似的工况。按容量比例分配适用于光伏逆变器实际最大有功功率与装机容量近似的工况。相似调节裕度分配方式则需要精确计算光伏逆变器实际最大有功功率。由于逆变器型号不一致、光伏组件维护差异大等原因，光伏电站逆变器的实际最大有功功率数据差异很大，所有逆变器的实际最大有功功率数据呈现离散性较大的特点，不适合采取有功功率平均分配方式和按容量比例分配方式。

采取相似调节裕度分配方式时，需要根据辐照度、温度等参数[8-9]计算出逆变器实际最大有功功率。首先需要计算逆变器最大有功功率Pcmaxi，计算公式如下：

式中：P标称i为组件标称功率;a为組件温度系数;d为辐照度;k为衰减系数。

计算逆变器总有功可增裕度Pcadd总：

式中：Pcmaxi为辐照度计算逆变器最大有功功率。

计算逆变器i的有功指令Ptargeti，计算公式如下：

由于光伏组件维护差异大等原因，组件标称功率差异很大，部分逆变器有功功率已经满发，但辐照度计算最大有功功率远大于实际最大有功功率，导致逆变器调节后实际提升的有功功率与有功功率偏差ΔP相差很大，不能满足相似调节裕度的要求。

采取步骤5中（1）和（2）的功率分配方式，不需要计算逆变器实际最大有功功率，等功率调整分配方式可使调节后实际提升的有功功率逼近有功功率偏差ΔP，适用于逆变器型号不一致、光伏组件维护差异大的复杂工况。

3    试验验证

3.1    试验方案

现场试验采用频率信号发生装置模拟场站并网点PT的二次侧信号，给出频率试验信号，并发送给光伏电站调频控制系统测频单元，数据记录分析仪采集并网点电压、电流及频率信号发生装置的频率模拟信号，频率信号发生装置给出频率试验信号后，观察试验结果。

3.2    试验结果

图2所示为一次调频频率阶跃上扰试验截图，扰动频率为50.2 Hz，阶跃前有功60.13 MW，阶跃后54.13 MW，响应滞后时间0.14 s，响应时间0.18 s，调节时间0.18 s，控制偏差0.01%。

图3所示为一次调频频率阶跃下扰试验截图，扰动频率为49.8 Hz，阶跃前有功55.05 MW，阶跃后61.28 MW，响应滞后时间0.14 s，响应时间0.18 s，调节时间0.18 s，控制偏差0.24%。

4    结语

在扬州宝应射阳湖光伏电站进行的一次调频试验，证明了本文提出的一次调频控制策略的合理性和优越性，实现了200 ms以内的有功控制和一次调频响应，具有较好的推广意义。

[参考文献]

[1] 孙骁强，刘鑫，程松，等.光伏逆变器参与西北送端大电网快速频率响应能力实测分析[J].电网技术，2017，41（9）：2792-2798.

[2] 《电力系统调频与自动发电控制》编委会.电力系统调频与自动发电控制[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3] 彭天波，王楠，孙刚，等.水电机组一次调频技术要求及与二次调频协调控制的实现方法[J].湖北电力，2017，41（6）：28-31.

[4] 刘洋，邵广惠，张弘鹏，等.新能源参与系统一次调频分析及参数设置[J].电网技术，2020，44（2）：683-689.

[5] 孙光辉，王淑超，刘为群，等.一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法：CN201710330432.2[P].2017-08-08.

[6] 电力系统网源协调技术规范：DL/T 1870—2018[S].

[7] 郭亮，王世荣，王紫嫣，等.光伏电站有功功率控制方法研究[J].电子乐园，2019（15）：190.

[8] 汤海宁，赵红瑞.光伏电站有功功率控制策略设计[C]//

中国电机工程学会电力系统自动化专业委员会三届三次会议暨2013年学术交流会论文集，2013：1-6.

[9] 朱宏毅，沈渭程，董开松.大型光伏电站有功功率控制策略研究[J].电气技术，2019，20（4）：82-85.

收稿日期：2021-11-22

作者简介：叶青（1978—），男，上海人，工程师，研究方向：电力系统及其自动化。

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