光伏电站参与电网频率调节技术的研究

朱岚康，单宝旭，隋本刚

（国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

0 引言

光伏发电具有随机波动性，随着光伏电站的数量和规模的加大，电网的稳定性受到影响。特别是在光伏渗透率较高的地区，由于目前大部分光伏电站本身不参与调频且自身没有惯量，电网的频率稳定性会受到光伏电站输出功率的影响[1]。

针对光伏电站的频率波动问题，学者们做了大量的研究。文献[2]针对电网频率的波动，采取分层方法实现频率的调整。此策略由2 种模式组成：频率变化不大时启动模式一，设置1个虚拟的调速器，类似于同步发电机下垂特性，通过增发功率抑制频率波动；频率变化较大时启动模式二，例如负荷骤降时，紧急控制减少光伏输出功率，平衡系统的有功功率，等频率波动恢复到模式一的范围内，控制模式恢复到模式一。文献[3]提出跟踪伪最大功率点的方法，使光伏阵列保有一定的裕量。该方法通过损失一部分的有功输出功率，使光伏能够响应系统的频率波动，这是光伏发电单元具有调节频率能力的基础。文献[4]提出配置超级电容器储能装置，利用储能装置储存和释放电能的能力，调节光伏输出有功功率，以响应系统频率变化。

本文在分析大型光伏电站并网模型的基础上，研究掌握正常工况下的光伏调频技术，在仿真平台上搭建光伏电站的模型，并探讨和明确光伏发电单元调频与光伏电站场站级控制系统调频的优缺点。

1 光伏并网发电系统模型

光伏电站由光伏发电单元将太阳能转化为直流电能，逆变器将光伏产生的直流电能转化为交流电能，再经过站内升压变压器送至集电线路，最后经由主变电站将电能高压送出。

1.1 光伏电池模型

基于光伏电池的物理特性，结合光照强度与温度的影响，根据参考数值下的标准参数，任意电池温度T 和光照强度S 下的光伏方阵的I-U特性与参数能够推导得出[5]：

1.2 逆变器及其控制模型

目前，大型光伏电站多采用单级式结构，主要由光伏阵列、逆变器、控制系统等部分组成[6]。为了方便控制器的设计，需要对逆变器交流侧电压方程进行dq 变换，其控制模型如图1 所示。其中，Ug为电网电压，Lg为电网等效电感，UPCC为单台逆变器并网点电压，L1，L2，Cf分别为LCL滤波器的电感和电容；i1，i2分别为逆变器桥出口电流和并网电流；ic为滤波电容电流；Idc为直流电流；C3s/2r为派克变换；GUdc（s）为直流控制环节；Gi-d（s）和Gi-q（s）分别为d 轴和q 轴控制单元；和分别为d 轴和q 轴电流；ω 为频率。本控制策略采用电压外环、电流内环的双环控制[7]，利用PLL（锁相环）技术对电网电压幅值和相位进行采样，得到旋转坐标系下的电网电压幅值ed，eq和相位参考量θ。

图1 逆变器结构及控制模型

2 光伏发电单元参与系统频率调节

光伏的频率控制策略是基于频率偏差的功率跟踪控制实现的，而实现控制的前提是使光伏具有功率可调的能力，因此光伏必须有备用容量。以并网侧采集到的频率与标准量的偏移量作为控制信号，反馈至逆变器双环控制，通过调节电子管的占空比来控制有功功率输出。光伏阵列具有上下调整功率的能力，所以能够跟随频率的波动输出功率，调整光伏出力变化引起的频率波动[8-9]。

2.1 控制策略设计

本文在MPPT（最大功率点跟踪）方法的基础上设计光伏阵列频率反馈功率跟踪控制策略。首先设定拟定的功率跟踪点在保证p0=0.9pmax的情况下，保证跟踪点电压U0＜U，则保证了找到的电压量在最大功率点的左侧。设置目标函数为拟定的功率跟踪偏移量Δp，频率波动导致的频率偏移量通过光伏阵列的有功功率出力来调整，光伏阵列出力改变的信号由Δp 得到。光伏阵列的调整量Δpmax不能大于同一时刻光伏阵列输出功率最大值的10%。由下垂控制原理可知拟定跟踪功率点的偏移量与频率偏移量之间的关系为：

式中：C 为比例系数，按照频率功率差的最大值取值。

设定一个输出的功率p′，利用设定的拟定功率初始标准值p0和功率的偏移量可以得到此值，即：

在确定了功率的输出值之后，便可以找到对应的电压输出值，通过PWM（脉冲宽度调制）得到的占空比来控制IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的输出。

2.2 控制策略仿真分析

本文采用典型的两区域四机系统，系统的详细参数见文献[16]。4 台机组额定功率均为810 MW，将500 MW 的光伏电站接入区域1 的母线6上，将区域1 其中1 台发电机的出力减少500 MW，用500 MW 光伏电站替代出力。根据搭建的光伏发电单元，采用单机倍乘的方法等效一个50 MW 容量的光伏单元，500 MW 的光伏电站由10 个这样的等值光伏单元组成。

仿真步长为10 ms，仿真持续时间为20 s，2 s 时将负荷L7 的有功功率增加333.5 MW，其他条件不变，图2 是光伏不加调频控制的仿真结果。从图2 可以看出，2 s 时由于负荷的增加，系统频率开始降低，最低值达到59.4 Hz 左右。

图3 是光伏增加调频控制的仿真结果。从图中可以看出，当频率降低的时候，光伏增加出力，帮助系统及时恢复了频率，系统频率最低值在59.5 Hz 以上。

对比图2 与图3 可以发现：没有增加调频的光伏电站一直保持400 MW 左右的出力，系统频率最多降低至59.4 Hz 左右；增加了调频的光伏电站在系统负荷增加、系统频率降低时增加出力，帮助系统及时恢复频率，系统最低频率达到59.5 Hz 以上，充分说明了控制策略的有效性。

3 场站级控制系统参与系统频率调节

同步发电机能够在电网频率波动时发挥一次调频能力[10-15]，而目前的并网光伏发电站几乎都不具备这种能力，即光伏电站的功率频率系数：

所以在光伏电站接入电网的所有频率功率特性系数为：

图2 光伏不加调频控制的仿真结果

图3 光伏增加调频控制的仿真结果

式中：KG，KL分别为发电机、负荷一次调频的单位调节功率。假设所有的光伏电站都具有一次调频的能力，则整个系统的频率功率特性系数：

式中：KG-S为光伏电站单位调节功率。

对比式（5）与式（6），可以得到同等容量具有一次调频能力的光伏电站接入电网，系统频率功率特性参数值比较大，由于其他原因导致的频率波动比较小，因此系统相对比较稳定。

3.1 控制策略设计

当光伏电站需要响应电网系统调频要求时，场站级控制系统根据并网点频率波动情况以及光伏电站当前的运行工况来确定有功功率输出指令，其场站级控制总框图如图4 所示。通过测量系统频率偏差，得到功率控制指令Pord，再由场站级功率控制系统将其下发至单机控制系统，故障穿越及限流保护模块通过单机控制系统输出的电流控制量Ipcmd以及电压参考量UG得到有功功率电流控制量IP，进而控制光伏电站的有功出力。

3.2 控制策略仿真分析

图4 光伏发电站场站级控制总框图

本文在典型的两区域四机系统上进行改造，改造算例系统如图5 所示。区域1 有2 台额定功率均为700 MW 的传统发电机，区域2 有2 台额定功率分别为719 MW 和700 MW 的传统发电机，将500 MW 的光伏电站接入区域1 的母线6 上，将区域1 其中1 台发电机的出力减少500 MW，用500 MW 光伏电站替代出力。

仿真步长为10 ms，仿真持续时间为20 s，在2 s 的时候将负荷L7 的有功功率增加333.5 MW，其他条件不变，图6 是光伏增加场站级调频控制的仿真结果。 可以看出，在该负荷扰动下，只需3 个光伏等值单元参与系统调频即可，对比图2 可知，该场站级调频控制方法可以有效减小系统频率偏差。

3.3 比较光伏单元调频与场站级调频的适用性

图5 改造算例系统

图6 光伏增加场站级调频控制的仿真结果

场站级控制系统实际上是从光伏电站的角度通过逆变器的上层对可用逆变器进行整体控制，通过场站级控制系统将这些功率指令下发到可用的逆变器来完成控制。而光伏单元的调频不会经过这个系统，直接从并网点测得频率偏差后，反馈至逆变器进行调频。两者在调频时间上是不同的，由于场站级调频是要经过场站级控制系统完成，会使用比光伏单元调频更多的时间。在大型光伏电站中，场站级控制系统对于逆变器整体控制显得更加适用。

4 结语

本文通过对大型光伏电站进行建模，设计实现了光伏单元参与系统频率调节策略和场站级控制系统参与系统频率调节策略，并分析比较了两种策略的适用性。光伏单元调频响应速度快，但可控性不好；场站级控制系统调频可控性好，控制灵活，但是有时间延迟。 在允许的时间精度内，场站级控制系统更适用于大型光伏电站频率控制。