基于光伏电站的快速频率响应技术的仿真与研究

岳振亚，许英豪，冯 昊，艾绍伟

（许继电气股份有限公司中试部，河南 许昌 461000）

随着国家能源结构的调整和对可再生能源的大力推广，以光伏发电和风力发电为主的可再生新能源得到了快速发展，新能源在电网中占得比例越来越大。一方面新能源的大量并网解决了当前能源不足，有利于能源的可持续发展，另一方面，新能源的高渗透率导致电网强度下降，安全性降低，制约了以光伏发电和风电为主的新能源的发展，近几年，西北电网的光伏发电并网率不足60%，所以，解决新能源高渗透率下的电网可靠性是迫切需要解决的问题[1]。

目前，国内光伏电站主流的功率调节以AGC系统为主，AGC 系统一般不具备主动调节功率的功能，主要通过调度系统下发功率调节目标值和依靠功率预测曲线进行预约式调节，这就导致了AGC系统调节效率比较低，一次功率调节可能需要两轮以上调节才能完成。调节时间比较慢，一次成功的功率调节需要1 min以上[2]，而预约式功率调节需要依靠功率预测系统的准确预测，提前制定调节曲线，导致功率调节精度比较小，调节不够灵活，不能根据电网的实时情况进行调节。而《国家能源局西北监管局关于开展西北电网新能源场站快速频率响应功能推广应用工作的批复》（西北能监市场〔2018〕41 号文件）中要求需要在并网点具备电网频率快速调整能力，对光伏电站的快速频率响应的时间要求是：从系统频率扰动越限开始，到并网点检测到光伏电站开始响应的允许响应滞后时间为2 s；而达到90%调节量的响应时间则要求不超过5 s。这几乎超出了当前常规AGC系统的控制性能极限。

本文针对西北电网对光伏电站快速调频的要求，通过仿真软件对光伏电站快速调频技术进行了仿真[3]。验证了光伏电站快速调频响应的有效性和实用性。

1 光伏电站快速频率响应

1.1 快速频率响应算法

光伏电站快速频率响应是以频率为变量，通过检测光伏电站母线的频率变化实现功率调节。其原理是根据有功-频率下垂特性进行有功功率的调节,如图1所示。

图1 有功-频率下垂特性示意图

式中：fd为快速频率响应死区，Hz；fn为系统额定频率， Hz；f0为系统实时频率，Hz；Pn为额定功率，MW；δ%为新能源快速频率响应调差率，光伏电站设置为3%；P0为有功功率初值，MW。控制策略，如表1 所示。

表1 快速频率响应控制策略

高频扰动情况下，总发电有功功率不能低于发电机的功率下限，低频扰动，总发电功率要根据实际工况，即可以上调时调节[4]。

1.2 主要技术指标

与AGC功率控制系统相比，快速频率响应对光伏电站的各项指标提出了更高的要求，各项指标如表2所示。

表2 快速频率响应主要技术指标

2 快速频率响应的仿真

2.1 仿真工具的选择

本次快速频率响应仿真采用目前国内光伏电站普遍采用的功率控制系统进行仿真。光伏电站功率控制系统可以根据需求对光伏逆变器、电网母线、线路进行建模，并能对模型的详细参数进行灵活配置，根据建立的模型，最终形成带有电网拓扑结构的一次拓扑图。通过在电网一次拓扑图中对相应变量就行人工置数操作，最终实现快速频率响应的仿真。通过人工置数操作，可以准确控制变量，快速实现各种工况下的仿真[5]，满足电网快速频率响应的仿真需求，而且光伏电站功率控制软件具有良好的人机界面和多种日志功能，可实现仿真过程的全面监视和完成的数据查看。

2.2 仿真系统建模

仿真系统采用最小化建模实现光伏电站快速频率响应的仿真，通过光伏电站功率控制系统建立2个逆变器模型、一条母线模型、一条公共连接点模型，2 个逆变器通过母线与公共点进行连接，最终通过公共点并网接入大电网。

通过建模工具的参数配置界面，可以配置光伏逆变器的所有参数，理论上能够实现任何厂家逆变器的仿真。

为了测试方便，节省建模时间，设置逆变器额定功率为1500 kW。

根据西北的需求文档参数配置：光伏电站f最大最小限50.1～49.9 Hz，紧急上下限50.2～49.8 Hz。

3 仿真结果分析

3.1 频率越上线仿真

频率上限参数设置值为50.1 Hz，通过一次拓扑结构母线的频率参数，手动设置母线频率为50.2 Hz。

3.2 频率越下限仿真

频率下限参数设置值为49.9 Hz，通过一次拓扑结构母线的频率参数，手动设置母线频率为49.8 Hz。

3.3 频率越紧急上下限仿真

仿真系统设置的频率紧急上下限为50.2 Hz 和49.8 Hz。设置母线频率超过紧急上下限，根据西北电网要求频率越紧急上下限时以新能源场站当前出力增加配置的固定步长控制，无特别要求光伏逆变器步长一般配置10%Pn（Pn逆变器额定功率）。

逆变器建模设置Pn为1500 kW，10%Pn步长是150 kW，2台逆变器综合步长为300 kW，所以上述仿真结果程符合频率越紧急上限调节策略。

4 结束语

新能源的快速发展改变了电网的结构，如何保证高渗透下的电网安全性是新能源发展的前提，快速频率响应解决了光伏发电站并网运行过程中存在的问题[6]，使光伏电站友好的并网运行，提高了光伏发电的利用率，特别是对我国西北地区高渗透率电网有着重要意义。本文通过对光伏电站快速频率相应的仿真，验证了光伏电站快速频率响应的可用性和有效性。为光伏电站并网运行提供参考。