光伏发电接入柔直互联区域调频措施研究

王宝

（陕西德源府谷能源有限公司）

0 引言

在传统煤炭资源日益枯竭的背景下，人们开始试图用风能、太阳能等可再生资源的分布式发电技术进行发电，光伏是分布式能源的重要形式，光伏发电技术将会有十分广阔的发展前景。柔性直流输电（VSC-HVDC）有潮流快速逆转、有功无功解耦调控等特点，为能源并网、电网实现跨区域互联等提供可靠的技术支持。近年，VSC-HVDC输送功率比例持续增加，端电网内机组开机影响着实际压缩情况，增加了系统稳定性维持的难度。故而，应积极探究频率调控措施，确保不同区域之间形成相互支持的强大能力。

1 分析电网频率动态属性

构建电力系统频率响应模型（SFR），其能辅助分析发电机惯性时间常量给频率动态属性带来的影响。

可以利用下式表示由负荷扰动△PL至△f的传递函数G(s)[1]：

如果系统负荷存在阶跃扰动的情况时，用下式表示频率f：

式中，ζ表示阻尼比；ωn、ωd分别表示无阻尼阻尼震荡频率。

运用以上公式，可以较顺利地计算出能呈现电力系统频率属性的指标，分析各指标的改变规律，对频率动态属性做出更合理的评估结论。

图1 频率响应模型

在光伏发电接进柔直互联区的分析情景下，伴随VSC-HVDC 输送功率比例持续增加，减缩受端电网内传统电源的开机，减少等效转动惯量值，会造成系统的频率属性不断下降，以致在干扰因素作用下受端电网的频率改变率提高、最低点位下降、稳态偏差加大等，不利于系统稳定运作。

2 系统构造

光伏发电接进柔直互联区的系统结构见图2[2]。

图2 系统结构

3 频率附加控制措施

3.1 频率-直流电压（f-Udc）

观察图2，可用下式表示VSC-HVDC内电容的动态特性[3]：

式中，Pg为传送至受端电网的有功功率。为精简分析过程，不考虑有功功率损耗。

运用Cdc模拟发电机组的惯量响应情况，则有：

式中，Hdc为VSC2的惯性时间常数。

将f-Udc附加控制整合到VSC2的控制器内，受端电网频率被干扰时，调整电压参考值Udcref，以把受端电网频率干扰信号传送到电压扰动信号。

3.2 VSC1 附加控制

附加控制的宗旨在于把VSC-HVDC内电压扰动信号传送至光伏发电侧，提升受端电网频率人工耦合效率，附加控制公式[4]：

式中，fPV0、KA分别表示VSC1侧的原始频率、控制参数。

3.3 虚拟惯量控制

参照逆变器锁相环的工作机制，推导出电网频率f公式，能够运算出光伏发电动态过程内增发的有功功率△PPV：

式中，Utq代表发电单元端的电压矢量；kppll、kipll分别是控制器的比例、积分系数。

虚拟惯量的调控策略见图3，和其他调频控制方法相比，本文设计的这种策略操作过程简单、实用性强，不会提高硬件成本投入。

图3 虚拟惯量的调控策略

3.4 调频控制策略对频率动态特性产生的影响

将调频、附加控制策略用在光伏发电、VSCHVDC内以后，建立相应的频率响应模型，采用表示系统的惯性时间常数，有[5]：

可见运用调频测量会影响系统的惯性时间常数H，H变化会作用于系统的频率动态特性，产生一定影响。

系统处于被负荷干扰的工况时，发现伴随、数值的增加，系统等效相应增长，频率改变率的原始值域超调量均缓慢降低，最小频率跌落值逐渐变大，相应的稳定时间延长，整体分析有益于提升系统运行的安稳性[6]。

3.5 不同控制参数对系统可靠性的影响

伴随参数HPV、kdc数值的增加过程，系统主导特征根会缓缓朝向实轴的正半轴方向发生移动，表明系统运行的可靠程度下降。这就预示着在对系统选择调频控制参数时，要明确不同参数对系统调频属性产生的影响，在此基础上追求实现系统可靠性的最大化。

4 仿真验证

于EMTDC/PSCAD内建模，已知发电输出的额定有功功率200MW。光伏发电仿真参数：额定输出功率500kW，400个发电单元，逆变器有功功率外环、有功及无功电流内环分别是（2，200）、（1，100）、（1，100）。柔性直流输电的仿真：额定输出功率300MW，直流电压、电容分别是160kV、2000μF，频控制参数0.08。

通过仿真分析，发现处于变动状态下的受端电网频率信号以换流站直流电压为载体被运输到送端电网，光伏发电系统感知到电网频率被干扰以后，运用虚拟惯量调控方式去增加输电功率，进而实现对受端电压频率下落过程的有效抑制；光伏发电的等效惯量和数值大小变化过程维持同步，不断增加时，频率动态改变过程能给更多的功率提供支持作用。

发电输出功率处于限功率运转状态（对应值180MW），t=30s时，受端电网负荷降至50MW，即负荷减少，在这样的工况下，换流站VSC1、VSC2统一运用频率附加控制、光伏发电运用虚拟惯量调控时，对受端电网频率的增高过程能产生有效抑制作用[7]。

发电输出功率是180MW，t=30s时，受端电网负荷提高 50MW，伴随控制参数kdc数值增加，受端电网频率动态改变的过程内，VSC-HVDC内电容的放电功率相应增多，有助于减少系统的最小频率掉落幅度即频率改变率，但是伴随电流电压数值减小过程的推进，两个换流站发生过调制现象的概率相应增加，对直流输电过程可靠性产生一定影响。

5 结束语

光伏发电是电网频率动态进程中的主要能量控制单元，虚拟惯量控制情况影响受端频率变动幅度，增加Hpv，有益于维持即固定系统频率的稳定性。利用受端换流站的频率控制策略，能人工耦合电网频率和光伏发电过程。关于系统调频控制参数的选择问题，不仅要明确不同参数对系统调频属性产生的影响，也要追求实现系统可靠性的最大化。