基于全站控制的光伏場快速一次調(diào)頻控制系統(tǒng)研究

鄭有余 趙 玉

(1. 南京愛浦克施電氣有限公司 南京 211800；2. 云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 昆明 650500)

1 引言①

隨著可再生能源發(fā)電的迅猛發(fā)展，新能源裝機(jī)容量越來越大，相應(yīng)的具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的常規(guī)水、火電機(jī)組開機(jī)比例逐步下降，但普通新能源發(fā)電并網(wǎng)不具備快速頻率響應(yīng)能力，電網(wǎng)頻率控制特性的結(jié)構(gòu)性困境日趨明顯[1-6]。基于此開展新能源場站頻率響應(yīng)推廣應(yīng)用工作是保障新能源高占比形態(tài)下大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大舉措，對(duì)促進(jìn)新能源持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。但是目前的調(diào)頻控制系統(tǒng)都是通過相當(dāng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋫鬏斂刂浦噶顝亩瓿深l率的調(diào)整，在這個(gè)控制命令的傳送中網(wǎng)絡(luò)延時(shí)占了相當(dāng)大的部分。因?yàn)樵谡麄€(gè)鏈路的延時(shí)過長，導(dǎo)致調(diào)頻效果不理想，不能滿足電網(wǎng)對(duì)電源調(diào)頻的要求[7]。

截至2018年7月，西北電網(wǎng)風(fēng)電和光伏比例已達(dá) 34.55%。風(fēng)電和光伏的發(fā)電原理不同于傳統(tǒng)電源，在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的時(shí)候沒有旋轉(zhuǎn)慣量進(jìn)行支撐，這使得電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性下降[8-10]。為了保障高比例新能源接入對(duì)西北電網(wǎng)的穩(wěn)定性，西北調(diào)控對(duì)轄區(qū)內(nèi)的光伏電場接入電網(wǎng)提出頻率快速響應(yīng)的要求，新能源發(fā)電要參與維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司西北分部關(guān)于開展西北電網(wǎng)新能源場站快速頻率響應(yīng)功能推廣應(yīng)用工作的通知》西北調(diào)控[2018]137號(hào)文(以下簡稱西北調(diào)控137號(hào)文)要求，規(guī)定了光伏響應(yīng)滯后時(shí)間不超過2 s，響應(yīng)時(shí)間不超過5 s。

本文提出了一種基于全站控制的整套改造方案，只要光伏站的逆變器能夠正常工作，正常通信，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度小于1.5 s，該實(shí)施方案就可以滿足西北調(diào)控 137號(hào)文所明確的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。本文的設(shè)計(jì)方案涵蓋了并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)頻率高精度快速測量，系統(tǒng)頻率越過頻率-功率控制曲線的死區(qū)到觸發(fā)一次調(diào)頻動(dòng)作，計(jì)算調(diào)節(jié)有功出力，分配逆變器出力。

2 理論分析

2.1 自動(dòng)發(fā)電控制

大中型光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行后，有義務(wù)按照調(diào)度指令參與電力系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰和備用。具體來說，大中型光伏電站應(yīng)配置有功功率控制系統(tǒng)，具備有功功率調(diào)節(jié)能力。光伏電站自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic generation control，AGC)系統(tǒng)能夠自動(dòng)按照電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)的或本地設(shè)定的有功功率控制指令進(jìn)行具體的邏輯判別并生成最優(yōu)的調(diào)節(jié)策略，通過通信網(wǎng)絡(luò)下發(fā)控制命令給逆變器進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站并網(wǎng)有功功率的閉環(huán)控制，滿足調(diào)度的控制要求[11]。AGC控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 有功-頻率下垂控制

光伏發(fā)電站利用相應(yīng)的有功控制系統(tǒng)、單機(jī)或加裝獨(dú)立控制裝置完成有功-頻率下垂特性控制(圖 2)，使其在并網(wǎng)點(diǎn)具備參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)整能力。快速頻率響應(yīng)有功-頻率下垂特性通過設(shè)定頻率與有功功率折線函數(shù)實(shí)現(xiàn)，即

式中，fd為快速頻率響應(yīng)死區(qū)；fN為系統(tǒng)額定頻率；PN為額定功率；δ為新能源快速頻率響應(yīng)調(diào)差率；P0為有功功率初值。

有功調(diào)節(jié)采用改進(jìn)的PI控制算法，引入有功功率和頻率偏差負(fù)反饋提高控制精度，有功-頻率調(diào)節(jié)流程圖如圖3所示。

2.3 并網(wǎng)逆變器

目前大型集中式光伏電站應(yīng)用的并網(wǎng)逆變器主要有集中式逆變器和組串式逆變器兩類[12]。集中式逆變器單臺(tái)容量能夠達(dá)到 500 kW 及以上，現(xiàn)在某些場站中應(yīng)用的容量為1 MW的逆變器實(shí)質(zhì)上是由兩臺(tái) 500 kW 的逆變器組合而成；組串式逆變器的單臺(tái)容量一般只有幾十千瓦，1 MW的子陣大約需要30臺(tái)逆變器。圖4為1 MW發(fā)電單元應(yīng)用集中式逆變器和組串式逆變器時(shí)的方案結(jié)構(gòu)圖。

從圖4a可看出，集中式逆變器的方案中，光伏陣列輸出的直流電要經(jīng)過直流匯流箱和直流配電柜兩級(jí)匯流，連接到集中式逆變器進(jìn)行并網(wǎng)，圖 4b所示組串式逆變器并網(wǎng)方案中，光伏陣列輸出的直流電不經(jīng)過匯流環(huán)節(jié)就直接輸送到逆變器，轉(zhuǎn)換為交流電，然后通過交流匯流箱匯流之后，再經(jīng)變壓器升壓并網(wǎng)。

3 光伏電站一次調(diào)頻功率控制方案

3.1 常規(guī)控制方案

目前的西北五省新能源發(fā)電控制系統(tǒng)，發(fā)電控制主要是基于主站側(cè) AGC通過通信鏈路從遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備(新疆、青海、寧夏)或者有功控制系統(tǒng)(甘肅)調(diào)取當(dāng)前場站的發(fā)電出力計(jì)劃值，然后通過自身的算法處理，將總的計(jì)劃值分解為各個(gè)逆變器(或者各個(gè)發(fā)電陣列)的計(jì)劃值。也有AGC再通過場站相量測量裝置(Phasor measurement unit，PMU)系統(tǒng)對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。新能源場站的逆變器類型可以分為大功率逆變器(單臺(tái) 500 kW 左右)和組串式逆變器(單臺(tái)50 kW左右)。其中大功率逆變器一般幾臺(tái)集中存放在箱變小室，通過箱變小室的通信管理機(jī)或者箱變測控裝置及光纖環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)通道與AGC或者PMU進(jìn)行通信。而組串式逆變器一般分為多個(gè)發(fā)電陣列，每個(gè)陣列受一套數(shù)采系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)采集通過光纖環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)通道與 AGC或者PMU進(jìn)行通信，具體的控制過程如圖5所示。

3.2 改造后的控制方案

考慮到西北五省每個(gè)新能源場站建設(shè)的時(shí)期不一致，設(shè)備廠家更是參差不齊，在原有的控制思路上很難保證一次調(diào)頻的技術(shù)指標(biāo)。因此，本文提出了一種基于全站控制的整套改造方案。該改造方案只需要增加一套獨(dú)立的屏柜，該屏柜包含 IPD-700快速頻率響應(yīng)裝置，IPD-700M 功率分配協(xié)調(diào)裝置(主機(jī))，工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)三層交換機(jī)。另外依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，針對(duì)部分老舊新能源場站箱變小室通信管理機(jī)(或者箱變測控裝置)通信速度慢、可靠性差的情況，我們可以有選擇地配置IPD-700S功率分配協(xié)調(diào)裝置(子機(jī))以增加一次調(diào)頻的快速性和可靠性。詳細(xì)的功率控制拓?fù)鋱D如圖6所示，光伏場站現(xiàn)場新增設(shè)備為快速頻率響應(yīng)裝置、功率分配控制裝置(主機(jī))、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)BX5024和功率分配控制裝置(子機(jī))。

3.3 新增設(shè)備功能分析

3.3.1 IPD-700快速頻率響應(yīng)裝置

快速頻率響應(yīng)裝置配置交流信號(hào)采集模塊、開關(guān)量采集模塊、通信傳輸模塊、主CPU邏輯運(yùn)算模塊、人機(jī)交互模塊、B碼對(duì)時(shí)模塊、一次調(diào)頻模擬測試模塊以及一次調(diào)頻動(dòng)作錄波模塊，裝置軟件內(nèi)含三相同步擬合測頻算法。

(1) 交流信號(hào)采集模塊。

內(nèi)部包含 12路高精度抗直流干擾的電流及電壓互感器，采用16位A/D芯片、帶二階低通濾波芯片、48點(diǎn)采樣和快速傅里葉計(jì)算。模塊主要實(shí)現(xiàn)最多可達(dá)2路并網(wǎng)點(diǎn)CT、PT信號(hào)的接入及計(jì)算。

(2) 開關(guān)量采集模塊。

內(nèi)部包含14路直流220 V開關(guān)量信號(hào)的采集，模塊自帶硬件抗干擾措施，軟件去抖動(dòng)時(shí)間可設(shè)，去抖動(dòng)分辨率小于1 ms。

(3) 通信傳輸模塊。

包含2路100 M以太網(wǎng)(RJ45)和1路RS485串行通信口。內(nèi)置多種電力自動(dòng)化通信規(guī)約，如MODBUS-TCP(支持客戶端，服務(wù)器模式)，60870-5-104/103規(guī)約。

(4) 主CPU邏輯運(yùn)算模塊。

模塊內(nèi)置邏輯圖繪制功能，可按照西北調(diào)控137號(hào)文的要求，配置一次調(diào)頻相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)當(dāng)前有功、頻率，自動(dòng)識(shí)別單一短路故障引起的瞬時(shí)頻率突變并主動(dòng)閉鎖一次調(diào)頻。當(dāng)系統(tǒng)頻率越過死區(qū)，依據(jù)有功-頻率下垂特性示意圖，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算有功調(diào)節(jié)量。

(5) 人機(jī)交互模塊。

模塊包含一塊大屏幕中文液晶，6個(gè)獨(dú)立定義的信號(hào)燈及9個(gè)操作按鍵。通過該模塊，工程技術(shù)人員或場站運(yùn)行人員可以方便地對(duì)裝置設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)查看各種狀態(tài)量及模擬量。

(6) B碼對(duì)時(shí)模塊。

模塊采用RS-485方式與主站GPS授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)時(shí)操作，可保證裝置的時(shí)間誤差小于1 ms。

(7) 一次調(diào)頻模擬測試模塊。

由于一次系統(tǒng)的頻率實(shí)際發(fā)生越限的幅度和時(shí)間難以掌控，我們可以通過修改模塊內(nèi)測試文件的頻率數(shù)值和時(shí)間間隔，動(dòng)態(tài)模擬各種頻率越限情況下發(fā)生一次調(diào)頻事件。

(8) 一次調(diào)頻動(dòng)作錄波模塊。

模塊包含3種錄波功能：模擬測試動(dòng)作錄波、一次調(diào)頻動(dòng)作錄波和常態(tài)運(yùn)行錄波。模擬測試動(dòng)作錄波，記錄裝置進(jìn)行一次調(diào)頻模擬測試時(shí)各種數(shù)值及開關(guān)量狀態(tài)的變化情況，錄波的時(shí)間長度為測試文件的時(shí)間長度。一次調(diào)頻動(dòng)作錄波，記錄系統(tǒng)真實(shí)發(fā)生一次調(diào)頻時(shí)，各種數(shù)值及開關(guān)量狀態(tài)的變化情況，錄波的時(shí)間長度為一次調(diào)頻從發(fā)生到結(jié)束的整個(gè)時(shí)間窗口。常態(tài)運(yùn)行錄波，記錄每天新能源站從發(fā)電開始到發(fā)電結(jié)束，整個(gè)發(fā)電過程中各種電氣數(shù)值及開關(guān)量狀態(tài)的變化情況，并標(biāo)記一次調(diào)頻各個(gè)發(fā)生點(diǎn)時(shí)間，常態(tài)錄波一般可以循環(huán)連續(xù)記錄40天的數(shù)據(jù)。

(9) 三相同步擬合測頻算法。

通過該算法可保證快速頻率響應(yīng)裝置在實(shí)際頻率發(fā)生越限后50 ms內(nèi)就可以得出頻率實(shí)際值，頻率精度可靠性保持在0.001 Hz。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室過百次模擬一次調(diào)頻測試分析，快速頻率響應(yīng)裝置大概在60 ms就可以完成一次調(diào)頻的動(dòng)作觸發(fā)，并送出一次調(diào)頻有功響應(yīng)計(jì)劃值。

3.3.2 IPD-700M功率分配協(xié)調(diào)裝置(主機(jī))

IPD-700M 功率分配協(xié)調(diào)裝置(主機(jī))依據(jù)內(nèi)部可靠的Linux平臺(tái)，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和多個(gè)冗余通信口，在沒有一次調(diào)頻事件時(shí)，從AGC系統(tǒng)或者PMU系統(tǒng)獲取當(dāng)前場站的省調(diào)計(jì)劃值，并將該值轉(zhuǎn)發(fā)給快速頻率響應(yīng)裝置。同時(shí)以1～3 s的刷新速率獲取當(dāng)前場站各個(gè)逆變器或者逆變器發(fā)電陣列的實(shí)時(shí)出力數(shù)據(jù)。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生一次調(diào)頻事件，該主機(jī)第一時(shí)間從快速頻率響應(yīng)裝置獲知一次調(diào)頻事件發(fā)生，主動(dòng)向AGC系統(tǒng)或者PMU系統(tǒng)發(fā)出閉鎖信號(hào)，AGC系統(tǒng)或者PMU系統(tǒng)停止向逆變器或者逆變器發(fā)電陣列下發(fā)控制及調(diào)節(jié)指令，同時(shí)將新能源場站發(fā)電控制的權(quán)利轉(zhuǎn)交給功率分配協(xié)調(diào)裝置(主機(jī))。功率分配協(xié)調(diào)裝置(主機(jī))從快速頻率響應(yīng)裝置獲取一次調(diào)頻有功響應(yīng)計(jì)劃值。并依據(jù)裝置內(nèi)部當(dāng)前數(shù)據(jù)庫累積的場站逆變器或者逆變器發(fā)電陣列實(shí)時(shí)工況，結(jié)合一次調(diào)頻有功分配策略，計(jì)算得出各個(gè)逆變器或者逆變器發(fā)電陣列的單獨(dú)計(jì)劃值。通過場站光纖環(huán)網(wǎng)鏈路主動(dòng)快速下發(fā)。通過預(yù)先設(shè)置的調(diào)節(jié)周期完成第一輪一次調(diào)頻有功響應(yīng)計(jì)劃值的分配及后續(xù)幾輪的調(diào)控。功率分配協(xié)調(diào)裝置(主機(jī))有以下功能。

(1) 多路通信口，裝置外置4路100 M以太網(wǎng)(RJ45)和16路串行通信口，內(nèi)置國內(nèi)主流自動(dòng)化廠家設(shè)備規(guī)約集成庫。應(yīng)對(duì)不同的AGC廠家及PMU系統(tǒng)互聯(lián)互通，同時(shí)預(yù)留對(duì)接遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)或場站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的通信擴(kuò)展能力。

(2) 裝置基于Linux平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用開發(fā)，主動(dòng)采集逆變器或逆變器陣列實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，采用特殊的排序算法，可為一次調(diào)頻功率分配提供優(yōu)于AGC的新能源有功分配策略。

(3) 對(duì)于一些特殊的逆變器設(shè)備，或者一個(gè)場站多種逆變器型號(hào)和廠家，裝置采用虛擬裝置方式做到應(yīng)對(duì)策略的兼容和可擴(kuò)展。

(4) 可靠的通信連接查詢及完善的通信自恢復(fù)能力，保障裝置在各種嚴(yán)苛環(huán)境下能夠可靠穩(wěn)定地長期工作。

(5) 所有的非同源數(shù)據(jù)之間可以共享及轉(zhuǎn)化，通過新增算法可靈活生成新型應(yīng)用類型數(shù)據(jù)。為裝置的功能提升提供數(shù)據(jù)資源，支持用戶定制化功能。

(6) 裝置內(nèi)置日志記錄，所有重要事件及相關(guān)參數(shù)永久保存。

3.3.3 工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)

工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)用于接入光纖環(huán)網(wǎng)，本方案采用國網(wǎng)公司認(rèn)定的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，可滿足現(xiàn)場嚴(yán)苛的自然環(huán)境及高等級(jí)的 EMC電磁兼容特性要求。

3.3.4 IPD-700S功率分配協(xié)調(diào)裝置(子機(jī))

考慮到部分新能源場站建設(shè)時(shí)間相對(duì)久遠(yuǎn)，有些設(shè)備廠家無法為原來箱變小室的通信管理機(jī)或箱變測控裝置的通信能力進(jìn)行升級(jí)改造。為保障這部分的新能源場站也能具備快速一次調(diào)頻響應(yīng)能力，可以在逆變器與光纖環(huán)網(wǎng)中間增設(shè)功率分配協(xié)調(diào)裝置(子機(jī))，子機(jī)布置于新能源場站發(fā)電區(qū)的箱變小室內(nèi)，子機(jī)的網(wǎng)口通過光纖環(huán)網(wǎng)與主機(jī)進(jìn)行通信對(duì)接，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生一次調(diào)頻事件時(shí)，可快速地接收主機(jī)的分配指令，并將主機(jī)發(fā)出的每個(gè)逆變器計(jì)劃值采用單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的通信方式下發(fā)給指定逆變器。子機(jī)通過本裝置上其他的通信口與原有通信管理機(jī)或箱變測控裝置的通信口連接，為逆變器與箱變小室其他原有設(shè)備的連接保留通信鏈路。

4 光伏電站快速頻率響應(yīng)參數(shù)設(shè)置及錄波結(jié)果

4.1 參數(shù)設(shè)置

快速頻率響應(yīng)死區(qū)：光伏電站設(shè)置為±0.06 Hz?？焖兕l率響應(yīng)限幅：光伏電站按照不小于額定功率的10%限幅，且不得因快速頻率響應(yīng)導(dǎo)致逆變器脫網(wǎng)或停機(jī)。調(diào)差率：光伏電站設(shè)置為3%。電網(wǎng)高頻擾動(dòng)情況下，光伏電站有功功率降至額定功率的10%時(shí)可不再向下調(diào)節(jié)。電網(wǎng)低頻擾動(dòng)情況下，光伏電站根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況參與電網(wǎng)頻率快速響應(yīng)，不提前預(yù)留有功備用。光伏電站快速頻率響應(yīng)功能應(yīng)與 AGC控制相協(xié)調(diào)，光伏電站有功功率的控制目標(biāo)應(yīng)為 AGC指令值與快速頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)量代數(shù)和。其中，當(dāng)電網(wǎng)頻率超出(50±0.1)Hz時(shí)，光伏電站快速頻率響應(yīng)功能應(yīng)閉鎖 AGC反向調(diào)節(jié)指令。

4.2 錄波結(jié)果

西北某50 MW光伏站采用本方案一次調(diào)頻實(shí)測錄波波形如圖7所示。圖7中F為系統(tǒng)實(shí)測頻率，PP為光伏場輸出有功功率給定值，RP為光伏場實(shí)際輸出有功功率，一次調(diào)頻不為零表示一次調(diào)頻功能動(dòng)作。

由錄波波形可知，錄波波形在29～37 s期間，系統(tǒng)頻率低于額定值，調(diào)頻控制器給定值較高，實(shí)際輸出功率持續(xù)增加；37.0～37.3 s期間，系統(tǒng)頻率升高，調(diào)頻控制器立即動(dòng)作，按3%調(diào)差率調(diào)節(jié)給定值，實(shí)際輸出功率響應(yīng)時(shí)間為0.9 s；42.7 s時(shí)，系統(tǒng)頻率下降，頻率控制器給定值隨之增加，實(shí)際輸出功率響應(yīng)時(shí)間為1.1 s。

5 結(jié)論

在光伏電站自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)和光伏電站有功-頻率下垂控制特性的基礎(chǔ)上，對(duì)光伏場站新增快速頻率響應(yīng)裝置、功率分配控制裝置(主機(jī))、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī) BX5024和功率分配控制裝置(子機(jī))等設(shè)備，充分發(fā)揮了逆變器快速調(diào)節(jié)性能并實(shí)現(xiàn)了全站所有逆變器有功快速、統(tǒng)一控制。由驗(yàn)證結(jié)果可知，本文提出的基于全站控制的整套改造方案，通過對(duì)逆變器的全站控制，能夠快速地響應(yīng)頻率的跌落和增加，減小擾動(dòng)發(fā)生后頻率的變化。保證了光伏電站有功功率快速調(diào)整和一次調(diào)頻響應(yīng)性能。