基于光伏電站的快速頻率響應(yīng)技術(shù)的仿真與研究

岳振亞，許英豪，馮 昊，艾紹偉

（許繼電氣股份有限公司中試部，河南 許昌 461000）

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和對可再生能源的大力推廣，以光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為主的可再生新能源得到了快速發(fā)展，新能源在電網(wǎng)中占得比例越來越大。一方面新能源的大量并網(wǎng)解決了當(dāng)前能源不足，有利于能源的可持續(xù)發(fā)展，另一方面，新能源的高滲透率導(dǎo)致電網(wǎng)強(qiáng)度下降，安全性降低，制約了以光伏發(fā)電和風(fēng)電為主的新能源的發(fā)展，近幾年，西北電網(wǎng)的光伏發(fā)電并網(wǎng)率不足60%，所以，解決新能源高滲透率下的電網(wǎng)可靠性是迫切需要解決的問題[1]。

目前，國內(nèi)光伏電站主流的功率調(diào)節(jié)以AGC系統(tǒng)為主，AGC 系統(tǒng)一般不具備主動調(diào)節(jié)功率的功能，主要通過調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)功率調(diào)節(jié)目標(biāo)值和依靠功率預(yù)測曲線進(jìn)行預(yù)約式調(diào)節(jié)，這就導(dǎo)致了AGC系統(tǒng)調(diào)節(jié)效率比較低，一次功率調(diào)節(jié)可能需要兩輪以上調(diào)節(jié)才能完成。調(diào)節(jié)時間比較慢，一次成功的功率調(diào)節(jié)需要1 min以上[2]，而預(yù)約式功率調(diào)節(jié)需要依靠功率預(yù)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確預(yù)測，提前制定調(diào)節(jié)曲線，導(dǎo)致功率調(diào)節(jié)精度比較小，調(diào)節(jié)不夠靈活，不能根據(jù)電網(wǎng)的實時情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。而《國家能源局西北監(jiān)管局關(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)用工作的批復(fù)》（西北能監(jiān)市場〔2018〕41 號文件）中要求需要在并網(wǎng)點具備電網(wǎng)頻率快速調(diào)整能力，對光伏電站的快速頻率響應(yīng)的時間要求是：從系統(tǒng)頻率擾動越限開始，到并網(wǎng)點檢測到光伏電站開始響應(yīng)的允許響應(yīng)滯后時間為2 s；而達(dá)到90%調(diào)節(jié)量的響應(yīng)時間則要求不超過5 s。這幾乎超出了當(dāng)前常規(guī)AGC系統(tǒng)的控制性能極限。

本文針對西北電網(wǎng)對光伏電站快速調(diào)頻的要求，通過仿真軟件對光伏電站快速調(diào)頻技術(shù)進(jìn)行了仿真[3]。驗證了光伏電站快速調(diào)頻響應(yīng)的有效性和實用性。

1 光伏電站快速頻率響應(yīng)

1.1 快速頻率響應(yīng)算法

光伏電站快速頻率響應(yīng)是以頻率為變量，通過檢測光伏電站母線的頻率變化實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。其原理是根據(jù)有功-頻率下垂特性進(jìn)行有功功率的調(diào)節(jié),如圖1所示。

圖1 有功-頻率下垂特性示意圖

式中：fd為快速頻率響應(yīng)死區(qū)，Hz；fn為系統(tǒng)額定頻率， Hz；f0為系統(tǒng)實時頻率，Hz；Pn為額定功率，MW；δ%為新能源快速頻率響應(yīng)調(diào)差率，光伏電站設(shè)置為3%；P0為有功功率初值，MW?？刂撇呗?，如表1 所示。

表1 快速頻率響應(yīng)控制策略

高頻擾動情況下，總發(fā)電有功功率不能低于發(fā)電機(jī)的功率下限，低頻擾動，總發(fā)電功率要根據(jù)實際工況，即可以上調(diào)時調(diào)節(jié)[4]。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

與AGC功率控制系統(tǒng)相比，快速頻率響應(yīng)對光伏電站的各項指標(biāo)提出了更高的要求，各項指標(biāo)如表2所示。

表2 快速頻率響應(yīng)主要技術(shù)指標(biāo)

2 快速頻率響應(yīng)的仿真

2.1 仿真工具的選擇

本次快速頻率響應(yīng)仿真采用目前國內(nèi)光伏電站普遍采用的功率控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。光伏電站功率控制系統(tǒng)可以根據(jù)需求對光伏逆變器、電網(wǎng)母線、線路進(jìn)行建模，并能對模型的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行靈活配置，根據(jù)建立的模型，最終形成帶有電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一次拓?fù)鋱D。通過在電網(wǎng)一次拓?fù)鋱D中對相應(yīng)變量就行人工置數(shù)操作，最終實現(xiàn)快速頻率響應(yīng)的仿真。通過人工置數(shù)操作，可以準(zhǔn)確控制變量，快速實現(xiàn)各種工況下的仿真[5]，滿足電網(wǎng)快速頻率響應(yīng)的仿真需求，而且光伏電站功率控制軟件具有良好的人機(jī)界面和多種日志功能，可實現(xiàn)仿真過程的全面監(jiān)視和完成的數(shù)據(jù)查看。

2.2 仿真系統(tǒng)建模

仿真系統(tǒng)采用最小化建模實現(xiàn)光伏電站快速頻率響應(yīng)的仿真，通過光伏電站功率控制系統(tǒng)建立2個逆變器模型、一條母線模型、一條公共連接點模型，2 個逆變器通過母線與公共點進(jìn)行連接，最終通過公共點并網(wǎng)接入大電網(wǎng)。

通過建模工具的參數(shù)配置界面，可以配置光伏逆變器的所有參數(shù)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)任何廠家逆變器的仿真。

為了測試方便，節(jié)省建模時間，設(shè)置逆變器額定功率為1500 kW。

根據(jù)西北的需求文檔參數(shù)配置：光伏電站f最大最小限50.1～49.9 Hz，緊急上下限50.2～49.8 Hz。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 頻率越上線仿真

頻率上限參數(shù)設(shè)置值為50.1 Hz，通過一次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)母線的頻率參數(shù)，手動設(shè)置母線頻率為50.2 Hz。

3.2 頻率越下限仿真

頻率下限參數(shù)設(shè)置值為49.9 Hz，通過一次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)母線的頻率參數(shù)，手動設(shè)置母線頻率為49.8 Hz。

3.3 頻率越緊急上下限仿真

仿真系統(tǒng)設(shè)置的頻率緊急上下限為50.2 Hz 和49.8 Hz。設(shè)置母線頻率超過緊急上下限，根據(jù)西北電網(wǎng)要求頻率越緊急上下限時以新能源場站當(dāng)前出力增加配置的固定步長控制，無特別要求光伏逆變器步長一般配置10%Pn（Pn逆變器額定功率）。

逆變器建模設(shè)置Pn為1500 kW，10%Pn步長是150 kW，2臺逆變器綜合步長為300 kW，所以上述仿真結(jié)果程符合頻率越緊急上限調(diào)節(jié)策略。

4 結(jié)束語

新能源的快速發(fā)展改變了電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，如何保證高滲透下的電網(wǎng)安全性是新能源發(fā)展的前提，快速頻率響應(yīng)解決了光伏發(fā)電站并網(wǎng)運行過程中存在的問題[6]，使光伏電站友好的并網(wǎng)運行，提高了光伏發(fā)電的利用率，特別是對我國西北地區(qū)高滲透率電網(wǎng)有著重要意義。本文通過對光伏電站快速頻率相應(yīng)的仿真，驗證了光伏電站快速頻率響應(yīng)的可用性和有效性。為光伏電站并網(wǎng)運行提供參考。