新能源光伏發(fā)電站大規(guī)模并網(wǎng)頻率主動控制研究

林宇杰

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

為解決能源與環(huán)境的問題，當(dāng)前的電網(wǎng)系統(tǒng)中，以太陽能為主要能源的光伏發(fā)電系統(tǒng)所占比例正在不斷提高，大規(guī)模的光伏發(fā)電站正在不斷涌現(xiàn)。由于新能源能量來源的不確定性，將其導(dǎo)入并網(wǎng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)的頻率會出現(xiàn)較大的變化，若頻率變化幅度較大，則會對并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成損害，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)較大誤差。本文基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)，對大規(guī)模并網(wǎng)頻率主動控制進(jìn)行了規(guī)劃。其中，文獻(xiàn)[1]在連接風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的條件下對系統(tǒng)內(nèi)的時間常數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合負(fù)荷頻率的特性，建立了一個頻率響應(yīng)的仿真模型。該方法只是論述了并網(wǎng)負(fù)荷與頻率的關(guān)系，并沒有對其進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[2]針對并網(wǎng)負(fù)荷波動的特性，設(shè)計了一種分布式儲能的頻率控制策略，緩解了系統(tǒng)在運(yùn)行過程中頻率變化較大的情況。該方法下的發(fā)電系統(tǒng)具備一定的可靠性，但是其依賴于儲能系統(tǒng)，在光伏發(fā)電站本身的頻率控制中沒有較好的解決策略。文獻(xiàn)[3]通過減少慣性與調(diào)頻系數(shù)，修改了逆變器的接口，在頻率調(diào)節(jié)以及越界問題中，以不同的控制模型調(diào)整了運(yùn)行策略。該方法只能控制電網(wǎng)內(nèi)側(cè)的頻率特征，對電網(wǎng)外側(cè)沒有較好的效果。本文綜合以上文獻(xiàn)，設(shè)計了一種新的新能源光伏發(fā)電站大規(guī)模并網(wǎng)頻率主動控制方法，提高了并網(wǎng)頻率的變化幅度，提升了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1 大規(guī)模并網(wǎng)頻率主動控制方法設(shè)計

1.1 大規(guī)模光伏發(fā)電陣列規(guī)模

在控制光伏發(fā)電站的大規(guī)模并網(wǎng)頻率前，首先需要建立一個大規(guī)模的光伏發(fā)電陣列，計算串聯(lián)數(shù)量，將D個光伏組件串聯(lián)成一個X×Y的陣列，如圖1所示[4]。

圖1 光伏陣列Fig.1 Photovoltaic array

圖1中，光伏陣列中的二極管共有X×Y=D個，其中每一列有Y個二極管，每一行有X個二極管。在光伏組件的等效電路中，遵循如下的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中，Id為光伏電路的短路電流；Ifp為光伏電路的等效電流；Ui為光伏電路的短路電壓；Iq為電池串的電流量；Rs為開路電阻值；Di為光照強(qiáng)度；Ti為組件溫度。

(2)

(3)

式中，a1為一排光伏電路正常運(yùn)行的溫度系數(shù)；Th為光伏電路運(yùn)行的時長；μa為二極管常數(shù)，通常取0.15～0.25；Dx×y為該陣列中二極管的數(shù)量；klp為玻爾茲曼常數(shù)；Qw為電荷數(shù)[5-6]。

在保證Id不大于10的前提下，可以判定該X×Y光伏串聯(lián)陣列可以成立。

1.2 建立不同陰影模式下光伏陣列電路模型

對于光伏電路，光照強(qiáng)度以及陰影半徑是一個不可忽視的變量。假設(shè)在圖1光伏陣列的左下角與右上角設(shè)置某面積為x1×y1和x2×y2的陰影A和B，則該陣列中陰影分布的數(shù)據(jù)可以設(shè)置為表1中的數(shù)據(jù)。

表1 光伏陣列陰影、溫度及光照強(qiáng)度分布Tab.1 Shadow，temperature and light intensity distribution of photovoltaic array

根據(jù)表1中的分析結(jié)果，可以得到不同陰影模式下的光伏陣列表達(dá)式：

(4)

式中，Ki、Ti分別為光伏陣列位置i處的光照強(qiáng)度和光伏溫度；X、Y、s分別為光伏陣列中橫向、縱向的二極管數(shù)量以及二極管之間的間距；v1、v2、x1、x2、y1、y2、t分別為2個陰影移動的速度、其初始的橫縱坐標(biāo)以及陰影移動時間；Si1、Si2分別為2個陰影區(qū)域的面積[7-9]。

這樣可以建立光伏陣列直流升壓電路模型，如圖2所示。在如圖2所示的電路模型中，由電感L1與電壓U可以計算各元件的平衡狀態(tài)：

UdTf+(C1-U1)(U2-C2)=0

(5)

式中，Ud為電路的總電壓；Tf為陰影移動時間；C1、C2分別為圖2中2個電容的容量；U1、U2分別為電容兩側(cè)電壓值[10]。

圖2 光伏陣列電路模型Fig.2 Photovoltaic array circuit model

通過公式(5)可以推導(dǎo)出電感的計算公式：

(6)

式中，L1為圖2中的電感最大值；Rt為滑動變阻器在當(dāng)前時段內(nèi)的電阻值；λt為電感電流紋波系數(shù)。

由式(6)結(jié)合圖2可以計算出最佳的電感以及滑阻電壓，以應(yīng)對不同陰影模式下的光伏陣列[11-13]。

1.3 基于光伏陣列頻率波動平抑算法的并網(wǎng)頻率主動控制

為了平抑光伏陣列的頻率波動，可以設(shè)計如圖3所示的算法模型[14-15]。

圖3 算法結(jié)構(gòu)Fig.3 Algorithm structure

圖3中，遺忘因子通常取值為0.5～1.2。在該算法結(jié)構(gòu)下，最重要的是判定何時滿足平抑要求，可以建立判定條件的數(shù)學(xué)模型[16-18]：

(7)

當(dāng)fx+1<0時，可以判定滿足平抑要求；當(dāng)fx+1等于0或大于0時，不滿足平抑要求[19-20]。通過圖3以及式(7)獲得光伏陣列頻率波動的平抑算法，可以將上述建立的光伏發(fā)電站大規(guī)模并網(wǎng)的頻率控制在一定的區(qū)間之內(nèi)。

2 算例分析

以某一新能源光伏發(fā)電站作為算例，該項(xiàng)目建成后，將促進(jìn)開發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū)能耗結(jié)構(gòu)的調(diào)整，達(dá)到節(jié)能減排、綠色發(fā)展的目的。這一新能源光伏發(fā)電站年均發(fā)電量高達(dá)3 231.34萬kWh，年度可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)燃煤11 313.2 t，發(fā)電站并網(wǎng)30多個，并網(wǎng)容量超200 MW，單體項(xiàng)目容量近1.3 MW。具體概況如圖4所示。

圖4 新能源光伏發(fā)電站概況Fig.4 Overview of new energy photovoltaic power station

將本文方法應(yīng)用至新能源光伏發(fā)電站中，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)頻率主動控制。具體的應(yīng)用場景如圖5所示。

圖5 應(yīng)用場景Fig.5 Application scenario

2.1 分布式光伏并網(wǎng)模型

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以有效地節(jié)省不可再生能源，并控制環(huán)境污染，但是將其大規(guī)模接入并網(wǎng)系統(tǒng)后，會直接導(dǎo)致配網(wǎng)產(chǎn)生較大的頻率波動。設(shè)計如圖6所示的大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)模型作為此次實(shí)驗(yàn)的仿真模型。

圖6中，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有2個儲能電池，輸出功率分別為40、60 kW，2個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)額定功率分別為60、80 kW，一個可以隨意改變功率的阻性負(fù)載。此時，配電網(wǎng)的最大輸出容量為2 000 kVA，工作頻率為50 Hz，且正常頻率在49.2～50.5 Hz，若大規(guī)模光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作頻率超過49.0～50.8 Hz，則該并網(wǎng)頻率就需要及時調(diào)整。

圖6 大規(guī)模光伏并網(wǎng)模型Fig.6 Large scale photovoltaic grid connection model

在不同的頻率偏差下，輸出功率可以表示為：

(8)

式中，Pg為分布式光伏系統(tǒng)的輸出功率；Pc為儲能系統(tǒng)的輸出功率；Ud為配電網(wǎng)在光伏并網(wǎng)內(nèi)側(cè)的電壓；Uf為光伏并網(wǎng)外側(cè)的電壓；Id、If分別為光伏并網(wǎng)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的電流。

在計算系統(tǒng)的頻率時，可以根據(jù)公式：

(9)

式中，fmax為系統(tǒng)頻率的最大值；fmin為系統(tǒng)頻率的最小值；fa、fb分別為系統(tǒng)在電池下垂最大和最小系數(shù)中的頻率標(biāo)稱值；Uoc為電池在充電工況下的儲能調(diào)頻；C(t)為t時刻內(nèi)的電池值。

通過，可以直接得到不同時段下系統(tǒng)頻率響應(yīng)的對比結(jié)果。

2.2 并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷驟然增大

在仿真模型中驟然增大并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷，分別列舉不接入光伏與儲能系統(tǒng)、只接入光伏不接入儲能系統(tǒng)、既接入光伏又接入儲能系統(tǒng)3種條件在并網(wǎng)負(fù)荷驟然增大情況下的負(fù)荷變化情況，并得到光伏儲能功率運(yùn)行情況以及系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況，如圖7所示。

在圖7中，在200 s以前，系統(tǒng)正常運(yùn)行，此后系統(tǒng)中的負(fù)荷驟然增加。此時的2個光伏系統(tǒng)輸出功率不會變化，但是2個儲能系統(tǒng)的輸出功率分別在不同程度上快速提高。在系統(tǒng)頻率的計算中，可以得知200 s前系統(tǒng)的頻率均具備一定的周期性，到200 s負(fù)荷變化之后，3種條件的并網(wǎng)系統(tǒng)頻率均驟然大幅度降低，然后很快回升至原有的頻率。其中包含2種系統(tǒng)的并網(wǎng)在回升后仍然具備一定的波動，最后回到原有的頻率軌跡。

圖7 并網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷驟增下仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of grid connected system under sudden load increase

2.3 并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷驟然減小

在仿真模型中驟然減小并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷，記錄1 000 s內(nèi)2個光伏系統(tǒng)和2個儲能系統(tǒng)的功率運(yùn)行情況，并列舉上述實(shí)驗(yàn)所示的3種情況，計算系統(tǒng)頻率變化，仿真結(jié)果如圖8所示。

在圖8中，光伏系統(tǒng)在第200 s負(fù)荷驟然減小后，均有小幅度的降低，2個儲能系統(tǒng)分別降低25、30 kW。在頻率響應(yīng)的圖像中，3種不同情況的曲線變化情況與圖7(b)大致相同，只是在200 s負(fù)荷驟然降低時頻率開始大幅度提高，隨后回降。整理圖7和圖8中大規(guī)模并網(wǎng)的頻率最大最小值變化情況，結(jié)果見表2。

表2 大規(guī)模并網(wǎng)頻率最大、最小值Tab.2 Maximum and minimum frequency of large-scale grid connection Hz

圖8 并網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷驟減下仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results under sudden load reduction of grid connected system

在以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，頻率的最小值為負(fù)荷驟升條件下包含光儲系統(tǒng)的49.27 Hz，頻率的最大值為負(fù)荷驟減條件下包含光儲系統(tǒng)的50.46 Hz。在不同的條件下，該并網(wǎng)系統(tǒng)均沒有超出正常的工作頻率49.0～50.8 Hz。由此可知，通過該方法設(shè)計的新能源光伏發(fā)電站，在控制并網(wǎng)頻率方面存在較大的優(yōu)勢，符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新能源光伏發(fā)電站大規(guī)模并網(wǎng)頻率的主動控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以在負(fù)荷驟然增大或驟然減小的情況下，保證并網(wǎng)頻率不超出限制，可以有效抑制光伏發(fā)電站的頻率變化趨勢，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。