集群光伏電站頻率主動(dòng)支撐自校正控制方法

劉剛，陳海東，孫睿哲，彭佩佩

(1. 國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001；2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210037)

0 引言

截至2021年10月，中國(guó)可再生能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量突破10億kW，占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量比重達(dá)43.5%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)穩(wěn)居世界第一[1]。在光伏高滲透率電網(wǎng)運(yùn)行背景下，光伏出力的隨機(jī)性與波動(dòng)性給電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)[2-5]。如何抑制源側(cè)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率性能的影響和合理配置備用調(diào)節(jié)資源成為當(dāng)前主要問(wèn)題[6-11]。

目前，針對(duì)該問(wèn)題，在理論上可通過(guò)提升光伏功率超短期預(yù)測(cè)精度并提前合理分配各光伏電站承擔(dān)有功出力值，可以在分鐘級(jí)時(shí)間尺度有效減小光伏出力波動(dòng)程度[12-16]。光伏發(fā)電預(yù)測(cè)方法主要分為統(tǒng)計(jì)方法與物理方法兩種[12]。在統(tǒng)計(jì)方法上，文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)光伏電站歷史數(shù)據(jù)的探索性分析，對(duì)比多種回歸預(yù)測(cè)模型，針對(duì)影響功率的因素建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與非線性擬合的組合預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[14]則針對(duì)薄云等小擾動(dòng)情況下的光伏超短期出力預(yù)測(cè)誤差，提出了對(duì)既有晴空序列模型的修正方法，進(jìn)一步提升了光伏超短期出力預(yù)測(cè)精度。在物理方法上，文獻(xiàn)[15]以地基云圖所采集日間天空?qǐng)D像為基礎(chǔ)，提出了光伏電站0～4 h的超短期功率預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[16]則在此基礎(chǔ)上提前預(yù)測(cè)云圖變化，提高了云圖數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而為超短期功率預(yù)測(cè)精度提升奠定了基礎(chǔ)。然而，上述功率預(yù)測(cè)方法通常僅能為15 min左右級(jí)周期的超短期調(diào)度提供參考功率基點(diǎn)預(yù)測(cè)值，對(duì)于秒級(jí)短時(shí)間尺度的未來(lái)無(wú)規(guī)則光照小擾動(dòng)缺乏可靠的預(yù)知能力，難以實(shí)現(xiàn)出力在秒級(jí)短時(shí)間上的平穩(wěn)性，進(jìn)而導(dǎo)致光伏滲透率提高時(shí)系統(tǒng)頻率更易發(fā)生波動(dòng)。

現(xiàn)階段對(duì)于該問(wèn)題的處理主要是通過(guò)儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償光伏出力波動(dòng)以平滑光伏有功輸出曲線，使光伏實(shí)際輸出有功盡量在短時(shí)秒級(jí)小擾動(dòng)下保持對(duì)超短期調(diào)度值的準(zhǔn)確跟隨[17-18]。然而該方法本質(zhì)上仍基于儲(chǔ)能低通濾波被動(dòng)濾除光伏高頻波動(dòng)分量，必然存在時(shí)間上的滯后性，且考慮到儲(chǔ)能配置的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，難以大規(guī)模推廣。同時(shí)，考慮到現(xiàn)已普遍要求新能源場(chǎng)站按額定功率10%減載提供調(diào)頻備用[19-20]，可基于此實(shí)時(shí)整合減載光伏電站有功備用資源，對(duì)受擾動(dòng)光伏電站的出力波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而改善系統(tǒng)的頻率響應(yīng)性。

因此，本文基于自校正控制提出一種多光伏電站頻率主動(dòng)支撐控制策略。首先，建立多個(gè)光伏電站集中并網(wǎng)系統(tǒng)模型及其參與頻率主動(dòng)支撐控制的等效傳遞函數(shù)，其次，綜合前饋控制對(duì)擾動(dòng)的預(yù)先主動(dòng)補(bǔ)償作用與自校正控制對(duì)不確定擾動(dòng)導(dǎo)致控制性能變化的抵御能力，設(shè)計(jì)基于前饋補(bǔ)償?shù)挠泄ψ孕Ｕ刂破?，該控制器通過(guò)自適應(yīng)無(wú)規(guī)則光照擾動(dòng)動(dòng)態(tài)校正光伏有功給定值，最終實(shí)現(xiàn)總實(shí)際出力仍能在無(wú)規(guī)則光照擾動(dòng)下對(duì)超短期調(diào)度值的秒級(jí)精確跟隨。

1 多光伏電站集中并網(wǎng)系統(tǒng)等效模型

本文針對(duì)與公共母線相連的n座光伏電站研究其參與頻率主動(dòng)支撐控制策略，光伏電站集中并網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 光伏電站集中并網(wǎng)模型Fig. 1 Centralized grid-integration model of photovoltaic power plants

圖1中，光伏電站 PV1,···,PVn經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器后，依次經(jīng)過(guò)線路電感L1,···,Ln、電阻R1,···,Rn及變壓器T1,···,Tn接入并網(wǎng)公共母線，向電網(wǎng)注入功率P。光照強(qiáng)度G1,···,Gn的波動(dòng)將使得系統(tǒng)源側(cè)出力波動(dòng)，進(jìn)而影響頻率f。根據(jù)GB/T 40595—2021要求，光伏電站普遍減載預(yù)留備用參與電網(wǎng)頻率支撐，圖1中PV1、PV2未受擾動(dòng)，出力平穩(wěn)，故可以利用PV1、PV2的功率備用補(bǔ)償因光照變化造成的PV3,···,PVn的出力波動(dòng)。

在傳統(tǒng)方法中，當(dāng)源側(cè)的光照波動(dòng)造成出力波動(dòng)后，對(duì)相應(yīng)的功率變化引起的頻率f變化問(wèn)題，系統(tǒng)往往通過(guò)檢測(cè)到頻率變化后采用下垂控制調(diào)節(jié)有備用電站出力，模擬一次調(diào)頻以平抑出力波動(dòng)帶來(lái)的頻率變化，該方法需要在檢測(cè)到頻率變化后才進(jìn)行出力調(diào)整，具有一定的滯后性。

對(duì)此，本文基于前饋控制的思想提前補(bǔ)償光照引起的光伏出力波動(dòng)，消除傳統(tǒng)下垂控制滯后性對(duì)電網(wǎng)頻率性能帶來(lái)的影響。并通過(guò)實(shí)施自校正控制最大限度地抑制隨機(jī)干擾（光照強(qiáng)度）對(duì)系統(tǒng)的影響，即自適應(yīng)校正控制量使得系統(tǒng)實(shí)際輸出能最大程度地跟隨期望輸出[21]。

綜上，本文基于自校正控制提出一種光伏電站頻率主動(dòng)支撐控制策略，該控制策略根據(jù)時(shí)刻k的擾動(dòng)情況，校正各光伏電站出力參考值u(k)，實(shí)現(xiàn)k+d時(shí)刻的頻率變化量Δf(k+d)最小。該控制策略下多光伏電站集中并網(wǎng)小信號(hào)等效頻率響應(yīng)模型示意如圖2所示。

圖2 多光伏集中并網(wǎng)系統(tǒng)小信號(hào)等效傳遞函數(shù)控制Fig. 2 Control block diagram of small-signal equivalent transfer function model of multi-photovoltaic centralized grid-integration system

圖2中：ai為第i座光伏電站的減載率；Pmaxi為第i座光伏電站的最大功率。頻率主動(dòng)支撐自校正控制器通過(guò)測(cè)量各電站處的光照強(qiáng)度擾動(dòng)序列 ΔG1,···,ΔGn，根據(jù)當(dāng)前各機(jī)組備用出力a1Pmax1,···,anPmaxn，自校正控制器求出此時(shí)需校正的有功給定值 ΔPref1,···,ΔPrefn，經(jīng)過(guò)具體補(bǔ)償電站執(zhí)行后用于主動(dòng)補(bǔ)償由 ΔG1,···,ΔGn引起的出力波動(dòng) ΔPPV1,···,ΔPPVn，即自校正控制器以前饋補(bǔ)償?shù)姆绞街鲃?dòng)使所有光伏電站并網(wǎng)公共節(jié)點(diǎn)處的母線功率變化量ΔP=0，在Δf明顯變化前即消除或盡量抑制擾動(dòng)ΔP，起到防患于未然的作用。

光伏源側(cè)輸出功率不平衡量ΔPPVi為

式中：TPVi為實(shí)施功率補(bǔ)償?shù)墓夥娬卷憫?yīng)時(shí)間常數(shù)；Ni(s)為光照變化量ΔGi與功率變化量ΔPPVi間的擾動(dòng)傳遞函數(shù)。

光伏電站自身在檢測(cè)到電網(wǎng)頻率變化后提供的一次調(diào)頻支撐功率ΔPP為

式中：Δf為頻率偏差量；ki為第i座光伏電站的一次調(diào)頻下垂系數(shù)；K為光伏電站滲透率；Te為光伏電站一次調(diào)頻功率執(zhí)行時(shí)間常數(shù)。

并網(wǎng)同步機(jī)組提供的一次調(diào)頻響應(yīng)功率ΔPs為

式中：T為同步機(jī)時(shí)間常數(shù)；R為調(diào)速器系數(shù)；a為汽輪機(jī)增益系數(shù)。

系統(tǒng)總功率不平衡量ΔP和頻率偏差量Δf滿足以下關(guān)系

式中：H為電網(wǎng)等效慣性時(shí)間常數(shù)；D為等效阻尼。

2 光伏電站自校正控制器設(shè)計(jì)

本節(jié)基于第1節(jié)通過(guò)自校正控制提出的光伏電站頻率主動(dòng)支撐控制策略，對(duì)圖2中的自校正控制器進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，以提高光伏電站出力在隨機(jī)光照波動(dòng)下對(duì)超短期調(diào)度值的跟隨精度，主動(dòng)減小光伏出力波動(dòng)，改善系統(tǒng)頻率性能。

頻率主動(dòng)支撐自校正控制在得到被控對(duì)象小信號(hào)等效傳遞函數(shù)模型對(duì)應(yīng)離散化傳遞函數(shù)后將其轉(zhuǎn)化為式(12)所示標(biāo)準(zhǔn)形式，然后結(jié)合式（14）（15），即可在k時(shí)刻計(jì)算出使k+d時(shí)刻頻率跟隨誤差最小的最優(yōu)控制量u(k)，即提前校正k時(shí)刻的光伏電站有功參考序列并下發(fā)，進(jìn)而使性能指標(biāo)J即頻率變化量最小，從而提前主動(dòng)有效減少源側(cè)功率波動(dòng)，提升了系統(tǒng)頻率性能。

3 算例分析

3.1 仿真拓?fù)浣榻B

本文采用IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為基本仿真拓?fù)?，在Matlab/Simulink中搭建了圖3所示的系統(tǒng)用于仿真分析，驗(yàn)證所提頻率主動(dòng)支撐控制策略的有效性。其中G1與G2為常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量均設(shè)為10 MW， G3為并網(wǎng)光伏電站集群，包括PV1與PV2共2座光伏電站，對(duì)應(yīng)圖1中光伏電站集群n=2，L1、L2與L3為有功負(fù)荷。

圖3 仿真拓?fù)銯ig. 3 Simulation topology

在仿真場(chǎng)景設(shè)置上，根據(jù)圖2所示光伏電站頻率主動(dòng)支撐控制系統(tǒng)模型，首先對(duì)G3中PV1施加源側(cè)隨機(jī)光照擾動(dòng)，其次引入自校正控制器對(duì)PV2有功給定值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以主動(dòng)補(bǔ)償平滑PV1的出力波動(dòng)，使G3總出力維持穩(wěn)定，以光伏集中并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)3的頻率變化情況為仿真結(jié)果展開(kāi)討論?；趫D3仿真拓?fù)?，本文主要研究光照小范圍變化下有無(wú)自校正控制對(duì)光照隨機(jī)擾動(dòng)下系統(tǒng)頻率的影響。對(duì)比研究上述自校正控制主動(dòng)改變PV2有功出力與使用傳統(tǒng)下垂控制被動(dòng)改變PV2出力的2種情況下頻率恢復(fù)曲線，以光照小范圍隨機(jī)波動(dòng)為例證明自校正控制相較下垂控制提升頻率性能的有效性。

3.2 仿真分析

根據(jù)自校正控制系統(tǒng)模型與系統(tǒng)小信號(hào)等效模型，針對(duì)被控對(duì)象，即光伏電站PV1與PV2的逆變器執(zhí)行時(shí)間常數(shù)統(tǒng)一設(shè)置TPV為0.5 s。同時(shí)，設(shè)PV1與PV2內(nèi)部各光伏陣列處的零時(shí)刻初始輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為298 K，零時(shí)刻有功出力均為5 MW，即光伏初始滲透率為33%，并設(shè)光伏有功出力可向上調(diào)節(jié)至10 MW，向下調(diào)節(jié)至1 MW。對(duì)于擾動(dòng)模擬，設(shè)置PV1內(nèi)部各光伏陣列從零時(shí)刻起受到圖4所示的小范圍隨機(jī)輻射強(qiáng)度擾動(dòng)，即G每隔0.2 s變化一次，擾動(dòng)傳遞函數(shù)N(s)參考文獻(xiàn)[22]，用常數(shù)0.03近似。

圖4 模擬光照輻射強(qiáng)度變化Fig. 4 Variation of simulated light radiation intensity

按照自校正控制器的設(shè)計(jì)流程，基于圖4擾動(dòng)情況動(dòng)態(tài)計(jì)算擾動(dòng)下PV2需要自適應(yīng)調(diào)整的出力給定值并控制PV2參與頻率主動(dòng)支撐。本文取4～6 s內(nèi)的輻射強(qiáng)度G對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)出力與頻率為例，分別仿真對(duì)比了施加主動(dòng)自校正控制與僅對(duì)減載光伏電站采用下垂控制的功率變化曲線與頻率變化曲線，結(jié)果如圖5 a)～b)所示。

圖5 仿真算例結(jié)果Fig. 5 Simulation results

在圖5的基礎(chǔ)上，為定量分析主動(dòng)自校正控制相較傳統(tǒng)被動(dòng)下垂控制對(duì)頻率動(dòng)態(tài)性能的具體改善作用，本文選取頻率最低點(diǎn)與平均頻率變化率為主要頻率性能特征量化指標(biāo)[23]，定量計(jì)算了4～6 s內(nèi)主動(dòng)自校正控制與被動(dòng)下垂控制作用下的二者大小，如表1所示。

表1 控制指標(biāo)量化對(duì)比（滲透率33%）Table 1 Quantitative comparison of control indexes(penetration rate: 33%)

由圖5可知，在PV1受到隨機(jī)光照擾動(dòng)而發(fā)生出力波動(dòng)的情況下，采用自校正控制在每個(gè)采樣周期0.2 s時(shí)刻提前快速校正PV2出力給定值，相比于下垂控制被動(dòng)等待頻率出現(xiàn)偏差再滯后調(diào)整PV2出力的方式，可以更有效抑制PV1出力變化造成的頻率波動(dòng)。根據(jù)表1的控制指標(biāo)量化對(duì)比結(jié)果，自校正控制相較下垂控制在該擾動(dòng)下可將頻率最低點(diǎn)提高約0.04 Hz，同時(shí)使得平均頻率變化率減少約26.06%，證明了自校正控制自適應(yīng)提前校正光伏電站出力給定值可有效抑制頻率跌落深度并減小頻率平均變化率。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前新能源下垂控制需要檢測(cè)到系統(tǒng)頻率變化才被動(dòng)進(jìn)行出力調(diào)節(jié)的滯后性問(wèn)題，提出了一種光伏電站有功自校正主動(dòng)控制策略。該策略通過(guò)在頻率明顯變化前主動(dòng)校正各光伏電站有功給定值，利用有備用光伏電站提前補(bǔ)償受擾光伏電站的出力波動(dòng)，可有效提升光伏接入下新能源電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)性能。

仿真結(jié)果表明：自校正控制相較傳統(tǒng)下垂控制在設(shè)定擾動(dòng)下可將頻率最低點(diǎn)提高約0.04 Hz，同時(shí)使得平均頻率變化率減少約26.06%，證明了采用自校正控制在頻率明顯變化前提前校正光伏電站出力給定值可有效抑制頻率跌落深度并減小頻率平均變化率。