光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱賽浩，郭偉棟，王寶杰，姚天豪

(國(guó)家電投集團(tuán) 杭州新能源生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)有限公司，浙江 杭州 310000)

當(dāng)下可再生能源的大量推廣和應(yīng)用，電力系統(tǒng)中光伏發(fā)電裝機(jī)總量的比例逐漸增加[1]，在該過(guò)程中，電力系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的資源最大化利用，在其發(fā)電過(guò)程中采用的控制策略通常以最大功率追蹤為主；并且，光伏發(fā)電存在2種慣性特征，分別為弱慣性和零慣性。因此，也導(dǎo)致光伏發(fā)電機(jī)組不參與電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)，同步機(jī)組被大量替代[2]，該情況在光伏發(fā)電的滲透率逐漸增加的情況下，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的頻率造成較大影響，發(fā)生頻率惡化，導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生機(jī)組脫網(wǎng)、負(fù)荷突變等擾動(dòng)，以此會(huì)引起頻率的變化率發(fā)生顯著變化[3]，明顯降低頻率的最低點(diǎn)以及增加穩(wěn)態(tài)配頻率的偏差，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[4]。一次調(diào)頻是電網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定控制的自動(dòng)控制方式，其是以設(shè)定的頻率額定值為參照，如果電網(wǎng)產(chǎn)生的頻率超過(guò)該值，電網(wǎng)中的機(jī)組控制系統(tǒng)則能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功功率的大小，約束頻率的變化。一次調(diào)頻在控制過(guò)程中，需完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，以此可保證更佳的頻率調(diào)控效果[5]。一次調(diào)頻在進(jìn)行頻率調(diào)整過(guò)程中，為了實(shí)時(shí)掌握調(diào)控情況，需對(duì)其調(diào)整實(shí)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)調(diào)控結(jié)果實(shí)行全面保證。

基于一次調(diào)頻的需求，顏湘武等[6]對(duì)其進(jìn)行分析后，基于超級(jí)電容儲(chǔ)能控制提出相應(yīng)的控制策略；趙芳等[7]對(duì)調(diào)頻的特性進(jìn)行分析后，基于虛擬阻尼前饋研究其頻率控制策略。但是上述研究結(jié)果中，雖然均能夠?qū)崿F(xiàn)頻率控制，在頻率控制中無(wú)法實(shí)現(xiàn)子站和主站的結(jié)合監(jiān)測(cè)，并且當(dāng)一次調(diào)頻無(wú)法達(dá)到設(shè)定期望標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不能夠完成應(yīng)急處理。因此，本文設(shè)計(jì)光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及一次調(diào)頻充分分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)主站與子站相結(jié)合的方式完成一次調(diào)頻監(jiān)測(cè)。

1 光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電并網(wǎng)通常情況下分為單級(jí)和雙級(jí)2種，單級(jí)情況下，在對(duì)頻率實(shí)行調(diào)控時(shí)，只需對(duì)直流電容電壓實(shí)行調(diào)節(jié)即可完成光伏機(jī)組的輸出功率，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻。但是雙級(jí)光伏發(fā)電與其結(jié)構(gòu)存在一定差異[8]。因此，雙級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏機(jī)組一次調(diào)頻也與單級(jí)的存在明顯差異[9]，本文以雙級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，展開(kāi)相關(guān)分析，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of two-stage photovoltaic power generation system

1.2 光伏機(jī)組的一次調(diào)頻

(1)一次調(diào)頻的作用。一次調(diào)頻是光伏機(jī)組的一個(gè)典型特性，電網(wǎng)中頻率存在變化特性，并且電網(wǎng)中頻率的分量存在差異，該分量的幅值也不相同，同時(shí)，光伏機(jī)組控制系統(tǒng)對(duì)于該分量的調(diào)控能力也存在差異，這是由于機(jī)組的負(fù)荷控制系統(tǒng)和與其形式之間存在的差異導(dǎo)致。通常情況下，一次調(diào)頻的特性可采用光伏機(jī)組的功率和運(yùn)轉(zhuǎn)之間的關(guān)聯(lián)曲線進(jìn)行描述，且該關(guān)系處于靜態(tài)狀態(tài)下，該關(guān)系也稱為機(jī)組控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性。但是該特性在光伏電力系統(tǒng)中存在一定遲緩性[10]，是由于系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)組組成部分特性之間的差異導(dǎo)致。因此，關(guān)聯(lián)曲線不是正常理想中的線性曲線，即使2個(gè)機(jī)組之間的靜態(tài)特性一致，其功率的變化也存在差異性，該現(xiàn)象表明各個(gè)機(jī)組對(duì)于負(fù)荷的適應(yīng)能力存在差異，即光伏機(jī)組的一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)特性存在差異。

(2)一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)定。光伏機(jī)組一次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)是以各個(gè)電網(wǎng)機(jī)組之間調(diào)控系統(tǒng)的靜態(tài)特征為依據(jù)，將系統(tǒng)中的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)能系統(tǒng)中，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定頻率偏差；并且一次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)是依據(jù)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)完成[11]。因此，光伏機(jī)組的一次調(diào)頻在執(zhí)行過(guò)程中需完成主要參數(shù)的設(shè)定[12]，本文采用改進(jìn)粒子群算法完成一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)定，其流程如圖2所示。采用粒子群算法在進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)，在參數(shù)的可行解空間內(nèi)，對(duì)所有的粒子實(shí)行初始化處理，并且每一個(gè)參數(shù)的可行設(shè)定值均對(duì)應(yīng)一個(gè)粒子，計(jì)算粒子的適應(yīng)度值，依據(jù)該值的大小判斷粒子的優(yōu)劣程度，即代表設(shè)定參數(shù)的優(yōu)劣程度；除此之外，對(duì)粒子的速度和位置實(shí)行更新，保證粒子能夠最大限度接近最佳參數(shù)值，隨著個(gè)體和群體的不斷更新，獲取個(gè)體和群體的最優(yōu)值，以此獲取一次調(diào)頻最佳參數(shù)，完成參數(shù)設(shè)定。一次調(diào)頻過(guò)程中，參數(shù)的設(shè)定對(duì)于調(diào)頻的結(jié)果存在直接影響[13]，其中主要的參數(shù)包含電網(wǎng)頻率、速度不等率、調(diào)頻死區(qū)、遲緩率、一次調(diào)頻量以及響應(yīng)時(shí)間和調(diào)頻負(fù)荷范圍。

圖2 一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)定流程Fig.2 Primary frequency modulation parameter setting process

(3)一次調(diào)頻的控制結(jié)構(gòu)。調(diào)整光伏機(jī)組的有功出力是一次調(diào)頻的主要目的，該調(diào)整是以頻率之前偏差為依據(jù)完成，確保該偏差對(duì)應(yīng)設(shè)定的調(diào)差率，其屬于機(jī)組實(shí)際的頻率和設(shè)定的期望頻率之間[14]。為實(shí)現(xiàn)光伏機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，通過(guò)場(chǎng)站級(jí)控制方式實(shí)現(xiàn)，該控制的對(duì)象為負(fù)荷，該負(fù)荷屬于逆變器。

光伏機(jī)組在有功控制的全部過(guò)程中，逆變器主要作為執(zhí)行設(shè)備[15]，其主控制站為自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)光伏機(jī)組一次調(diào)頻需增設(shè)測(cè)控主站，形成多主站的控制方式，在該方式下頻率協(xié)調(diào)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中光伏機(jī)組以此調(diào)頻控制過(guò)程中，逆變器對(duì)功率的輸出實(shí)行調(diào)整，其依據(jù)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的指令完成，一次調(diào)頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)頻率實(shí)行監(jiān)測(cè)[16]；并將頻率調(diào)整值與設(shè)定的頻率進(jìn)行對(duì)比，前者滿足后者時(shí)，自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)則接受一次調(diào)頻指令后，不再啟動(dòng)逆變器，使其不再發(fā)送調(diào)節(jié)指令，且該系統(tǒng)不再執(zhí)行相應(yīng)操作，逆變器則直接接收目標(biāo)值，該值由一次調(diào)頻測(cè)控裝置發(fā)送，且為經(jīng)過(guò)頻率調(diào)整。

圖3 光伏機(jī)組一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Primary frequency modulation control structure of photovoltaic unit

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)分析光伏機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及一次調(diào)頻的作用、參數(shù)設(shè)定以及控制結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)該調(diào)頻的實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)，采用主站和子站相互結(jié)合的方式完成在線監(jiān)測(cè)，因此設(shè)計(jì)雙站結(jié)合的光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其架構(gòu)用圖4描述。

圖4 光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of photovoltaic unit primary FM online monitoring system

圖4中，子站包含2個(gè)區(qū)，分別是子站一區(qū)和子站二區(qū)，兩者的主要作用是提供和存儲(chǔ)光伏機(jī)組一次調(diào)頻所需的數(shù)據(jù)[17]，子站一區(qū)中的分散控制系統(tǒng)、自動(dòng)增益控制系統(tǒng)可獲取光伏機(jī)組一次調(diào)頻計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)由OPC服務(wù)器后完成安全認(rèn)證后存入子站二區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中；除此之外，一區(qū)的PMU微控制器裝置包含電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)和一次調(diào)頻理論參數(shù)數(shù)據(jù)[18]，該數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證以及數(shù)據(jù)解包后存儲(chǔ)至子站二區(qū)的數(shù)據(jù)庫(kù)中；子站二區(qū)則將該數(shù)據(jù)傳送至主站，其傳送方式為鏡像傳輸，由光纖收發(fā)器和交換機(jī)完成。主站中則是以Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器為核心，部署在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，光伏機(jī)組一次調(diào)頻的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)則需依據(jù)該服務(wù)器完成，當(dāng)一次調(diào)頻發(fā)生不理想情況時(shí)，主站的監(jiān)控后臺(tái)則將啟動(dòng)以及執(zhí)行相關(guān)的應(yīng)急處理措施和方案。

(2)子站的監(jiān)控硬件結(jié)構(gòu)。光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)[19]，雖然是由主站實(shí)現(xiàn)，但是需結(jié)合子站的在線監(jiān)測(cè)協(xié)同完成。子站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。子站系統(tǒng)包含各類采集系統(tǒng)、子站監(jiān)測(cè)主機(jī)以及就地監(jiān)控后臺(tái)等。各類采集系統(tǒng)均部署在每一個(gè)光伏機(jī)組上，且每個(gè)子站均部署1臺(tái)監(jiān)測(cè)主機(jī)，該主機(jī)的主要作用是完成勵(lì)磁和調(diào)速2種采集設(shè)備獲取的信息的傳送，將其傳送至就地監(jiān)控后臺(tái)的同時(shí)也傳送至主站，協(xié)同主站實(shí)現(xiàn)光伏機(jī)組一次調(diào)頻的在線監(jiān)測(cè)。

圖5 子站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware structure of monitoring system of sub-station

2 應(yīng)用實(shí)例

為測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將本文方法用于某地區(qū)的光伏并網(wǎng)的發(fā)電站，對(duì)該發(fā)電站的光伏機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)行在線監(jiān)測(cè)。該發(fā)電站的光伏裝機(jī)總?cè)萘繛?0 MW，且裝有一次調(diào)頻測(cè)控系統(tǒng)，用于調(diào)整逆變器，一次調(diào)頻的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。該發(fā)電站共部署15個(gè)數(shù)據(jù)采集器，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集器均與組串式逆變器相連接，后者的連接數(shù)量為25個(gè)，逆變器數(shù)據(jù)通信傳輸通過(guò)串口完成連接，并依據(jù)MODBUS規(guī)約完成通信；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，光纖接收機(jī)采用IEC60870-5-104通信規(guī)約數(shù)據(jù)的通信傳輸。

通過(guò)子站和主站的結(jié)合后，完成光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，系統(tǒng)能夠切換不同機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果的查詢[20]，并且可通過(guò)系統(tǒng)軟件界面中的選項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)的操作，如圖6所示。在圖6中系統(tǒng)能夠?qū)夥袡C(jī)組一次調(diào)頻的情況實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)頻率的調(diào)整情況，可切換不同的機(jī)組一次調(diào)頻結(jié)果，如果調(diào)頻結(jié)果超過(guò)限定的期望標(biāo)準(zhǔn)，后臺(tái)則啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急策略。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面Fig.6 System monitoring interface

在進(jìn)行測(cè)試分析前，對(duì)該發(fā)電站的運(yùn)行實(shí)行3個(gè)月的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)行分析，分析后發(fā)現(xiàn)該電站在運(yùn)行過(guò)程中，頻率變化也呈現(xiàn)2種情況：頻率階躍大擾動(dòng)和頻率階躍小擾動(dòng)，分別用情況1和情況2表示。測(cè)試過(guò)程中，以光伏機(jī)組在8%額定容量的上、下調(diào)整裕度為前提，測(cè)試本文系統(tǒng)在光伏機(jī)組一次調(diào)頻監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況。由于篇幅限制，測(cè)試結(jié)果僅呈現(xiàn)一次調(diào)頻控制啟動(dòng)時(shí)間、有功功率以及一次調(diào)頻量的監(jiān)測(cè)。

獲取本文系統(tǒng)在光伏機(jī)組分別處于情況1和情況2時(shí)，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7—圖9所示。從圖7—圖9中可以看出，能夠看出在2種狀態(tài)和2種情況下，光伏機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程中的整體變化，可監(jiān)測(cè)到一次調(diào)頻的啟動(dòng)時(shí)間、調(diào)頻后電網(wǎng)有功功率的變化情況以及一次調(diào)頻量是否達(dá)到設(shè)定的期望標(biāo)注結(jié)果。

圖7 光伏機(jī)組一次調(diào)頻控制啟動(dòng)時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of photovoltaic unit starting time of primary FM control

圖8 光伏機(jī)組一次調(diào)頻控制后有功功率監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Monitoring results of active power of photovoltaic unit after primary FM control

圖9 光伏機(jī)組一次調(diào)頻量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.9 Monitoring results of primary frequency modulation of photovoltaic units

光伏機(jī)組如果在自動(dòng)一次調(diào)頻中，頻率的調(diào)整結(jié)果無(wú)法滿足期望設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)后臺(tái)這會(huì)針對(duì)該機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況實(shí)行分析后，采用應(yīng)急一次調(diào)頻控制，對(duì)其實(shí)行應(yīng)急處理，獲取本文系統(tǒng)執(zhí)行光伏機(jī)組一次調(diào)頻應(yīng)急處理后的一次調(diào)頻負(fù)荷以及機(jī)組調(diào)頻曲線變化情況，結(jié)果如圖10所示。圖10中直觀呈現(xiàn)系統(tǒng)在光伏機(jī)組一次調(diào)頻中的實(shí)際應(yīng)用效果，可通過(guò)主站的相應(yīng)控制，對(duì)異常的光伏機(jī)組能夠呈現(xiàn)光伏機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷以及應(yīng)急處理后的頻率曲線，保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

圖10 機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷以及機(jī)組調(diào)頻偏差曲線結(jié)果Fig.10 Results of primary frequency modulation load and frequency modulation deviation curve of unit

3 結(jié)論

電網(wǎng)中光伏發(fā)電的大量并入，參與電網(wǎng)的電能生成提供電能服務(wù)，光伏系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，光伏機(jī)組在正常情況下，不參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，因此，存在一定的安全隱患，造成電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。但是當(dāng)下通過(guò)相應(yīng)的控制手段使光伏機(jī)組參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，在該過(guò)程中，為實(shí)時(shí)掌握光伏機(jī)組一次調(diào)頻的情況，本文設(shè)計(jì)光伏機(jī)組一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其應(yīng)用效果展開(kāi)相關(guān)測(cè)試。結(jié)果顯示，通過(guò)子站與主站結(jié)合的在線監(jiān)測(cè)方式，能夠?qū)崟r(shí)獲取機(jī)組的一次調(diào)頻的相關(guān)數(shù)據(jù)以及調(diào)頻結(jié)果，可在電網(wǎng)不同的運(yùn)行情況下監(jiān)測(cè)光伏機(jī)組一次調(diào)頻的結(jié)果，并可在光伏機(jī)組一次調(diào)頻結(jié)果不滿足設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，實(shí)行應(yīng)急措施，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。