基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真的新能源場(chǎng)站并網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)分析

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司山東分公司 王文響 張祥波

我國(guó)在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中，利用新能源彌補(bǔ)傳統(tǒng)電力能源的缺口，建立新能源場(chǎng)站完成能源優(yōu)化調(diào)配工作。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)性能和動(dòng)態(tài)特征會(huì)影響頻率的響應(yīng)程度。以往使用二階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，在頻率斜坡?tīng)顟B(tài)變化下無(wú)法實(shí)現(xiàn)科學(xué)跟蹤。

1 新能源場(chǎng)站鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)

適用于新能源場(chǎng)站的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)為三階，調(diào)頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括鑒相器、濾波器、壓控振蕩器等，主要負(fù)責(zé)為新能源場(chǎng)站提供時(shí)鐘同步和頻率調(diào)整的基本功能。在整個(gè)功能模塊之中，鑒相器主要用于比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的相位差，傳輸誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波器的處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制?？刂齐妷涸诮?jīng)過(guò)振蕩器后會(huì)調(diào)整輸出信號(hào)的頻率，與輸入信號(hào)之間產(chǎn)生對(duì)比。若對(duì)比結(jié)果顯示頻率處于不匹配的情況，則控制系統(tǒng)會(huì)將產(chǎn)生的誤差信號(hào)反饋到環(huán)路濾波器之中，形成整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，完成頻率調(diào)節(jié)的過(guò)程，保持輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

本廠(chǎng)以往使用二階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，但由于其在跟蹤信號(hào)變化過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率漂移情況的科學(xué)補(bǔ)償，則對(duì)原本的二階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，部署三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足頻率調(diào)節(jié)的基本功能。因此，在頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上形成了閉環(huán)結(jié)構(gòu)的信號(hào)追蹤，利用濾波器消除高頻分量，使用壓控振蕩器計(jì)算相位信息，直至完全同步[1]。本案例中，相位角的度數(shù)為45°，幅值控制為-10db。分別對(duì)應(yīng)的結(jié)果數(shù)值計(jì)算，將原本的二階濾波器轉(zhuǎn)化為三階，滿(mǎn)足了控制器的基本要求。

1.2 控制模式

新能源場(chǎng)站采用有功控制的基本方案，采用有功功率整定、調(diào)整容量分配的基本方法，形成了對(duì)新能源場(chǎng)站的控制。按照控制標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)在獲取相關(guān)指令的過(guò)程中會(huì)獲取到具體的機(jī)組運(yùn)行信息，并判斷其是否需要進(jìn)一步調(diào)整，在不滿(mǎn)足條件的情況下重新獲取和分配控制指令，需要頻率調(diào)整的情況下，則計(jì)算有功功率的目標(biāo)值并發(fā)出具體的調(diào)節(jié)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，除需考慮到實(shí)際的調(diào)節(jié)過(guò)程之外，也要考慮到有功調(diào)節(jié)過(guò)程中參數(shù)下垂特征，計(jì)算可能產(chǎn)生的有功損耗。在并網(wǎng)狀態(tài)下測(cè)量功率值，其具體公式表達(dá)如下所示：Pord=Ppoi+Padj+Ploss，式中：P表示功率，Pord表示具體的測(cè)量值，Ppoi表示并網(wǎng)測(cè)量值，Padj表示功率指令，Ploss表示損耗。

2 新能源場(chǎng)站數(shù)字仿真模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

本案例按照二階鎖相環(huán)優(yōu)化三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，搭建場(chǎng)站在頻率變化過(guò)程中的仿真模型，以判斷不同狀態(tài)下場(chǎng)站在不同變化下的響應(yīng)情況，驗(yàn)證并網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用的效果。本廠(chǎng)依據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)和場(chǎng)站的實(shí)際情況建立模型，場(chǎng)站具備一次調(diào)頻功能且能夠傳輸慣量，支持快速響應(yīng)。場(chǎng)站額定功率為10MW，具體場(chǎng)站模型參數(shù)配置情況如下：死區(qū)0.03Hz、調(diào)頻系數(shù)-20MW/Hz-1、最小功率0.3p.u.、慣量系數(shù)-3Hz·S-1、啟動(dòng)0.02Hz·S-1、停止0.01Hz·S-1。

2.2 仿真測(cè)試

2.2.1 常規(guī)測(cè)試

模型構(gòu)建主要基于三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，預(yù)先開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能驗(yàn)證。按照新能源場(chǎng)站的實(shí)際運(yùn)行要求，三相電壓控制參數(shù)輸入為560V，設(shè)定頻率參數(shù)為50Hz。在常規(guī)測(cè)試中，主要判斷其在系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際工作情況，并對(duì)比未優(yōu)化前的二階結(jié)構(gòu)，判斷其是否存在可行性和適用性[2]。

測(cè)試結(jié)果表明，三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)成功完成鎖相操作的時(shí)間為0.3s，較二階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)快0.6s 左右。該測(cè)試過(guò)程中測(cè)試頻率相同情況下鎖相速率，三階鎖相結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性。對(duì)比幅值偏差結(jié)果，穩(wěn)定后的軸電壓幅值在0.06V，二階鎖相環(huán)穩(wěn)定后的電壓幅值為0.8V，二階鎖相環(huán)的實(shí)際偏差比較高。常規(guī)仿真測(cè)試結(jié)果表明，本廠(chǎng)在應(yīng)用三階鎖相結(jié)構(gòu)完成頻率調(diào)制的過(guò)程中，比較以往的頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)具有效率高、穩(wěn)定效果強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，且在出現(xiàn)故障時(shí)有效避免失鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.2.2 故障測(cè)試

基于數(shù)字仿真模型驗(yàn)證在故障情況下的并網(wǎng)頻率控制功能，在驗(yàn)證過(guò)程中為貼合新能源場(chǎng)站的實(shí)際運(yùn)行情況，分別設(shè)置正序和負(fù)序，將兩者分離處理，以確保故障產(chǎn)生時(shí)不會(huì)對(duì)鎖相環(huán)的控制動(dòng)作產(chǎn)生不良影響。在故障發(fā)生之后，鎖相環(huán)的正常工作會(huì)受到一定的影響，其主要原因是故障產(chǎn)生后會(huì)發(fā)出諧波，在考慮諧波影響的過(guò)程中確定具體的諧波源，將三次諧波幅值作為控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的影響計(jì)算，處于極端狀態(tài)下的諧波幅值為正常情況下的15倍以上。

基于仿真結(jié)果分析，在故障頻率擾動(dòng)的情況下會(huì)使得相位偏差有所增加，三階鎖相環(huán)在鎖相控制過(guò)程中產(chǎn)生了較小的波動(dòng)，但波動(dòng)范圍在允許的范圍之內(nèi)，鎖相時(shí)長(zhǎng)為0.5s，幅值波動(dòng)比較穩(wěn)定。因此，基于仿真結(jié)果分析，在故障產(chǎn)生的過(guò)程中故障因素對(duì)三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行效果影響較小，仍能夠滿(mǎn)足故障狀態(tài)下的頻率控制要求。

2.3 頻率階躍測(cè)試

按照新能源場(chǎng)站設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，單機(jī)設(shè)備運(yùn)行階段的頻率數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)在50Hz 以?xún)?nèi)。在系統(tǒng)產(chǎn)生頻率躍情況的過(guò)程中判斷并網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)的適用性。將單機(jī)極限數(shù)值輸入到仿真模型之中，輸出最終的仿真結(jié)果。在單機(jī)極限狀態(tài)下頻率產(chǎn)生躍階現(xiàn)象，此時(shí)二階鎖相環(huán)在軸面上呈現(xiàn)出電壓上升的情況，電壓幅值突變上升至20V 以上，在1s 的時(shí)間快速下降至0.18V 左右，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。頻率階躍會(huì)導(dǎo)致二階鎖相環(huán)軸的電壓幅值上升，但在三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中其變化程度并不明顯，電壓上升幅值0.在5V 以?xún)?nèi)，且在0.01s 內(nèi)達(dá)到0V，保持穩(wěn)定。因此，基于仿真模型的構(gòu)建，驗(yàn)證在階躍狀態(tài)下的并網(wǎng)頻率控制效果，三階鎖相環(huán)仍具有良好的功能，頻率調(diào)制效果更加穩(wěn)定[3]。

第四步，應(yīng)用Surfer軟件標(biāo)定圖名、圖例等，通過(guò)生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制鐵路線(xiàn)路翻漿冒泥病害底界的等值線(xiàn)平面圖。

2.4 頻率斜升測(cè)試

新能源場(chǎng)站按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在運(yùn)行過(guò)程中的頻率變化率應(yīng)滿(mǎn)足每秒0.03Hz 以?xún)?nèi)的基本要求。驗(yàn)證在變化率較大的情況下，三階鎖相環(huán)并網(wǎng)頻率控制的應(yīng)用效果，并與二階鎖相環(huán)控制模式對(duì)比。在仿真模型平臺(tái)中，輸入頻率變化量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，判斷電壓幅值的實(shí)際變化情況。在高于標(biāo)準(zhǔn)值的頻率變化情況下，二階鎖相環(huán)控制出現(xiàn)電壓幅值逐漸升高的情況，且隨著時(shí)間的不斷推移其變化程度更加明顯，導(dǎo)致最終參數(shù)鎖相失敗的情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)斜率的抑制作用。在三階鎖相環(huán)控制下，增加頻率同時(shí)電壓幅值并未產(chǎn)生明顯的變化，始終保持0V 的基本要求，對(duì)于場(chǎng)站內(nèi)頻率的斜率變化產(chǎn)生了較強(qiáng)的抑制作用，避免了頻率波動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，滿(mǎn)足了零穩(wěn)態(tài)誤差的要求，應(yīng)用效果更好[4]。

2.5 調(diào)頻功能仿真測(cè)試

2.5.1 指令誤差

為進(jìn)一步驗(yàn)證本場(chǎng)站內(nèi)的三階鎖相環(huán)控制模式，判斷其與調(diào)頻控制裝置之間的適應(yīng)性，分析其是否滿(mǎn)足快速鎖相的基本要求。采用調(diào)頻指令誤差測(cè)試技術(shù)發(fā)送一次調(diào)頻指令，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的一次調(diào)頻指令下達(dá)情況分別設(shè)置模擬頻率為49Hz、49.5Hz、49.8Hz，調(diào)頻指令誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別為1.5%，2.1%、-0.8%，標(biāo)準(zhǔn)誤差值要求滿(mǎn)足3%以?xún)?nèi)的標(biāo)準(zhǔn)要求。指令誤差測(cè)試結(jié)果精度滿(mǎn)足實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)要求。在使用實(shí)測(cè)技術(shù)分析和對(duì)比場(chǎng)站的調(diào)頻指令結(jié)果，按照10MW/kW 的基本折算，所得結(jié)果為618.347，誤差值為2.6%。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)折算后計(jì)算，其仿真值誤差均滿(mǎn)足3%以?xún)?nèi)的基本要求。因此，數(shù)字仿真平臺(tái)的驗(yàn)證結(jié)果具有可用性的特點(diǎn)，表明了該控制模式在調(diào)頻功能控制上，精度滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的基本要求。

2.5.2 擾動(dòng)性能

擾動(dòng)性能測(cè)試是驗(yàn)證并網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)，在布設(shè)和應(yīng)用過(guò)程中能防止低壓穿越和高壓穿越的性能，其性能會(huì)影響到并網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定性，減少對(duì)新能源場(chǎng)站運(yùn)行所產(chǎn)生的影響[5]。仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在并網(wǎng)點(diǎn)輸入電壓值分別為20kV、28kV，設(shè)置電壓值分別為0.6Un、0.8Un，頻率設(shè)置數(shù)值分別為49Hz、49.5Hz，驗(yàn)證低壓穿越過(guò)程中的調(diào)頻指令發(fā)送結(jié)果。

2.5.3 頻率階躍測(cè)試

在頻率階躍測(cè)試過(guò)程中需考慮到調(diào)頻系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)速率，并在有功頻率下考慮垂直特性對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)速率所產(chǎn)生的影響。在此過(guò)程中，需要預(yù)設(shè)頻率并將有功功率折線(xiàn)處理，具體使用的函數(shù)如下：P=P0-PN（f-fd）/fN×1/δ%，式中：fd表示響應(yīng)死區(qū)，PN表示額定功率，δ%表示響應(yīng)調(diào)差率，P0表示有功功率初始參數(shù)，fN表示系統(tǒng)頻率。

基于上述折線(xiàn)函數(shù)計(jì)算系統(tǒng)頻率階躍的擾動(dòng)情況，預(yù)設(shè)一次調(diào)頻死區(qū)位于49.5Hz 至49.8Hz 之間時(shí)，頻率的下限數(shù)值計(jì)算結(jié)果為49.2Hz、上限頻率數(shù)值為50Hz。階躍驗(yàn)證結(jié)果數(shù)值調(diào)節(jié)系數(shù)均與仿真模型輸入的數(shù)值相同，與額定功率之間的比例為8%。在階躍擾動(dòng)情況下，死區(qū)內(nèi)的控制系統(tǒng)可不動(dòng)作，且誤差值在5%以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足一次調(diào)頻的基本要求。三階鎖相環(huán)的作用是保持頻率的穩(wěn)定性，驗(yàn)證三階鎖相環(huán)的實(shí)際影響，調(diào)頻系統(tǒng)在功率調(diào)整過(guò)程中時(shí)延穩(wěn)定響應(yīng)效果良好，階躍變化時(shí)頻率控制系統(tǒng)能夠完成一次調(diào)頻的功能。

2.5.4 頻率慣量

頻率慣量測(cè)試主要測(cè)試響應(yīng)效果，分析慣量響應(yīng)特征與頻率變化之間的關(guān)系，確保慣量在對(duì)應(yīng)頻率的成功穿越。在場(chǎng)站有功功率情況下，慣量調(diào)頻系數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)頻率變化結(jié)果為-0.08Hz/s，不同時(shí)段內(nèi)的變化量也存在一定的差別。本廠(chǎng)內(nèi)在運(yùn)行過(guò)程中并不存在機(jī)械慣量，主要依靠虛擬慣量完成調(diào)頻控制的過(guò)程，提供相應(yīng)的頻率支持，隨后開(kāi)始具體的調(diào)頻工作。測(cè)試過(guò)程中，基于數(shù)字仿真模型模擬實(shí)際的頻率變化情況，按照慣量調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置頻率變化率，其驗(yàn)證結(jié)果表明調(diào)整總量與理論調(diào)整總量之間的差值在3%以?xún)?nèi)，符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。如，預(yù)設(shè)某時(shí)段內(nèi)頻率變化率為-0.03Hz/s 時(shí)，采樣變化率為-0.035Hz/s-1，理論慣量調(diào)功數(shù)值應(yīng)為13kW，一次調(diào)功數(shù)值為400kW，實(shí)際總調(diào)功數(shù)值為415kW，誤差值滿(mǎn)足實(shí)際要求。

2.5.5 慣量死區(qū)

仿真測(cè)試設(shè)置慣量調(diào)頻死區(qū)的數(shù)值為0.03Hz/s，在預(yù)設(shè)變化率的情況下應(yīng)滿(mǎn)足慣量調(diào)頻不動(dòng)作的基本要求。但由于系統(tǒng)頻率數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可能存在一定的誤差，導(dǎo)致其出現(xiàn)動(dòng)作情況。因此，控制裝置應(yīng)用期間預(yù)留響應(yīng)的靈敏度裕度，以確保在慣量調(diào)頻過(guò)程中，滿(mǎn)足一定范圍內(nèi)的頻率變化不會(huì)動(dòng)作的基本要求。驗(yàn)證結(jié)果表明，慣量死區(qū)動(dòng)作頻率變化0.03Hz/s 時(shí)，對(duì)慣量調(diào)頻動(dòng)作情況予以分析。在系統(tǒng)配置和應(yīng)用過(guò)程中，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)控制裝置靈敏度，以確保其應(yīng)用效果良好[6]。

綜上所述，該模型在本案例中應(yīng)用具有高效性和可行性，能夠起到科學(xué)調(diào)頻的功能。