王利猛，韓 凱，孫珮然，許成哲

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學)，吉林 吉林 132012；2.國網吉林省電力公司長春供電公司，吉林 長春 130000)

近年來，由于化石燃料逐漸枯竭和出于減少溫室氣體排放的考慮，全球大力推行使用可再生能源進行發(fā)電.在各種可再生能源中，太陽能發(fā)電以相對于其他可再生能源的巨大優(yōu)勢，在大多數國家得到了廣泛的應用.然而光伏發(fā)電通常采用最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略，不能參與系統(tǒng)的頻率調節(jié).隨著光伏發(fā)電(Photovoltaic，PV)普及率的不斷提高，電網的頻率特性將逐漸惡化，為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，迫切需要光伏發(fā)電系統(tǒng)主動參與電網的頻率調節(jié)[1-2].

為了使光伏電站能夠響應系統(tǒng)的頻率變化，國內外學者展開了大量研究.文獻[3]～文獻 [5]通過控制光伏附加儲能系統(tǒng)的充放電過程來滿足相應目標出力值的要求，從而減緩了擾動時系統(tǒng)的頻率波動.文獻[6]在傳統(tǒng)可再生能源并網單元的基礎上增加相應的儲能單元，并在先進的控制算法的作用下，可再生能源并網單元可以被模擬為傳統(tǒng)的同步發(fā)電機，從而大大改善配電網對可再生能源的接納能力.雖然儲能元件具有快速響應的能力，但其高成本和短壽命，降低了系統(tǒng)運行的經濟性和安全性.文獻[7-8]通過使光伏陣列工作在比最大功率點(Maximum Power Point，MPP)更低的電壓來使其減載運行，實現(xiàn)功率儲備，從而光伏發(fā)電系統(tǒng)具備隨時參與系統(tǒng)調頻的能力.文獻[9]針對光伏逆變器開關的下垂控制導致逆變器慣性低，提出一種通過修改逆變器下垂系數來增加逆變器慣性的方法以提高系統(tǒng)瞬態(tài)響應.文獻[10]提出了一種基于下垂特性曲線來減緩光伏參與的電力系統(tǒng)頻率波動的控制策略.但減載控制對外界環(huán)境變化比較敏感，且也會損失一部分經濟效益，如何實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)有效參與系統(tǒng)的頻率調節(jié)依然有待于深入研究.

實際上，在兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，位于高壓側的直流電容可以釋放或吸收一定的能量.如果儲存在其中的能量得到適當利用，光伏發(fā)電系統(tǒng)也可以提供頻率支持.在此基礎上，提出了一種電容電壓控制和減載控制協(xié)調作用的調頻方法.在本研究中，通過設置直流側電容電壓和頻率偏差之間的線性關系來模擬同步發(fā)電機的慣性響應，改變光伏陣列的輸出電壓來獲得更多的備用裕度.在DigSILENT/PowerFactory軟件中分析在各種情況下微網的頻率響應，驗證了所提出的控制方法的有效性.

1 系統(tǒng)頻率響應

在輸入輸出功率不平衡后，電力系統(tǒng)的頻率響應大致可分為三個主要階段：慣性響應(Inertial Response，Ir)、一次頻率響應(Primary Frequency Response，PFR)和二次頻率響應(Secondary Frequency Response，SFR)[11].在擾動之后每個階段的系統(tǒng)頻率響應，如圖1所示.

在功率不平衡后，系統(tǒng)頻率的變化速率主要由系統(tǒng)的總慣性決定.系統(tǒng)慣性越低，系統(tǒng)頻率下降越快.電力系統(tǒng)的慣性方程式為

(1)

公式中：ΔPm為機械功率輸出的變化；ΔPL為負荷的變化；H為系統(tǒng)的慣性常數；D為阻尼系數；Δf為頻率的變化.頻率的變化率(Rate of Change of Frequency，ROCOF)可以表示為

(2)

光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有任何旋轉元件，因此根本無法提供慣性響應.由于光伏發(fā)電的大規(guī)模部署，分母側的慣性常數H正在迅速減小，慣性響應的減小導致系統(tǒng)不平衡后初始頻率參數的高偏移.為了限制初始頻率漂移，電力系統(tǒng)急需光伏提供響應.假設從光伏發(fā)電獲得功率支持，公式(1)可進一步表示為

(3)

(4)

公式中：ΔPpv為光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率支持；Kpv、Hpv為光伏發(fā)電系統(tǒng)的調節(jié)系數和慣性常數.ΔPpv有兩個分量，第一項是與頻率偏差成正比，第二項是與頻率偏差及其變化率的乘積成正比.通過重新排列公式(3)，ROCOF可以表示為

(5)

在公式(5)的分子側，功率不平衡隨功率分量的下降而減小，在分母中，電力系統(tǒng)慣量增加到H+Hpv，從而使系統(tǒng)的頻率漂移和波動在需求不匹配后限制在可以接受的程度內，表明了光伏發(fā)電系統(tǒng)主動參與頻率調節(jié)能夠有效改善系統(tǒng)的波動情況.

2 光伏參與頻率調節(jié)方式

常規(guī)運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有任何儲存能量來參與頻率調節(jié).因此，為了使光伏能夠參與頻率調節(jié)，一種方法是充分利用光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能元件，即直流高壓側電容器.由于電容器的尺寸和電壓范圍有限，其對慣性仿真的貢獻也有限.如果頻率變化超出直流電容器的調控能力，則必須調整光伏陣列的發(fā)電量.它將被減載運行，響應于系統(tǒng)頻率偏差改變功率輸出，達到平抑頻率波動的效果.具體實現(xiàn)方法如下.

2.1 直流電容器控制

直流電容器用于維持直流電容電壓并減輕電壓紋波，容量由電壓紋波的允許率，電壓電平，電力電子設備的開關頻率等確定.由于成本和尺寸的限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般直流電容容量較小.因此，電容器本身只能模擬較小的慣性.但是如果加以適當控制，該電容器可以有效調節(jié)負荷的波動情況.

直流母線電容器中存儲的能量為

(6)

公式中：Cdc為直流電容器的電容；Udc為直流電容電壓.

功率可以由公式(7)表示，這表明直流電容電壓的變化可以產生功率.

(7)

通常，直流電容電壓的控制基準被設置為固定值，存儲的能量沒有得到利用.如果引入常規(guī)發(fā)電機的頻率穩(wěn)定方程，則可以利用直流電容器的能量進行虛擬慣性仿真.

(8)

公式中：Hpv為虛擬的電容儲能提供的慣性常數.將公式(8)的兩邊積分，就可以得到：

(9)

(10)

公式中：Udc0為直流側的標準電壓；f0為標稱頻率.公式(9)、公式(10)式經過線性化得

CdcUdc0(Udc-Udc0)=2Hdcf0(f-f0)，

(11)

(12)

經過化簡可得直流電容電壓和系統(tǒng)頻率之間的線性比例關系為

(13)

ΔUdc=KdcΔf.

(14)

基于公式(12)，當光照為1 000 W/m2，溫度為25 ℃時，初始直流環(huán)節(jié)電壓Udc0為1 000 V，電網初始頻率f0為50 Hz，ΔUdc、ΔHpv和Δf與電容量C的關系，如圖2所示.從圖2中可以看出，當頻率變化時，隨著虛擬慣量常數ΔHpv的增加，直流電壓偏差增大，直流電容釋放或吸收更多的能量來支持電網頻率.此外，當頻率變化相同時，電容值C越大，則直流電壓偏差會越小，從而電容功率輸出減小.但由公式(7)知，C的增大可以直接影響功率的輸出增多.二者存在的沖突，將在下文的仿真中展開研究.

基于上述分析，在直流側的電壓控制器中引入了f-Udc線性補償環(huán)節(jié)，通過檢測電網頻率的偏差來修正電容電壓參考值Uref，具體控制圖，如圖3所示.使用直流電容來模擬慣性具有顯著的優(yōu)勢，存儲在電容器中的能量與外部因素無關，這確保了不變的慣性支撐.

2.2 減載下垂控制

由于直流電壓不宜變化過大，并且僅利用光伏發(fā)電系統(tǒng)自身的電容，這將導致備用功率過小，在大干擾下無法保持頻率的穩(wěn)定，所以提供額外的支持尤為重要.光伏發(fā)電系統(tǒng)提供備用功率的方式一般有電池儲能和減載控制兩種.但電池儲能系統(tǒng)壽命短、投資成本高，經濟性較差，所以采用減載控制技術儲備有功功率[12-13].該方法是通過使PV在MPP點以下操作來實現(xiàn)的，如圖4所示.

圖4中：Umpp和Pmpp是光伏發(fā)電系統(tǒng)在MPP模式下的工作點，P1和U1是光伏發(fā)電系統(tǒng)強制遠離MPP的操作點.ΔP是可用于頻率控制的備用功率.當系統(tǒng)頻率降低時，PV響應頻率偏差，將其工作點移向MPP，從而參與頻率調節(jié).由圖4可知，隨著電壓在0-Umpp波動，其輸出功率也在0-Pmpp變化，電壓和功率幾乎呈線性關系，而在Umpp-Uoc之間變化過程則相反，使用公式(15)或公式(16)可以實現(xiàn)10%的功率儲備.

U10%=UMPP×0.9，

(15)

U10%=(Uoc-UMPP)×0.9+UMPP，

(16)

公式中：U10%為減載10%時光伏陣列的輸出電壓，Uoc是開路電壓.因為P-U曲線右側斜率通常大于左側，這表明較小的電壓變化就可以達到所需的減載水平，選擇公式(16)來進行儲備，通過公式(17)調節(jié)減載電壓的大小.

Udeload=U10%+KdeloadΔf，

(17)

公式中：Udeload為減載控制下光伏陣列的輸出電壓；Kdeload為減載調節(jié)系數.一旦交流側頻率超出標稱范圍，測量的頻率信號與參考值進行比較，頻率偏差乘以減載調節(jié)系數來修改光伏陣列輸出電壓，進而增發(fā)有功功率，其具體控制圖，如圖5所示.

2.3 協(xié)調控制策略

由于電容器的尺寸和電壓范圍有限，減載儲備的能量通常遠大于電容中可以釋放的能量.當采用電容與減載共同控制下，當干擾發(fā)生時，如不加以調節(jié)，電容往往瞬間釋放全部的能量，失去接下來的調頻裕度，無法在后續(xù)的擾動中繼續(xù)出力.但如果釋放的較少，當減載備用較小時，容易引起減載控制超調到MPP點，無法參與后續(xù)的調頻.且電容控制與減載控制分別針對df/dt與Δf的變化而控制光伏功率的釋放，如果單一控制調節(jié)過多，會引起另外的參數失穩(wěn).為使電容和減載控制能夠協(xié)調穩(wěn)定運行，按公式(18)進行調整.

(18)

公式中：ΔPdeload、ΔPdc為減載和電容控制下光伏發(fā)電系統(tǒng)剩余儲備的能量；ΔP1、ΔP2為當擾動發(fā)生時兩種控制下分別的出力.通過公式(18)使電容和減載協(xié)調控制下的光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠成比例地輸出，達到平穩(wěn)頻率波動的效果.由公式(7)可知直流電容的輸出功率，將公式(14)代入，可以得到

(19)

公式中：Cdc、Udc為常量，通過改變慣性調節(jié)系數Kdc的值就可以實時調整直流電容器發(fā)出的能量.

光伏面板電壓U的變化和功率P呈線性關系，則減載控制下光伏發(fā)出的能量可由公式(16)和公式(17)改寫為

(20)

公式中：Umppt、Pmppt分別為光伏面板最大功率點下的電壓和功率，當外面環(huán)境因素不變時為定值，增大Kdeload的大小就可以增加減載控制的有功出力.

基于上述討論，進行協(xié)調控制的本質是改變電容和減載控制的調節(jié)系數來使有功功率能夠基于各自的儲備按比例輸出，其整體光伏控制圖如圖6所示.

3 案例研究

3.1 微網模型

為了驗證所提出的控制方法，在DIgSILENT/Power Factory搭建的微電網模型，如圖7所示.由6個光伏發(fā)電系統(tǒng)和2臺同步發(fā)電機以及負荷組成.其中，同步發(fā)電機額定輸出功率均為2.5 MW，負載總消耗功率為3.5 MW，光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出功率為160 kW，其詳細參數，如表1所示.該系統(tǒng)不考慮儲能系統(tǒng)(ESS)，以更好地證明光伏發(fā)電系統(tǒng)本身在頻率調節(jié)中的潛力.在本研究中，假設在這一期間外部環(huán)境處于標準狀態(tài)(輻照為1 000 W/m2，溫度為25 ℃)之下.對此進行了各種案例研究，以驗證控制方法的有效性.首先，對電容容量C不同時直流電容控制的響應情況進行仿真.然后比較了所提出的直流電容控制、減載控制和協(xié)調控制下的三者的調頻效果.

3.2 工作在MPPT下直流電容控制仿真分析

為了驗證所提出的直流電容控制方案的頻率調節(jié)能力，在20 s時負荷增加0.5 MW.采用直流電容控制和不加控制時，系統(tǒng)頻率、光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和直流電壓響應變化的比較，如圖8、圖9、圖10、圖11所示.從圖8與圖9中可以看出，采用所提出的直流電容控制，頻率下限從49.53提高到49.58 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率依然保持在49.91 Hz.這是因為直流電容控制可以提供暫時的功率支持，對減小穩(wěn)態(tài)頻率偏差(穩(wěn)態(tài)頻率與基準值之間的差值)沒有任何貢獻.如圖10所示，干擾發(fā)生時，當光伏發(fā)電系統(tǒng)不參與頻率控制時，輸出太陽能保持不變，當采用直流電容控制時，能夠短期提供額外的功率支持.然而，在臨時電力支持之后，太陽能發(fā)電的輸出略有下降，持續(xù)數秒，因為電壓在逐漸恢復到其穩(wěn)定值，部分能量被吸收.圖11顯示，在整個低頻事件中，沒有直流電容控制，直流電壓保持在1 P.U.相反，當直流電容控制被激活時，直流電壓會隨著頻率的下降而減小.

由于直流電容器的容量限制，慣性響應受到限制，其頻率支持能力受到相應的影響.在相同的負載擾動下，還顯示了直流電容Cdc設置為0.04 F和0.06 F的系統(tǒng)頻率、光伏輸出功率、直流電壓響應.在Cdc=0.04 F的情況下，動態(tài)頻率偏差，即頻率最低點與基準值之間的差值，與沒有直流環(huán)節(jié)電壓控制的情況相比，減小了0.12 Hz.隨著Cdc的增大，動態(tài)頻率偏差在減小，當Cdc=0.06 F時，減小了0.18Hz.圖中還顯示ROCOF也發(fā)生了相應的減小，由此可知，較大的Cdc有利于直流電容器中釋放更多的功率，減緩頻率的波動.由于較大的動態(tài)頻率偏差和頻率變化率會引起系統(tǒng)緊急反應，如卸載負荷方案，從而危及運行安全.用所提出的直流電容控制，在負載擾動時期可以防止去負荷，并且適當增加電容值Cdc能夠更好避免這一情況，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有積極的影響.

圖8 不同電容值的系統(tǒng)頻率 圖9 不同電容值的系統(tǒng)頻率下降變化 圖10 不同電容值的系統(tǒng)輸出功率圖11 不同電容值直流側電壓

3.3 工作在預留備用下不同控制方案仿真分析

為了驗證所提出的不同控制方案的頻率調節(jié)能力，對在20 s時負荷增加0.5 MW的情況下進行仿真.為了比較，分別對直流電容控制、減載控制和二者協(xié)調控制三種情形進行研究，系統(tǒng)頻率、光伏輸出功率和直流電壓的響應，如圖12、圖13、圖14、圖15所示.由圖12和圖13可知，當負荷增加0.5 MW時，減載控制下的系統(tǒng)頻率下限從49.53提高到49.72 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率從49.91增加到49.94 Hz.在直流電容和減載同時控制下，系統(tǒng)頻率最低點的增加更加明顯，其值為49.74 Hz，但由于直流電容控制不能降低穩(wěn)態(tài)頻率誤差，穩(wěn)態(tài)頻率仍為49.94 Hz.當出現(xiàn)負載擾動時，圖14表明，在直流電容控制下光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供快速和臨時的功率支持，減載控制提供相對較長的功率支持，協(xié)調控制集合兩種控制方法的優(yōu)點，能夠有效抑制頻率的波動.圖15顯示出了在協(xié)調控制下，直流電壓變化明顯減小，有效改善了其在電容控制下的波動過大情況，有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)安全運行.

圖12 不同控制下的系統(tǒng)頻率圖13 不同控制下的系統(tǒng)頻率下降變化圖14 不同控制下的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率圖15 不同控制下的直流電壓

對在20 s時負荷減少的狀態(tài)下進行仿真，頻率響應曲線，如圖16所示.當光伏發(fā)電系統(tǒng)不參與頻率調節(jié)時，頻率上限為50.45 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率為50.09 Hz.采用協(xié)調控制，頻率上限減小到50.26 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率相比之前減小了0.03 Hz，其頻率變化率也得到了進一步改善.綜上所述，無論負載增加或減少，直流電容電壓和減載協(xié)調控制下的光伏發(fā)電系統(tǒng)都能夠響應其變化，有效參與調頻工作.

4 結 論

以雙級式光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，提出了一種光伏主動參與系統(tǒng)頻率調節(jié)的方法.為了有效改善光伏高滲透下電力系統(tǒng)的低慣性情況，利用直流電容中存儲的能量來模擬同步發(fā)電機的慣性響應.然而電容中的能量不宜過大，只能提供暫時的電力支持.通過減載控制，預留一部分的能量裕度，使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供持久的支持.為了評估所提出控制的有效性，對負載擾動事件進行了仿真.結果表明，所提出的協(xié)調控制結合了直流電容控制和減載控制的優(yōu)點，極大地緩解了頻率波動，有助于維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，提高電網對光伏發(fā)電的消納能力.

此外，還有以下需要繼續(xù)展開的工作：(1)僅考慮了在標準外界環(huán)境下該控制方法對于擾動時頻率調節(jié)的有效性，在后續(xù)的研究中，將針對具體地區(qū)和時段進行分析.(2)還需要考慮光伏發(fā)電參與電網頻率調節(jié)的成本，從而確定合理的電容值，這有待于進一步的深入探究.

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)參數