光伏电站参与电网频率调节技术的研究

2019年

第38卷第6期

光伏电站参与电网频率调节技术的研究

朱岚康袁单宝旭袁隋本刚

渊国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司袁浙江

嘉兴314033冤

摘要院由于光伏出力具有不确定性袁光伏的大量接入给电网的稳定性造成不利影响遥为此袁针对光伏并网点频率波动问题袁提出2种不同的控制策略院第一种是光伏发电单元参与调频袁当并网点检测到频率波动时袁将频率偏差作为控制量袁通过下垂控制得到功率偏差袁依据此偏差量调节MPPT渊最大功率点跟踪冤输出的直流电压量袁反馈到逆变器双环控制袁从而调节光伏阵列的输出功率曰第二种是场站级控制系统参与调频袁即通过测量系统频率偏差得到功率控制指令袁再由场站级功率控制系统将其下发至相关逆变器完成频率控制遥最后袁通过系统仿真对比了2种控制策略的优缺点及适用性遥关键词院光伏电站曰频率调节曰光伏单元曰场站级控制系统文章编号院1007-1881渊2019冤06-0118-05DOI:10.19585/j.zjdl.201906020中图分类号院TM712

文献标志码院B

开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院

ResearchonGridFrequencyRegulationTechnologyofPhotovoltaicPowerPlant

渊StateGridJiaxingPowerSupplyCompany袁JiaxingZhejiang314033袁China冤

Abstract:Large鄄scaleaccessofphotovoltaicpowerplantsposeschallengestothestabilityofpowergridbe鄄causeofitsoutputuncertainty.Therefore袁thepaperproposestwocontrolstrategiesinviewoffrequencyfluc鄄tuationsatPVintegrationpoints.First袁thePVgenerationunitinvolvesinfrequencyregulation.Whenthefre鄄quencyfluctuationisdetectedonintegrationpoint袁frequencydeviationistakenascontrolquantity袁andpowerdeviationisconcludedviadroopcontrol.Accordingtothedeviation袁DCvoltageoftheMPPToutputisadjustedandfedbacktodualloopcontrolofinvertertoadjustoutputpowerofPVarray.Second袁station鄄lev鄄elcontrolsysteminvolvesinfrequencyregulation.Thepowercontrolorderisobtainedviameasurementsys鄄temfrequencydeviation袁andthenthecontrolorderissenttoinvertersforfrequencyregulation.Finally袁merits袁demeritsandapplicabilityofthestrategiesarecomparedthroughsystemsimulation.

Keywords:PVpowerstation曰frequencyregulation曰photovoltaicunit曰station鄄levelcontrolsystem

ZHULankang袁SHANBaoxu袁SUIBengang

0引言

光伏发电具有随机波动性袁随着光伏电站的数量和规模的加大袁电网的稳定性受到影响遥特别是在光伏渗透率较高的地区袁由于目前大部分光伏电站本身不参与调频且自身没有惯量袁电网的频率稳定性会受到光伏电站输出功率的影响[1]遥

针对光伏电站的频率波动问题袁学者们做了大量的研究遥文献[2]针对电网频率的波动袁采取分层方法实现频率的调整遥此策略由2种模式组成院频率变化不大时启动模式一袁设置1个虚拟的调速器袁类似于同步发电机下垂特性袁通过增发功率抑制频率波动曰频率变化较大时启动模式二袁例如负荷骤降时袁紧急控制减少光伏输出功

率袁平衡系统的有功功率袁等频率波动恢复到模式一的范围内袁控制模式恢复到模式一遥文献[3]提出跟踪伪最大功率点的方法袁使光伏阵列保有一定的裕量遥该方法通过损失一部分的有功输出功率袁使光伏能够响应系统的频率波动袁这是光伏发电单元具有调节频率能力的基础遥文献[4]提出配置超级电容器储能装置袁利用储能装置储存和释放电能的能力袁调节光伏输出有功功率袁以响应系统频率变化遥

本文在分析大型光伏电站并网模型的基础上袁研究掌握正常工况下的光伏调频技术袁在仿真平台上搭建光伏电站的模型袁并探讨和明确光伏发电单元调频与光伏电站场站级控制系统调频的优缺点遥

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第38卷第6期

浙江电力119

1光伏并网发电系统模型

光伏电站由光伏发电单元将太阳能转化为直流电能袁逆变器将光伏产生的直流电能转化为交流电能袁再经过站内升压变压器送至集电线路袁最1.1后经由光伏主变电站电池模型

将电能高压送出遥

基于光伏电池的物理特性袁结合光照强度与温度的影响袁根据参考数值下的标准参数袁任意电池温度T和光照强度S下的光伏方阵的I-U特性与参数能够推导得出[5]扇设设设设设I设设忆SC渊m冤=ISC渊mS设设设设U设忆窑冤Sref

[1+a渊T-T院

ref冤]OC渊m冤=UOC渊m窑冤设ln[e+窑UUOCb渊S-Sref冤]

[1-c渊T-Tref冤]设设OC-Um

缮设设设设设设琢=

SCI-SCm设袁渊1冤

设设茁=蓸I忆I忆设设设设UU1忆设OC

设忆ln设蓸1+蔀琢琢蔀设墒

设设I=Udcarray=m窑/n

ISC[1-琢渊e茁u-1冤]

式中院I忆渊m冤和U和OC忆渊茁m冤分别为最大功率点短路电流和开路电压SC

曰琢分别为参考日照强度下的电流和电压温度系数曰U和Iarray分别为输出的电压和电流曰Sref和Tref分别为标准测试环境下的光照强度和环境温度曰Um袁Im袁UOC袁ISC分别为标准环境测试下的光伏等值模型最大功率点电压尧电流以及开路电压尧短路电流曰m为电池的串联数曰n为电池的并联数曰a袁b袁c为计算系数曰Udc为直流电压1.2逆曰变u为器系数及其遥

控制模型

目前袁大型光伏电站多采用单级式结构袁主要由光伏阵列尧逆变器尧控制系统等部分组成[6]为了方便控制器的设计袁需要对逆变器交流侧电遥压方程进行dq变换袁其控制模型如图1所示遥其中袁Ug为电网电压袁L器并网点电压g为电网等效电感袁U台逆变袁LPCC为单感和电容曰i1网电流曰i1c为滤袁波i2分别袁L2袁为C逆f分别为LCL滤波器的电变器桥出口电流和并电容电流曰I电流G曰冤C和G派克变换曰Gdc为直流3s/2r为Udci-d渊si-q渊s冤分别为d轴渊和s冤为q轴直流控制控制单环元节曰曰

i*

d

和i*q

分别为d轴和q轴电流曰棕为频率遥本控制策略PLL采用电压外环尧电流内环的双环控制[7]袁样袁渊得到锁相旋环转冤技术对电网电压坐标系下的电网电压幅值和幅相位进行利用值ed采相位参考量兹遥

袁eq和+

UA

L1i1L2i2UPCCLgdc

B

UgC

-

CiUIcfdq-PLL兹

dcMPPTdc

C3s/2r

eC3s/2r

兹edeq

-+

q++

+

Gi-+i

棕q渊Ls冤-*q

GUdc渊s冤

+-

棕L1Ge+

s1i-d渊冤

-

d

+

i*d

图1逆变器结构及控制模型

2光伏发电单元参与系统频率调节

光伏的频率控制策略是基于频率偏差的功率

跟踪控制实现的袁而实现控制的前提是使光伏具有功率可调的能力袁因此光伏必须有备用容量遥以并网侧采集到的频率与标准量的偏移量作为控制信号袁反馈至逆变器双环控制袁通过调节电子管的占空比来控制有功功率输出遥光伏阵列具有上下调整功率的能力袁所以能够跟随频率的波动输2.1出功控制率袁策略调整光伏设计

出力变化引起的频率波动[8-9]遥

本文在MPPT渊最大功率点跟踪冤方法的基础

上设计光伏阵列频率反馈功率跟踪控制策略遥首先设定拟定的功率跟踪点p的情况下袁保证跟踪点电压U0袁在保证p0=0.9pmax的电压量在最大功率点的左侧0约遥U设袁则置保目证标了函找数到为拟定的功率跟踪偏移量驻p袁频率波动导致的频率偏移量通过光伏阵列的有功功率出力来调整袁光伏阵列出力改变的信号由驻p得到遥光伏阵列的调整量驻pmax不能大于同一时刻光伏阵列输出功率最大值的10%遥由下垂控制原理可知拟定跟踪功率点的偏移量与频率偏移量之间式中院C为比例系数驻p袁=C按照驻f频率功袁的关系为率差的最大值渊院

2冤

取值遥

120朱岚康袁等院光伏电站参与电网频率调节技术的研究

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设定一个输出的功率p忆袁利用设定的拟定功率初始标准值p即院

0和功率的偏移量可以得到此值袁p忆=p在确定了功率的输0+驻p出值之后.袁便可以找到渊3对冤

应的电压输出值袁通过PWM渊脉冲宽度调制冤得到的占空比来控制IGBT渊绝缘栅双极型晶体管冤的2.2

输出遥

控制策略仿真分析

本文采用典型的两区域四机系统袁系统的详细MW参数见文献[16]遥上MW袁袁将将区域500MW1其的中光伏4台机组额定功率均为8101台电站发电接入区域1的母线6光伏袁50发电用500单元MW袁光伏采用电站单机替倍代机乘出力的出力的方法遥根减少500等据效一搭建的个10个MWs仿真这容量样的光伏单元袁500MW的光伏电站由步的长等为值光伏10ms单袁元仿真组成持遥

条时件将不负荷变袁L7图的有2是功功光伏率不加增加续时间为20s袁2调频333.5控制MW的仿真结袁其他果遥从图2可以看出袁2s时由于负荷的增加袁系统频率开始降低袁最低值达到59.4Hz左右遥

图3是光伏增加调频控制的仿真结果遥从图中可以看出袁当频率降低的时候袁光伏增加出力袁帮助系统及时恢复了频率袁系统频率最低值在59.5Hz以上遥

对比图2与图3可以发现院没有增加调频的光伏电站一直保持400MW左右的出力袁系统频率最多降低至59.4Hz左右曰增加了调频的光伏电站在系统负荷增加尧系统频率降低时增加出力359.5袁帮场Hz助站以系统级上控制袁及充时分恢系统说复明了频率参与控制袁系统系统策略最频率的有低频率调节

效性达遥

到同步发电机能够在电网频率波动时发挥一次调频能力[10-15]不具备这种能袁力而目袁前的并网光伏发电站几乎都K即光伏电站的功率频率系数院

所以在光伏电站接入电网的G-PV=0所有袁频率功率特性渊4系冤

数为院

K式中院KS-PV=KG-PVG袁KL分别为+K发电G+K机L=K尧G负荷+KL一次袁调频的渊5单

冤

60.3060.10光伏电站出口母线频率

59.9059.70同步发电机组G1频率

59.5059.30

-0.100

3.9187.937

11.9615.9719.99

500.00渊a冤光伏电站出口母线和同步时间/s

发电机组G1频率

375.00光伏电站有功出力

250.00125.00光伏电站无功出力

-125.000.00

-0.100

3.9187.937

时间/s

11.9615.9719.99

1.04渊b冤光伏电站的有功出力和无功出力

1.021.00同步发电机组G1末端电压

0.980.96光伏电站出口母线电压

0.94

-0.100

3.918

7.937

11.96

15.97

19.99

渊c冤光伏电站出口母线和同步时间/s

发电机组G1电压

图2光伏不加调频控制的仿真结果

60.3060.10同步发电机组G1频率

59.9059.70光伏电站出口母线频率

59.5059.30

-0.100

3.9187.937

时间/s

11.9615.9719.99

800.00渊a冤光伏电站出口母线和同步发电机组G1频率

600.00光伏电站有功出力

400.00200.00光伏电站无功出力

-200.000.00

-0.1003.9187.937

1.055渊b冤光伏电站的有功出力和时间/s

11.9615.9719.99

无功出力

1.0300.9801.005同步发电机组G1末端电压

0.955

光伏电站出口母线电压

0.930

-0.100

3.918

7.937

时间/s

11.96

15.97

19.99

渊c冤光伏电站出口母线和同步发电机组G1电压

图3光伏增加调频控制的仿真结果

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第38卷第6期

浙江电力

Pmpp

Pf

场站级有功功率控制

有功控制

121

UG

及限流保护模块

3.1

位调节功率遥假设所有的光伏电站都具有一次调频的能力袁则整个系统的频率功率特性系数院

KS-S=KG-S+KL+KG跃KL+KG=KS-PV袁渊6冤式中院KG-S为光伏电站单位调节功率遥

对比式渊5冤与式渊6冤袁可以得到同等容量具有一次调频能力的光伏电站接入电网袁系统频率功率特性参数值比较大袁由于其他原因导致的频率波动比较小袁因此系统相对比较稳定遥

忆UG

并网接口

Pord单机级Ipcmd故障穿越IP

图4光伏发电站场站级控制总框图

控制策略设计

3.2

当光伏电站需要响应电网系统调频要求时袁场站级控制系统根据并网点频率波动情况以及光伏电站当前的运行工况来确定有功功率输出指令袁其场站级控制总框图如图4所示遥通过测量系统频率偏差袁得到功率控制指令Pord袁再由场站级功率控制系统将其下发至单机控制系统袁故障穿越及限流保护模块通过单机控制系统输出的电流控制量Ipcmd以及电压参考量UG得到有功功率电流控制量IP袁进而控制光伏电站的有功出力遥

定功率分别为719MW和700MW的传统发电机袁将500MW的光伏电站接入区域1的母线6上袁将区域1其中1台发电机的出力减少500MW袁用500MW光伏电站替代出力遥

仿真步长为10ms袁仿真持续时间为20s袁在2s的时候将负荷L7的有功功率增加333.5MW袁其他条件不变袁图6是光伏增加场站级调频控制的仿真结果遥可以看出袁在该负荷扰动下袁只需3个光伏等值单元参与系统调频即可袁对比图2可知袁该场站级调频控制方法可以有效减小系统频率偏差遥

控制策略仿真分析

3.3比较光伏单元调频与场站级调频的适用性本文在典型的两区域四机系统上进行改造袁改造算例系统如图5所示遥区域1有2台额定功率均为700MW的传统发电机袁区域2有2台额

场站级控制系统实际上是从光伏电站的角度通过逆变器的上层对可用逆变器进行整体控制袁通过场站级控制系统将这些功率指令下发到可用的逆变器来完成控制遥而光伏单元的调频不会经

图5改造算例系统

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60.2060.00同步发电机组G1频率

59.8059.60光伏电站出口母线频率

59.4059.20

-0.100

3.9187.937

时间/s

11.9615.9719.99

62.00渊a冤光伏电站出口母线和同步发电机组G1频率

59.00光伏单元1有功出力

56.0053.00光伏单元3有功出力

光伏单元2有功出力

50.00

47.00

-0.100

3.9187.937

时间/s

11.9615.9719.99

1.04渊b冤光伏等值单元1袁2袁3的有功出力

1.021.00同步发电机组G1末端电压

0.980.96光伏电站出口母线电压

0.94

-0.100

3.918

7.937

时间/s

11.96

15.97

19.99

渊c冤光伏电站出口母线和同步发电机组G1电压

图6光伏增加场站级调频控制的仿真结果

过这个系统袁直接从并网点测得频率偏差后袁反馈至逆变器进行调频遥两者在调频时间上是不同的袁由于场站级调频是要经过场站级控制系统完成袁会使用比光伏单元调频更多的时间遥在大型光伏电站中袁场站级控制系统对于逆变器整体控制显得更加适用遥

4结语

本文通过对大型光伏电站进行建模袁设计实现了光伏单元参与系统频率调节策略和场站级控制系统参与系统频率调节策略袁并分析比较了两种策略的适用性遥光伏单元调频响应速度快袁但可控性不好曰场站级控制系统调频可控性好袁控制灵活袁但是有时间延迟遥在允许的时间精度内袁场站级控制系统更适用于大型光伏电站频率控制遥

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收稿日期院2019-04-12

作者简介院朱岚康渊1992冤袁男袁助理工程师袁研究方向为送电线路设计遥

渊本文编辑院徐晗冤