适应电网侧AGC不同控制模式的光伏发电参与电网频率调节

段正阳，李 冰，黄 珣，陈 鑫，耿晓超，张善峰，严干贵

（1.冀北电力有限公司 工程管理分公司，北京 100070；2.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 13201）

0 引言

光伏并网容量的增加导致电力系统转动惯量逐渐减小，抵抗负荷变化能力减弱，严重威胁电力系统安全稳定运行[1]～[4]，需要光伏发电主动参与电网频率调节。传统电力系统的频率控制通常使用分级控制来维持发电和负荷平衡[5]，一次调频是由系统中原动机的调速器完成，只能限制周期较短、幅度较小的负荷变动引起的频率偏移（第一类负荷）；二次调频是由系统中原动机的调频器完成，完成负荷变动周期更长、幅度更大的调频任务（第二类负荷）[5]。针对含高比例光伏发电的电力系统，其频率的一次调节与二次调节同样面临严峻挑战。

目前，国内外学者针对光伏发电参与电网调频一次调节已展开部分研究。文献[6]提出光伏发电采用恒定功率控制策略，留有一定的备用容量，当电网频率出现扰动时，光伏发电系统通过增加或减少有功功率使其主动参与电网频率调节。文献[7]针对较小负荷波动引起的频率偏差，提出光伏储能系统有功调频控制策略，平抑系统功率波动。文献[8]提出一种基于变减载率的光伏发电参与电网调频控制策略，依据电网频率改变实时调节光伏发电的减载运行水平。文献[9]基于函数的非线性奈奎斯特稳定性判据，分析光伏发电接入系统前后调频控制增益的稳定范围，为相关标准和现场调频装置参数整定提供借鉴。针对新能源发电参与电网频率二次调节的研究工作主要集中在风力发电领域。文献[10]～[12]针对风力发电并网功率波动问题，提出风电场与AGC机组协同控制策略，抑制频率波动，提高风电的消纳量，降低运行成本。然而，对于光伏发电参与电网频率的二次调节及其与电网侧AGC协调控制的研究工作，鲜有文献涉及。

本文以双级式光伏发电为研究对象，在备用一定有功功率的基础上，提出有功功率-频率下垂控制策略，通过修正逆变器原有的控制结构，实现光伏发电主动参与电网频率调节。考虑一次频率调节偏移与越界等问题，提出适应电网侧AGC不同控制模式（定频率控制模式、定联络线功率控制模式以及联络线功率频率偏差控制模式）的二次频率调节控制策略，进而实现频率的无差调节。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了含多个光伏发电并联的仿真模型，仿真结果对理论分析与控制策略进行了有效验证。

1 双级式光伏发电并网系统结构

图1 双级式光伏发电系统结构Fig.1 Configuration of double-stage grid-connected PV generation

双级式光伏发电系统结构如图1所示。系统主要由光伏阵列、DC/DC变换器、逆变器、变压器、线路、负荷和交流电网构成。图1中：Cb1，Cb2为直流滤波电容；UPV为光伏阵列侧直流电压；Udc为逆变器侧直流电压；Lf为输出滤波电感；Rg，Lg分别为线路电阻、线路电感；Ut，Ug分别为并网点电压、电网电压；Pload为负荷。

2 变流器的拓扑结构与控制策略

2.1 Boost变换器及其控制策略

Boost变换器具有结构简单、体积小、效率高等优点[13]，[14]。由图 1可知，Boost变换器既可以实现光伏阵列的最大功率追踪，也可以控制逆变器侧直流电压的稳定。本文采用Boost变换器的控制策略如图2所示。逆变器侧直流电压参考值Udcref与Udc的误差信号经PI控制器后生成占空比d，进而产生驱动脉冲驱动Boost变换器工作。

图2 Boost变换器控制策略Fig.2 Control strategy of Boost

2.2 逆变器及其控制策略

逆变器通常采用机电暂态模型进行分析[15]，相应的控制策略如图3所示。功率外环控制根据有功功率和无功功率需求，分别生成d轴和q轴电流指令值，通过调节d轴和q轴电流值来调节注入电网的有功和无功功率。

图3 逆变器控制策略Fig.3 Control strategy of inverter

图3中：Pref，P分别为有功功率的参考值、实际值；Qref，Q分别为无功功率的参考值、实际值；id和iq分别为d轴和q轴电流分量；idref和iqref分别为d轴电流和q轴电流的参考值；Ud和Uq分别为d轴和q轴的电压分量；θpll为锁相环输出相位。

3 主动参与电网频率调节控制策略

3.1 一次频率调节控制策略

为了充分利用光伏发电功率调节的快速性，本文在备用一定有功功率的基础上，采用有功功率-频率下垂控制来修正逆变器的控制策略，进而实现光伏发电参与电网频率的一次调节，设置的有功功率-频率特性曲线如图4所示。

图4 有功功率-频率下垂曲线Fig.4 Droop characteristic curve of active power-frequency

由图4可知，其数学表达式为

式中：fd为频率响应动作值；k为频率调整系数，1/Hz；Pn为任意光照度下光伏发电输出最大功率，即下垂系数随光照度变化而变化；P0为初始功率值。

修正后的逆变器控制策略如图5所示。扰动的电网频率经下垂控制环节得到功率参考值PPVref，功率误差信号经PI控制器后生成逆变器d轴电流参考值idref。

图5 有功功率-频率下垂控制策略Fig.5 Control strategy of active power-frequency

3.2 二次频率调节控制策略

电网侧AGC通过调整选定机组的输出功率，使电网频率恢复到指定的正常值以及保证控制区域间的功率交换为给定值，也称之为负荷-频率控制（LFC）。通常情况下，AGC系统通过在调速器的负荷设定值上增加复归或积分控制，将频率恢复到给定值。

基于上述分析，建立如图6所示的光伏发电与电网侧AGC协调控制的二次频率调节策略。

图6 协调控制策略Fig.6 Coordinated control strategy

图6中：RTH为转速调节器的调差系数；TGT为调速器系数；FHP为原动机高压缸做功比例；TRH为原动机再热时间常数；TCH为主进汽容积和汽室时间常数；f为电网频率；Δf为电网频率扰动；PPV-cmd为光伏电站输出功率指令值；PPV为光伏电站输出功率；Punit为同步发电机组输出功率；H为同步发电机组的惯性时间常数；D为同步发电机组的阻尼系数；Pload为负荷；ΔPload为负荷扰动；ΔPtie为联络线偏差功率；ACEi，SACEi为区域误差控制信号；PFPV1，PFPV2，PFPV32，PFcon-gen为功率分配系数；Pset-point-PV1，Pset-point-PV2，Pset-point-PV3，Pset-point-con-gen分别为光伏电站、同步发电机组二次调频指令值。

当系统内出现负荷扰动，首先，同步发电机组和光伏电站一次调频控制系统先动作，经过几十秒后将系统频率维持在允许波动范围；其次，AGC控制系统检测系统频率偏差与子系统间联络线偏差，产生区域控制偏差ACE，基于各机组的运行状态以及最优经济性分配生成各机组输出功率参考值；最后，各机组调节其输出功率，实现频率无差调节。

4 仿真算例验证

在PSCAD/EMTDC中搭建如图7所示的两区四机仿真模型。

图7 两区四机仿真模型Fig.7 Four-machine two-area simulation model

图中光伏发电为3个光伏电站并联，各光伏电站的容量均为267 MW，各同步发电机组容量均为900 MW，负荷消耗有功功率为2 000 MW（负荷 1为 600 MW；负荷 2为 1 400 MW），仿真系统主要参数见表1，2。

表1 双级式光伏发电参数Table 1 Main parameters of double-stage grid-connected PV generation

表2 同步发电机组参数Table 2 Main parameters of synchronous generator

4.1 一次调频仿真分析

①3个光伏电站额定输出功率为267 MW（光照条件相同，下垂系数分别为 0.85/Hz，1/Hz，0.834/Hz），均限功率运行（σ=20%），负荷为 2 000 MW。t=40 s时，负荷突增200 MW，电网频率、各个光伏电站输出功率以及同步发电机组输出功率（SG1）如图 8 所示。

图8 负荷增加时系统响应曲线Fig.8 The system responses for a load increased

②3个光伏电站额定输出功率为267 MW（下垂系数相同，光照条件分别为 1000，900，800W/m2），均限功率运行（σ=20%），负荷为2 000 MW。t=40 s时，负荷突增200 MW，电网频率、各个光伏电站仿真波形如图9所示。

图9 负荷增加时系统响应曲线Fig.9 The system responses for a load increased

由图8，9可知，随着系统频率的降低，各光伏电站按照各自给定的控制策略来控制光伏阵列增加有功功率，抑制电网频率跌落。由于光伏电站运行工况、控制参数的差异性，光伏电站输出功率在暂态过程以及稳态下均有差异性。

③3个光伏电站额定输出功率为267 MW（下垂系数相同，光照条件相同），负荷为2 000 MW。t=40 s时，负荷突增200 MW，不同备用功率比下（σ=20%，30%），电网频率、光伏电站输出功率（PPV1）以及同步发电机组输出功率（SG1）如图10所示。

图10 不同备用功率比下负荷增加时系统响应曲线Fig.10 The system responses for a load increased under different power reserve ratios

由图10可知：两种运行工况下负荷不变，备用功率比不同时，会导致系统频率初始值、最低频率跌落以及频率稳态值均存在差异性；在频率动态调节过程中，光伏发电可提供的支撑功率取决于频率偏差，不同备用功率比对该过程影响较小。

4.2 负荷、光照强度波动时一次调频仿真分析

考虑到实际系统中负荷与光照强度的波动特性，在仿真中分别设置负荷连续扰动、光照强度连续扰动，系统频率响应如图11所示。

图11 负荷波动和光照强度波动时系统频率响应Fig.11 The system frequency responses when the load fluctuates and the illumination fluctuates

由图11可知：光伏发电不参与电网频率调节时，系统功率波动所带来的功率缺额将全部由常规同步发电机组来承担，而当光伏发电主动参与电网频率调节时，可按照预先设定的下垂控制策略来抑制负荷扰动、光照强度扰动引发的电网频率波动，增强其稳定性。

4.3 二次调频仿真分析

AGC的控制模式为定频率控制，各光伏电站额定输出功率为267 MW，限功率运行（σ=20%），负荷消耗有功功率为2 000 MW。t=40 s时，负荷突增200 MW；t=65 s时，AGC控制系统动作，系统频率、区域间联络线功率、各光伏电站输出功率以及各同步发电机组输出功率如图12所示。

图12 负荷增加时系统响应曲线（计及二次调频）Fig.12 The system responses for a load increased（considering the second frequency regulation）

由图12可知：当系统突增200 MW负荷时，系统内的各光伏电站与同步发电机组的一次调频动作来抑制系统频率跌落，系统单位调节功率约为1 538 MW/Hz；由于区域2中的各光伏电站均主动参与系统频率调节，在系统频率降低时各光伏电站增发功率，因此，区域1向区域2输送的功率降低；当AGC控制系统以恢复系统频率至50 Hz为控制目标，各光伏电站与同步发电机组按照AGC控制系统生成的输出功率参考值调节各自输出功率。随着系统频率的恢复，各光伏电站输出的功率低于主动参与一次调频控制时输出功率，各同步发电机组则需要多增发功率来补偿部分功率缺额；由于该算例中同步发电机组1的参与因子大于其它两台同步发电机组，因此，区域2中的同步发电机组1增发的功率更多，当频率达到稳态后，两个区域间联络线的功率也基本维持在负荷突变前的运行情况。

AGC的控制模式为定联络线功率控制，各光伏电站额定输出功率为267 MW，限功率运行（σ=20%），负荷消耗有功功率为2 000 MW。t=40 s时，负荷突增200 MW；t=65 s时，AGC控制系统动作，系统频率、区域间联络线功率、各光伏电站输出功率以及各同步发电机组输出功率如图13所示。

图13 负荷增加时系统响应曲线（计及二次调频）Fig.13 The system responses for a load increased（considering the second frequency regulation）

由图13可知：当系统突增200 MW负荷，在40～65 s时，运行情况与定频率控制一致，各光伏电站与同步发电机组的一次调频动作来抑制系统频率跌落，由于区域2中的各光伏电站均主动参与系统频率调节，因此，区域1向区域2输送的功率降低。当AGC控制系统以联络线功率为控制目标（该算例中目标功率为400 MW，且区域2中的同步发电机组参与因子设置为负数，即反向调节）时，各光伏电站与同步发电机组按照AGC控制系统生成的输出功率参考值调节各自输出功率，由于联络线功率增加100 MW，考虑到区域2中的机组应适当降低其出力，因此，在65～90 s时，系统频率变化不大。

AGC的控制模式为联络线功率频率偏差控制，各光伏电站额定输出功率为267 MW，限功率运行（σ=20%），负荷消耗有功功率为2 000 MW。t=40 s时，负荷突增200 MW；t=65 s时，AGC控制系统动作，系统频率、区域间联络线功率、各光伏电站输出功率以及各同步发电机组输出功率如图14所示。

图14 负荷增加时系统响应曲线（计及二次调频）Fig.14 The system responses for a load increased（considering the second frequency regulation）

系统频率控制目标为50 Hz，联络线功率控制目标为300 MW，该运行情况与定频率控制一致，经过各光伏电站与同步发电机组的一、二次调频控制后，系统频率恢复至50 Hz，同时维持两个区域间联络线的功率不变。

5 结论

本文以双级式光伏发电为研究对象，在备用一定有功功率的基础上，提出有功功率-频率下垂控制策略，通过修正逆变器原有的控制结构，实现光伏发电主动参与电网频率调节。当电网频率波动时，光伏发电可按照预先设定的下垂曲线控制光伏阵列增发或者减少一定量的有功功率，抑制系统频率的跌落或者升高。同时，提出适应电网侧AGC不同控制模式（定频率控制模式、定联络线功率控制模式以及联络线功率频率偏差控制模式）的二次频率调节控制策略，实现光伏发电与电网侧AGC的协调运行以及电网频率的无差调节，保证系统安全稳定运行。