基于全站控制的光伏场快速一次调频控制系统研究

郑有余 赵 玉

(1. 南京爱浦克施电气有限公司 南京 211800；2. 云南民族大学电气信息工程学院 昆明 650500)

1 引言①

随着可再生能源发电的迅猛发展，新能源装机容量越来越大，相应的具有转动惯量的常规水、火电机组开机比例逐步下降，但普通新能源发电并网不具备快速频率响应能力，电网频率控制特性的结构性困境日趋明显[1-6]。基于此开展新能源场站频率响应推广应用工作是保障新能源高占比形态下大电网安全稳定运行的重大举措，对促进新能源持续健康发展具有重要意义。但是目前的调频控制系统都是通过相当复杂的网络拓扑传输控制指令从而完成频率的调整，在这个控制命令的传送中网络延时占了相当大的部分。因为在整个链路的延时过长，导致调频效果不理想，不能满足电网对电源调频的要求[7]。

截至2018年7月，西北电网风电和光伏比例已达 34.55%。风电和光伏的发电原理不同于传统电源，在应对电网频率波动的时候没有旋转惯量进行支撑，这使得电网的暂态稳定性下降[8-10]。为了保障高比例新能源接入对西北电网的稳定性，西北调控对辖区内的光伏电场接入电网提出频率快速响应的要求，新能源发电要参与维持电网频率的稳定性。根据《国家电网公司西北分部关于开展西北电网新能源场站快速频率响应功能推广应用工作的通知》西北调控[2018]137号文(以下简称西北调控137号文)要求，规定了光伏响应滞后时间不超过2 s，响应时间不超过5 s。

本文提出了一种基于全站控制的整套改造方案，只要光伏站的逆变器能够正常工作，正常通信，动态调节响应速度小于1.5 s，该实施方案就可以满足西北调控 137号文所明确的各项技术指标。本文的设计方案涵盖了并网点系统频率高精度快速测量，系统频率越过频率-功率控制曲线的死区到触发一次调频动作，计算调节有功出力，分配逆变器出力。

2 理论分析

2.1 自动发电控制

大中型光伏电站并网运行后，有义务按照调度指令参与电力系统的调频、调峰和备用。具体来说，大中型光伏电站应配置有功功率控制系统，具备有功功率调节能力。光伏电站自动发电控制(Automatic generation control，AGC)系统能够自动按照电网调度机构下发的或本地设定的有功功率控制指令进行具体的逻辑判别并生成最优的调节策略，通过通信网络下发控制命令给逆变器进行有功功率调节，实现对光伏电站并网有功功率的闭环控制，满足调度的控制要求[11]。AGC控制结构框图如图1所示。

2.2 有功-频率下垂控制

光伏发电站利用相应的有功控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功-频率下垂特性控制(图 2)，使其在并网点具备参与电网频率快速调整能力。快速频率响应有功-频率下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，即

式中，fd为快速频率响应死区；fN为系统额定频率；PN为额定功率；δ为新能源快速频率响应调差率；P0为有功功率初值。

有功调节采用改进的PI控制算法，引入有功功率和频率偏差负反馈提高控制精度，有功-频率调节流程图如图3所示。

2.3 并网逆变器

目前大型集中式光伏电站应用的并网逆变器主要有集中式逆变器和组串式逆变器两类[12]。集中式逆变器单台容量能够达到 500 kW 及以上，现在某些场站中应用的容量为1 MW的逆变器实质上是由两台 500 kW 的逆变器组合而成；组串式逆变器的单台容量一般只有几十千瓦，1 MW的子阵大约需要30台逆变器。图4为1 MW发电单元应用集中式逆变器和组串式逆变器时的方案结构图。

从图4a可看出，集中式逆变器的方案中，光伏阵列输出的直流电要经过直流汇流箱和直流配电柜两级汇流，连接到集中式逆变器进行并网，图 4b所示组串式逆变器并网方案中，光伏阵列输出的直流电不经过汇流环节就直接输送到逆变器，转换为交流电，然后通过交流汇流箱汇流之后，再经变压器升压并网。

3 光伏电站一次调频功率控制方案

3.1 常规控制方案

目前的西北五省新能源发电控制系统，发电控制主要是基于主站侧 AGC通过通信链路从远动设备(新疆、青海、宁夏)或者有功控制系统(甘肃)调取当前场站的发电出力计划值，然后通过自身的算法处理，将总的计划值分解为各个逆变器(或者各个发电阵列)的计划值。也有AGC再通过场站相量测量装置(Phasor measurement unit，PMU)系统对新能源发电系统进行控制和调节。新能源场站的逆变器类型可以分为大功率逆变器(单台 500 kW 左右)和组串式逆变器(单台50 kW左右)。其中大功率逆变器一般几台集中存放在箱变小室，通过箱变小室的通信管理机或者箱变测控装置及光纤环网以太网通道与AGC或者PMU进行通信。而组串式逆变器一般分为多个发电阵列，每个阵列受一套数采系统控制，数据采集通过光纤环网以太网通道与 AGC或者PMU进行通信，具体的控制过程如图5所示。

3.2 改造后的控制方案

考虑到西北五省每个新能源场站建设的时期不一致，设备厂家更是参差不齐，在原有的控制思路上很难保证一次调频的技术指标。因此，本文提出了一种基于全站控制的整套改造方案。该改造方案只需要增加一套独立的屏柜，该屏柜包含 IPD-700快速频率响应装置，IPD-700M 功率分配协调装置(主机)，工业级以太网三层交换机。另外依据现场实际情况，针对部分老旧新能源场站箱变小室通信管理机(或者箱变测控装置)通信速度慢、可靠性差的情况，我们可以有选择地配置IPD-700S功率分配协调装置(子机)以增加一次调频的快速性和可靠性。详细的功率控制拓扑图如图6所示，光伏场站现场新增设备为快速频率响应装置、功率分配控制装置(主机)、工业级以太网交换机BX5024和功率分配控制装置(子机)。

3.3 新增设备功能分析

3.3.1 IPD-700快速频率响应装置

快速频率响应装置配置交流信号采集模块、开关量采集模块、通信传输模块、主CPU逻辑运算模块、人机交互模块、B码对时模块、一次调频模拟测试模块以及一次调频动作录波模块，装置软件内含三相同步拟合测频算法。

(1) 交流信号采集模块。

内部包含 12路高精度抗直流干扰的电流及电压互感器，采用16位A/D芯片、带二阶低通滤波芯片、48点采样和快速傅里叶计算。模块主要实现最多可达2路并网点CT、PT信号的接入及计算。

(2) 开关量采集模块。

内部包含14路直流220 V开关量信号的采集，模块自带硬件抗干扰措施，软件去抖动时间可设，去抖动分辨率小于1 ms。

(3) 通信传输模块。

包含2路100 M以太网(RJ45)和1路RS485串行通信口。内置多种电力自动化通信规约，如MODBUS-TCP(支持客户端，服务器模式)，60870-5-104/103规约。

(4) 主CPU逻辑运算模块。

模块内置逻辑图绘制功能，可按照西北调控137号文的要求，配置一次调频相关参数，实时计算并网点当前有功、频率，自动识别单一短路故障引起的瞬时频率突变并主动闭锁一次调频。当系统频率越过死区，依据有功-频率下垂特性示意图，实时动态计算有功调节量。

(5) 人机交互模块。

模块包含一块大屏幕中文液晶，6个独立定义的信号灯及9个操作按键。通过该模块，工程技术人员或场站运行人员可以方便地对装置设置参数，实时查看各种状态量及模拟量。

(6) B码对时模块。

模块采用RS-485方式与主站GPS授时系统进行对时操作，可保证装置的时间误差小于1 ms。

(7) 一次调频模拟测试模块。

由于一次系统的频率实际发生越限的幅度和时间难以掌控，我们可以通过修改模块内测试文件的频率数值和时间间隔，动态模拟各种频率越限情况下发生一次调频事件。

(8) 一次调频动作录波模块。

模块包含3种录波功能：模拟测试动作录波、一次调频动作录波和常态运行录波。模拟测试动作录波，记录装置进行一次调频模拟测试时各种数值及开关量状态的变化情况，录波的时间长度为测试文件的时间长度。一次调频动作录波，记录系统真实发生一次调频时，各种数值及开关量状态的变化情况，录波的时间长度为一次调频从发生到结束的整个时间窗口。常态运行录波，记录每天新能源站从发电开始到发电结束，整个发电过程中各种电气数值及开关量状态的变化情况，并标记一次调频各个发生点时间，常态录波一般可以循环连续记录40天的数据。

(9) 三相同步拟合测频算法。

通过该算法可保证快速频率响应装置在实际频率发生越限后50 ms内就可以得出频率实际值，频率精度可靠性保持在0.001 Hz。

根据实验室过百次模拟一次调频测试分析，快速频率响应装置大概在60 ms就可以完成一次调频的动作触发，并送出一次调频有功响应计划值。

3.3.2 IPD-700M功率分配协调装置(主机)

IPD-700M 功率分配协调装置(主机)依据内部可靠的Linux平台，强大的数据库和多个冗余通信口，在没有一次调频事件时，从AGC系统或者PMU系统获取当前场站的省调计划值，并将该值转发给快速频率响应装置。同时以1～3 s的刷新速率获取当前场站各个逆变器或者逆变器发电阵列的实时出力数据。当电网系统发生一次调频事件，该主机第一时间从快速频率响应装置获知一次调频事件发生，主动向AGC系统或者PMU系统发出闭锁信号，AGC系统或者PMU系统停止向逆变器或者逆变器发电阵列下发控制及调节指令，同时将新能源场站发电控制的权利转交给功率分配协调装置(主机)。功率分配协调装置(主机)从快速频率响应装置获取一次调频有功响应计划值。并依据装置内部当前数据库累积的场站逆变器或者逆变器发电阵列实时工况，结合一次调频有功分配策略，计算得出各个逆变器或者逆变器发电阵列的单独计划值。通过场站光纤环网链路主动快速下发。通过预先设置的调节周期完成第一轮一次调频有功响应计划值的分配及后续几轮的调控。功率分配协调装置(主机)有以下功能。

(1) 多路通信口，装置外置4路100 M以太网(RJ45)和16路串行通信口，内置国内主流自动化厂家设备规约集成库。应对不同的AGC厂家及PMU系统互联互通，同时预留对接远动系统或场站自动化监控系统的通信扩展能力。

(2) 装置基于Linux平台的数据库及应用开发，主动采集逆变器或逆变器阵列实时数据后，采用特殊的排序算法，可为一次调频功率分配提供优于AGC的新能源有功分配策略。

(3) 对于一些特殊的逆变器设备，或者一个场站多种逆变器型号和厂家，装置采用虚拟装置方式做到应对策略的兼容和可扩展。

(4) 可靠的通信连接查询及完善的通信自恢复能力，保障装置在各种严苛环境下能够可靠稳定地长期工作。

(5) 所有的非同源数据之间可以共享及转化，通过新增算法可灵活生成新型应用类型数据。为装置的功能提升提供数据资源，支持用户定制化功能。

(6) 装置内置日志记录，所有重要事件及相关参数永久保存。

3.3.3 工业级以太网交换机

工业级以太网交换机用于接入光纤环网，本方案采用国网公司认定的工业级以太网交换机，可满足现场严苛的自然环境及高等级的 EMC电磁兼容特性要求。

3.3.4 IPD-700S功率分配协调装置(子机)

考虑到部分新能源场站建设时间相对久远，有些设备厂家无法为原来箱变小室的通信管理机或箱变测控装置的通信能力进行升级改造。为保障这部分的新能源场站也能具备快速一次调频响应能力，可以在逆变器与光纤环网中间增设功率分配协调装置(子机)，子机布置于新能源场站发电区的箱变小室内，子机的网口通过光纤环网与主机进行通信对接，当电网系统发生一次调频事件时，可快速地接收主机的分配指令，并将主机发出的每个逆变器计划值采用单点对单点的通信方式下发给指定逆变器。子机通过本装置上其他的通信口与原有通信管理机或箱变测控装置的通信口连接，为逆变器与箱变小室其他原有设备的连接保留通信链路。

4 光伏电站快速频率响应参数设置及录波结果

4.1 参数设置

快速频率响应死区：光伏电站设置为±0.06 Hz。快速频率响应限幅：光伏电站按照不小于额定功率的10%限幅，且不得因快速频率响应导致逆变器脱网或停机。调差率：光伏电站设置为3%。电网高频扰动情况下，光伏电站有功功率降至额定功率的10%时可不再向下调节。电网低频扰动情况下，光伏电站根据实时运行工况参与电网频率快速响应，不提前预留有功备用。光伏电站快速频率响应功能应与 AGC控制相协调，光伏电站有功功率的控制目标应为 AGC指令值与快速频率响应调节量代数和。其中，当电网频率超出(50±0.1)Hz时，光伏电站快速频率响应功能应闭锁 AGC反向调节指令。

4.2 录波结果

西北某50 MW光伏站采用本方案一次调频实测录波波形如图7所示。图7中F为系统实测频率，PP为光伏场输出有功功率给定值，RP为光伏场实际输出有功功率，一次调频不为零表示一次调频功能动作。

由录波波形可知，录波波形在29～37 s期间，系统频率低于额定值，调频控制器给定值较高，实际输出功率持续增加；37.0～37.3 s期间，系统频率升高，调频控制器立即动作，按3%调差率调节给定值，实际输出功率响应时间为0.9 s；42.7 s时，系统频率下降，频率控制器给定值随之增加，实际输出功率响应时间为1.1 s。

5 结论

在光伏电站自动发电控制(AGC)系统和光伏电站有功-频率下垂控制特性的基础上，对光伏场站新增快速频率响应装置、功率分配控制装置(主机)、工业级以太网交换机 BX5024和功率分配控制装置(子机)等设备，充分发挥了逆变器快速调节性能并实现了全站所有逆变器有功快速、统一控制。由验证结果可知，本文提出的基于全站控制的整套改造方案，通过对逆变器的全站控制，能够快速地响应频率的跌落和增加，减小扰动发生后频率的变化。保证了光伏电站有功功率快速调整和一次调频响应性能。