光伏发电参与电力系统调频的研究综述

汪 洋

(黄河上游水电开发有限责任公司，西宁 810000)

0 引言

伴随化石能源的过度开采及生态环境的破坏，可再生能源的开发利用越来越受到关注与重视[1]。作为可再生能源的重要发展方向，光伏发电的优势明显且资源潜力巨大[2]，因此，近年来光伏发电并网容量快速增长，年平均增速高达50%。2019年国际能源署(IEA)在其发布的未来5年展望中提到，预计在2019～2024年间，可再生能源装机容量将增长50%，尤其以光伏发电装机容量的增长最为显著，将占预期涨幅的60%，而陆上风电装机容量以25%的比例紧随其后[2]。

作为太阳能资源丰富的国家，中国光伏产业发展迅速，光伏发电并网规模也日益扩大。据国家能源局统计，截至2019年底，我国光伏发电累计装机容量为20430万kW，同比增长17.3%，累计装机容量居全球首位。

但随着光伏发电并网容量占比的升高，其对电力系统安全稳定运行的威胁愈加显现。光伏发电输出功率在短期内频繁波动的特性，会冲击电力系统使其失去有功平衡，从而影响电力系统调频特性，导致电力系统频率越限的风险增加。与此同时，光伏发电系统作为静止元件，缺乏转动惯量，伴随大规模光伏电力的接入，常规发电机组在电力系统中的占比降低，电力系统惯性减小，一定程度上削弱了电力系统的调频能力及应对功率短缺与频率波动的能力，从而导致电力系统安全运行的风险进一步增大[3]。为提升包含大规模光伏发电的电力系统的频率稳定水平，国内外学者对于光伏发电参与电力系统调频的方法及策略进行了大量的研究。

本文首先阐述了光伏发电大规模并网后电力系统的动态变化趋势，接着从光伏电站单一调频、综合自动发电控制(AGC)调频2方面进行了调研总结，最后对利用光储联合调频和光伏虚拟同步发电机提高光伏发电调频能力进行了综述分析。

1 大规模光伏发电并网对电力系统频率的影响

光伏发电输出功率随机波动的固有属性，使其很大程度上会在光伏发电并网后对电力系统频率产生影响。若光伏发电并网规模较小、光伏发电输出功率波动较小，电力系统依靠自身裕度，可以动态调整，从而达到平衡；而随着光伏发电并网规模的增大，光伏发电输出功率比重的上升，电力系统自身不足以吸收这些波动，其有功平衡遭到挑战，从而威胁到其频率的稳定[4]。

以单一发电机模型为例：

式中，Δf为电力系统频率偏差；ΔPD为负荷的改变量；ΔPpv为光伏发电输出功率的改变量；ΔPG为发电机输出功率的改变量；kD为电力系统负荷频率调节效应系数。

则：

由式(2)可以得出，在kD一定的前提下，随着光伏发电占比的增大，短期内波动将会加大频率的变化程度，同时对常规发电机组的调频范围跟响应速度也提出了更高的要求。电力系统频率的动态过程如图1所示。图中，fn为额定频率；fd为一次调频起始频率；fmin为频率最低点；fs为一次调频稳定值。

图1 电力系统频率的动态过程Fig. 1 Dynamic process of power system frequency

从图1中可以看出，当光伏发电输出功率对电力系统频率造成的扰动较小时，只依赖常规发电机组的一次调频，即可使电力系统快速达到稳定；但是光伏发电输出功率的比重上升后，光伏发电输出功率变化值增大且变化周期拉长，需要常规调频机组进行二次调频。若二次调频无法满足功率缺额，频率进一步偏离规定范围，将会严重影响电力系统的安全，甚至发生电力系统事故。

文献[5-8]从频率偏差和频率特性角度研究了光伏发电输出功率波动对电网频率的影响。文献[5]建立了云团移动情况下的太阳辐照度预测模型，分析了在多云情况下光伏发电输出功率波动对电力系统频率调节能力的影响，并确定了区域电力系统的调频能力与常规发电机组装机容量及爬坡率的相关性。文献[6]通过构建光伏发电系统机电暂态模型模拟了光伏发电并网时电力系统受扰的过程，验证了随着渗透率增加，光伏发电对电网频率的扰动越加明显这一结论。文献[7]采用大扰动激励法，研究了低电压穿越(LVRT)过程中光伏发电的功率特性，并通过仿真评估了LVRT对西藏电网频率稳定的影响。文献[8]建立了光伏发电高渗透率的电力系统频率模型和传递函数，然后基于稳态频率误差，对电力系统的频率特性展开了详细分析，并推断出将来电力系统频率特性的变动趋向。

2 光伏发电调频技术研究

2.1 光伏电站单一调频

由前文分析可知，大型光伏电站并网后，电力系统频率会受到影响，此时电力系统需要具备不断调节有功功率输出的能力，从而确保频率偏差在安全范围之内[9]。所以对于电力系统而言，以具有备用容量和能够响应电力系统频率的变化速度[10]作为调频机组的选择条件。

光伏电站的运行模式为最大功率追踪(MPPT)时，无备用容量来参与电力系统调频，所以文献[9,11-12]提出了一种控制技术，提升光伏电站的运行电压使其超出最大功率点电压VMPPT，保持光伏电站运行在减载状态，预留备用功率来应对频率偏差，从而具备频率调节的能力。光伏电站减载运行示意图如图2所示。在这种工况下，光伏电站正常运行在C点来预留备用功率，直到电力系统频率下降，光伏电站运行电压随之降低至B点，增大输出功率，达到参与电力系统调频的目的。

图2 光伏电站减载运行的示意图Fig. 2 Schematic diagram of PV power station with deloading strategies

在上述情况下，所有光伏发电单元(默认所有的光伏发电单元功率电压特性曲线相同)将被强制减少相同的功率，但是每个单元的备用容量都不相同，导致一些备用容量较小的光伏发电单元将更快地到达最大功率点，从而无法参与调频。为了解决这种调频方法的不均匀分布，文献[13]在上述模型的基础上，提出增加基准电压参数来调节各光伏发电单元参与调频的备用功率。文献[14]针对单一策略的局限性，研究了在正常和紧急状态下光伏电站分别采用MPPT与减载运行模式的情况，结果表明，光伏电站具备跟随负荷变化调节频率的能力。文献[15]研究了在估计实时最大可用功率的基础上，调节光伏发电输出功率，并反向调节光伏电站的减载率，使光伏发电可有效参与电力系统的调频。文献[16]基于电力系统频率偏差和光伏功率-频率函数实时调整光伏电站的减载功率，提升了光伏电站参与调频的效率。此外，除了考虑单一控制光伏电站输出功率，文献[17]还设计了2种控制方案：一种方案是将并网点频率偏差作为控制量，直接调节部分光伏发电单元功率参与调频；另一种方案是通过站级控制系统参与调频。研究表明，在响应速度方面，光伏发电单元调频优于站级调频；但站级调频控制较为灵活，适用于规模较大的光伏电站。

综上所述，光伏电站处于减载运行状态时，将具有一定的频率调节能力。但与常规发电/调频机组不同，光伏发电输出功率可控性较差，难以确定减载差值；同时，减载差值的分配策略需要综合考虑各光伏组件及逆变器的特性差异，如何在确保控制精度的前提下保证频率响应速度还有待研究。

2.2 综合AGC调频研究

光伏电站现有的AGC系统能够按照调度指令调节有功功率，但调节时间为分钟级，不满足一次调频响应时间的要求。为此，文献[18]在考虑节约升级改造成本的前提下，基于现有的AGC固有设备和网络通信架构，研究了一种改进算法，提升了功率分配的精度及光伏电站执行响应的速度。文献[19]在AGC基础上通过光伏下垂控制特性，实现了光伏电站参与一次调频，提出了调频和AGC配合策略，并对光伏发电有功功率分配策略进行了改进，提升了光伏电站调频的响应速度和贡献能力。文献[20]提出了自适应电网侧AGC两种控制模式的光伏发电参与电力系统调频的控制策略，并通过仿真验证了该控制策略的经济适用价值极高。

3 光储联合调频的研究

3.1 光储联合调频

光伏发电参与电力系统调频往往是以放弃最大功率跟踪为代价，不只增加了光伏发电的成本，伴随输出功率的随机波动，其调频效果同样无法保证，因此，光伏发电独自参与调频的技术在目前尚缺乏实际推广应用的价值[21]。储能系统不仅具备灵活的充、放电优势，能有效平滑光伏发电输出功率，且其性能稳定、响应速度快、控制精度高，能与光伏电站协调运行，可以弥补光伏电站单一调频的不足，从而提高光伏电站的频率调节贡献[22]。光伏-储能系统的示意图如图3所示。

图3 光伏-储能系统示意图Fig. 3 Schematic diagram of PV-energy storage system

文献[23]构建了一种光伏-储能系统模型(如图3所示)，提出了利用逆变器空闲容量参与电力系统调频/调峰的控制策略；根据储能电池的状态不同，将储能电池划分为4类区域，并基于电池的荷电状态(SOC)约束，避免储能电池出力过大，最终得到储能电池参与调频/调峰的优化方案。通过算例仿真表明，加装储能的光伏电站的收益大于光伏电站采用减载调频时的收益。文献[24]构建了一种含不同储能类型的光伏-储能系统，结合不同类型储能的储能特性，优化控制策略，弥补光伏电站的输出功率波动，提升了光伏电站跟随目标输出功率曲线运行的能力。仿真表明，协调控制混合储能不仅可以提升光伏发电输出功率的精度，还能够延长储能系统的使用寿命。文献[25]通过储能平抑光伏发电的爬坡功率，同时结合电力系统调频需求及储能调频成本，对储能容量进行了优化配置，且方案已于实际电力系统中进行了示范验证。

为提升光伏-储能系统的综合经济效益，降低成本，国内外学者在储能优化配置方面进行了一些研究。文献[26]从电力辅助服务市场的角度，以光伏-储能系统在能量和调频市场的联合收益最大为目标函数，综合考虑光伏发电输出功率和实时市场价格，通过算例验证了其所提到的基于鲁棒模型预测控制的运行策略有效可行。文献[27]基于储能配置敏感因素分析，提出了一种储能优化配置方案，实现了通过光伏-储能系统调频提升光伏电站运营收益的目的。文献[28]研究根据光伏电站不同时段的运行模式，提出了光伏-储能系统的评价指标，并以指标最优和储能成本最低为目标函数，合理配置了储能容量。

自2014年起，全国建设了多个光储示范工程。其中，河北省电力科学研究院园区为国内首个光储热一体化微电网示范工程，该工程包括190 kW光伏发电系统和250 kWh磷酸铁锂电池储能系统，可有效提高供电的可靠性和安全性。2019年，内蒙古能源集团建设了智能光储充一体化示范工程，其中包含400 kW移动储能的光储充系统，还包括10 MW储能系统用于电力系统调频。2020年，国内首座具备一次调频功能的大型光储电站在山东省并网发电，该电站一期为包含120 MW光伏发电系统及6 MW储能系统的光储融合项目，将有效推动光储联合调频技术的发展完善。

3.2 光伏虚拟同步发电机调频

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术是指基于同步发电机的机电方程控制电力电子变流器，使装置具备同步机组的并网运行外特性[29]。近年来，VSG以有助于新能源并网、降低电网运行风险等特性成为研究热点。

光伏虚拟同步发电机(PV-VSG)的示意图如图4所示，通过控制并网光伏逆变器，自主响应电力系统调频，从而提高光伏发电调频的响应能力。

图4 光伏虚拟同步发电机的示意图Fig. 4 Schematic diagram of PV-VSG

文献[30]设计了一种光伏逆变器架构及PVVSG控制策略，经仿真验证，该策略在兼顾MPPT控制的同时，具备了光伏发电自主参与电力系统调频/调压、惯量、阻尼等特性。文献[31]提出了一种采用VSG技术调节储能逆变器功率的控制策略，使光伏-储能系统具备PV-VSG特性，用以满足电力系统的调频需求；经过仿真验证，该系统既能保证稳定的输出功率，还可以有效参与电力系统调频。文献[32]提出了在逆变器功率控制环中引入惯量和阻尼的控制思路，然后基于VSG技术设计了调频调压方案，并通过仿真验证了该策略正确有效。文献[33]提出了一种基于有功备用的PV-VSG控制策略，实现了双极式光伏发电并网系统在不配备储能的情况下自主参与电力系统调频。文献[34]基于VSG的惯量支撑、一次调频功能，对储能容量进行了优化配置，并调节参数对VSG储能单元进行了敏感性分析。

此外，VSG技术还可以提升电力系统惯性。文献[35]将储能SOC特性设为边界条件，优化控制PV-VSG，通过天牛群优化算法，获取了系统惯量和阻尼值的最优解；仿真结果表明，该策略可以大幅提升电力系统惯性的响应能力，防止功率越限和频率振荡。文献[36]结合锁相环动态，研究了光伏发电虚拟惯量控制策略，通过合理改变参数调节系统虚拟惯量，优化双级式并网光伏发电系统的调频能力。

目前针对PV-VSG的研究大多停留在优化控制策略方面，改善PV-VSG性能方面的研究鲜少涉及。文献[37]通过建立PV-VSG的小信号并网模型，研究了PV-VSG易造成电力系统发生有功功率振荡的问题，通过仿真验证模型可有效提升PV-VSG的稳定性。文献[38]提出了一种基于最优阻尼比的惯性参数和阻尼系数自适应的控制策略，改善了PV-VSG的动态性能，增强了鲁棒性，更加适应光伏发电的特性。

国家电网有限公司2016年张北风光储示范工程是首个应用于大电网的VSG示范工程，已初步完成了24台12 MW光伏逆变器的VSG技术改造工作，并探索了多种调频策略的可行性和经济性。

4 光伏电站单一调频与光储联合调频的对比

前文对光伏电站单一调频与光储联合调频2种光伏发电调频方式的优劣性进行了调研分析，具体对比结果如表1所示。

表1 不同光伏发电调频方式的优缺点对比表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different frequency modulation methods for PV power generation

5 结论

本文首先阐述了光伏发电大规模并网后电力系统的动态变化过程，说明光伏发电的波动性及光伏元件的静止特性不利于电力系统频率的稳定；然后调研分析了光伏电站单一调频与光储联合调频的优劣性。光伏电站虽然能够采用减载运行模式或与AGC相结合的方式参与电力系统调频，但往往需要弃光；储能技术及光伏虚拟同步发电机技术是提高光伏发电调频的有效方法，且随着储能成本的降低及光伏虚拟同步机技术的日益成熟，对于光伏发电参与电力系统调频的研究将具有更高的实际应用价值。