集群光伏电站频率主动支撑自校正控制方法

刘刚，陈海东，孙睿哲，彭佩佩

(1. 国网宁夏电力有限公司调度控制中心，宁夏 银川 750001；2. 东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096；3. 中国电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210037)

0 引言

截至2021年10月，中国可再生能源发电累计装机容量突破10亿kW，占全国发电总装机容量比重达43.5%，其中光伏发电装机稳居世界第一[1]。在光伏高渗透率电网运行背景下，光伏出力的随机性与波动性给电力系统的运行控制带来了挑战[2-5]。如何抑制源侧波动对系统频率性能的影响和合理配置备用调节资源成为当前主要问题[6-11]。

目前，针对该问题，在理论上可通过提升光伏功率超短期预测精度并提前合理分配各光伏电站承担有功出力值，可以在分钟级时间尺度有效减小光伏出力波动程度[12-16]。光伏发电预测方法主要分为统计方法与物理方法两种[12]。在统计方法上，文献[13]通过对光伏电站历史数据的探索性分析，对比多种回归预测模型，针对影响功率的因素建立神经网络与非线性拟合的组合预测模型。文献[14]则针对薄云等小扰动情况下的光伏超短期出力预测误差，提出了对既有晴空序列模型的修正方法，进一步提升了光伏超短期出力预测精度。在物理方法上，文献[15]以地基云图所采集日间天空图像为基础，提出了光伏电站0～4 h的超短期功率预测方法。文献[16]则在此基础上提前预测云图变化，提高了云图数据的准确性，从而为超短期功率预测精度提升奠定了基础。然而，上述功率预测方法通常仅能为15 min左右级周期的超短期调度提供参考功率基点预测值，对于秒级短时间尺度的未来无规则光照小扰动缺乏可靠的预知能力，难以实现出力在秒级短时间上的平稳性，进而导致光伏渗透率提高时系统频率更易发生波动。

现阶段对于该问题的处理主要是通过储能装置补偿光伏出力波动以平滑光伏有功输出曲线，使光伏实际输出有功尽量在短时秒级小扰动下保持对超短期调度值的准确跟随[17-18]。然而该方法本质上仍基于储能低通滤波被动滤除光伏高频波动分量，必然存在时间上的滞后性，且考虑到储能配置的经济性问题，难以大规模推广。同时，考虑到现已普遍要求新能源场站按额定功率10%减载提供调频备用[19-20]，可基于此实时整合减载光伏电站有功备用资源，对受扰动光伏电站的出力波动进行补偿，进而改善系统的频率响应性。

因此，本文基于自校正控制提出一种多光伏电站频率主动支撑控制策略。首先，建立多个光伏电站集中并网系统模型及其参与频率主动支撑控制的等效传递函数，其次，综合前馈控制对扰动的预先主动补偿作用与自校正控制对不确定扰动导致控制性能变化的抵御能力，设计基于前馈补偿的有功自校正控制器，该控制器通过自适应无规则光照扰动动态校正光伏有功给定值，最终实现总实际出力仍能在无规则光照扰动下对超短期调度值的秒级精确跟随。

1 多光伏电站集中并网系统等效模型

本文针对与公共母线相连的n座光伏电站研究其参与频率主动支撑控制策略，光伏电站集中并网实际系统示意如图1所示。

图1 光伏电站集中并网模型Fig. 1 Centralized grid-integration model of photovoltaic power plants

图1中，光伏电站 PV1,···,PVn经过并网逆变器后，依次经过线路电感L1,···,Ln、电阻R1,···,Rn及变压器T1,···,Tn接入并网公共母线，向电网注入功率P。光照强度G1,···,Gn的波动将使得系统源侧出力波动，进而影响频率f。根据GB/T 40595—2021要求，光伏电站普遍减载预留备用参与电网频率支撑，图1中PV1、PV2未受扰动，出力平稳，故可以利用PV1、PV2的功率备用补偿因光照变化造成的PV3,···,PVn的出力波动。

在传统方法中，当源侧的光照波动造成出力波动后，对相应的功率变化引起的频率f变化问题，系统往往通过检测到频率变化后采用下垂控制调节有备用电站出力，模拟一次调频以平抑出力波动带来的频率变化，该方法需要在检测到频率变化后才进行出力调整，具有一定的滞后性。

对此，本文基于前馈控制的思想提前补偿光照引起的光伏出力波动，消除传统下垂控制滞后性对电网频率性能带来的影响。并通过实施自校正控制最大限度地抑制随机干扰（光照强度）对系统的影响，即自适应校正控制量使得系统实际输出能最大程度地跟随期望输出[21]。

综上，本文基于自校正控制提出一种光伏电站频率主动支撑控制策略，该控制策略根据时刻k的扰动情况，校正各光伏电站出力参考值u(k)，实现k+d时刻的频率变化量Δf(k+d)最小。该控制策略下多光伏电站集中并网小信号等效频率响应模型示意如图2所示。

图2 多光伏集中并网系统小信号等效传递函数控制Fig. 2 Control block diagram of small-signal equivalent transfer function model of multi-photovoltaic centralized grid-integration system

图2中：ai为第i座光伏电站的减载率；Pmaxi为第i座光伏电站的最大功率。频率主动支撑自校正控制器通过测量各电站处的光照强度扰动序列 ΔG1,···,ΔGn，根据当前各机组备用出力a1Pmax1,···,anPmaxn，自校正控制器求出此时需校正的有功给定值 ΔPref1,···,ΔPrefn，经过具体补偿电站执行后用于主动补偿由 ΔG1,···,ΔGn引起的出力波动 ΔPPV1,···,ΔPPVn，即自校正控制器以前馈补偿的方式主动使所有光伏电站并网公共节点处的母线功率变化量ΔP=0，在Δf明显变化前即消除或尽量抑制扰动ΔP，起到防患于未然的作用。

光伏源侧输出功率不平衡量ΔPPVi为

式中：TPVi为实施功率补偿的光伏电站响应时间常数；Ni(s)为光照变化量ΔGi与功率变化量ΔPPVi间的扰动传递函数。

光伏电站自身在检测到电网频率变化后提供的一次调频支撑功率ΔPP为

式中：Δf为频率偏差量；ki为第i座光伏电站的一次调频下垂系数；K为光伏电站渗透率；Te为光伏电站一次调频功率执行时间常数。

并网同步机组提供的一次调频响应功率ΔPs为

式中：T为同步机时间常数；R为调速器系数；a为汽轮机增益系数。

系统总功率不平衡量ΔP和频率偏差量Δf满足以下关系

式中：H为电网等效惯性时间常数；D为等效阻尼。

2 光伏电站自校正控制器设计

本节基于第1节通过自校正控制提出的光伏电站频率主动支撑控制策略，对图2中的自校正控制器进行具体设计，以提高光伏电站出力在随机光照波动下对超短期调度值的跟随精度，主动减小光伏出力波动，改善系统频率性能。

频率主动支撑自校正控制在得到被控对象小信号等效传递函数模型对应离散化传递函数后将其转化为式(12)所示标准形式，然后结合式（14）（15），即可在k时刻计算出使k+d时刻频率跟随误差最小的最优控制量u(k)，即提前校正k时刻的光伏电站有功参考序列并下发，进而使性能指标J即频率变化量最小，从而提前主动有效减少源侧功率波动，提升了系统频率性能。

3 算例分析

3.1 仿真拓扑介绍

本文采用IEEE 3机9节点系统作为基本仿真拓扑，在Matlab/Simulink中搭建了图3所示的系统用于仿真分析，验证所提频率主动支撑控制策略的有效性。其中G1与G2为常规同步发电机组，装机容量均设为10 MW， G3为并网光伏电站集群，包括PV1与PV2共2座光伏电站，对应图1中光伏电站集群n=2，L1、L2与L3为有功负荷。

图3 仿真拓扑Fig. 3 Simulation topology

在仿真场景设置上，根据图2所示光伏电站频率主动支撑控制系统模型，首先对G3中PV1施加源侧随机光照扰动，其次引入自校正控制器对PV2有功给定值进行自适应调整，以主动补偿平滑PV1的出力波动，使G3总出力维持稳定，以光伏集中并网节点3的频率变化情况为仿真结果展开讨论。基于图3仿真拓扑，本文主要研究光照小范围变化下有无自校正控制对光照随机扰动下系统频率的影响。对比研究上述自校正控制主动改变PV2有功出力与使用传统下垂控制被动改变PV2出力的2种情况下频率恢复曲线，以光照小范围随机波动为例证明自校正控制相较下垂控制提升频率性能的有效性。

3.2 仿真分析

根据自校正控制系统模型与系统小信号等效模型，针对被控对象，即光伏电站PV1与PV2的逆变器执行时间常数统一设置TPV为0.5 s。同时，设PV1与PV2内部各光伏阵列处的零时刻初始辐射强度为1 000 W/m2，温度为298 K，零时刻有功出力均为5 MW，即光伏初始渗透率为33%，并设光伏有功出力可向上调节至10 MW，向下调节至1 MW。对于扰动模拟，设置PV1内部各光伏阵列从零时刻起受到图4所示的小范围随机辐射强度扰动，即G每隔0.2 s变化一次，扰动传递函数N(s)参考文献[22]，用常数0.03近似。

图4 模拟光照辐射强度变化Fig. 4 Variation of simulated light radiation intensity

按照自校正控制器的设计流程，基于图4扰动情况动态计算扰动下PV2需要自适应调整的出力给定值并控制PV2参与频率主动支撑。本文取4～6 s内的辐射强度G对应的系统出力与频率为例，分别仿真对比了施加主动自校正控制与仅对减载光伏电站采用下垂控制的功率变化曲线与频率变化曲线，结果如图5 a)～b)所示。

图5 仿真算例结果Fig. 5 Simulation results

在图5的基础上，为定量分析主动自校正控制相较传统被动下垂控制对频率动态性能的具体改善作用，本文选取频率最低点与平均频率变化率为主要频率性能特征量化指标[23]，定量计算了4～6 s内主动自校正控制与被动下垂控制作用下的二者大小，如表1所示。

表1 控制指标量化对比（渗透率33%）Table 1 Quantitative comparison of control indexes(penetration rate: 33%)

由图5可知，在PV1受到随机光照扰动而发生出力波动的情况下，采用自校正控制在每个采样周期0.2 s时刻提前快速校正PV2出力给定值，相比于下垂控制被动等待频率出现偏差再滞后调整PV2出力的方式，可以更有效抑制PV1出力变化造成的频率波动。根据表1的控制指标量化对比结果，自校正控制相较下垂控制在该扰动下可将频率最低点提高约0.04 Hz，同时使得平均频率变化率减少约26.06%，证明了自校正控制自适应提前校正光伏电站出力给定值可有效抑制频率跌落深度并减小频率平均变化率。

4 结论

本文针对目前新能源下垂控制需要检测到系统频率变化才被动进行出力调节的滞后性问题，提出了一种光伏电站有功自校正主动控制策略。该策略通过在频率明显变化前主动校正各光伏电站有功给定值，利用有备用光伏电站提前补偿受扰光伏电站的出力波动，可有效提升光伏接入下新能源电力系统的频率响应性能。

仿真结果表明：自校正控制相较传统下垂控制在设定扰动下可将频率最低点提高约0.04 Hz，同时使得平均频率变化率减少约26.06%，证明了采用自校正控制在频率明显变化前提前校正光伏电站出力给定值可有效抑制频率跌落深度并减小频率平均变化率。