基于实时数字仿真的新能源场站并网调频技术分析

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司山东分公司 王文响 张祥波

我国在电力系统结构转型发展过程中，利用新能源弥补传统电力能源的缺口，建立新能源场站完成能源优化调配工作。但在实际运行过程中，系统性能和动态特征会影响频率的响应程度。以往使用二阶锁相环结构，在频率斜坡状态变化下无法实现科学跟踪。

1 新能源场站锁相环结构分析

1.1 基本结构

适用于新能源场站的锁相环结构为三阶，调频控制系统结构包括鉴相器、滤波器、压控振荡器等，主要负责为新能源场站提供时钟同步和频率调整的基本功能。在整个功能模块之中，鉴相器主要用于比较输入信号和反馈信号的相位差，传输误差信号，经过滤波器的处理后实现对电压的控制。控制电压在经过振荡器后会调整输出信号的频率，与输入信号之间产生对比。若对比结果显示频率处于不匹配的情况，则控制系统会将产生的误差信号反馈到环路滤波器之中，形成整个系统的闭环控制，完成频率调节的过程，保持输入信号与输出信号的稳定性。

本厂以往使用二阶锁相环结构，但由于其在跟踪信号变化过程中无法实现对频率漂移情况的科学补偿，则对原本的二阶锁相环结构进行优化，部署三阶锁相环结构，使得系统能够满足频率调节的基本功能。因此，在频率控制系统结构上形成了闭环结构的信号追踪，利用滤波器消除高频分量，使用压控振荡器计算相位信息，直至完全同步[1]。本案例中，相位角的度数为45°，幅值控制为-10db。分别对应的结果数值计算，将原本的二阶滤波器转化为三阶，满足了控制器的基本要求。

1.2 控制模式

新能源场站采用有功控制的基本方案，采用有功功率整定、调整容量分配的基本方法，形成了对新能源场站的控制。按照控制标准，控制系统在获取相关指令的过程中会获取到具体的机组运行信息，并判断其是否需要进一步调整，在不满足条件的情况下重新获取和分配控制指令，需要频率调整的情况下，则计算有功功率的目标值并发出具体的调节指令，实现对误差的精准调节。在具体的应用过程中，除需考虑到实际的调节过程之外，也要考虑到有功调节过程中参数下垂特征，计算可能产生的有功损耗。在并网状态下测量功率值，其具体公式表达如下所示：Pord=Ppoi+Padj+Ploss，式中：P表示功率，Pord表示具体的测量值，Ppoi表示并网测量值，Padj表示功率指令，Ploss表示损耗。

2 新能源场站数字仿真模型构建

2.1 模型构建

本案例按照二阶锁相环优化三阶锁相环结构，搭建场站在频率变化过程中的仿真模型，以判断不同状态下场站在不同变化下的响应情况，验证并网调频技术应用的效果。本厂依据实际控制系统和场站的实际情况建立模型，场站具备一次调频功能且能够传输惯量，支持快速响应。场站额定功率为10MW，具体场站模型参数配置情况如下：死区0.03Hz、调频系数-20MW/Hz-1、最小功率0.3p.u.、惯量系数-3Hz·S-1、启动0.02Hz·S-1、停止0.01Hz·S-1。

2.2 仿真测试

2.2.1 常规测试

模型构建主要基于三阶锁相环结构实现，预先开始对系统结构的性能验证。按照新能源场站的实际运行要求，三相电压控制参数输入为560V，设定频率参数为50Hz。在常规测试中，主要判断其在系统内的实际工作情况，并对比未优化前的二阶结构，判断其是否存在可行性和适用性[2]。

测试结果表明，三阶锁相环结构成功完成锁相操作的时间为0.3s，较二阶锁相环结构快0.6s 左右。该测试过程中测试频率相同情况下锁相速率，三阶锁相结构具有明显的优越性。对比幅值偏差结果，稳定后的轴电压幅值在0.06V，二阶锁相环稳定后的电压幅值为0.8V，二阶锁相环的实际偏差比较高。常规仿真测试结果表明，本厂在应用三阶锁相结构完成频率调制的过程中，比较以往的频率调制结构具有效率高、稳定效果强的优势，且在出现故障时有效避免失锁现象的产生。

2.2.2 故障测试

基于数字仿真模型验证在故障情况下的并网频率控制功能，在验证过程中为贴合新能源场站的实际运行情况，分别设置正序和负序，将两者分离处理，以确保故障产生时不会对锁相环的控制动作产生不良影响。在故障发生之后，锁相环的正常工作会受到一定的影响，其主要原因是故障产生后会发出谐波，在考虑谐波影响的过程中确定具体的谐波源，将三次谐波幅值作为控制系统运行过程中的影响计算，处于极端状态下的谐波幅值为正常情况下的15倍以上。

基于仿真结果分析，在故障频率扰动的情况下会使得相位偏差有所增加，三阶锁相环在锁相控制过程中产生了较小的波动，但波动范围在允许的范围之内，锁相时长为0.5s，幅值波动比较稳定。因此，基于仿真结果分析，在故障产生的过程中故障因素对三阶锁相环结构的运行效果影响较小，仍能够满足故障状态下的频率控制要求。

2.3 频率阶跃测试

按照新能源场站设备的实际运行标准要求，单机设备运行阶段的频率数值标准在50Hz 以内。在系统产生频率跃情况的过程中判断并网调频技术的适用性。将单机极限数值输入到仿真模型之中，输出最终的仿真结果。在单机极限状态下频率产生跃阶现象，此时二阶锁相环在轴面上呈现出电压上升的情况，电压幅值突变上升至20V 以上，在1s 的时间快速下降至0.18V 左右，并保持稳定状态。频率阶跃会导致二阶锁相环轴的电压幅值上升，但在三阶锁相环结构中其变化程度并不明显，电压上升幅值0.在5V 以内，且在0.01s 内达到0V，保持稳定。因此，基于仿真模型的构建，验证在阶跃状态下的并网频率控制效果，三阶锁相环仍具有良好的功能，频率调制效果更加稳定[3]。

第四步，应用Surfer软件标定图名、图例等，通过生成的网格节点数据绘制铁路线路翻浆冒泥病害底界的等值线平面图。

2.4 频率斜升测试

新能源场站按照标准要求，在运行过程中的频率变化率应满足每秒0.03Hz 以内的基本要求。验证在变化率较大的情况下，三阶锁相环并网频率控制的应用效果，并与二阶锁相环控制模式对比。在仿真模型平台中，输入频率变化量超过标准值，判断电压幅值的实际变化情况。在高于标准值的频率变化情况下，二阶锁相环控制出现电压幅值逐渐升高的情况，且随着时间的不断推移其变化程度更加明显，导致最终参数锁相失败的情况，无法实现对斜率的抑制作用。在三阶锁相环控制下，增加频率同时电压幅值并未产生明显的变化，始终保持0V 的基本要求，对于场站内频率的斜率变化产生了较强的抑制作用，避免了频率波动对控制系统产生的影响，满足了零稳态误差的要求，应用效果更好[4]。

2.5 调频功能仿真测试

2.5.1 指令误差

为进一步验证本场站内的三阶锁相环控制模式，判断其与调频控制装置之间的适应性，分析其是否满足快速锁相的基本要求。采用调频指令误差测试技术发送一次调频指令，对于现场的一次调频指令下达情况分别设置模拟频率为49Hz、49.5Hz、49.8Hz，调频指令误差统计结果分别为1.5%，2.1%、-0.8%，标准误差值要求满足3%以内的标准要求。指令误差测试结果精度满足实际标准要求。在使用实测技术分析和对比场站的调频指令结果，按照10MW/kW 的基本折算，所得结果为618.347，误差值为2.6%。经过实测折算后计算，其仿真值误差均满足3%以内的基本要求。因此，数字仿真平台的验证结果具有可用性的特点，表明了该控制模式在调频功能控制上，精度满足实际应用的基本要求。

2.5.2 扰动性能

扰动性能测试是验证并网调频系统，在布设和应用过程中能防止低压穿越和高压穿越的性能，其性能会影响到并网调频技术应用的稳定性，减少对新能源场站运行所产生的影响[5]。仿真实验过程中，在并网点输入电压值分别为20kV、28kV，设置电压值分别为0.6Un、0.8Un，频率设置数值分别为49Hz、49.5Hz，验证低压穿越过程中的调频指令发送结果。

2.5.3 频率阶跃测试

在频率阶跃测试过程中需考虑到调频系统的实际响应速率，并在有功频率下考虑垂直特性对系统频率响应速率所产生的影响。在此过程中，需要预设频率并将有功功率折线处理，具体使用的函数如下：P=P0-PN（f-fd）/fN×1/δ%，式中：fd表示响应死区，PN表示额定功率，δ%表示响应调差率，P0表示有功功率初始参数，fN表示系统频率。

基于上述折线函数计算系统频率阶跃的扰动情况，预设一次调频死区位于49.5Hz 至49.8Hz 之间时，频率的下限数值计算结果为49.2Hz、上限频率数值为50Hz。阶跃验证结果数值调节系数均与仿真模型输入的数值相同，与额定功率之间的比例为8%。在阶跃扰动情况下，死区内的控制系统可不动作，且误差值在5%以内，能够满足一次调频的基本要求。三阶锁相环的作用是保持频率的稳定性，验证三阶锁相环的实际影响，调频系统在功率调整过程中时延稳定响应效果良好，阶跃变化时频率控制系统能够完成一次调频的功能。

2.5.4 频率惯量

频率惯量测试主要测试响应效果，分析惯量响应特征与频率变化之间的关系，确保惯量在对应频率的成功穿越。在场站有功功率情况下，惯量调频系数在一段时间内的时频率变化结果为-0.08Hz/s，不同时段内的变化量也存在一定的差别。本厂内在运行过程中并不存在机械惯量，主要依靠虚拟惯量完成调频控制的过程，提供相应的频率支持，随后开始具体的调频工作。测试过程中，基于数字仿真模型模拟实际的频率变化情况，按照惯量调频标准设置频率变化率，其验证结果表明调整总量与理论调整总量之间的差值在3%以内，符合相关的标准要求。如，预设某时段内频率变化率为-0.03Hz/s 时，采样变化率为-0.035Hz/s-1，理论惯量调功数值应为13kW，一次调功数值为400kW，实际总调功数值为415kW，误差值满足实际要求。

2.5.5 惯量死区

仿真测试设置惯量调频死区的数值为0.03Hz/s，在预设变化率的情况下应满足惯量调频不动作的基本要求。但由于系统频率数据采集过程中可能存在一定的误差，导致其出现动作情况。因此，控制装置应用期间预留响应的灵敏度裕度，以确保在惯量调频过程中，满足一定范围内的频率变化不会动作的基本要求。验证结果表明，惯量死区动作频率变化0.03Hz/s 时，对惯量调频动作情况予以分析。在系统配置和应用过程中，按照标准要求，应控制装置灵敏度，以确保其应用效果良好[6]。

综上所述，该模型在本案例中应用具有高效性和可行性，能够起到科学调频的功能。