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從2015年底至今，我國光伏和風機的裝機容量一直位居世界首位，并仍呈現(xiàn)增長趨勢。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國光伏并網(wǎng)發(fā)電裝機容量累計達到2.53億kW（占總裝機容量的12%）。到2030年，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上。未來利用太陽能發(fā)電將會成為主流能源利用形式，然而已投運光伏機組普遍采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法，使其無法參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻且缺乏傳統(tǒng)發(fā)電機的慣量阻尼特性，電力系統(tǒng)更容易受到功率波動和系統(tǒng)故障的影響。

針對該問題，部分新能源高滲透國家/地區(qū)已明確要求新能源發(fā)電機組必須具備一定的參與電網(wǎng)調(diào)頻能力。我國《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》（DL/T1870—2018）中已明確了“新能源一次調(diào)頻技術(shù)”相關(guān)要求。新能源（風電場、光伏發(fā)電站）通過保留有功備用或配置儲能設(shè)備，并利用相應(yīng)的有功控制系統(tǒng)來實現(xiàn)一次調(diào)頻功能。要求并網(wǎng)運行時一次調(diào)頻功能始終投入并確保正常運行。

配置電池或超容儲能方案具有可控性強的特點，不僅可以參與一次調(diào)頻，還可以提供快速的慣量功率支援來抑制系統(tǒng)頻率快速波動；能夠多模式和多場景運行，尤其適用于離網(wǎng)模式和夜間場景。目前，針對光伏機組配置儲能裝置的方案已有較多研究，分為光儲一體化并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和光伏、儲能獨立并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其在國內(nèi)的示范工程中均有應(yīng)用。但在應(yīng)用實踐中仍然存在一些問題，如配套測試規(guī)范的量化指標不清晰、關(guān)鍵參數(shù)的整定、儲能單元的配置以及調(diào)頻效果方面還有待優(yōu)化與提升。

有功備用方案需要為參與調(diào)頻預(yù)留一定的備用容量。該方案的初衷是解決配置儲能方案的造價和維護成本較為昂貴的問題，而且部分地區(qū)的光伏電站還存在“棄光”現(xiàn)象，但有功備用方案降低了光伏發(fā)電效益。有關(guān)文獻對配置儲能方案和有功備用方案分別進行了研究和驗證?；趫鼍凹靶枨?，這兩種方案有效結(jié)合抑或是其他方案，最終尋求更經(jīng)濟更有效的應(yīng)用方案是大規(guī)模新能源機組參與電網(wǎng)調(diào)頻亟待解決的問題之一。

針對兩種方案的比較，有學者從平抑光伏并網(wǎng)功率波動的需求出發(fā)，通過電價對比分析表明配置電池儲能與減載運行相配合是最經(jīng)濟的方案。有學者針對雙饋風電機組參與一次調(diào)頻的需求，探索了配置儲能和變功率跟蹤方案的結(jié)合，提出一種雙饋風電機組和超級電容儲能的協(xié)調(diào)控制策略，進行技術(shù)性和經(jīng)濟性兩方面的論證，結(jié)果表明協(xié)調(diào)控制方案優(yōu)于預(yù)留 10%備用容量的方案。然而，針對光伏機組參與一次調(diào)頻和慣量支撐的場景及需求，變功率跟蹤與儲能相結(jié)合的控制方案鮮有報道，有待探索儲能提升光伏機組調(diào)頻效果的協(xié)調(diào)控制策略。

為改善調(diào)頻效果，在一次調(diào)頻控制基礎(chǔ)上，增加的基于頻率變化率（Rate of Change of Frequency，RoCoF）反饋的虛擬慣量控制也被廣泛采用。但由于突加負荷擾動下鎖相環(huán)（Phase Locked Loop, PLL）或鎖頻環(huán)（Frequency Locked Loop, FLL）難以精確測量實際的頻率變化率響應(yīng)，虛擬慣量控制效果欠佳。當前，針對頻率變化率難以準確測量的原因和改進方法的研究并沒有得到足夠重視。

為了提高慣量支撐控制效果，有學者放棄鎖相環(huán)，而直接通過通信的方式獲取虛擬同步機的內(nèi)稟角頻率和頻率變化率，進而用作光儲單元虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的輸入信號。這種方式依賴高帶寬通信，不適用于分布式和分散式結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)。有學者提出一種自適應(yīng)機制，可以提高相位大范圍跳變情況下鎖相環(huán)相位角和頻率響應(yīng)的動態(tài)性能。但負荷突變伴隨的相位角變化量較小，此時的自適應(yīng)鎖相環(huán)無法改善頻率測量性能。因此，有必要研究突加負荷擾動下頻率變化率難以準確測量的原因和改進方法。

為了增強調(diào)頻能力，華北電力大學河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室、國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院的研究人員賈焦心、顏湘武、李鐵成、王俁珂、馬宏斌，在2022年《電工技術(shù)學報》增刊1上撰文，提出一種儲能輔助光伏機組實現(xiàn)虛擬慣量和一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制策略，在保證光伏發(fā)電效益的同時能夠減少一半的儲能容量。

圖1 協(xié)調(diào)控制框圖

圖2 協(xié)調(diào)控制流程

該策略在無頻率擾動時光伏運行在最大功率點處，當頻率升高時通過VPPT減少光伏出力，當頻率降低時由備用的儲能裝置提供調(diào)頻功率。為提升慣量支撐效果，針對鎖相環(huán)難以精確測量實際頻率及頻率變化率的問題，進行了分析和改進。

研究人員指出，該控制策略不僅能夠減小準穩(wěn)態(tài)頻率的正/負偏差，而且能夠抑制頻率的快速波動。同時，其通過VPPT模式和MPPT模式的切換能夠保證在光照強度突減后光伏機組不會運行到P-U曲線的左側(cè)不穩(wěn)定區(qū)域。

而構(gòu)建的頻率響應(yīng)模型能夠準確描述光儲系統(tǒng)的功頻動態(tài)特性。鎖相環(huán)難以準確測量RoCoF是由突加負荷擾動下實際節(jié)點電壓相位發(fā)生突變導(dǎo)致的。改進的RoCoF測量方法能夠使測量值更接近于實際值，避免了由鎖相環(huán)直接測量引起的慣量支撐功率回落/跌落現(xiàn)象。

他們表示，與有功備用控制相比，該控制策略在取得相同一次調(diào)頻效果的同時具有更好的慣量支撐效果，且配置儲能的年均投資僅為預(yù)留備用容量損失的一半，其研究成果對于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)升級和改造具有一定的參考意義。

本文編自2022年《電工技術(shù)學報》增刊1，論文標題為“基于改進RoCoF測量方法的儲能輔助光伏機組快速調(diào)頻策略”。本課題得到了國網(wǎng)河北省電力公司科技項目和北京市自然科學基金項目的支持。