技术领域
[0001] 本
发明属于光伏电站逆变器并网技术领域，具体涉及基于多主站协调控制的光伏电站一次 调频控制方法及系统。
背景技术
[0002]
太阳能作为一种可持续发展的新
能源，以其无污染性和可再生性，越来越受到世界各国的 广泛重视。近年来，我国的
光伏发电产业得到了迅速的发展，光伏电站装机容量不断提高，随 着越来越多的大容量光伏电站直接并入
电网，使得
光伏发电系统与电网的相互影响越来越复 杂。
[0003] 在太阳能发电技术中，目前得到广泛应用的是光伏
电池发电系统。并网光伏发电系统，是 通过光伏组件将接受来的太阳能
辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆 变后向电网输出与电网
电压、
电流同相、同频的正弦交流电流。
[0004] 现今，光伏电站的
频率控制已被越来越多的电
力公司关注并提出了相关的技术要求，光伏 电站自身具备调频能力，参与电网的频率调整，是电网友好型光伏电站的重要特征之一。
[0005] 目前，光伏电站尚未有参与电网一次调频的实例应用，由于新能源机组不具备常规机组的
转动惯量特性，造成电网转动惯量和等效规模不断减小，电网频率控制的结构性困境日趋明显。 随着特
高压直流输电工程的大量投产，系统功率平衡及调频难度不断加大，直流大功率闭
锁(相 继闭锁)对电网频率安全造成严重威胁，迫切需要新能源机组参与电网快速频率响应，提升大 电网频率安全
水平。
发明内容
[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了基于多主站协调控制的光伏电站一次调频控制方法，来 实现光伏电站参与电网快速调频响应功能。
[0007] 为达到上述目的，本发明所述基于多主站协调控制的光伏电站一次调频控制方法包括以下 步骤：
[0008] 步骤1、通过建立与AGC控制系统协调并行的PFC控制系统实现多主站控制；PFC控制 系统通过主
控制器交流
采样模
块采集光伏电站并网点主变高压侧三相交流电压与三相交流电 流，实时监测光伏电站并网点有功功率及电网频率f；
[0009] 步骤2、通过减载保证有功功率备用容量的控制；
[0010] 步骤3、PFC控制系统投入一次调频功能，并向AGC控制系统发送一次调频投入标志位， AGC收到一次调频投入标志位，确定PFC控制系统正常；当电网频率f超过设定的一次调频 人工死区DB后，PFC控制系统向AGC控制系统发送一次调频动作标志位，AGC控制系统收 到动作标志位后自动闭锁；由PFC控制系统替代AGC控制系统，计算一次调频过程中的光 伏电站有功功率目标值Pset，将计算得到的光伏电站有功功率目标值Pset平均分配给所控制的 每一台逆变器，各逆变器根据指令控制对应的光伏子阵输出有功功率至目标值，通过PID算 法控制调节速率与响应时间，实现光伏电站整体的一次调频功能；
[0011] 步骤4、当一次调频动作结束后，由PFC控制系统向AGC控制系统发送一次调频动作退 出标志位，AGC控制系统解除闭锁，AGC控制系统将当前调度中心给定的光伏电站有功功率 目标值PAGC下发给PFC控制系统，由PFC控制系统将一次调频退出后的光伏电站有功功率目 标值PAGC平均分配给所控制的每一台逆变器，各逆变器根据指令控制调节对应光伏子阵输出有 功功率至目标值，PFC控制系统功能退出，由AGC控制系统控制所有逆变器，恢复光伏电站 正常发电工作状态。
[0012] 进一步的，步骤2中，通过AGC系统对光伏电站进行减载运行控制，减载水平用 表示， 设光伏电站当前最大可发有功功率为PMax，PN为光伏电站的额定总功率，光伏电站具备的减 载水平时的并网点有功功率为Pref，
[0013] 进一步的， 取值大于0且小于20％。
[0014] 进一步的，步骤3中，一次调频有功功率目标值Pset＝Pref+ΔP，在电网频率f与额定频 率的差值fb超出一次调频人工死区DB时，根据有功-频率下垂特性曲线调节逆变器的有功功 率，设置PID
算法实现快速稳定频率的功能。
[0015] 进一步的，步骤3中，控制策略是，电网频率变化超过一次调频人工死区DB，且光伏电 站有功功率大于10％PN时，光伏电站按照有功-频率下垂特性曲线自动增加或降低有功功率， 参与系统一次调频；当光伏电站有功功率小于10％PN时，不激活下垂控制，根据有功-频率下 垂特性曲线调节逆变器的有功功率的具体方法如下：
[0016] 当频率f在控制死区fd-～fd+内时，光伏电站不参与一次调频，正常运行，并预留当前光 照强度下额定功率 的备用容量；
[0017] 当频率f下降到fd-以下时，光伏电站增加有功功率变化量ΔP，调频下垂系数为ep，增 加的有功功率变化量ΔP的计算公式如下为： 其中，ΔP≤10％PN；
[0018] 当频率f率上升到fd+以上时，光伏电站减小有功功率变化量ΔP，调频下垂系数为ep， 当系统频率继续上升到51.5Hz以上时，停止向电网供电，减小的有功功率变化量ΔP的计算公 式为： 其中ep的取值范围为1％～10％。
[0019] 进一步的，步骤1中，频率测量
精度不低于0.001Hz，测频周期小于等于20ms。
[0020] 一种基于多主站协调控制的光伏电站一次调频控制系统，包括光伏电站AGC控制系统和 光伏电站PFC控制系统，光伏电站AGC控制系统和光伏电站PFC控制系统通过以太网TCP/IP
接口建立通信连接，光伏电站AGC控制系统和光伏电站PFC控制系统均与逆变器群通信连接；
[0021] 其中，光伏电站AGC控制系统用于
跟踪电力调度下发的指令，按照设定的调节速率实时 调整光伏电站的有功功率，以满足电力系统频率和联络线功率控制的要求；同时兼具与光伏电 站PFC控制系统协调控制光伏电站用功功率备用容量的功能；
[0022] 光伏电站PFC控制系统用于在一次调频过程中，通过有功-频率下垂特性曲线来实现光伏 逆变器的有功功率输出；设置PID算法，快速实现电网频率稳定，保证电网的安全可靠运行；
[0023] 逆变器群用于接收光伏电站AGC控制系统与PFC控制系统的控制指令，根据接收到的控 制指令控制光伏子阵群有功功率输出，并将光伏子阵产生的
电能通过逆变输送到电网。
[0024] 进一步的，光伏电站PFC控制系统包括
主控制器和若干通讯控制器组成的通讯控制器群， 光伏电站PFC控制系统通过以太网交换机、光电转换器和通信
电缆组成的通信线路与AGC控 制系统侧的光电转换器建立连接，实现网络通信；
[0025] 其中，主控制器用于采集并网点三相交流电压电流及电网频率，根据控制策略计算一次调 频有功功率目标值Pset，并通过交换机与
人机界面及通讯控制器群进行网络通信；通信控制器 群用于接收主控制器的调节指令，并将调节指令下发给逆变器群。
[0026] 与
现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，首先通过实时采集光伏电站的并 网点有功功率，由于AGC减载控制为光伏电站预留功率备用容量，光伏电站并网点有功功率 即为光伏电站具备 的减载水平时的有功功率Pref，即 当电网频率出现超 过人工死区扰动时，PFC控制系统记录扰动时刻光伏电站并网点有功功率，计算出频率
波动后 的有功功率变化量ΔP,则需要下发给逆变器群的有功功率给定目标值Pset＝Pref+ΔP，以此来 改变光伏电站的有功功率从而达到一次调频的效果。这种一次调频的优点在于，一次调频有功 功率目标值是同时发出，满足光伏电站全站同时响应，达到快速频率响应的效果，同时具备频 率上扰与频率下扰双重响应的能力。
[0027] 进一步的，ΔP由电网波动后的频差fb和调频下垂系数ep确定，加入PID算法，得到有功 功率给定目标值Pset。设置PID算法，来控制有功功率给定目标值Pset的给定速率，可以实现 光伏电站按照设定的速率进行一次调频。
附图说明
[0028] 图1是光伏电站一次调频拓扑结构
框图；
[0029] 图2是光伏电站多主站一次调频功能结构框图；
[0030] 图3是光伏电站一次调频下垂特性曲线；
[0031] 图4是光伏电站一次调频协调控制框图；
[0032] 图5a是频率上扰时光伏电站一次调频过程图；
[0033] 图5b是频率下扰时光伏电站一次调频过程图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0035] 在本发明的描述中，需要理解的是，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是 两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体 地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。
[0036] 参照图1，光伏电站一次调频系统包括光伏电站AGC控制系统和光伏电站PFC控制系统， 光伏电站AGC控制系统和光伏电站PFC控制系统通过以太网TCP/IP接口建立网络通信连接， 光伏电站AGC控制系统和光伏电站PFC控制系统均与逆变器群通过以太网交换机建立网络通 信连接，逆变器群接收AGC控制系统与PFC控制系统的协调指令，控制光伏子阵群输出有功 功率，该有功功率再传输给逆变器群通过逆变过程送入电网，完成光伏电站发电控制过程。
[0037] 其中，光伏电站AGC控制系统用于光伏电站正常运行过程中，跟踪电力调度下发的指令， 实时调整光伏电站有功功率，以满足电力系统频率和联络线功率控制的要求；同时兼具与光伏 电站PFC控制系统协调控制光伏电站有功功率备用容量的功能。
[0038] 光伏电站PFC控制系统用于一次调频过程中，通过有功-频率下垂特性曲线来实现光伏逆 变器的有功功率输出，设置PID算法，按照设定的调节速率调整光伏电站有功功率，实现快 速频率响应，稳定电网频率，保证电网的安全可靠运行。
[0039] 逆变器群用于接收光伏电站AGC控制系统与PFC控制系统的控制指令，控制光伏子阵群 有功功率输出，并将光伏子阵产生的电能通过逆变输送到电网。
[0040] 光伏子阵群用于在有光照的情况下，将光能转换成电能，完成能量转换，并根据逆变器群 的控制调整有功功率输出。
[0041] 参照图2，光伏电站一次调频功能是通过光伏电站AGC控制系统与光伏电站PFC控制系 统协调控制实现的。光伏电站一次调频系统包括光伏电站AGC控制系统与光伏电站PFC控制 系统，其中AGC控制系统在电网频率正常的情况下，接收电站调度
服务器下发的有功功率调 节指令，通过以太网交换机、光电转换器、通信光缆建立的通信线路，将该指令下发到逆变器 群，逆变器群接收到该指令控制光伏子阵群的有功功率输出，从而实现光伏电站有功功率控制。 当电网频率出现扰动，并超过人工频率死区时，PFC控制系统向AGC控制系统发送一次调 频投入与一次调频动作标志位，AGC控制系统收到动作标志位后自动闭锁，PFC控制系统通 过以太网交换机将内部的主控制器、通讯服务器与逆变器群建立网络通讯，并将一次调频有功 功率目标值指令下发给逆变器群，逆变器群接收到该指令控制光伏子阵群的有功功率输出，从 而实现光伏电站一次调频功能。
[0042] 光伏电站PFC控制系统包括主控制器、若干通讯控制器组成的通讯控制器群组成，通过 以太网交换机、光电转换器、通信电缆组成的通信线路与AGC控制系统侧的光电转换器建立 连接，实现网络通信。
[0043] 其中，主控制器(X20 1584)用于采集并网点三相交流电压电流及电网频率，还包括后续 控制策略计算工作，并通过交换机与人机界面及通讯控制器群进行网络通信。
[0044] 通信控制器群(X20 1381)用于接收主控制器的调节指令，并将指令下发给建立通信连接 的逆变器群，起到网络通讯扩展连接的功能。
[0045] 以太网交换机用于以太网传输数据的交换机，能同时连通许多对端口，使每一对相互通信 的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。
[0046] 光电转换器用于将以太网电
信号转换成
光信号或光信号转换成以太网
电信号的光电转换 设备，增强网络信息传输量。
[0047] 参照图4，基于多主站协调控制的光伏电站一次调频控制方法包括以下步骤：
[0048] 步骤1、实时监测光伏电站并网点的频率f，为保证控制效果，要求频率测量精度不低于 0.001Hz，测频周期小于等于20ms；
[0049] 步骤2、通过减载来保证有功功率备用容量的控制，使光伏电站具备稳定可靠的调频容量；
[0050] 步骤3、在PFC控制系统中，设置PID算法，通过设置KP、KI、KD参数，解决在频率扰 动后，频差fb超过一次调频人工死区DB后的功率响应速率控制，能够连续向逆变器发送有功 功率变化量ΔP，实现对逆变器下发一次调频有功功率目标值Pset的精准控制。其中，KP、KI、 KD取值范围在0～20之间，T1V为微分常数，一般取0.5左右，S为拉普拉斯算子。
[0051] 步骤4、通过
修改光伏逆变器控制逻辑，增加有功-频率下垂特性曲线，实现光伏逆变器快 速频率响应功能。
[0052] 步骤2中，对于光伏电站的功率控
制模块，信号输入量有电网调度的指令、光伏电站的光 照和光伏电站的
温度等，控制目标则是按照电网要求输出有功功率。对于目前实际运行的光伏 电站，对有功功率的控制大都采用最大功率跟踪(MPPT)控制，尽可能地利用光照资源。在光 伏电站采用最大功率跟踪控制时，在任何时候都可降低功率输出，但是却无法增加功率输出参 与频率调整，所以光伏电站若要参与系统一次调频，首先应该运行在功率差值模式为调频留出 一定的有功备用。功率差值控制模式运行时，光伏电站有功功率与最大可发功率PMax之间保持 一个固定比例的差值，即留出固定比例 的有功备用，该比例由光伏电站运行减载水平确定。 为了保证光伏电站自身具备一定的备用调频容量，需要通过AGC系统对光伏电站进行减载运 行控制。减载水平用 表示，本发明定义减载水平是指有功调频备用容量占光伏电站额定总 功率PN的比值。
[0053] 在某一固定光照强度S、温度T下，光伏电站的最大可发有功功率为PMax，光伏电站具备 的减载水平时的功率为Pref，其计算公式如下：
[0054]
[0055] 式中：PMax为光伏电站当前最大可电发功率，PN为光伏电站的额定总功率， 根据电网计 划曲线进行设定，取值在0～20％之间。
[0056] 步骤4中，下垂控制，为了更好地发挥光伏逆变器的快速频率响应能力，仿照常规水、火
电机组一次调频死区参数，并结合试验期间电网频率变化情况，完成光伏逆变器下垂特性曲线 设置，下垂特性曲线如图3所示。
[0057] 下垂控制是一个稳态过程，主要用于减小系统
频率偏差。在电网频率出现扰动，频差超 过一次调频人工死区DB，且光伏电站有功功率大于10％PN(PN为光伏电站的额定总功率)时， 光伏电站按照预设的有功-频率下垂特性曲线调节逆变器的有功功率，参与系统一次调频；当 光伏电站有功功率小于10％PN时，不激活下垂控制。
[0058] 本发明根据控制目的做出来的光伏电站下垂特性曲线如图3所示。
[0059] 1)当电网频率f控制在fd-～fd+之间的范围内时，光伏电站不参与一次调频，正常运行， 并预留当前光照强度下额定功率 的备用容量，一般的，fd-＝49.4Hz，fd+＝50.6Hz。
[0060] 2)参照如图5b，当频率f下降到fd-以下时，光伏电站增加有功功率变化量ΔP，调频下 垂系数为ep，增加的有功功率变化量ΔP上限为预留功率备用容量与频率下扰最小频率fMin时 一次调频功率计算值的小者，增加的有功功率变化量ΔP的计算公式如下：
[0061]
[0062] 其中，ΔP≤10％PN，ep取值范围为1％～10％；
[0063] 3)参照如图5a，当频率f上升到fd+以上时，光伏电站减小有功功率变化量ΔP，调频下 垂系数为ep，减小的有功功率变化量下限为频率上扰最大频率fMax时一次调频功率计算值，当 系统频率继续上升到51.5Hz以上时，停止向电网供电，减小的有功功率变化量ΔP的计算公式 如下：
[0064]
[0065] 其中，ΔP≤10％PN，ep的取值范围为1％～10％。
[0066] 以上三种情况中的频率f均指步骤1中采集到的光伏电站并网点的频率f。
[0067] 本发明中，所有的公式中：PN为光伏电站的额定总功率；ΔP为有功功率变化量；ep为调 频下垂系数，ep＝3％；fN为电网频率基准值，fN＝50Hz；fd-为频率下扰死区值，fd+为频率 上扰死区值，fd-＝49.4Hz，fd+＝50.6Hz。
[0068] 基于多主站协调控制的光伏电站一次调频控制方法，通过建立与AGC控制系统协调并行 的PFC控制系统(快速频率响应测控系统)来实现多主站控制。将并网系统主变高压侧PT电 压U,与CT电流I，接入PFC控制系统，实时监测并网点有功功率及电网频率f，投入一次调 频功能，并向AGC控制系统发送一次调频投入标志位。当电网频率f超过设定的一次调频死 区后，PFC控制系统向AGC控制系统发送一次调频动作标志位，AGC控制系统收到动作标志 位自动闭锁，由PFC控制系统替代AGC控制系统，根据控制策略计算一次调频过程中的光 伏电站有功功率目标值Pset，即Pset＝Pref+ΔP，将计算得到的光伏电站有功功率目标值Pset平 均分配给所控制的每一台逆变器，各逆变器根据指令控制对应的光伏子阵输出有功功率至目标 值，设置PID算法控制调节速率与响应时间，实现光伏电站整体的一次调频功能，满足电网 系统对调频功能的要求。平均分配的原则，是在现有采集总功率控制方式下的择优方法，若采 集每一台逆变器的功率值，可实现按比例分配方式，会增加数据传输量，在不增加设备或者扩 容的前提下，可靠性
稳定性会受到影响。其中，一次调频有功功率目标值Pset，通过控制策略 计算得出，在频率超出死区时，在根据有功-频率下垂特性曲线调节逆变器的有功功率，设置 PID算法实现快速稳定频率的功能。该方案只需对常规的光伏电站逆变器控制
软件进行算法升 级，并在电站现有AGC功能的
基础上，加入PFC主站协调机制，从而实现AGC与PFC多主 站协调控制，可最大限度的降低升级成本，同时发挥光伏电站的一次调频功能，加快电网频率 恢复速度。
[0069] 当一次调频动作结束后，PFC控制系统判断fd-≤f≤fd+是否成立，若成立，一次调频动作 结束，否则一次调频动作持续；当频率恢复正常范围，由PFC控制系统向AGC控制系统发送 一次调频动作退出标志位，AGC控制系统解除闭锁，并将调度给定的有功功率目标值PAGC发 送给PFC控制系统，该指令即为一次调频退出后的光伏电站有功功率目标值PAGC。
[0070] 由PFC控制系统将该有功功率目标值通过平均分配的原则分配给所控制的每一台逆变器， 各逆变器根据指令控制对应的光伏子阵输出有功功率至目标值，PFC控制系统功能退出，由AGC控制系统控制所有逆变器，恢复光伏电站正常发电工作状态。
[0071] 一次调频有功功率目标值由PFC控制系统通过控制策略计算得出，在频率超出死区时， 在规定的时间内按照设定速率增加或减少光伏子阵群输出的有功功率，实现快速稳定频率的功 能。
[0072] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明 提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明
权利要求书的保护范围之 内。
