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從2015年底至今，我國光伏和風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量一直位居世界首位，并仍呈現(xiàn)增長趨勢(shì)。根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2020年底，我國光伏并網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到2.53億kW（占總裝機(jī)容量的12%）。到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。未來利用太陽能發(fā)電將會(huì)成為主流能源利用形式，然而已投運(yùn)光伏機(jī)組普遍采用最大功率點(diǎn)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(jī)的慣量阻尼特性，電力系統(tǒng)更容易受到功率波動(dòng)和系統(tǒng)故障的影響。

針對(duì)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(jī)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(fēng)電場、光伏發(fā)電站）通過保留有功備用或配置儲(chǔ)能設(shè)備，并利用相應(yīng)的有功控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能。要求并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一次調(diào)頻功能始終投入并確保正常運(yùn)行。

配置電池或超容儲(chǔ)能方案具有可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(dòng)；能夠多模式和多場景運(yùn)行，尤其適用于離網(wǎng)模式和夜間場景。目前，針對(duì)光伏機(jī)組配置儲(chǔ)能裝置的方案已有較多研究，分為光儲(chǔ)一體化并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和光伏、儲(chǔ)能獨(dú)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(shí)踐中仍然存在一些問題，如配套測試規(guī)范的量化指標(biāo)不清晰、關(guān)鍵參數(shù)的整定、儲(chǔ)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(chǔ)能方案的造價(jià)和維護(hù)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(xiàn)對(duì)配置儲(chǔ)能方案和有功備用方案分別進(jìn)行了研究和驗(yàn)證?；趫鼍凹靶枨螅@兩種方案有效結(jié)合抑或是其他方案，最終尋求更經(jīng)濟(jì)更有效的應(yīng)用方案是大規(guī)模新能源機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻亟待解決的問題之一。

針對(duì)兩種方案的比較，有學(xué)者從平抑光伏并網(wǎng)功率波動(dòng)的需求出發(fā)，通過電價(jià)對(duì)比分析表明配置電池儲(chǔ)能與減載運(yùn)行相配合是最經(jīng)濟(jì)的方案。有學(xué)者針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻的需求，探索了配置儲(chǔ)能和變功率跟蹤方案的結(jié)合，提出一種雙饋風(fēng)電機(jī)組和超級(jí)電容儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)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(duì)光伏機(jī)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(chǔ)能相結(jié)合的控制方案鮮有報(bào)道，有待探索儲(chǔ)能提升光伏機(jī)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(fù)荷擾動(dòng)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(shí)際的頻率變化率響應(yīng)，虛擬慣量控制效果欠佳。當(dāng)前，針對(duì)頻率變化率難以準(zhǔn)確測量的原因和改進(jìn)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(xué)者放棄鎖相環(huán)，而直接通過通信的方式獲取虛擬同步機(jī)的內(nèi)稟角頻率和頻率變化率，進(jìn)而用作光儲(chǔ)單元虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)。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(xué)者提出一種自適應(yīng)機(jī)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(dòng)態(tài)性能。但負(fù)荷突變伴隨的相位角變化量較小，此時(shí)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(fù)荷擾動(dòng)下頻率變化率難以準(zhǔn)確測量的原因和改進(jìn)方法。

為了增強(qiáng)調(diào)頻能力，華北電力大學(xué)河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)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(xué)報(bào)》增刊1上撰文，提出一種儲(chǔ)能輔助光伏機(jī)組實(shí)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(shí)能夠減少一半的儲(chǔ)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(dòng)時(shí)光伏運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處，當(dāng)頻率升高時(shí)通過VPPT減少光伏出力，當(dāng)頻率降低時(shí)由備用的儲(chǔ)能裝置提供調(diào)頻功率。為提升慣量支撐效果，針對(duì)鎖相環(huán)難以精確測量實(shí)際頻率及頻率變化率的問題，進(jìn)行了分析和改進(jìn)。

研究人員指出，該控制策略不僅能夠減小準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率的正/負(fù)偏差，而且能夠抑制頻率的快速波動(dòng)。同時(shí)，其通過VPPT模式和MPPT模式的切換能夠保證在光照強(qiáng)度突減后光伏機(jī)組不會(huì)運(yùn)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(zhǔn)確描述光儲(chǔ)系統(tǒng)的功頻動(dòng)態(tài)特性。鎖相環(huán)難以準(zhǔn)確測量RoCoF是由突加負(fù)荷擾動(dòng)下實(shí)際節(jié)點(diǎn)電壓相位發(fā)生突變導(dǎo)致的。改進(jìn)的RoCoF測量方法能夠使測量值更接近于實(shí)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(shí)具有更好的慣量支撐效果，且配置儲(chǔ)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(duì)于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)和改造具有一定的參考意義。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“基于改進(jìn)RoCoF測量方法的儲(chǔ)能輔助光伏機(jī)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(xiàng)目和北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。