新能源电站的一次调频控制方法及系统与流程

新能源电站的一次调频控制方法及系统与流程

雷润锋

（神华国能集团有限公司内蒙古分公司宁夏自治区银川市750000）

摘要：新能源发电作为二十一世纪人类文明发展的一项重要工程，已经被越来越多的国家所重视。作为一种可再生、无污染的能源，新能源具有非常广阔的应用前景。本文首先通过概述新能源的选题背景与意义，介绍新能源种类、特性等，再通过相关概念的解释以及国内外新能源利用现状分析，让大家进一步了解新能源发电的方法与流程；最后本文以新能源中光伏能源为例，介绍新能源电站的一次调频控制的方式和作用。在孤立电网并网时，如果接入大规模光伏发电站，系统的整体惯性将会降低，导致调频能力有所下降，情况严重时会造成电网出现安全隐患。本文从新能源电站功率系统控制、静态特性、新能源电站一次调频控制以及电站功率特性等方面，说明了光伏发电参与整体电站系统的一次调频，实现了一次调频功能，分担了电网的一次调频压力，提高系统稳定水平，降低了系统变频带来的风险。

关键词：新能源发电；一次调频；功率

1概述

1.1选题背景及意义

在人类文明发展到第一次工业革命时，机器代替人工的历史性转变把化石能源推到了前所未有的高度，一向贫瘠的中东沙漠成了世界最富饶的地区。直至今日，人类文明已经伴随着化石能源的燃烧，高速发展了两个多世纪。然而，我们在享受现代工业带来的各种便利与满足时，突然发现，我们对化石能源的依赖正在面临着前所未有的挑战。一方面我们对于能源的消耗与需求越来越多，导致化石能源储藏量急剧减少，化石能源又无法再生，能源危机已经在世界某些地方显现出来；第二方面，燃烧煤炭、汽油、天然气等化石能源，产生的有害气体和温室效应气体给我们的自然环境带来了巨大伤害，例如全球气候变暖导致两极冰川融化，开采煤炭导致地质塌陷灾害等。使用化石能源的弊端引发了我们对新能源的思考与探索，对未来使用太阳能、水利、风能等清洁可再生能源的研究与分析的著作越来越多。并且随着我国政府大力引导下，新能源电站建设持续增加，风电在2018年装机发电3000多万瓦，光伏电站更是在国家政策扶持下达到了年发电亿瓦级别。

1.2相关概念

新能源电站调度模型：一直以来的传统能源调度模式都是依照电力体系负载的变化特性制定发电计划，保障社会用电及时、优化与安全。而我国新能源调度模型是垂直一体化调度模式、“电厂与电网分离”后的计划电量调度模式和近年为提髙电力系统环保特性的＂节能调度＂模式并存[1]，欧美国家则采用市场竞争模式。

新能源电站控制模式：为了使新能源电站参与电力系统的有功调度，工作人员需要应用不同的控制模式来应对发电站调度模型的控制要求，最大功率、极差值、斜率控制等模式都是新能源电站的控制模式。

1.3研究内容及方法

研究内容：本文通过新能源介绍以及差值率控制、并网逆变器控制、静态特性等计算，说明新能源电站如何进行一次调频。

研究方法：

文献资料法：主要通过电子阅览室与单位图书馆查阅了与本课题研究有关的文献资料，阅读新能源电站一次调频控制方法及系统流程相关的书籍论文，为本课题研究提供理论参考依据；

数理计算分析法：应用公式进行计算，论证文章论点；

对比分析法：运用演绎、归纳、类比等各种逻辑分析方法，对各种信息进行较为深入的探讨和分析并论证有关结论和建议。

实地考察法：通过实地走访，了解新能源发电的现场情况。

2新能源电站静态系统分析

2.1常规发电机组功率与频率静态特性分析

普通水利电站发电过程中，负载的功率是根据发电机组功频静态特性决定的，当电力系统有功负载值出现波动时，发电机组输出的有功功率也会进行相应调整，保障功率波动在可控范围之内，确定发电安全。我们把发电机组提供的有功功率与波动频率之间的关系叫做发电机组的功率与频率静态特性。并且可以根据数学公式进行计算。

上述公式中“-”代表了有功功率的数值变化与波动频率成反相关。公式里代表系统额定功率；代表发电机组额度功率；代表功率变化量；代表波动频率变化量。由公式可以看出来，在电力系统进行一次调频时，各个发电机组会根据比例系数自然响应波动变化，平衡输出功率，一起保障电网安全，分担输送压力。

2.2光伏发电系统功率与频率特性及减载水平设定

新能源电站的频率特性与普通电站有所不同，例如光伏发电系统需要降低输出效率，进行储备功率，才能参与一次调频控制。人们为了确保电网安全，一般要把光伏发电的储备功率量化，用以参与一次调频。我们可以设定光伏电站的储备功率为σ%则最终输出有功功率为1-σ%可以通过公式得出

以上代表衰减储备功率，Pm代表新能源电站最大发电功率。在实地考察过程中，我们发现由于环境、天气、地理位置等因素影响，光伏发电功率受实际参数影响较为明显，比如当日照强度减弱时，光伏发电输出功率自然就会下降，此时就应该适当降低储备功率量；当日照强度增强时，此时应该适当增加储备功率。根据上述情况，我们可以认为可变化的光伏发电储备功率可以缓解因为日照强度带来的发电系统频率波动。使其在当前环境参数下平衡一次调频控制，确保并网安全。经过经验积累，我们可以用以下公式计算光伏发电真实输出功率。

式中S代表日照强度。通过以上公式可以看出，光伏发电的功率特性会对一次调频的效果产生影响。当日照强度降低时，储备功率减少，导致参与一次调频的水平降低；当日照强度增强时，储备功率增加，参与一次调频的能力就会增强。

2.3风力发电系统功率与频率特性分析

我国风力发电系统一般都使用双馈式异步风力发电机，由发电机和换流器、电气控制部分、原动机及其控制系统、风功率和转子机械部分组成[5]。

图2.1风力发电系统结构图

风力发电功率与风扇的机械功率、风速、转速和桨距角存在一定数学关系，经过科学家多年研究与计算，得出以下公式：

上述公式中PM代表扇叶片旋转输出的总功率；ρ代表空气密度；CP代表扇叶片转化动能效率系数；Aγ代表扇叶片旋转扫过的最大面积；VW代表风速。可以看出来风速快慢与扇叶扫过的面积大小成正相关。

3新能源电站功率控制

3.1功率差值控制

本文以太阳能光伏发电为例。在一般的光伏电站功率控制方面，都是采用电网调度的方式。通过输入人为指令信号、光照情况指标、温度控制等程序，来保障能源板输出符合用电负载的功率。根据实地考察，目前投入使用的光伏电站都采用最大功率跟踪进行有功功率控制，既保障最长时间的光照强度，最大限度利用太阳能资源。但是光照资源是一个不稳定输入资源，随时可能降低功率输出，然而电站的功率输出却无法随时进行增加或减少，无法参与频率变化。所以光伏发电参与电力系统一次调频，首先需要留出一定的有功储备，以适应功率差值模式。我们把电站输入功与最大可发电功率Pmax保持固定差额比例，设为K0就是需要储备的功。

人为设定值与实时反馈值用作输入信号，通过计算机系统传输给基础（boost）电路，采用实时调节基础电路空占率来保障跟踪控制。一般光伏电站计算机系统均采用积分、比例与微分（PID）闭环控制调节方式，整体结构如图3.1所示

图3.1积分、比例、微分（PID）闭环控制结构图

3.2系统逆变器控制

新能源发电进行并网操作时，通常采用直流母线控制和无功控制俩种手段[4]。新能源电站发电量传输到直流母线上，使用逆变器将直流电转化为无功交流电，输出能量，进行并网。系统逆变器控制结构如图3.2所示

图3.2并网系统逆变器结构图

3.3新能源电站一次调频控制方式

同样，本文以光伏电站作为新能源电站一次调频举例，分析其控制方式。如果光伏发电系统输出的有功功率为定值，而频率参数出现波动时，需要在原始功率进行修正，设修正功率为则电厂现场输出的真实功率为通过这种手段最终调整并网，达成新能源电站有功出力成一次调频的模式。输出功率的修正值和频率波动联系密切，可以通过下面公式表达：

由可以推导出：

本文参考常规汽轮机组，可以取值20，可以根据实际情况进行实地测量。可以看出随着新能源出力增大，系统调频能力将减弱，在相同的功率缺额下频率下跌程度会加重，易导致低频减载动作轮次增多。造成含新能源机组的孤网低频减载动作轮次过多的主要原因是原有的按照常规机组调频能力进行整定的低频减载方案乐观地估计了含有风光新能源机组接入的孤网系统的调频能力。此外，在实际情况中应尽量减少切负荷量，避免造成用户不必要的停电。

3.4小结

从本章可以知道，新能源电站参与一次系统调频的流程就是图3.1-图3.4四个方面互相协作，一起承担常规机组并网的频率波动压力，保障并网安全，加强电网稳定性。电力系统的一次调频是差分调频，可以看作是维持电网稳定的一种重要方法。其主要功能是变频调速装置的调速系统可以自动监测电网的频率波动，然后通过计算机平衡新的频率，并且同步增加或减少发电机组的输出功率。

4结束语

本文简要介绍了新能源一次调频试验的控制过程和方法流程。通过对示范电站的试验和分析，表明了新能源电站如光伏发电和风力发电也是具有一次调频能力的，并且可以确定光伏发电和风力发电的一次调频能力在未来是十分值得期待的。虽然目前新能源电站仍然是先导试验的开始，但是对于各类台站的试验数据进行系统分析却是必要的。我们可以通过计算机进行仿真，综合了解新能源发电在并入电网时对于调频的影响，随着发电机组网络相关性能的逐步提高，人类需求供电量越来越大，清洁新型能源发电的比例必然会逐步增加。我国应该紧跟国际高水平，努力发展新能源电站，我们作为电力工作人员，也应该为祖国的环保事业，为人类解决能源危机奉献自己的最大力量。

参考文献

[1]毕睿.光伏电站有功功率控制相关关键技术研究[D].合肥工业大学，2016.8

[2]王飞，米増强，杨奇逊，等．基于神经网络与关联数据的光伏电站发电功率预测方法[J]．太阳能学报，2012，33（7）：1171-1177．

[3]吴俊鹏.并网光伏电站的一次调频特性分析[J].电测与仪表，2016，58（3）：88-92.

[4]张兴，曹仁贤．太阳能并网光伏发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社，2010．

[5]杜亚炜.新能源接入条件下电网频率安全稳定特性与控制研究[D]华北电力大学，2017.

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