汪紅波，周強(qiáng)明，劉恒怡，袁輝紅，嚴(yán)澤

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077；2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌443002；3.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100080)

并網(wǎng)光伏發(fā)電相對(duì)于其他可再生能源具有巨大優(yōu)勢(shì)，成為可再生能源發(fā)展的主流之一[1]。全球可再生能源裝機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年和2018年的光伏裝機(jī)容量在總可再生能源裝機(jī)容量的占比中居于榜首[2]。中國(guó)的太陽(yáng)能資源相當(dāng)豐富，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為204.3 GW，同比增長(zhǎng)了17.3%，累計(jì)裝機(jī)容量居全球首位[3]。2020年底，我國(guó)并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)250 GW，同比增長(zhǎng)24.1%。

光伏并網(wǎng)規(guī)模的大幅增長(zhǎng)擠占了原本常規(guī)機(jī)組的份額，傳統(tǒng)機(jī)組占比逐漸降低，作為靜止元件的光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，一次調(diào)頻資源逐漸減少，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性受到威脅[4-6]。為了在不斷增加光伏并網(wǎng)規(guī)模的同時(shí)提升電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻技術(shù)開(kāi)展了大量研究。

本文首先分析光伏系統(tǒng)的規(guī)模要求，然后從有無(wú)電儲(chǔ)能系統(tǒng)下的一次調(diào)頻技術(shù)2個(gè)大類出發(fā)，分別歸納多串光伏逆變器協(xié)調(diào)控制、直流鏈路電容器、減載控制、光伏系統(tǒng)和其他常規(guī)發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)控制、模糊控制5個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，以及基于電儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)、微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能配合實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻2個(gè)方面的有電儲(chǔ)能的光伏電站一次調(diào)頻技術(shù)研究現(xiàn)狀。此外，從光伏、風(fēng)電等新能源配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性以及國(guó)家政策層面，分析電儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)在光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)其重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)具備一次調(diào)頻能力的重要性

1.1 大規(guī)模光伏并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響

大多數(shù)情況下，干擾期間頻率在允許范圍內(nèi)波動(dòng)[7]。出現(xiàn)超出一定范圍的情況時(shí)，首先由調(diào)速器裝置進(jìn)行一次調(diào)頻，調(diào)整結(jié)果對(duì)頻率穩(wěn)定有一定的作用，但不能做到無(wú)差調(diào)節(jié)，需要進(jìn)行二次調(diào)頻。頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖1所示[8]，圖中Δf為系統(tǒng)頻率偏差。

圖1 系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程

發(fā)電或負(fù)荷突變瞬間的系統(tǒng)頻率偏差主要受電力系統(tǒng)慣性的影響。與傳統(tǒng)機(jī)組不同，光伏發(fā)電機(jī)組的輸出決定于電網(wǎng)指令、溫度以及光照等因素，為維持最大功率輸出以獲取最大收益和能源效益，光伏發(fā)電機(jī)組通常運(yùn)行設(shè)計(jì)為在最大功率點(diǎn)(maximum power point，MPP)下運(yùn)行，不響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，無(wú)提供一次調(diào)頻服務(wù)的能力[9]。

對(duì)于單一發(fā)電機(jī)模型而言，Δf與光伏發(fā)電輸出功率改變量ΔPpv、其他發(fā)電機(jī)輸出功率改變量ΔPG、電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)kload之間的關(guān)系為

(1)

由式(1)可知，當(dāng)kload一定時(shí)，光伏發(fā)電規(guī)模、光伏輸出波動(dòng)性越大，造成的短期內(nèi)系統(tǒng)頻率變化越大。

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)模較小時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小，煤電、氣電等靈活性資源可滿足電網(wǎng)頻率調(diào)整的需求。但當(dāng)光伏并網(wǎng)規(guī)模增大時(shí)，波動(dòng)性變大，周期也變長(zhǎng)，調(diào)速器控制系統(tǒng)沒(méi)有足夠時(shí)間來(lái)應(yīng)對(duì)頻率變化，頻率加速下降，依靠傳統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻和二次調(diào)頻已無(wú)法滿足頻率缺額。因此，當(dāng)光伏大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，若光伏發(fā)電系統(tǒng)不具備一次調(diào)頻能力，電力系統(tǒng)慣性降低，將威脅系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)具備一次調(diào)頻能力十分重要。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)要求具備一次調(diào)頻能力

為解決光伏大規(guī)模并網(wǎng)造成的慣性降低、電網(wǎng)頻率失穩(wěn)的問(wèn)題，許多地區(qū)將光伏發(fā)電機(jī)組具備一次調(diào)頻能力作為其上網(wǎng)的前提條件[10]。例如：德國(guó)電網(wǎng)公司EON要求大于100 MW的光伏、風(fēng)電等新能源電場(chǎng)應(yīng)具備一次調(diào)頻能力，一次調(diào)頻的容量應(yīng)不小于2%，且功率-頻率下垂系數(shù)可調(diào)。當(dāng)頻率偏差不小于0.2 Hz時(shí)，場(chǎng)站需在30 s之內(nèi)激活全部一次備用容量，且持續(xù)的時(shí)間應(yīng)大于等于15 min。

我國(guó)的光伏電站并網(wǎng)對(duì)有功功率控制規(guī)定要求是：大、中型光伏電站需要具有限制輸出功率變化率的能力，電站每分鐘的最大功率變化量不宜超過(guò)安裝容量的10%，但可接受因太陽(yáng)光輻照度快速減少引起的光伏電站輸出功率下降速度超過(guò)最大變化率的情況[11]。山西、寧夏、山東等地要求光伏、風(fēng)電等新能源電站保留有功備用或配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，只有具備一次調(diào)頻功能的場(chǎng)站才允許并網(wǎng)運(yùn)行。

2 無(wú)電儲(chǔ)能下的光伏電站一次調(diào)頻技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 多串光伏陣列協(xié)調(diào)控制

應(yīng)用多串光伏陣列協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能的原理是使用不同的有功功率控制策略，來(lái)協(xié)調(diào)控制多個(gè)光伏串[11]。在該系統(tǒng)配置中，指定1個(gè)(或多個(gè))主光伏串在MPP模式下運(yùn)行，并估計(jì)可用光伏功率最大可用功率(maximum available power，MAP)，而其他光伏串控制作為從系統(tǒng)，在恒定發(fā)電模式下運(yùn)行，根據(jù)主光伏串設(shè)置功率限值。各光伏串的光伏功率由安裝在每個(gè)光伏串上的DC/DC轉(zhuǎn)換器(例如升壓轉(zhuǎn)換器)獨(dú)立控制，如圖2所示，圖中：Udc為直流鏈路電容器的電壓，Ug、Ig分別為逆變器輸出的電壓、電流，α1、α2為占空比。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的多串光伏陣列協(xié)調(diào)控制

通過(guò)該方式，可以靈活控制總光伏發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，該方法既不需要儲(chǔ)能系統(tǒng)，也不需要進(jìn)行光照測(cè)量。文獻(xiàn)[12]針對(duì)該方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要討論，但并未給出具體的控制算法，也尚未在實(shí)際運(yùn)行中驗(yàn)證其有效性。針對(duì)此，文獻(xiàn)[13]研究采用多串光伏逆變器系統(tǒng)的控制方案，并對(duì)3 kW兩級(jí)光伏系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證delta功率控制(delta power control，DPC)策略在幾種試驗(yàn)條件下的有效性。由于該方法具有較高的可靠性，且設(shè)備安裝成本、維護(hù)成本不斷降低，近年來(lái)，傳統(tǒng)中央逆變器逐漸被多串級(jí)光伏逆變器所取代，原多用于住宅等小規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)逐步發(fā)展到光伏發(fā)電站[14-15]。雖然多串光伏逆變器協(xié)調(diào)控制無(wú)需儲(chǔ)能系統(tǒng)和光照測(cè)量，但需要額外加裝多個(gè)光伏串，從另一個(gè)角度上來(lái)說(shuō)也是成本增加，因此有學(xué)者認(rèn)為該方案的經(jīng)濟(jì)性有待考究。

2.2 直流鏈路電容器

直流鏈路電容器在光伏發(fā)電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)中的應(yīng)用主要有3種：①通過(guò)并網(wǎng)逆變器直流鏈路電容器中存儲(chǔ)的電磁能量模擬虛擬慣性；②通過(guò)雙電層電容器，平抑由云層改變導(dǎo)致光照變化引起的輸出波動(dòng)；③利用直流鏈路電容來(lái)實(shí)現(xiàn)功率備用。

2.2.1 利用直流鏈路電容器模擬虛擬慣性

通過(guò)直流鏈路電容器模擬虛擬慣性，實(shí)質(zhì)上是將分布在多個(gè)并網(wǎng)逆變器中的多個(gè)直流環(huán)節(jié)電容器組成超大等效電容器。該方法在不修改系統(tǒng)硬件的情況下，可以通過(guò)并網(wǎng)逆變器中直流電容器中存儲(chǔ)的能量來(lái)模擬電力系統(tǒng)慣性，通過(guò)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)頻率成比例的直流鏈路電壓，將直流鏈路電容器聚合為一個(gè)非常大的等效電容器，用作頻率支持的能量緩沖器，如圖3所示，圖中：Udc,ref為直流鏈路電容器的參考電壓；PLL為鎖相環(huán)(phase locked loop)；IGabc和UGabc分別為電網(wǎng)電流與電壓；Id,ref為d軸參考電流；fref為參考頻率；αabc為占空比。

圖3 直流鏈路電容器模擬虛擬慣性示意圖

同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)擺動(dòng)方程為

(2)

式中：H為電力系統(tǒng)慣性；ΔPM、ΔPD、ΔPL分別為機(jī)械功率、需求功率、電功率變化量；t為時(shí)間。

通過(guò)直流電容器存儲(chǔ)的電磁能量模擬的慣性響應(yīng)

(3)

式中：Cdc為直流鏈路電容器的電容；PA,ra為逆變器的額定功率；Hc為直流鏈路電容器的模擬慣性。

隨著直流鏈路電容功率增加，式(1)可變化為

(4)

文獻(xiàn)[16]提出模擬光伏功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)直流鏈路電容器慣性響應(yīng)的方法，定量分析虛擬慣性對(duì)系統(tǒng)安全性的影響；仿真結(jié)果表明，該方法在頻率變化率和頻率偏差方面都有一定的改善。文獻(xiàn)[17]分析了直流鏈路電容對(duì)逆變器動(dòng)態(tài)性能的影響，研究與直流鏈路電容有關(guān)的臨界動(dòng)態(tài)指標(biāo)之間的關(guān)系，提出通過(guò)調(diào)節(jié)阻尼比，使其在最佳范圍內(nèi)來(lái)選擇直流鏈路電容的方法。

2.2.2 平抑輸出波動(dòng)

圖4 調(diào)節(jié)控制模塊

光照強(qiáng)度變化引起的光伏輸出變化由電容器吸收，直流鏈路電容

(5)

式中：T為采樣時(shí)間；λ為所用能量與額定能量的比率；Ur和Pr分別為逆變器的額定電壓和功率。

在1.2 kW光伏系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)了3%的光伏輸出，以驗(yàn)證所提方案的有效性。此外，該方案的成本效益體現(xiàn)在采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maxim-um power point tracking，MPPT)控制來(lái)估計(jì)MAP，而不是通過(guò)價(jià)格高昂的傳感器來(lái)確定。

2.2.3 利用直流鏈電容器實(shí)現(xiàn)功率備用

文獻(xiàn)[19]提出將光伏剩余出力存儲(chǔ)在直流鏈路電容器中的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)功率備用控制。采用MPPT控制來(lái)估計(jì)可用光伏輸出，自適應(yīng)控制直流鏈路中存儲(chǔ)的能量以最小化可用光伏輸出，多余能量暫時(shí)存儲(chǔ)在直流鏈路中，實(shí)現(xiàn)功率備用控制。在電網(wǎng)側(cè)逆變器處，直流鏈路中存儲(chǔ)的能量也被自適應(yīng)控制，以緩沖MPPT運(yùn)行期間光伏功率的增加，從而保證注入的交流功率與所需功率備用曲線相符。

盡管電容器具有效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格昂貴，能量密度低，不能長(zhǎng)時(shí)間保持輸出，多局限于應(yīng)用在小規(guī)模系統(tǒng)中[20]。

2.3 減載控制

減載控制的本質(zhì)是使用某種方法使光伏機(jī)組偏離MPP運(yùn)行，從而為頻率調(diào)節(jié)保留一定的功率裕度。該方法的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確確定MAP，同時(shí)限制光伏輸出運(yùn)行。本節(jié)首先介紹確定MAP的方法，然后綜述現(xiàn)有減載控制方法，包括改進(jìn)MPPT控制器、改變控制模式、依據(jù)頻率變化反向調(diào)節(jié)減載率、無(wú)傳感器的頻率調(diào)節(jié)4種方法。

2.3.1 確定MAP的方法

確定MAP有2種方法：直接測(cè)量或?qū)崟r(shí)估計(jì)。文獻(xiàn)[21]介紹了直接測(cè)量的方法，主光伏面板在MPP模式下運(yùn)行以監(jiān)控MAP，而光伏面板直接使用測(cè)量的MAP。但是，這種方法僅適用于具有相同組件條件的大型光伏電站，并且需要配置通信系統(tǒng)。相較于直接測(cè)量，通過(guò)估計(jì)獲得MAP更為常用，該方法可分為2種：一是利用太陽(yáng)輻照度和溫度傳感器；二是使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓和電流測(cè)量樣本來(lái)進(jìn)行估計(jì)。文獻(xiàn)[22]中利用離線數(shù)據(jù)，在實(shí)際天氣條件下測(cè)量溫度和太陽(yáng)輻照度時(shí)計(jì)算MAP。文獻(xiàn)[23]引入簡(jiǎn)化的光伏陣列模型，將太陽(yáng)輻照度和溫度信息的測(cè)量值替換到預(yù)定義模型中，以估算MAP；但該方法需要價(jià)格高昂的輻照傳感器，經(jīng)濟(jì)性欠佳。因此，通常采用第2類方法，即通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓和電流測(cè)量樣本來(lái)估計(jì)MAP。

2.3.2 現(xiàn)有減載控制方法

2.3.2.1 改進(jìn)MPPT控制器

文獻(xiàn)[24]提出具有估計(jì)系統(tǒng)慣性的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)頻率控制策略，將給定參考電壓Udel添加至MPPT控制器，以調(diào)節(jié)光伏的功率輸出，使機(jī)組偏離MPP運(yùn)行，解決系統(tǒng)擾動(dòng)期間的高初始頻率偏移問(wèn)題，如圖5所示，圖中：Umpp為光伏面板最大功率點(diǎn)電壓；Uoc為電壓上限；Idref為經(jīng)過(guò)PI控制器得到的參考電流；ΔUres為光伏系統(tǒng)工作時(shí)實(shí)時(shí)功率的電壓與最大功率點(diǎn)時(shí)的電壓差值。

圖5 光伏系統(tǒng)的減載控制器

在該方法中，每個(gè)區(qū)域的有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是周期性估計(jì)的，通過(guò)根據(jù)慣性水平確定光伏的減載周期，當(dāng)系統(tǒng)慣性不能滿足初始頻率偏移的要求時(shí)，光伏才偏離MPP運(yùn)行參與頻率響應(yīng)，從而確保光伏積極參與頻率調(diào)節(jié)，不限制其利用大部分可用功率的可能性。但是，無(wú)論系統(tǒng)輔助要求隨時(shí)間如何變化，它都要求光伏持續(xù)恒定功率削減。該控制方法的經(jīng)濟(jì)性還有待進(jìn)一步考究[25]。

2.3.2.2 改造控制器

文獻(xiàn)[26]提出在增強(qiáng)系統(tǒng)慣性響應(yīng)的下垂控制和緊急控制2種模式下的控制策略，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該策略在提高頻率穩(wěn)定性方面的有效性，但該方法無(wú)法解決低頻問(wèn)題。文獻(xiàn)[27]針對(duì)因固定下垂系數(shù)導(dǎo)致無(wú)法充分發(fā)揮光伏調(diào)頻能力的局限性問(wèn)題，提出在過(guò)頻和欠頻2種頻率模式下，采取不同控制方式來(lái)整定下垂系數(shù)的方法。逆變器開(kāi)關(guān)的下垂控制會(huì)降低逆變器慣性，為解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[28]提出修改下垂參數(shù)來(lái)提高逆變器慣性，從而提高設(shè)備瞬態(tài)響應(yīng)能力的方法。

2.3.2.3 依據(jù)頻率變化反向調(diào)節(jié)減載率

為解決系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)改變以及備用等其他約束對(duì)光伏一次調(diào)頻性能的影響，文獻(xiàn)[4]提出依據(jù)電網(wǎng)頻率變化，并結(jié)合離線曲線擬合、在線功率跟蹤和實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度估算，來(lái)改變減載率的控制策略。文獻(xiàn)[29]提出基于實(shí)時(shí)MAP估計(jì)的光伏系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的控制策略，根據(jù)調(diào)頻定量需求來(lái)反向調(diào)節(jié)減載率，改善系統(tǒng)頻率波動(dòng)。

2.3.2.4 無(wú)傳感器的頻率調(diào)節(jié)方法

現(xiàn)有許多減載控制方法需要使用價(jià)格高昂的傳感器來(lái)估計(jì)MAP。為減少設(shè)備成本，文獻(xiàn)[30]提出基于限流功率-電流曲線的功率跟蹤控制方法，該方法可以在任何環(huán)境條件下自動(dòng)跟蹤給定的備用率，無(wú)需光照傳感器；在頻率調(diào)節(jié)層，采用下垂控制和虛擬慣性控制相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)節(jié)給定功率備用比。仿真結(jié)果表明，該方法具有良好的跟蹤精度和速度，能夠明顯改善電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，但其備用率固定，經(jīng)濟(jì)性、靈活性較差。為解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[31]提出改進(jìn)的無(wú)傳感器功率備用控制方法，控制器根據(jù)系統(tǒng)頻率變化來(lái)改變備用率，如圖6所示，圖中：d0為初始功率備用率，dfp為所需的功率備用率，kd為下垂增益系數(shù)，ki為慣性增益系數(shù)。

圖6 虛擬慣性和下垂控制器

使用當(dāng)前的采樣點(diǎn)來(lái)實(shí)時(shí)估計(jì)MAP，結(jié)合虛擬慣性控制和下垂控制，對(duì)不同工況下的一次頻率響應(yīng)進(jìn)行分析。通過(guò)一個(gè)改進(jìn)的IEEE 9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)所提控制機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明可將穩(wěn)態(tài)誤差控制在1%以內(nèi)。

2.4 光伏系統(tǒng)和其他常規(guī)發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制

文獻(xiàn)[32]考慮無(wú)電儲(chǔ)能的光伏-柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)，并對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行降額，以獲得負(fù)載變化后的功率平衡和頻率調(diào)節(jié)，但未考慮負(fù)荷需求大于可用發(fā)電量的情況。在這種情況下，頻率只能通過(guò)需求響應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但并未給出需求響應(yīng)與不同機(jī)組之間的協(xié)調(diào)控制方法。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[33]提出由柴油發(fā)電機(jī)、光伏機(jī)組和燃料電池組成的孤島微電網(wǎng)中頻率控制的協(xié)調(diào)控制方案。該方案通過(guò)微電網(wǎng)中央控制器協(xié)調(diào)所有分布式發(fā)電機(jī)和負(fù)載的控制動(dòng)作；光伏機(jī)組可提供低于其最大可能值的功率輸出，降額功率被保留在一邊，并在需要時(shí)作為備用使用；能量管理以光伏優(yōu)先為原則，負(fù)載供電順序依次為光伏、燃料電池、柴油發(fā)電機(jī)；最后激活需求響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)功率平衡。

協(xié)調(diào)控制方案的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)中已有許多常規(guī)機(jī)組存在，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可考慮將其服務(wù)擴(kuò)展到二次調(diào)頻。然而，在對(duì)混合系統(tǒng)建模時(shí)，沒(méi)有考慮諸如調(diào)速器死區(qū)、發(fā)電機(jī)速率約束和二次控制延遲等物理約束，這些非線性約束對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)有重要影響。因此，簡(jiǎn)單的建模方法不足以分析大規(guī)模光伏發(fā)電引起的不穩(wěn)定性問(wèn)題[34-36]。

2.5 模糊控制

含各種非線性約束的微電網(wǎng)日益復(fù)雜，經(jīng)典控制器無(wú)法提供適當(dāng)?shù)男阅?。為提高系統(tǒng)性能，文獻(xiàn)[37]將結(jié)合了模糊邏輯和粒子群優(yōu)化技術(shù)的、用于系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的PI控制器進(jìn)行調(diào)整，仿真實(shí)驗(yàn)證明了該控制器與經(jīng)典控制方法的有效性。文獻(xiàn)[38]采用可再生能源滲透率較高的混合微電網(wǎng)小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型來(lái)分析光伏輸出功率波動(dòng)的影響，提出基于模糊的下垂控制模型，以限制系統(tǒng)在各種擾動(dòng)下的頻率偏移；結(jié)果表明，各種能源的協(xié)調(diào)控制具有改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)的能力。

文獻(xiàn)[39]提出基于模糊的光伏功率控制策略，考慮了各種系統(tǒng)非線性約束，如調(diào)速器死區(qū)、爬坡約束和二次控制延遲等，通過(guò)使用基于模糊控制方法使光伏偏離MPP運(yùn)行。光伏減載系統(tǒng)的P-U特性如圖7所示，圖中：Pmpp為最大功率運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率，P1和U1分別為減載操作期間的運(yùn)行點(diǎn)功率和電壓。

圖7 光伏減載系統(tǒng)的P-U特性

該方案根據(jù)模糊控制方法并依據(jù)系統(tǒng)有效慣性和瞬時(shí)滲透水平來(lái)確定減載指令，光伏減載系數(shù)隨時(shí)間變化而變化，比光伏的恒定減載更經(jīng)濟(jì)可行。文獻(xiàn)[40]提出基于模糊控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略，使用頻率偏差和變化的系統(tǒng)慣性作為模糊控制器輸入，由輸出決定光伏提供一次頻率控制指令；采用IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證了所提方法能有效減小系統(tǒng)初始頻率偏差和頻率變化率。

2.6 一次調(diào)頻技術(shù)對(duì)比

表1所列為無(wú)電儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)對(duì)比分析。

表1 無(wú)電儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)對(duì)比分析

3 電儲(chǔ)能在光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及重難點(diǎn)分析

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由靜態(tài)元件組成，與典型發(fā)電機(jī)或其他儲(chǔ)能裝置相比，具有非?？斓捻憫?yīng)速度。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可通過(guò)吸收電網(wǎng)功率，以及在頻率偏移期間向電網(wǎng)注入功率來(lái)滿足一次頻率控制的技術(shù)要求，可廣泛應(yīng)用于短期電能質(zhì)量改善或長(zhǎng)期能源管理。目前，電儲(chǔ)能在光伏電站一次調(diào)頻技術(shù)中的應(yīng)用主要有2個(gè)方面：①對(duì)儲(chǔ)能逆變器采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，將光伏、儲(chǔ)能作為整體，對(duì)外具備同步發(fā)電機(jī)特性；②利用儲(chǔ)能充放電技術(shù)快速放出或吸收功率，平滑光伏出力曲線，減小光伏輸出波動(dòng)性。

針對(duì)電儲(chǔ)能在光伏一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的影響因素，從光伏、風(fēng)電等新能源側(cè)配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性、國(guó)家政策2個(gè)方面，對(duì)電儲(chǔ)能在光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，并總結(jié)未來(lái)電儲(chǔ)能在光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.1 基于電儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)

將并網(wǎng)逆變器作為同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生虛擬慣性，是一次調(diào)頻中較為常用的方法。該方法需配置一定的儲(chǔ)能，若沒(méi)有儲(chǔ)能，虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性將受到其直流鏈路電容的限制。與同步發(fā)電機(jī)不同，虛擬同步發(fā)電機(jī)可在頻率調(diào)節(jié)期間由微處理器動(dòng)態(tài)修改虛擬慣性。文獻(xiàn)[41]采用自校正算法持續(xù)改變虛擬慣性，以實(shí)現(xiàn)頻率偏差和功率輸出最小化。同時(shí)，基于總線信號(hào)研究孤島微電網(wǎng)中光伏和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法；根據(jù)總線電壓信號(hào)，電儲(chǔ)能和機(jī)組單元改變輸出功率或操作模式，該控制需要進(jìn)行模式切換，各個(gè)模式的參數(shù)難以設(shè)計(jì)，甚至在動(dòng)態(tài)切換過(guò)程中可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[42]交替使用2個(gè)不同的虛擬慣性值來(lái)改善頻率調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性。為使利潤(rùn)最大化，文獻(xiàn)[43]提出基于虛擬同步控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行頻率控制方法，建立虛擬同步機(jī)控制的功率變換器系統(tǒng)的單機(jī)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)基于虛擬同步控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[44]以效益最大化為目標(biāo)建模，未考慮爬坡速度過(guò)快造成的電池壽命縮短，從而導(dǎo)致的投資成本增加的問(wèn)題。

3.2 微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能配合實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻

電儲(chǔ)能響應(yīng)速度快，充放電靈活，可平抑光伏輸出波動(dòng)性，性能穩(wěn)定，控制精度高，能與光伏電站協(xié)調(diào)運(yùn)行，可在很大范圍內(nèi)彌補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)自身調(diào)頻容量的不足，提高其一次調(diào)頻性能[45]。光伏發(fā)電系統(tǒng)配置電儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)配置電儲(chǔ)能系統(tǒng)

文獻(xiàn)[46]提出用于微電網(wǎng)一次調(diào)頻的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)最佳確定方法。微電網(wǎng)中的微渦輪發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池和光伏系統(tǒng)等電源，頻率控制響應(yīng)較慢。由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以在恢復(fù)供需平衡方面發(fā)揮重要作用。鑒于電池的過(guò)載特性和荷電狀態(tài)約束，研究了一種用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的DC/AC變換器控制方案，確定了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的允許持續(xù)時(shí)間，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。

為進(jìn)一步提高儲(chǔ)能裝置的響應(yīng)速度，有效改善慣性響應(yīng)，文獻(xiàn)[47]將超級(jí)電容器和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組合起來(lái)，通過(guò)控制算法模擬慣性響應(yīng)。具有快速動(dòng)態(tài)性的超級(jí)電容器立即響應(yīng)頻率變化，并通過(guò)外部電壓環(huán)和內(nèi)部電流環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)控制。該方法的優(yōu)點(diǎn)是超級(jí)電容器可在短時(shí)間內(nèi)提供峰值功率，降低儲(chǔ)能元件上的應(yīng)力并提高其壽命。

文獻(xiàn)[48]提出基于集中模型預(yù)測(cè)控制的插電式混合動(dòng)力汽車、光伏和電儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制方法以提高微電網(wǎng)的一次調(diào)頻性能。協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)是抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)，以及最小化光伏剩余功率，從而減小電池容量。文獻(xiàn)[49]采用不同工況下的不同案例數(shù)學(xué)模型，來(lái)分析由風(fēng)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、燃料電池和光伏等組成的混合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；通過(guò)飛輪系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等不同的儲(chǔ)能裝置來(lái)平抑光伏輸出的波動(dòng)性，研究表明混合系統(tǒng)可有效將頻率偏差控制在小范圍內(nèi)。

文獻(xiàn)[50]提出基于電儲(chǔ)能和插電式電動(dòng)汽車的負(fù)荷頻率控制方法，用于兆瓦級(jí)分布式光伏發(fā)電的一次調(diào)頻，該方法通過(guò)控制電儲(chǔ)能來(lái)模擬虛擬慣性?？刂品譃?個(gè)級(jí)別：中央和本地。考慮控制區(qū)域內(nèi)光伏總功率的變化，計(jì)算出最優(yōu)虛擬慣性；在此基礎(chǔ)上，確定中央電儲(chǔ)能功率命令，并通過(guò)協(xié)調(diào)，將該中央電儲(chǔ)能功率命令分配給本地電儲(chǔ)能，以模擬最佳虛擬慣性。這種控制方案存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)中央控制器或通信鏈路發(fā)生故障時(shí)，孤島微電網(wǎng)失去協(xié)調(diào)性能。

在儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展起來(lái)之前，由于電儲(chǔ)能的充放電效率和壽命尚未完全成熟，且其維護(hù)成本和更換成本高，給系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了額外負(fù)擔(dān)。因此，早期研究證實(shí)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能的經(jīng)濟(jì)性較差[23]。

3.3 電儲(chǔ)能未來(lái)在光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻中的應(yīng)用趨勢(shì)及重難點(diǎn)

決定電儲(chǔ)能技術(shù)未來(lái)在光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻應(yīng)用趨勢(shì)的因素主要有：一是電儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，二是光伏系統(tǒng)配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性，三是國(guó)家政策。關(guān)于儲(chǔ)能的研究最早可追溯到18世紀(jì)80年代，技術(shù)已相對(duì)成熟，在許多應(yīng)用場(chǎng)景已實(shí)現(xiàn)商用。以下從光伏新能源側(cè)配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性、國(guó)家政策的支持2個(gè)方面來(lái)分析未來(lái)電儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)，并總結(jié)重點(diǎn)、難點(diǎn)。

3.3.1 新能源配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性

電儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源發(fā)電系統(tǒng)配置中的應(yīng)用主要包括：①提供一次調(diào)頻服務(wù)，滿足電網(wǎng)規(guī)定的優(yōu)先并網(wǎng)資格；②跟蹤發(fā)電計(jì)劃出力，平抑新能源出力波動(dòng)，降低棄電率，增加企業(yè)收入；③參與調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)，獲得輔助服務(wù)收益。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外紛紛出臺(tái)相關(guān)優(yōu)惠政策以降低發(fā)電企業(yè)配置儲(chǔ)能裝置的負(fù)擔(dān)。例如德國(guó)2016年初發(fā)布了“光伏+儲(chǔ)能”補(bǔ)貼計(jì)劃；韓國(guó)在2015年發(fā)布相關(guān)政策，規(guī)定可大幅提升配置儲(chǔ)能的新能源項(xiàng)目獲得可再生能源綠色證書的權(quán)重；美國(guó)針對(duì)配置了儲(chǔ)能系統(tǒng)且充電比例為75%以上的新能源發(fā)電企業(yè)，按充電比例給予30%的投資稅抵免。

國(guó)內(nèi)目前針對(duì)光伏、風(fēng)電新能源配置儲(chǔ)能的政策主要有2類：青海、新疆、西安等地的補(bǔ)貼和河南、遼寧、廣西等地的中標(biāo)優(yōu)先。青海針對(duì)自發(fā)自儲(chǔ)發(fā)售的省內(nèi)電網(wǎng)電量，給予0.10元/kWh的運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼，使用本省產(chǎn)儲(chǔ)能電池60%以上的，再額外增加0.05元/kWh的補(bǔ)貼；新疆對(duì)充電功率在10 MW以上、持續(xù)充電時(shí)間2 h以上、根據(jù)電力調(diào)度結(jié)構(gòu)指令進(jìn)入充電狀態(tài)的電量，給予0.55元/kW的補(bǔ)償；在廣西，配置儲(chǔ)能的項(xiàng)目獲得開(kāi)發(fā)權(quán)的得分更高，拿到項(xiàng)目的可能性更高。

電力市場(chǎng)的穩(wěn)步發(fā)展為光伏等新能源發(fā)電企業(yè)配置儲(chǔ)能帶來(lái)了除補(bǔ)貼、稅收等之外的更多收益。國(guó)內(nèi)部分省份(山東、東北三省、江西、甘肅)的輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則中明確規(guī)定“新能源+儲(chǔ)能”可參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，獲得輔助服務(wù)收益。

總的來(lái)說(shuō)，在光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)側(cè)配置儲(chǔ)能可獲得如補(bǔ)貼、減免或抵免稅收、提高可再生能源證書權(quán)重、項(xiàng)目中標(biāo)優(yōu)先權(quán)、參與市場(chǎng)交易獲得的收益等單項(xiàng)或多項(xiàng)收益(優(yōu)惠)，發(fā)電企業(yè)配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性逐步彰顯。

由以上分析可知，未來(lái)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置電儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性不再是制約電儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)中應(yīng)用的因素。

3.3.2 國(guó)家政策層面——要求保留有功備用或配置儲(chǔ)能系統(tǒng)

2021年7月15日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局出臺(tái)《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確了加快推進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原則和目標(biāo)，提出到2030年實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。此外還指出要推動(dòng)完善新型儲(chǔ)能檢測(cè)和認(rèn)證體系，推動(dòng)建立儲(chǔ)能設(shè)備制造、建設(shè)安裝、運(yùn)行能檢測(cè)和認(rèn)證體系，推動(dòng)建立儲(chǔ)能設(shè)備制造、建設(shè)安裝、運(yùn)行監(jiān)測(cè)的安全管理體系。

隨著“雙碳”目標(biāo)與新型電力系統(tǒng)概念的提出，新能源機(jī)組裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度面臨著極大的挑戰(zhàn)。因此，在光伏發(fā)電側(cè)配置儲(chǔ)能提供輔助服務(wù)、解決平抑新能源出力波動(dòng)性等問(wèn)題的重要性不言而喻[51]。目前國(guó)內(nèi)山西、寧夏、山東等地出臺(tái)政策，要求光伏、風(fēng)電等新能源電站保留有功備用或者配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，只有具備一次調(diào)頻功能的場(chǎng)站才允許并網(wǎng)運(yùn)行。未來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)中的應(yīng)用成為顯而易見(jiàn)的趨勢(shì)。

3.3.3 未來(lái)電儲(chǔ)能在光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)中應(yīng)用的重點(diǎn)、難點(diǎn)

近年來(lái)中國(guó)電力市場(chǎng)飛速發(fā)展，全國(guó)已基本完成第1批8個(gè)現(xiàn)貨試點(diǎn)的建設(shè)運(yùn)行，第2批現(xiàn)貨試點(diǎn)也正在逐步建設(shè)，以“電力中長(zhǎng)期市場(chǎng)+現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)+電力輔助服務(wù)市場(chǎng)”的格局將逐步形成。隨著電力市場(chǎng)的逐步完善，未來(lái)儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中如何優(yōu)化參與一次調(diào)頻、現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)、調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)市場(chǎng)，從而獲取多重收益，成為研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)之一。

此外，電儲(chǔ)能的安全問(wèn)題一直困擾著電力行業(yè)，2018年，韓國(guó)共有23個(gè)儲(chǔ)能電站起火。電儲(chǔ)能起火主要與電池單體、儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)、熱管理等有關(guān)，任一環(huán)節(jié)出問(wèn)題，均可能引起火災(zāi)。而且，因材料特殊，目前尚無(wú)有效的滅火措施。如何在技術(shù)上解決這個(gè)難題，也是未來(lái)電儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)中規(guī)模應(yīng)用的重點(diǎn)、難點(diǎn)之一。

4 結(jié)論與展望

無(wú)儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)方案的不足體現(xiàn)在：①多串光伏逆變器協(xié)調(diào)控制需要安裝多個(gè)光伏逆變器，成本較大；②直流鏈路電容器的電容器價(jià)格高昂，經(jīng)濟(jì)性差；③減載控制本質(zhì)使光伏發(fā)電系統(tǒng)偏離最大功率運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行，且許多減載控制方案需要價(jià)格高昂的傳感器來(lái)估計(jì)MAP，從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看也并非最佳方案；④模糊控制不需要建立精確模型，但缺乏系統(tǒng)性，無(wú)法定義控制目標(biāo)；⑤光伏發(fā)電系統(tǒng)和其他常規(guī)發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制只適用于有其他常規(guī)發(fā)電機(jī)組的光伏電站，但許多光伏電站單獨(dú)建設(shè)運(yùn)營(yíng)。

早期電儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)中應(yīng)用的不足主要體現(xiàn)在電儲(chǔ)能的充放電效率和壽命不成熟，且安裝維護(hù)成本高；因此，早期研究認(rèn)為，在光伏發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能經(jīng)濟(jì)性差。隨著電儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，其安裝維護(hù)成本大幅降低，且電儲(chǔ)能壽命、充放電效率得以保證(許多電化學(xué)儲(chǔ)能在1日充放電2次的情況下能達(dá)15年壽命、充放電效率高達(dá)95%)，原本制約的因素不復(fù)存在；此外，多省密集發(fā)布鼓勵(lì)或強(qiáng)制光伏、風(fēng)電等新能源配置儲(chǔ)能的政策。因此，不管從技術(shù)上還是政策上來(lái)看，未來(lái)光伏發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展必然離不開(kāi)電儲(chǔ)能。

盡管電儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展已相對(duì)成熟，但目前在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的規(guī)模化應(yīng)用還需解決2個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題：一是如何優(yōu)化一次調(diào)頻、參與電能量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)從而使獲得的多重收益最優(yōu)的問(wèn)題；二是儲(chǔ)能的安全問(wèn)題。