引言：当下人类面临的资源问题及环境问题日益险峻，同时这种情况也刺激了能源行业各种新能源概念的出现及具体技术的应用，如电力行业中以太阳能为主要能源的光伏发电，在整个电力系统中所占的比重就不断上升。但同时也是因为光伏发电本身具有较高的不稳定性，并入电网之后将造成十分显著的频率波动，这种波动必然会在一定程度上影响电网系统的正常运行，因此针对光伏发电站大规模并网频率主动控制的研究也就显得很有必要。
1.光伏发电站并网典型系统接线解析
光伏发电站的并网需首先灵活运用并联、串联方式形成光伏阵列，之后通过电缆将光伏阵列接入防雷汇流箱，之后则将若干防雷汇流箱接入直流配电柜，且所有接入的直流配电柜均需布置在逆变站中。逆变站中的逆变器在接入直流配电柜后会对其进行整流，再在另一侧接入规格400V的配电装置，经升压变压器升压处理、并整合5-10个发电单元（一台升压变压器是一个发电单元）接入汇集站内的10kV规格配电装置，最后接入电网[1]。
2.光伏发电站大规模并网频率主动控制方法设计
2.1确定光伏发电阵列规模
设计光伏发电站大规模并网的频率主动控制方法，需要以确定光伏发电阵列规模为前提，其目的是为了有效计算串联数量。若单一发电阵列中存在N个光伏组件，并将之串联成X*Y的发电阵列，则阵列连接情况如下图1所示。
图1 光伏发电阵列
该阵列中每行有X个光伏组件，每列有Y个光伏组件，则所有光伏组件数量N为X与Y之积，若分别设定光伏电路短路电流为In，等效电流为Ifp，短路电压为Ui，电池串电流量为Iq，开路电阻值为Rs，光照强度为Di，组件温度为Ti，则可获得公式如下。
计算后发现若能保证公式中In不超过10，则可判定该X×Y光伏串联阵列成立。
2.2结合不同阴影模式建立对应光伏阵列电路模型
由于光伏电路会受光照强度及阴影半径变化影响，因此需结合不同阴影模式建立不同的光伏阵列电路模型。若图1中光伏阵列在对角线两端分别存在两处阴影，则需综合计算两处阴影重叠区域、未重叠区域及无阴影区域。在求得不同阴影模式下光伏阵列表达式之后，还需计算两处阴影移动速度、相对位置及移动时间，以确定两处阴影的实时面积并建立光伏阵列直流升压电路模型，从而获取各元件的平衡状态，并进一步推导出光伏阵列电感的计算方法[2]。通过该计算方法可获取最佳电感及滑阻电压，从而有效应对光伏阵列在不同阴影模式下的表现。
2.3设计并网频率主动控制方法
此次光伏阵列并网频率主动控制方法的设计，是基于光伏阵列频率波动平抑算法实现的，其算法模型如下图2所示。
图2 光伏阵列并网频率主动控制算法模型
模型中遗忘因子按照通常值取0.5-1.2，则此算法实现的重点在于判断何种状态下满足对应平抑要求，因此在计算方式上涉及到众多要素。若将各涉及要素中的当前系统频率设定为fx+1，将频率最大最小值界限设定为fx，将观测增益系数设定为Fg，将系统误差设定为Du，则可得出如下公式。
通过对上述公式的辨析可得，在fx+1小于0的情况下可确保该光伏阵列满足算法平抑要求；若出现fx+1不小于0的任何情况，则判定为算法平抑要求未满足。结合图2及上述公式可获得光伏阵列频率波动的平抑算法，而借助该平抑算法，则能保证文中提及的光伏发电站实现大规模并网后，其对电网产生的频率扰动得以被控制在一定区间之内，从而实现光伏发电站大规模并网频率的主动控制。
3.实例分析
3.1案例内容
某地新建一所新能源光伏发电站，此光伏发电站被用于改善当地新城区产业园区的能耗结构，并因此成为该地区未来数十年节能减排规划的重要执行部分。投入运行后发现该新能源光伏发电站年均发电量可达到3623.52万kWh，换算后得出这种规模的发电量能为当地每年节约标准燃煤12023.4t。实地考察后发现该光伏发电站共有30余处并网，整体并网容量超过200MW，单个光伏阵列项目容量超过1.3MW。在获得有关部门及发电站负责人的许可后，计划将文中设计的主动控制方法应用到该光伏发电站中。
3.2对并网系统内负荷骤然减小的处理
实际应用时按照发电站具体状况设计了对应的仿真模型，所有应用均在仿真模型内执行。首先针对并网系统内负荷骤然减小进行测试，降低模型内负荷后记录1000s内两处光伏系统及储能系统的功率变化状况，发现光伏系统在运行至200s出现负荷减小后，其功率出现小幅度下降，此时两处储能系统功率出现明显下降，分别降低25kW、30kW。结合功率变化状况及频率响应图像来看，不含光储、仅含光伏及包含光储（三种接线方式，光储即储能系统）的三种频率在200s负荷骤然降低时出现大幅提升，其中包含光储频率提升最大，仅含光伏频率提升程度次之，不含光储的频率提升最小。此外在运行时间抵达400s时，不含光储的频率恢复正常，另两者在超过500s之后才逐渐接近正常水准，且与之前一样频率存在小幅度波动。三种频率在负荷骤减时的最大值、最小值分别为50.12-49.76（不含光储）、49.86-50.43（仅含光伏）、50.64-49.67（包含光储）。此次实验结果证实频率波动最小值为包含光储系统的49.67Hz，频率波动最大值同样为包含光储的50.64Hz。该并网系统是否超出正常工作频率（49.0-50.8Hz），还需对比负荷骤然增大的实验结果才能得出结论。
3.3对并网系统内负荷骤然增大的处理
其他条件与负荷骤然减小相同，但对仿真模型的负荷采取骤然提升的策略。实验结果发现200s以前系统保持正常运行，抵达200s之后系统中负荷骤然增长，此时两处光伏系统输出功率未发生改变，但两处储能系统的输出功率出现不同程度的快速提升，且三种不同接线条件下的并网系统，均于较短时间内先后表现出频率骤降、并很快恢复至原有频率的状况。在并网系统内负荷骤然增大的情况下，三种接线方式频率最大及最小值表现为49.77-49.34（不含光储）、49.89-49.23（仅含光伏）、49.90-49.24（包含光储）。对比负荷骤然缩小实验，频率最大值未超过前者，频率最小值也未低于正常工作频率范畴。
结语：本次实验为光伏发电站大规模并网提供了一种频率主动控制方法，并通过实验确定该主动控制方法能够在光伏发电并网后实现电网频率主动控制，从而保证电网正常、安全、稳定运行。
参考文献：
[1] 林宇杰.新能源光伏发电站大规模并网频率主动控制研究[J].能源与环保.2022（5）：210-215.
[2] 刘刚、陈海东、孙睿哲，等.集群光伏电站频率主动支撑自校正控制方法[J].中国电力.2022（9）：156-162.
