由于风力发电和光伏发电有功出力具有波动性和间歇性，随着新能源的渗透率不断提高，新能源并网运行给电网频率安全带来很大挑战:(1)新能源电站普遍不参与电网一次调频，大量新能源替代常规电源后，系统的转动惯量和频率调节能力大幅减小，弱化了电网的一次调频能力。(2)随着中国新能源持续快速发展，已配套建设了多条特高压直流输电通道。直流大功率闭锁导致系统出现大容量功率缺额的同时，会引起送端、受端系统频率和电压大幅突变。新能源机组调节速度快，且利用新能源电站的调频能力可大幅降低常规调频备用容量，新能源电站深入参与电网一次调频不失为一种很好的选择。围绕新能源电站参与一次调频，目前已经有很多研究和实践项目在进行。其中，有利用附加储能来提升调频能力，也有利用风电机组、逆变器等新能源电站自身发电设备来提供一次调频能力。储能可快速响应、精确跟踪，具有很好的调频特性，但受限于价格昂贵难以大规模推广。利用新能源电站自身发电设备参与调频的研究多着眼于风力发电机组，主要采用方法有虚拟惯性控制、下垂控制及转子转速控制等;而在光伏发电系统参与电网调频研究较少，且集中于微网、分布式发电系统领域，多数采用分散控制方式在光伏逆变器侧实现有功－频率下垂特性，但在工程应用中存在逆变器数量众多且独立进行频率采样导致难以统一协调问题，对于集中并网光伏电站站级调频控制还有待进一步研究和应用。
光伏电站的一次调频控制增益
光伏电站参与系统一次调频的模型除了考虑调差控制外，还需考虑时间常数，经过近3年的现场试验和试运行，目前普遍认为：相比单机调频方式，通过光伏电站的场站级功率控制系统来实施一次调频更为合适，而通过场站级功率控制系统进行一次调频需要考虑2个时间常数，一个是场站级功率控制系统指令传输到逆变器的时间，另一个是逆变器执行的时间，可分别用一个惯性环节表示。因此，结合美国西部电力协调委员会(WECC)的光伏电站有功/频率控制模型，光伏电站接入系统(含常规电源)的一次调频控制系统模型如图1所示。
图1 光伏电站接入电力系统的一次调频控制框图
其中：GT(s)为常规电源的一次调频控制传递函数；NTS(A)为常规电源的饱和描述函数；NTD(A)为常规电源的死区描述函数；kd为常规电源的一次调频控制增益；GR(s)为光伏的一次调频控制传递函数；NRS(A)为光伏的饱和描述函数；NRD(A)为光伏的死区描述函数；kRd为光伏的一次调频控制增益。
光伏电站一次调频控制增益的仿真验证
在上述网架基础上，加入容量为900MWp的光伏电站，如图2所示。
图2光伏电站接入电力系统接线
光伏电站和常规电源机组(火电机组)采用图1所示模型。调整潮流，使得光伏电站出力占所有电源总出力的45%(即KMPV=0.45)，t=5s时，负荷突增10%，在该扰动下，此时调频控制增益kRd的临界值为521.6，分别设置调频控制增益为510、521.6、530时的系统频率仿真结果如图3所示。
由图3可见，当光伏电站的调频控制增益设为510时(小于临界增益)，在系统出现负荷扰动时，系统频率在光伏电站和常规电源机组的调频控制系统共同作用下能够恢复稳定，与理论分析结果一致；当光伏电站的调频控制增益设为530时(大于临界增益)，系统频率最终呈现等幅振荡，与理论分析结果相同；而等于临界增益时，仿真结果仍然能够慢慢稳定下来，说明仿真计算和理论结果之间仍存在较小的偏差，由于理论计算模型与仿真分析模型之间不可避免地存在一定差异，因此该结果也是合理的。此外，笔者分析了不同的光伏出力占比情况下调频控制增益的临界值，分别做了25%、35%、55%、65%几个工况，初步发现：随着光伏并网渗透率的不断增大，调频控制增益的临界值不断减小。
三、结论
随着光伏发电等新能源并网渗透率的不断快速提高，国内外许多国家要求新能源具备参与系统一次调频的能力，其中，调频控制增益是一个关键参数，其数值设置多少比较合适？不同标准或机构给出的推荐参数差异较大，欠缺理论分析，不合适的参数可能导致频率调节不稳定，该问题将随着新能源并网渗透率的不断增加而愈发突出。本文采用基于描述函数的非线性奈奎斯特稳定性判据，分别研究给出了常规电源和光伏电站的调频控制增益稳定范围，并通过算例验证了理论分析方法和分析结果的正确性。
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