从2015年底至今，我国光伏和风机的装机容量一直位居世界首位，并仍呈现增长趋势。根据国家能源局数据，截至2020年底，我国光伏并网发电装机容量累计达到2.53亿kW（占总装机容量的12%）。到2030年，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。未来利用太阳能发电将会成为主流能源利用形式，然而已投运光伏机组普遍采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法，使其无法参与系统的一次调频且缺乏传统发电机的惯量阻尼特性，电力系统更容易受到功率波动和系统故障的影响。

针对该问题，部分新能源高渗透国家/地区已明确要求新能源发电机组必须具备一定的参与电网调频能力。我国《电力系统网源协调技术规范》（DL/T1870—2018）中已明确了“新能源一次调频技术”相关要求。新能源（风电场、光伏发电站）通过保留有功备用或配置储能设备，并利用相应的有功控制系统来实现一次调频功能。要求并网运行时一次调频功能始终投入并确保正常运行。

配置电池或超容储能方案具有可控性强的特点，不仅可以参与一次调频，还可以提供快速的惯量功率支援来抑制系统频率快速波动；能够多模式和多场景运行，尤其适用于离网模式和夜间场景。目前，针对光伏机组配置储能装置的方案已有较多研究，分为光储一体化并网结构和光伏、储能独立并网结构，其在国内的示范工程中均有应用。但在应用实践中仍然存在一些问题，如配套测试规范的量化指标不清晰、关键参数的整定、储能单元的配置以及调频效果方面还有待优化与提升。

有功备用方案需要为参与调频预留一定的备用容量。该方案的初衷是解决配置储能方案的造价和维护成本较为昂贵的问题，而且部分地区的光伏电站还存在“弃光”现象，但有功备用方案降低了光伏发电效益。有关文献对配置储能方案和有功备用方案分别进行了研究和验证。基于场景及需求，这两种方案有效结合抑或是其他方案，最终寻求更经济更有效的应用方案是大规模新能源机组参与电网调频亟待解决的问题之一。

针对两种方案的比较，有学者从平抑光伏并网功率波动的需求出发，通过电价对比分析表明配置电池储能与减载运行相配合是最经济的方案。有学者针对双馈风电机组参与一次调频的需求，探索了配置储能和变功率跟踪方案的结合，提出一种双馈风电机组和超级电容储能的协调控制策略，进行技术性和经济性两方面的论证，结果表明协调控制方案优于预留 10%备用容量的方案。然而，针对光伏机组参与一次调频和惯量支撑的场景及需求，变功率跟踪与储能相结合的控制方案鲜有报道，有待探索储能提升光伏机组调频效果的协调控制策略。

为改善调频效果，在一次调频控制基础上，增加的基于频率变化率（Rate of Change of Frequency，RoCoF）反馈的虚拟惯量控制也被广泛采用。但由于突加负荷扰动下锁相环（Phase Locked Loop, PLL）或锁频环（Frequency Locked Loop, FLL）难以精确测量实际的频率变化率响应，虚拟惯量控制效果欠佳。当前，针对频率变化率难以准确测量的原因和改进方法的研究并没有得到足够重视。

为了提高惯量支撑控制效果，有学者放弃锁相环，而直接通过通信的方式获取虚拟同步机的内禀角频率和频率变化率，进而用作光储单元虚拟惯量控制环节的输入信号。这种方式依赖高带宽通信，不适用于分布式和分散式结构微电网。有学者提出一种自适应机制，可以提高相位大范围跳变情况下锁相环相位角和频率响应的动态性能。但负荷突变伴随的相位角变化量较小，此时的自适应锁相环无法改善频率测量性能。因此，有必要研究突加负荷扰动下频率变化率难以准确测量的原因和改进方法。

为了增强调频能力，华北电力大学河北省分布式储能与微网重点实验室、国网河北省电力有限公司电力科学研究院的研究人员贾焦心、颜湘武、李铁成、王俣珂、马宏斌，在2022年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种储能辅助光伏机组实现虚拟惯量和一次调频的协调控制策略，在保证光伏发电效益的同时能够减少一半的储能容量。

图1 协调控制框图

图2 协调控制流程

该策略在无频率扰动时光伏运行在最大功率点处，当频率升高时通过VPPT减少光伏出力，当频率降低时由备用的储能装置提供调频功率。为提升惯量支撑效果，针对锁相环难以精确测量实际频率及频率变化率的问题，进行了分析和改进。

研究人员指出，该控制策略不仅能够减小准稳态频率的正/负偏差，而且能够抑制频率的快速波动。同时，其通过VPPT模式和MPPT模式的切换能够保证在光照强度突减后光伏机组不会运行到P-U曲线的左侧不稳定区域。

而构建的频率响应模型能够准确描述光储系统的功频动态特性。锁相环难以准确测量RoCoF是由突加负荷扰动下实际节点电压相位发生突变导致的。改进的RoCoF测量方法能够使测量值更接近于实际值，避免了由锁相环直接测量引起的惯量支撑功率回落/跌落现象。

他们表示，与有功备用控制相比，该控制策略在取得相同一次调频效果的同时具有更好的惯量支撑效果，且配置储能的年均投资仅为预留备用容量损失的一半，其研究成果对于大规模光伏发电系统的技术升级和改造具有一定的参考意义。

本文编自2022年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“基于改进RoCoF测量方法的储能辅助光伏机组快速调频策略”。本课题得到了国网河北省电力公司科技项目和北京市自然科学基金项目的支持。