新能源場站一次調(diào)頻技術(shù)及參數(shù)配置分析

王 磊,于騰凱,陳鑠鑫,王秋莎

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.河北華瑞能源集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050021;3.中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050031)

1 概述

隨著國家新能源戰(zhàn)略的實(shí)施和新能源發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步,我國新能源電源得到了長足的發(fā)展,截止2021年1月河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)新能源裝機(jī)2 200萬k W,預(yù)計(jì)“十四五”期間河北南網(wǎng)新能源裝機(jī)總?cè)萘繉⑼黄? 000萬k W,超過火電裝機(jī)規(guī)模。

大規(guī)模新能源并網(wǎng)改變了河北南網(wǎng)的運(yùn)行方式,其間歇性、波_動(dòng)性、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等因素都給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了較大的壓力。隨著河北南網(wǎng)新能源在電網(wǎng)中占比不斷增加,常規(guī)同步機(jī)組占比逐漸下降,導(dǎo)致電網(wǎng)一次調(diào)頻能力隨之減弱,因此要求新能源需具備參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力[1-4]。

一次調(diào)頻是指當(dāng)電力系統(tǒng)頻率偏離目標(biāo)頻率時(shí),發(fā)電機(jī)組通過調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)反應(yīng),調(diào)整有功出力減少頻率偏差。發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻能力是維持電網(wǎng)功率平衡和安全穩(wěn)定的第一道重要屏障,其調(diào)節(jié)性能對電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性起著很重要的作用。風(fēng)電、光伏發(fā)電等電能的大規(guī)模并網(wǎng)會引入隨機(jī)功率擾動(dòng),影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。合理規(guī)范機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)和性能,對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和未來智能電網(wǎng)環(huán)境下的優(yōu)化調(diào)度具有重要的意義[5-10]。

2 新能源場站一次調(diào)頻技術(shù)改造

新能源場站一次調(diào)頻不同于火電機(jī)組一次調(diào)頻依靠原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)完成,新能源場站需利用自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(AGC)、單機(jī)或加裝獨(dú)立控制裝置完成有功-頻率下垂特性控制,使其在并網(wǎng)點(diǎn)具備參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)整能力。風(fēng)電場、光伏電站一次調(diào)頻改造技術(shù)思路相同,以光伏電站為例,一次調(diào)頻改造可行方案主要有3種:AGC系統(tǒng)改造、逆變器改造和加裝一次調(diào)頻響應(yīng)裝置。

2.1 AGC系統(tǒng)改造

通過在AGC系統(tǒng)現(xiàn)有的軟件中增加控制模塊來實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能,如圖1所示。AGC系統(tǒng)接收光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率和功率信號,按要求判定和計(jì)算后,通過通信單元將功率調(diào)節(jié)命令下發(fā)給光伏逆變器。

圖1 基于AGC改造的光伏電站一次調(diào)頻響應(yīng)方案

(1)優(yōu)點(diǎn):無需改動(dòng)光伏電站自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)架構(gòu)。

(2)缺點(diǎn):現(xiàn)有光伏電站測控裝置的測頻精度、頻率采樣周期大多無法滿足頻率響應(yīng)的快速性要求,需要根據(jù)光伏電站實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化或加裝專用高精度測頻模塊。通信環(huán)節(jié)較多,響應(yīng)時(shí)間較長,需優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 逆變器改造

對光伏逆變器進(jìn)行軟硬件改造,增加通信/采樣模塊,實(shí)現(xiàn)發(fā)電單元有功-頻率下垂控制,實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能,如圖2所示。各發(fā)電單元都主動(dòng)參與頻率響應(yīng),使得整個(gè)新能源電站對外表現(xiàn)為具有一次調(diào)頻響應(yīng)功能。

圖2 基于逆變器改造的光伏電站一次調(diào)頻響應(yīng)方案

(1)優(yōu)點(diǎn):逆變器能夠非?？焖俚仨憫?yīng)頻率事件。

(2)缺點(diǎn):現(xiàn)有光伏電站測控裝置的測頻精度、頻率采樣周期大多無法滿足頻率響應(yīng)的快速性要求,需要根據(jù)光伏電站實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化或加裝專用高精度測頻模塊。光伏電站閉環(huán)調(diào)節(jié)難度較大,需解決并網(wǎng)點(diǎn)調(diào)頻一致性問題。光伏電站逆變器數(shù)量眾多,改造工作量巨大,而且很難開展現(xiàn)場測試。

2.3 加裝一次調(diào)頻響應(yīng)裝置

一次調(diào)頻響應(yīng)裝置內(nèi)置高精度測頻模塊,如圖3所示,當(dāng)出現(xiàn)頻率越限時(shí),一次調(diào)頻響應(yīng)裝置啟動(dòng)調(diào)節(jié),通過疊加AGC指令,將命令發(fā)送到通信單元,最后由通信單元完成對逆變器的指令下發(fā),并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)監(jiān)測功率調(diào)節(jié)結(jié)果,形成閉環(huán)控制。

圖3 基于加裝裝置的光伏電站一次調(diào)頻響應(yīng)方案

(1)優(yōu)點(diǎn):對于現(xiàn)有電站和新建站可以做到兼容,改造周期短。直接與現(xiàn)有通信單元連接,頻率異常時(shí)可在一定程度上縮減系統(tǒng)的通信時(shí)間,提高響應(yīng)速率。

(2)缺點(diǎn):需進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,并完成與AGC控制策略協(xié)調(diào)。

對比上述3種新能源場站一次調(diào)頻技術(shù),加裝一次調(diào)頻響應(yīng)裝置優(yōu)點(diǎn)明顯,目前新能源場站基本采用此種方式進(jìn)行一次調(diào)頻改造。

3 新能源場站一次調(diào)頻技術(shù)參數(shù)配置分析

3.1 下垂特性

新能源場站通過一次調(diào)頻響應(yīng)控制系統(tǒng)完成并網(wǎng)點(diǎn)的有功-頻率下垂控制,使新能源場站在并網(wǎng)點(diǎn)具備參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)節(jié)的能力,且不影響原有監(jiān)控系統(tǒng)和AGC系統(tǒng)性能和功能。一次調(diào)頻響應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)定頻率變化死區(qū)定值,當(dāng)頻率變化越過死區(qū)時(shí),一次調(diào)頻響應(yīng)功能通過設(shè)定頻率與有功功率折線函數(shù)(有功-頻率下垂特性曲線函數(shù))實(shí)現(xiàn),即:

式中:fd為一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū),Hz;fn為系統(tǒng)額定頻率,50 Hz;Pn為新能源場站額定功率,MW;δ%為新能源場站一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)差率;P0為新能源場站有功功率初值,MW。

3.2 參數(shù)分析設(shè)置

3.2.1 一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)

依據(jù)GB/T 40595-2021《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》征求意見稿:風(fēng)電場站一次調(diào)頻的死區(qū)宜設(shè)置為±0.03～0.06 Hz,光伏場站一次調(diào)頻的死區(qū)宜設(shè)置為±0.02～0.05 Hz,參考火電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)為±0.033 Hz、冀北電網(wǎng)一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)為±0.05 Hz,設(shè)置河北南網(wǎng)一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)為±0.05 Hz。

3.2.2 一次調(diào)頻響應(yīng)限幅

依據(jù)GB/T 40595-2021《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》征求意見稿:當(dāng)系統(tǒng)頻率低于額定頻率時(shí),新能源場站應(yīng)根據(jù)一次調(diào)頻曲線增加有功功率輸出,一次調(diào)頻有功功率調(diào)節(jié)量限幅值宜設(shè)置為3%～6%Pn;當(dāng)系統(tǒng)頻率高于額定頻率時(shí),新能源場站應(yīng)根據(jù)一次調(diào)頻曲線減少有功輸出,一次調(diào)頻有功功率調(diào)節(jié)量限幅值一般不小于10%Pn,考慮“十四五”期間河北南網(wǎng)新能源裝機(jī)總?cè)萘繉⑼黄? 000萬k W,并參考西北電網(wǎng)一次調(diào)頻響應(yīng)限幅為10%Pn,設(shè)置河北南網(wǎng)一次調(diào)頻響應(yīng)限幅為10%Pn。

3.2.3 一次調(diào)頻響應(yīng)頻率結(jié)束點(diǎn)

一次調(diào)頻響應(yīng)頻率結(jié)束點(diǎn)指電網(wǎng)頻率超過此范圍,新能源不需再進(jìn)行功率調(diào)整。

采用中國電力科學(xué)研究院有限公司bpa程序,基于國家電力調(diào)度中心2021年夏季低負(fù)荷數(shù)據(jù),考慮采用華北孤網(wǎng)方式,河北南網(wǎng)開機(jī)1 720萬k W,負(fù)荷2 950萬k W,忻都-石北500 k V線路嚴(yán)重故障,錦界、府谷電廠機(jī)組損失全部出力,功率沖擊為624萬k W,電網(wǎng)頻率最低跌幅0.15 Hz,如圖4所示,設(shè)置河北南網(wǎng)一次調(diào)頻響應(yīng)頻率結(jié)束點(diǎn)為±0.15 Hz。

圖4 華北主網(wǎng)頻率變化

3.2.4 一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)差率

依據(jù)一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)、響應(yīng)限幅、頻率結(jié)束點(diǎn)及公式(1),可得出一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)差率為2%。

河北南網(wǎng)新能源場站一次調(diào)頻響應(yīng)功能的有功-頻率下垂特性曲線如圖5所示。

圖5 新能源場站一次調(diào)頻功能下垂特性

4 實(shí)例驗(yàn)證及效果

在某額定功率為35 MW的新能源場站安裝一次調(diào)頻響應(yīng)裝置,并按照上述參數(shù)進(jìn)行配置,開展新能源場站一次調(diào)頻響應(yīng)現(xiàn)場測試。采用三相調(diào)頻調(diào)壓信號源模擬并網(wǎng)點(diǎn)頻率階躍變化從50 Hz到49.896 Hz,電量分析記錄儀錄取波形,如圖6所示。

圖6 新能源場站一次調(diào)頻階躍響應(yīng)曲線

圖6 中,f為頻率階躍曲線,Pref為理論有功響應(yīng)曲線,Pact為實(shí)際有功響應(yīng)曲線。通過曲線可以看出,功率由18.93 MW到20.83 MW,上述數(shù)據(jù)通過公式(1)及參數(shù)配置可以得到驗(yàn)證,證明了一次調(diào)頻響應(yīng)裝置的準(zhǔn)確性,實(shí)際有功曲線能夠準(zhǔn)確跟蹤理論有功曲線,證明了該裝置的有效性。

依據(jù)DL/T 1870-2018《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》要求,通過圖6可以看出一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間為1.8 s,一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)速率時(shí)間為2.3 s,一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間為5.4 s,調(diào)頻控制偏差為0.32%,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

河北南網(wǎng)新能源場站一次調(diào)頻改造后,依據(jù)本文參數(shù)配置,可大幅提升一次調(diào)頻能力,初步估算為1 100 MW。

5 結(jié)束語

本文分析了新能源場站一次調(diào)頻改造的3種方式及其優(yōu)缺點(diǎn),針對河北南網(wǎng)新能源場站進(jìn)行了一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)、響應(yīng)限幅、頻率結(jié)束點(diǎn)、調(diào)差率等參數(shù)的分析計(jì)算,能夠?yàn)樾履茉磮稣鹃_展一次調(diào)頻技術(shù)改造、現(xiàn)場試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。依據(jù)本文參數(shù)配置一次調(diào)頻響應(yīng)裝置,通過現(xiàn)場實(shí)測,驗(yàn)證了頻率階躍擾動(dòng)下裝置工作的準(zhǔn)確性和有效性。