新型電力系統(tǒng)頻率緊急控制改進(jìn)方案研究

褚旭，許立強(qiáng)，嚴(yán)亞兵，劉琦

(1.國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心(湖南大學(xué))，湖南 長(zhǎng)沙410082；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007)

0 引言

當(dāng)前，世界各國(guó)正處于電力系統(tǒng)清潔能源化轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵階段[1]，我國(guó)提出“雙碳”戰(zhàn)略，逐步推進(jìn)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)借助電力電子技術(shù)，向高比例可再生能源接入、負(fù)荷側(cè)電能拓展利用的新型電力系統(tǒng)深度轉(zhuǎn)型[2－4]。以湖南省為例，截至2022年4月，湖南電網(wǎng)風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量約1 310萬(wàn)kW，其中風(fēng)電830萬(wàn)kW、集中式光伏235萬(wàn)kW、分布式光伏245萬(wàn)kW；計(jì)劃2030年湖南省非化石能源發(fā)電比重達(dá)到25%左右，風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恐? 000萬(wàn)kW以上；計(jì)劃到2060年，湖南省非化石能源發(fā)電比重達(dá)到80%以上。

隨著可再生能源裝機(jī)及出力占比不斷提高，火電機(jī)組調(diào)峰下限不斷降低至30%額定負(fù)荷，運(yùn)行在50%額定負(fù)荷以下的時(shí)間逐年變長(zhǎng)，特別是在3—5月豐水期，火電機(jī)組全天24 h深度調(diào)峰運(yùn)行，“帶低負(fù)荷火電、弱有功支撐”特征凸顯。同時(shí)，湖南電網(wǎng)作為±800 kV祁韶特高壓直流受端，2021年輸入電量為360.6億kW·h，較2020年同期增加約14.3%；第二回寧夏—湖南直流預(yù)計(jì)“十四五”末建成，外電入湘增長(zhǎng)顯著。高比例可再生能源、高壓直流受端接入下，湖南電網(wǎng)火電調(diào)峰容量占比增加、頻率調(diào)節(jié)容量不足，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷減小、頻率變化率增大，湖南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題凸顯，大干擾后系統(tǒng)支撐能力有待提升。

在大擾動(dòng)事故發(fā)生后，系統(tǒng)通過(guò)頻率緊急控制(frequency emergency control，F(xiàn)EC)及時(shí)調(diào)控，即在全網(wǎng)內(nèi)切除適量的機(jī)組或負(fù)荷來(lái)控制高頻或低頻事故?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)頻率緊急控制研究多集中于綜合低頻減載、自動(dòng)切負(fù)荷、直流緊急功率支援、高頻切機(jī)等多種控制方式組合的頻率緊急控制方案研究[5]。文獻(xiàn)[6]提出一種綜合直流調(diào)制、穩(wěn)控切機(jī)、虛擬慣量和需求響應(yīng)的多階段協(xié)調(diào)頻率緊急控制策略，以保障高水電占比送端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]提出一種新能源機(jī)組協(xié)同常規(guī)機(jī)組的緊急頻率控制優(yōu)化策略，從而維持系統(tǒng)頻率安全并將含高滲透率新能源發(fā)電送端電網(wǎng)對(duì)直流閉鎖故障的控制代價(jià)最小化。文獻(xiàn)[8]提出一種基于考慮非線性因素系統(tǒng)大頻差下頻率解析模型的綜合時(shí)－空條件的緊急控制協(xié)調(diào)配合方法，該方法通過(guò)減小頻率最大偏移量、改善頻率時(shí)空分布，提高電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]通過(guò)ZIP負(fù)荷近區(qū)光伏的頻率－無(wú)功下垂控制調(diào)整并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓，間接控制ZIP負(fù)荷有功功率，從而構(gòu)建具備本地快速響應(yīng)能力的“源－荷”協(xié)調(diào)頻率控制策略。

我國(guó)發(fā)改委、能源局發(fā)布?關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)??“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案?。預(yù)計(jì)到2025年，新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)30 GW，健全“新能源＋儲(chǔ)能”激勵(lì)機(jī)制，強(qiáng)制儲(chǔ)能配比不低于10%，儲(chǔ)能應(yīng)用步入規(guī)?；l(fā)展階段。湖南省發(fā)布?關(guān)于加快推動(dòng)湖南省電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)?，預(yù)計(jì)2023年建成儲(chǔ)能電站150萬(wàn)kW·h。為提升火電機(jī)組調(diào)頻能力，火電廠內(nèi)配置儲(chǔ)能構(gòu)成新型聯(lián)合電源，預(yù)計(jì)2022年底湖南省部分火電廠火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻投入運(yùn)行。寧夏、山東等省份出臺(tái)補(bǔ)貼政策，優(yōu)先調(diào)用儲(chǔ)能試點(diǎn)項(xiàng)目，并給予電價(jià)補(bǔ)償。

本文以具有高壓直流受端接入、高比例可再生能源、分布式有源配電網(wǎng)等特征的湖南電網(wǎng)為研究對(duì)象，提出一種計(jì)及含分布式電源配電網(wǎng)至主網(wǎng)間輸電通道功率方向和儲(chǔ)能功率吞吐能力的頻率緊急控制改進(jìn)方案，從而通過(guò)分輪次動(dòng)作切機(jī)策略精確切機(jī)降低系統(tǒng)高頻，通過(guò)傳統(tǒng)法精確切負(fù)荷提升系統(tǒng)低頻。

1 新型電力系統(tǒng)及其頻率特性

1.1 新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)

本文以湖南電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，湖南電網(wǎng)位于華中電網(wǎng)末端，通過(guò)±800 kV祁韶直流連接西北電網(wǎng)，通過(guò)3回500 kV線路(鄂湘聯(lián)絡(luò)線)連接湖北電網(wǎng)，通過(guò)1 000 kV瀟湘－贛江特高壓交流連接江西電網(wǎng)。因此，湖南電網(wǎng)“特高壓直流密集饋入，交直流緊密耦合”特性明顯，屬于典型的受端系統(tǒng)。湖南電網(wǎng)500 kV主網(wǎng)架如圖1所示，湖南電網(wǎng)共分為6大供電區(qū)域(湘中、湘南、湘北、湘西南、湘西北、婁邵地區(qū))，其中火電等不可再生能源和風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源的電源主要分布在湘西北和湘西南地區(qū)，而負(fù)荷主要集中在湘中(長(zhǎng)沙、株洲、湘潭)和湘南地區(qū)(衡陽(yáng)、郴州、永州)。

圖1 500 kV湖南電網(wǎng)主網(wǎng)架

1.2 頻率特性

1)同步機(jī)類電源頻率特性

火電與水電等同步機(jī)類電源，其轉(zhuǎn)子慣性具有頻率調(diào)節(jié)特性。當(dāng)系統(tǒng)中吸收或發(fā)出功率發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩將會(huì)不平衡，導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而使得頻率f發(fā)生變化，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示。

式中，JG＝∫r2dm表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r、剛體質(zhì)量相關(guān)；ωG、ωn、ΔωG分別表示轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速偏差；Pm、Pe分別表示發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率。

傳統(tǒng)電源瞬時(shí)頻率響應(yīng)過(guò)程包括:①擾動(dòng)功率分配階段，傳統(tǒng)電源輸出電勢(shì)相位不能突變，功率偏差按照同步功率系數(shù)在傳統(tǒng)電源間分配，電機(jī)類電源或負(fù)荷以慣量形式響應(yīng)功率不平衡，引起轉(zhuǎn)速/頻率響應(yīng)如式(1)所示；②一次調(diào)節(jié)階段，機(jī)組調(diào)速器響應(yīng)功率波動(dòng)，提供支撐減小頻率偏差；③二次調(diào)節(jié)階段，自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)控制容量充足，機(jī)組增加功率輸出，消除頻率偏差。如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)功率變化引起頻率偏差超過(guò)調(diào)頻死區(qū)，同步電機(jī)類電源通過(guò)一次調(diào)頻與二次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)頻率控制。

圖2 電力系統(tǒng)調(diào)頻特性

2)逆變器類電源頻率特性

新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)電、光伏等可再生能源經(jīng)由電力電子換流器接入系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，逆變器類電源控制系統(tǒng)迅速響應(yīng)，維持恒定功率/最大功率跟蹤輸出；不具備頻率調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子慣量∑JGi減小，可調(diào)頻電源容量占比縮減，頻率偏差ΔfG、頻率變化率dΔfG/dt等特性惡化。作為逆變類電源，其可通過(guò)虛擬慣量控制等控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率的支撐，但將導(dǎo)致可再生能源發(fā)電量降低，影響高效利用。

3)計(jì)及儲(chǔ)能環(huán)節(jié)電力系統(tǒng)頻率特性

為了保證可再生能源的高效消納、保障新型電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，利用儲(chǔ)能環(huán)節(jié)功率靈活與快速調(diào)節(jié)特性，為新型電力系統(tǒng)有功平衡與頻率優(yōu)化提供支撐。如圖2所示，其通過(guò)一次調(diào)頻與二次調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率偏差的改善，并通過(guò)換流器快速響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率變化率的改善。此外，新型電力系統(tǒng)中包含分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)，其安裝位置分散，電源容量分散，經(jīng)由末端配網(wǎng)接入。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)頻率特性，可充分利用分布式充能系統(tǒng)安裝位置與綜合容量?jī)?yōu)勢(shì)，構(gòu)建頻率緊急控制優(yōu)化方案。

2 頻率緊急控制策略

2.1 頻率控制策略

GB 38755—2019?電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則?指出，系統(tǒng)已投運(yùn)光伏電站應(yīng)盡可能參與系統(tǒng)調(diào)頻；依據(jù)GB/T 33599—2017?光伏發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)行控制規(guī)范?，當(dāng)系統(tǒng)頻率f高于50.2 Hz，光伏發(fā)電站須按照電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令降低其有功功率，嚴(yán)重情況下須切除整個(gè)光伏發(fā)電站。根據(jù)湖南光伏電站頻率適應(yīng)性要求，當(dāng)50.2 Hz50.5 Hz時(shí)，光伏發(fā)電站立刻終止向電網(wǎng)送電，且不允許處于停運(yùn)狀態(tài)的光伏發(fā)電站并網(wǎng)。

根據(jù)GB/T 19963.1—2021?風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定第1部分:陸上風(fēng)電?，當(dāng)系統(tǒng)頻率高于50.5 Hz時(shí)，風(fēng)力發(fā)電站根據(jù)調(diào)度指令快速降低其輸出有功功率，嚴(yán)重情況下可通過(guò)安全自動(dòng)裝置快速切除風(fēng)電場(chǎng)，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)有功功率變化可超出調(diào)度機(jī)構(gòu)規(guī)定的有功功率變化最大限值?？紤]到風(fēng)電功率的波動(dòng)性，以及當(dāng)前大部分風(fēng)電場(chǎng)無(wú)法參與一次調(diào)頻的現(xiàn)狀，風(fēng)電接入電網(wǎng)后，頻率控制能力下降；可以考慮在發(fā)生高頻故障的情況下，優(yōu)先切除風(fēng)電機(jī)組，盡量保證更多的常規(guī)機(jī)組參與一次調(diào)頻，從而維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

根據(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?，風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻死區(qū)f1的設(shè)置范圍為±0.03~±0.10 Hz，光伏電站調(diào)頻死區(qū)f2的設(shè)置范圍為±0.02~±0.06 Hz，可再生能源電站一次調(diào)頻功率不小于運(yùn)行功率的6%/10%(低頻/高頻)，一次調(diào)頻調(diào)差率為2%~10%；儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻死區(qū)f3的設(shè)置范圍為±0.03~±0.05 Hz，且能夠應(yīng)對(duì)多種運(yùn)行負(fù)荷工況。

GB/T 31464—2015?電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則?指出，為防止單次切機(jī)量過(guò)多導(dǎo)致的低頻減載裝置動(dòng)作和適應(yīng)功率過(guò)剩的不同場(chǎng)景，在滿足系統(tǒng)控制要求前提下，電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)應(yīng)利用時(shí)間元件與頻率元件組合的方式分輪次動(dòng)作。因此，本文頻率緊急控制方案中采用分輪次動(dòng)作策略，動(dòng)作順序依次為儲(chǔ)能系統(tǒng)、水電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、火電機(jī)組。為保證系統(tǒng)頻率迅速恢復(fù)到允許范圍內(nèi)，本文頻率緊急控制策略中高頻切機(jī)輪次介于2輪至5輪之間，各輪次頻率級(jí)差取0.2 Hz，各輪次延時(shí)取0.2 s。此外，含高比例可再生能源的電力系統(tǒng)由于慣性低、功率擾動(dòng)反應(yīng)靈敏，易發(fā)生電網(wǎng)低頻減載過(guò)切，且末端配網(wǎng)連接有分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)，無(wú)潮流方向判別切除負(fù)荷分支將造成頻率指標(biāo)進(jìn)一步惡化，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)湖南省“堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)”建設(shè)目標(biāo)，需要充分考慮頻率調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)民生用電、生產(chǎn)用電的影響。

2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)化

隨著電力市場(chǎng)逐步發(fā)展，電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、低碳性地位愈發(fā)突出。因此，頻率控制策略優(yōu)化需要計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益、碳排放效應(yīng)。光伏發(fā)電站運(yùn)行成本如式(2)、式(3)所示。

式中，T為頻率緊急控制實(shí)施前時(shí)窗；FPV為光伏發(fā)電站棄光懲罰費(fèi)用；FR為光伏發(fā)電波動(dòng)補(bǔ)償成本；FLOSS為丟失負(fù)荷懲罰費(fèi)用；CPV為單位棄光懲罰費(fèi)用；CLOSS為單位損失負(fù)荷懲罰費(fèi)用；EPV，t為t時(shí)段光伏發(fā)電站棄光總量；ELOSS，t為t時(shí)段光伏發(fā)電站損失負(fù)荷總量；KH為波動(dòng)補(bǔ)償費(fèi)用系數(shù)；ND為光伏出力的采樣周期；PJ，n為第n個(gè)采樣周期的波動(dòng)補(bǔ)償功率。

風(fēng)力發(fā)電站運(yùn)行成本如式(4)所示。

式中，Cw為風(fēng)力發(fā)電站運(yùn)行－維護(hù)成本系數(shù)；Pwt為風(fēng)力發(fā)電站在t時(shí)段的輸出總功率。

火電機(jī)組發(fā)電排放的氣體是電力系統(tǒng)碳排放主要來(lái)源，對(duì)于水電機(jī)組、可再生能源機(jī)組(包括風(fēng)機(jī)和光伏)，其生產(chǎn)單位電能的碳排放近似為0。

電力系統(tǒng)碳排放指標(biāo)一般可用碳排放強(qiáng)度指標(biāo)表示。不同類型火電機(jī)組的碳排放強(qiáng)度不同，受燃料品質(zhì)、機(jī)組特性等因素影響，火電機(jī)組碳排放強(qiáng)度EGi可根據(jù)式(5)計(jì)算。

式中，ηi、μi、ξi分別為第i個(gè)火電機(jī)組的燃煤含碳量、碳捕捉率以及碳氧化率；ωi為第i個(gè)火電機(jī)組的發(fā)電煤耗率，g/(kW·h)；MC為碳摩爾質(zhì)量，取12 g/mol；MCO2為二氧化碳摩爾質(zhì)量，取44 g/mol。

其中，火電機(jī)組發(fā)電煤耗率受當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)影響，其計(jì)算如式(6)所示。

式中，ai、bi、ci分別為第i個(gè)火電機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下的燃煤耗量特性參數(shù)；ζi為第i個(gè)火電機(jī)組發(fā)電耗煤率修正系數(shù)，機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下ζi取1，機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下ζi取0，在深夜調(diào)峰或快速升降負(fù)荷狀態(tài)下ζi取1.01。

3 頻率緊急控制改進(jìn)方案

隨著輸電網(wǎng)連接的大規(guī)?？稍偕茉?、配電網(wǎng)連接的分布式電源的快速大量接入，新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)功率波動(dòng)性強(qiáng)、頻率調(diào)節(jié)慣量與阻尼小、配電網(wǎng)有源化、潮流方向多變等特征。高比例可再生能源接入下，電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)已成為發(fā)電、用電的綜合體，電網(wǎng)控制與保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)過(guò)程中，須判別待控制網(wǎng)絡(luò)或分支屬于“源”還是“負(fù)荷”，從而評(píng)估切除該配網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)整體頻率造成的影響。為了保障新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，優(yōu)化系統(tǒng)頻率特性，本文提出一種基于綜合直接潮流的頻率緊急方案，即基于典型高頻切機(jī)、低頻減載策略，通過(guò)潮流計(jì)算判別各配電網(wǎng)相對(duì)大電網(wǎng)的潮流方向，從而將各個(gè)配網(wǎng)逐一定性為“源”或“負(fù)荷”，從而判別切除該配電網(wǎng)為低頻減載或高頻切機(jī)。

配電網(wǎng)綜合直接潮流計(jì)算過(guò)程中首先要建立對(duì)應(yīng)的輸/配電變壓器、同步機(jī)電源和分布式可再生能源的潮流特性數(shù)學(xué)模型。使用牛頓－拉夫遜法生成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣、雅可比矩陣，進(jìn)而求解主網(wǎng)系統(tǒng)概率隨機(jī)模糊潮流問(wèn)題；使用前推回代法求解配電網(wǎng)系統(tǒng)概率隨機(jī)模糊潮流問(wèn)題。利用邊界節(jié)點(diǎn)間的電壓和主配網(wǎng)間的交互功率實(shí)現(xiàn)了包括分布式發(fā)電和儲(chǔ)能電源在內(nèi)的主配電網(wǎng)的概率隨機(jī)模糊潮流計(jì)算。其計(jì)算流程如圖3所示，其中ΔU(k)為第k次潮流計(jì)算循環(huán)中各節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)間的電壓差。

圖3 配電網(wǎng)綜合直接潮流計(jì)算流程

當(dāng)配電網(wǎng)至主網(wǎng)間輸電通道的功率傳輸方向?yàn)橛膳渚W(wǎng)至主網(wǎng)，則判定該配網(wǎng)類型為“源”；若配電網(wǎng)至主網(wǎng)間輸電通道的功率傳輸方向?yàn)橛芍骶W(wǎng)至配網(wǎng)，則判定該配網(wǎng)類型為“負(fù)荷”。綜上，本文頻率緊急控制改進(jìn)方案策略如圖4所示。

圖4 頻率緊急控制改進(jìn)方案策略

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高比例可再生能源、多逆變類電源、集中與分布式儲(chǔ)能接入場(chǎng)景下新型電力系統(tǒng)頻率緊急控制復(fù)雜度高的問(wèn)題，以湖南電網(wǎng)為例，提出了基于綜合直接潮流計(jì)算的快速頻率緊急控制方案，該方案計(jì)及儲(chǔ)能功率吞吐效應(yīng)，兼顧了切除配網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，提升了頻率緊急控制精確度。