郭雁一夫,劉紅文,葉 偉,丁桂林,陸仕信
(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司,湖南 株洲 412001)
近年來(lái),我國(guó)風(fēng)力發(fā)電新增并網(wǎng)裝機(jī)容量屢創(chuàng)新高。截至2020年底,我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)2.81億千瓦,規(guī)模居世界首位。2020年底發(fā)布的《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書提出了我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo),即“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。然而,隨著風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)滲透的不斷增加,這給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)[1-3]。此外,由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前風(fēng)電的主流機(jī)型,其基本原理就是通過(guò)變流器裝置對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率進(jìn)行解耦,導(dǎo)致其有功功率無(wú)法響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后,電力系統(tǒng)的慣性響應(yīng)時(shí)間常數(shù)減小,整個(gè)電力系統(tǒng)的慣性進(jìn)一步降低,此時(shí)頻率的最大偏差可能超過(guò)正常范圍,會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性造成巨大的影響[4-6],因此開發(fā)風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻功能非常必要,這將直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
電網(wǎng)調(diào)頻包含慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻[7]。慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻是指,當(dāng)電網(wǎng)頻率的變化量或者變化率超過(guò)頻率整定的死區(qū)時(shí),風(fēng)電場(chǎng)能夠快速調(diào)整整場(chǎng)的有功功率輸出來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的擾動(dòng),以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行[8-10]。二次調(diào)頻即目前的AGC(自動(dòng)發(fā)電控制)有功功率控制,本文暫時(shí)不對(duì)其展開分析。目前行業(yè)內(nèi)普遍僅對(duì)一次調(diào)頻有較為深入的研究[11-12],針對(duì)慣量響應(yīng)的研究還沒有進(jìn)行推廣[13],而結(jié)合一次調(diào)頻與慣量響應(yīng)的研究更為稀少。為此,本文提出一種風(fēng)電場(chǎng)慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻相結(jié)合的系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“調(diào)頻系統(tǒng)”)方案,其采用調(diào)頻裝置和能量管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻功能,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,使其最終能夠滿足電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻方案主要包括調(diào)頻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)應(yīng)用方案。本文基于場(chǎng)站級(jí)AGC控制系統(tǒng)和能量管理平臺(tái)等主流的調(diào)頻系統(tǒng)方案,提出一種慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻相結(jié)合的調(diào)頻方案。
本節(jié)主要描述調(diào)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟约皥?chǎng)站級(jí)調(diào)頻原理和機(jī)組級(jí)調(diào)頻原理。
1.1.1 風(fēng)電場(chǎng)級(jí)調(diào)頻結(jié)構(gòu)與工作原理
風(fēng)電場(chǎng)級(jí)的調(diào)頻結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)調(diào)頻設(shè)備采集并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)電壓、電流及頻率等信號(hào),然后將信號(hào)送給場(chǎng)站級(jí)的能量管理平臺(tái),再由能量管理平臺(tái)調(diào)整風(fēng)機(jī)的有功功率輸出,也可以直接將功率指令送給風(fēng)機(jī)執(zhí)行,從而達(dá)到調(diào)頻的目的。調(diào)頻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 調(diào)頻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology of frequency regulation system
調(diào)頻系統(tǒng)的主要工作流程如下:
(1)調(diào)頻設(shè)備檢測(cè)到實(shí)際電網(wǎng)頻率的變化超過(guò)頻率設(shè)定的死區(qū)后,調(diào)頻系統(tǒng)會(huì)根據(jù)頻率的變化計(jì)算出有功功率的差值;
(2)通過(guò)判斷AGC與調(diào)頻系統(tǒng)的配合關(guān)系,將處理后的實(shí)際有功功率指令發(fā)送給能量管理平臺(tái)或者直接發(fā)送給風(fēng)機(jī);
(3)風(fēng)機(jī)接收并響應(yīng)指令,完成有功功率的調(diào)節(jié);
(4)調(diào)頻結(jié)束后,恢復(fù)原來(lái)的功率控制模式。
1.1.2 風(fēng)電機(jī)組級(jí)調(diào)頻原理
風(fēng)電機(jī)組級(jí)調(diào)頻原理可以分為兩類,分別是機(jī)械控制策略與電氣控制策略。機(jī)械控制策略即變槳距控制策略,電氣控制策略包括虛擬慣量控制策略與超速控制策略。
變槳距控制是通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組的槳距角來(lái)改變風(fēng)能利用系數(shù),從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)的輸出功率。當(dāng)葉尖速比一定時(shí),槳距角與風(fēng)能利用系數(shù)成反比,即槳距角越大,利用系數(shù)越小,風(fēng)電機(jī)組的有功功率備用容量就越大。采用變槳距控制策略調(diào)頻的優(yōu)點(diǎn)是,可以獲得較多的有功備用容量,并且在極端風(fēng)況下也可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的有功功率;缺點(diǎn)就是響應(yīng)速度受限。
虛擬慣量控制是指在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中,通過(guò)改變功率給定參考值影響風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定,從而改變風(fēng)機(jī)的輸出功率,以快速響應(yīng)頻率的變化。采用這種控制策略會(huì)使得有功功率的響應(yīng)速度大大加快,能夠很好地支撐電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定;但是,受風(fēng)機(jī)本身機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響,可能在功率恢復(fù)的過(guò)程中會(huì)造成頻率的再次波動(dòng),無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間支撐。
超速控制策略是控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子超速運(yùn)行,將風(fēng)機(jī)的當(dāng)前功率與最優(yōu)跟蹤曲線的輸出功率差值組成有功備用容量。這種控制策略能夠達(dá)到較高的響應(yīng)速度;但是受風(fēng)速的影響較大,而且會(huì)降低風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。
現(xiàn)有的3種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。目前風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻系統(tǒng)傾向于將3種控制策略組合起來(lái),綜合考慮響應(yīng)速度與備用容量,達(dá)到增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力。
表1 調(diào)頻控制策略優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Advantages and disadvantages of frequency regulation system
針對(duì)不同電網(wǎng)的要求,一般調(diào)頻系統(tǒng)的方案可以分為以下3種:
(1)場(chǎng)站級(jí)AGC控制系統(tǒng)優(yōu)化。在AGC控制系統(tǒng)中增加電網(wǎng)頻率檢測(cè)、調(diào)頻控制算法等功能模塊,直接將計(jì)算得到的目標(biāo)值發(fā)送給能量管理平臺(tái),然后再由能量管理平臺(tái)控制風(fēng)機(jī),實(shí)現(xiàn)有功功率的增減。這種方案只需要優(yōu)化原有的AGC控制系統(tǒng),對(duì)能量管理平臺(tái)和風(fēng)機(jī)端都不需要進(jìn)行修改,成本增加小。但是該優(yōu)化方式涉及的環(huán)節(jié)較多且有可能優(yōu)化后的性能指標(biāo)并不能滿足電網(wǎng)的要求,存在一些技術(shù)難點(diǎn)。
(2)能量管理平臺(tái)優(yōu)化,新增調(diào)頻系統(tǒng)。調(diào)頻系統(tǒng)只和能量管理平臺(tái)進(jìn)行通信,調(diào)頻系統(tǒng)將計(jì)算得到的功率指令發(fā)送給能量管理平臺(tái),在能量管理平臺(tái)中處理AGC指令和調(diào)頻指令的閉鎖關(guān)系,這樣就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的功能。但是有些電網(wǎng)的相關(guān)指標(biāo)可能比較嚴(yán)苛,特別是舊風(fēng)場(chǎng)的能量管理平臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間有可能達(dá)不到要求。
(3)調(diào)頻系統(tǒng)直接連接風(fēng)機(jī),直接由調(diào)頻系統(tǒng)來(lái)控制風(fēng)機(jī),在快頻期間優(yōu)先快頻指令。這種方案可以達(dá)到最快的響應(yīng)速度,但是由于調(diào)頻系統(tǒng)與原來(lái)的能量管理平臺(tái)處于并行狀態(tài),在兩者的切換過(guò)程中會(huì)造成全場(chǎng)有功的超調(diào),不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定。
針對(duì)以上3種方案不同的優(yōu)缺點(diǎn),為了滿足南方電網(wǎng)的調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)和要求,本文在后兩種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,提出一種能量管理平臺(tái)和調(diào)頻裝置相結(jié)合的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的頻率響應(yīng)。其原理如圖2所示。
圖2 調(diào)頻系統(tǒng)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the topology of frequency regulation system
如圖2所示,該方案新增調(diào)頻裝置,同時(shí)優(yōu)化能量管理平臺(tái)。將調(diào)頻裝置串聯(lián)在調(diào)度主站與能量管理平臺(tái)的中間,這樣調(diào)頻裝置能直接與風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行通信,而風(fēng)電機(jī)組能夠同時(shí)接收調(diào)頻裝置與能量管理平臺(tái)的指令,并根據(jù)不同的工況進(jìn)行自適應(yīng)地響應(yīng)有功指令。
由于慣量響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間快、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn),系統(tǒng)在慣量響應(yīng)期間,采用調(diào)頻裝置直連風(fēng)機(jī)的控制策略,以保證慣量響應(yīng)的要求;而一次調(diào)頻的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性要求更高,則在一次調(diào)頻期間,調(diào)頻裝置將風(fēng)電場(chǎng)總有功指令下發(fā)給能量管理平臺(tái),由能量管理平臺(tái)控制風(fēng)機(jī),以保證調(diào)頻期間電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此方案不僅慣量響應(yīng)速度快,同時(shí)能夠較好地控制調(diào)頻期間電網(wǎng)的穩(wěn)定性,且在一次調(diào)頻期間還能很好地控制有功功率偏差,并能夠解決調(diào)頻退出時(shí)功率超調(diào)的問(wèn)題。
由于各地電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求不一致,針對(duì)頻率響應(yīng)的指標(biāo)與要求也存在差異,本文以云南某49.5 MW風(fēng)場(chǎng)為例,使用能量管理平臺(tái)與風(fēng)機(jī)結(jié)合的優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)踐與驗(yàn)證。依據(jù)云南電網(wǎng)新能源場(chǎng)站接入系統(tǒng)技術(shù)原則、南方電網(wǎng)新能源場(chǎng)站一次調(diào)頻功能技術(shù)要求等文件,完成頻率響應(yīng)測(cè)試。該測(cè)試要求新能源場(chǎng)站應(yīng)具備頻率調(diào)節(jié)功能、一次調(diào)頻功能,并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一次調(diào)頻功能始終投入并確保正常運(yùn)行,且具備慣量響應(yīng)功能。頻率調(diào)節(jié)能力指標(biāo)由調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況制定。
當(dāng)電網(wǎng)頻率的變化率大于死區(qū)范圍,且整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率輸出大于20%PN(PN為場(chǎng)站額定容量)時(shí),應(yīng)提供慣量響應(yīng),并且有功功率變化量?P應(yīng)滿足式(1),?P的響應(yīng)時(shí)間不大于1 s,允許偏差不大于±2%PN。
式中:?P——場(chǎng)站有功功率變化量,W;Tj——場(chǎng)站慣性時(shí)間常數(shù),s;fN——電力系統(tǒng)額定頻率,Hz;f——并網(wǎng)點(diǎn)頻率,Hz。
當(dāng)系統(tǒng)頻率變化率大于死區(qū)范圍且新能源場(chǎng)站有功功率大于20%PN時(shí),應(yīng)能夠參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。一次調(diào)頻功率上限為6%PN,一次調(diào)頻的功率下限為10%PN,整體調(diào)頻趨勢(shì)如圖3所示。
圖3 頻率變化量調(diào)頻示意圖Fig.3 Schematic diagram of the frequency regulation based on frequency change
頻率響應(yīng)的性能指標(biāo)如下:
(1)一次調(diào)頻啟動(dòng)時(shí)間,就是從電網(wǎng)頻率變化達(dá)到一次調(diào)頻動(dòng)作值后機(jī)組負(fù)荷變化量達(dá)到10%預(yù)期功率變化量(調(diào)頻目標(biāo)功率與實(shí)際功率的偏差)的時(shí)間,要求不大于3 s;
(2)一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間,就是在機(jī)組參與一次調(diào)頻過(guò)程中,電網(wǎng)頻率穩(wěn)定后,機(jī)組負(fù)荷達(dá)到90%預(yù)期功率變化量的時(shí)間,要求不大于12 s;
(3)一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時(shí)間,是在電網(wǎng)頻率變化超過(guò)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí),機(jī)組負(fù)荷進(jìn)入±2%PN誤差范圍內(nèi)的時(shí)間,技術(shù)要求不大于15 s;
(4)一次調(diào)頻指令的有功功率偏差,在頻率偏離死區(qū)后,有功功率開始調(diào)節(jié),等到有功功率穩(wěn)定時(shí),新能源場(chǎng)站響應(yīng)一次調(diào)頻指令的有功功率偏差應(yīng)在的±2%PN以內(nèi)。
根據(jù)云南電網(wǎng)的技術(shù)要求,本文所提出的基于能量管理平臺(tái)與風(fēng)機(jī)同時(shí)優(yōu)化的方案,在云南某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試與驗(yàn)證。測(cè)試慣性時(shí)間常數(shù)為5 s,頻率變化量與變化率的調(diào)節(jié)死區(qū)分別為±0.1 Hz與±0.05 Hz/s,功率調(diào)節(jié)死區(qū)為±10%PN。
分別在小風(fēng)低負(fù)荷(30%PN~50%PN)和大風(fēng)高負(fù)荷(70%PN~90%PN)工況下進(jìn)行慣量響應(yīng)(即頻率變化率)測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 慣量響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Inertia response test results
大風(fēng)限負(fù)荷上擾和小風(fēng)限負(fù)荷下擾工況測(cè)試波形如圖4和圖5所示。
圖4 慣量響應(yīng)測(cè)試時(shí)大風(fēng)、限負(fù)荷工況下頻率變化率上擾圖Fig.4 Frequency change rate up graph of inertia response test in the condition of large wind and limited load
圖5 慣量響應(yīng)測(cè)試時(shí)小風(fēng)、限負(fù)荷工況下頻率變化率下擾圖Fig.5 Frequency change rate down graph of inertia response test in the condition of small wind and limited load
從圖4和圖5的頻率變化率試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出,當(dāng)頻率變化率超過(guò)死區(qū)時(shí),風(fēng)電場(chǎng)有功功率將進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率,系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.7 s和0.9 s、功率偏差為0.42%PN和0.18%PN,滿足上文所述的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1 s和功率偏差不超過(guò)±2%PN的要求。
分別在小風(fēng)低負(fù)荷(30%PN~50%PN)和大風(fēng)高負(fù)荷(70%PN~90%PN)工況下進(jìn)行一次調(diào)頻(即頻率變化量)測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表3 一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of primary frequency regulation
大風(fēng)限負(fù)荷上擾及下擾工況測(cè)試波形如圖6和圖7所示。
圖6 大風(fēng)、限負(fù)荷工況下一次調(diào)頻時(shí)頻率變化量上擾圖Fig.6 Frequency change up graph of primary frequency regulation test in the condition of large wind and limited load
圖7 大風(fēng)、限負(fù)荷工況下一次調(diào)頻時(shí)頻率變化量下擾圖Fig.7 Frequency change down graph of primary frequency regulation test in the condition of large wind and limited load
從圖6和圖7頻率變化量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出,當(dāng)頻率的變化量超過(guò)死區(qū)時(shí),風(fēng)電場(chǎng)有功功率將進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率,系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間分別為0.8 s和1.1 s,對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為3.9 s和3.4 s,調(diào)節(jié)時(shí)間分別為7.3 s和6.0 s、功率偏差為0.23%PN和0.28%PN,滿足第2節(jié)所述頻率響應(yīng)性能指標(biāo)要求,即啟動(dòng)時(shí)間不超過(guò)3 s,響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)12 s,調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)15 s,功率偏差不超過(guò)±2%PN的要求。
為了驗(yàn)證調(diào)頻系統(tǒng)與AGC的協(xié)調(diào)配合關(guān)系,根據(jù)AGC指令與頻率響應(yīng)指令的先后次序和類型,在頻率擾動(dòng)情況下開展指令疊加試驗(yàn)。其中AGC與調(diào)頻系統(tǒng)的配合關(guān)系可以分為5種類型,分別是AGC閉鎖調(diào)頻系統(tǒng),調(diào)頻系統(tǒng)閉鎖AGC,AGC與調(diào)頻系統(tǒng)同反向均疊加,同向疊加與反向AGC閉鎖調(diào)頻系統(tǒng),同向疊加與反向調(diào)頻系統(tǒng)閉鎖AGC。測(cè)試結(jié)果顯示,5種配合關(guān)系均滿足電網(wǎng)要求。
同向疊加與反向AGC閉鎖調(diào)頻系統(tǒng)的部分工況測(cè)試波形如圖8和圖9所示。
圖8 AGC協(xié)調(diào)測(cè)試時(shí)頻率上擾+二次調(diào)頻降圖Fig.8 Frequency up and AGC down graph of AGC coordinated control test
圖9 AGC協(xié)調(diào)測(cè)試時(shí)頻率下擾+二次調(diào)頻降圖Fig.9 Frequency down and AGC down graph of AGC coordinated control test
從圖8和圖9頻率變化量試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,在同向疊加與反向AGC閉鎖調(diào)頻系統(tǒng)的模式下,能夠?qū)崿F(xiàn)在AGC指令與調(diào)頻指令變化方向相同時(shí)指令疊加;AGC指令與調(diào)頻指令變化方向相反時(shí),優(yōu)先響應(yīng)AGC的有功指令,等AGC調(diào)節(jié)到位后再響應(yīng)調(diào)頻系統(tǒng)的指令。測(cè)試結(jié)果表明,所有AGC的協(xié)調(diào)測(cè)試結(jié)果均滿足云南電網(wǎng)在不同模式下針對(duì)調(diào)頻系統(tǒng)和AGC相互閉鎖的相關(guān)要求。
針對(duì)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電提出的風(fēng)電場(chǎng)需要滿足慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻的需求,本文基于風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻結(jié)構(gòu)與原理,對(duì)比目前市場(chǎng)常見的3種頻率響應(yīng)方案,并綜合考慮現(xiàn)階段技術(shù)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性后,提出了一種能量管理平臺(tái)和調(diào)頻裝置相結(jié)合的調(diào)頻方案,并在云南某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)踐與驗(yàn)證。結(jié)果顯示,其慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻以及AGC聯(lián)調(diào)均滿足電網(wǎng)頻率響應(yīng)測(cè)試相關(guān)要求。雖然本文提出的這種方案對(duì)于現(xiàn)有大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)與完善具有很好的實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值,但其在慣量響應(yīng)結(jié)束后功率恢復(fù)的過(guò)程中存在一定的超調(diào),可能會(huì)引起有功功率的二次波動(dòng),后續(xù)將對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。